Научные результаты:
Создана первая в России специализированная лаборатория по исследованию ледниковых кернов.
В целях продления хронологии климатических событий, полученной в результате исследования предыдущих кернов льда с Эльбруса, в августе 2021 г. был выполнен комплекс работ на платообразном участке в восточной части Катынского плато в области питания ледника Безенги на высоте 4750 м к востоку от Эльбруса. Работы включали бурение скважины с отбором керна, измерение температуры в скважине, радиозондирование толщи ледника, комплекс метеорологических наблюдений, отбор образцов в снежном шурфе, получен керн до ложа 93 м. В 2022 г. выполнено бурение ледника в кратере вулкана Ушковский (Камчатка).
Выполнено более 1000 анализов образцов снега и льда восточной вершины Эльбруса и Безенги методом ионной хроматографии, анализ микрочастиц методом Колтера, изотопные анализы и определение содержание общего органического углерода. Налажена система отбора образцов из ледяных кернов в холодной лаборатории, соблюдаются протоколы чистого отбора, контролируется чистота используемой ультрачистой воды.
Проанализировано 96,35 м керна восточной вершины Эльбруса, пробуренного в августе 2020 г. Для проведения химически чистого анализа вырезалась продольная секция из каждого 57–60-см керна (всего 163 керна) размером 34*34 мм и выплавлялась внутренняя часть 26*26 мм со скоростью 35–40 мм/мин. По герметичным линиям пробы распределялись на фракции и параллельно перекачивались в камеры анализаторов. Для керна Восточной вершины Эльбруса выполнен также анализ микроэлементов (Li, La, Ca, Ti, Pr, V, Cr, Mn, Ni, Sr, Fe, Pb, Be, Rb, Y, Al, Co, Bi, Cu, Mo, Ag, Сs, Cd, Zn) по всей глубине.
Получены данные о химическом и изотопном составе ледового керна, полученного в 2021 г. на Катынском плато в районе ледника Безенги и керна восточной вершины Эльбруса. Анализ результатов указывает на низкую аккумуляцию снега (0,3 -0,4 м .в.э.) и значительный возраст придонных слоев, что позволяет предположить максимальный возраст льда для Кавказа (более 2-5 тыс. лет). Отобраны образцы на абсолютное датирование.
В колебаниях химических элементов и соединений в ледяных кернах прослеживается четко выраженный сезонный сигнал для периода ~ 1774–2009 гг. После первого исследования изменения минеральной пыли и загрязнения сульфатами были начаты работы по изучению других аспектов недавних изменений химического состава атмосферы. Во-первых, в рамках проекта изучается изменение концентрации двух основных азотных загрязнителей (аммоний и нитраты) и их связь с возрастающей эмиссией аммония (в основном за счет сельского хозяйства) и оксидов азота (за счет транспорта). Сравнение концентраций соединений в керне и каталогов эмиссий в прошлом выполнено с применением модели переноса аэрозолей в атмосфере FLEXPART. Такой подход позволяет снизить погрешность эмиссии оксида углерода, что является ключом к пониманию изменения озона в Европе в прошлом и будущем. Знание доиндустриального уровня аммония и нитратов в кернах Эльбруса также позволяет реконструировать эмиссию аммония и нитратов в юго-восточной Европе.
По сравнению с неорганическими аэрозолями (пыль, сульфат, аммоний и нитрат) исследования прошлых изменений органической фракции атмосферного аэрозоля по данным ледяных кернов гораздо реже. Керны альпийского льда недавно показали, что органическая фракция аэрозоля представляет собой важный вклад аэрозоля, который увеличился в 2–3 раза с начала до конца 20 века. На основе анализа 14C органического углерода (OC), присутствующего во льду, было показано, что это увеличение OC в основном вызвано увеличением выбросов летучих органических соединений (изопрена и монотерпенов) растительностью, хотя параметры окружающей среды, которые вызвали это увеличение (земля, температура, уровень СО2 в атмосфере) плохо изучены. Эти исследования выполняются и в ледяных кернах Эльбруса. Тренд ОС, наблюдаемый в ледниках Эльбруса с начала до конца ХХ века, слабее, чем в Альпах. Среди прочего, одной из возможных причин такого различия между Западной Европой и Юго-Восточной Европой может быть менее выраженное влияние сельскохозяйственной деятельности на использование лесов в Кавказском регионе по сравнению со странами Западной Европы.
Выполнен изотопный анализ образцов древесины для Европейской части России. Получены результаты измерения содержания стабильного изотопа углерода δC13. Данные будут использованы для проведения корреляционного анализа с метеорологическими параметрами, что поможет выявить климатический сигнал, записанный в изменениях δC13 в целлюлозе древесины сосны Ярославля и окрестностей.
Проведено сравнение модельных данных с результатами дендроклиматических реконструкций летней температуры на основе оптической плотности годичных колец деревьев для Соловецких островов и Северного Кавказа (рассматривался период 1500-1850 гг). Результаты моделирования демонстрируют существенный отклик среднегодовой глобальной температуры Земли на извержения следующих годов: 1600 (~0.7-0.9°С), 1640 (~0.6°С), 1695 (~0.5°С), 1783 (~0-1°С), 1809 (~0.4-0.9°С), 1815 (~0.5-1.7°С).
Были выполнены исследования динамики палеопожаров в западной части Кавказа (Кавказский государственный природный биосферный заповедник) по данным палеоантракологического анализа отложений озера Хуко (1744 м над у.м.), позволяющих рассмотреть историю лесных пожаров на протяжении последних 10.5 тыс. лет. Полученные данные показали в целом низкую пожарную активность на западном Кавказе в течение голоцена. Увеличение частоты пожаров и аккумуляции макрочастиц угля выявлено для последних 500 лет. Исключение составляет временной интервал между 4.0 и 5.2 тыс. лет назад. В этот период концентрация частиц угля на 2 порядка превышает фоновые концентрации, выявленные для остальной части озерного керна. Выявлена серия пожарных эпизодов, очевидно соответствующих крупным и катастрофическим пожарам на прилегающей территории. Возраст этих пиков совпадает с событием 4.2 тыс. лет назад, который характеризовался нестабильностью климатических условий в Северном полушарии.
В рамках задачи по восстановлению истории извержений Эльбруса выполнено изучение керна из болота Кубус (Республика Северная Осетия, N 42.89368, E 43.57733). Проведено определение концентрации криптотефры на основе изучения микропрепаратов риолитовой фракции 25-80 мкм из нижней части керна, представленной озерными отложениями. Отмечается высокое «фоновое» содержание криптотефры в озерных отложениях, но также выделяются пики очень высокой концентрации криптотефры, вероятно отвечающие вулканическим извержениям.
Для получения данных о составе продуктов последних извержений Эльбруса было проведено опробование видимых горизонтов голоценовой тефры из разрезов на южном и северо-восточном склонах вулкана, в том числе, из озерных отложений на поверхности лавового потока в 1 км севернее от пос. Азау (N 43.275185б° E 42.480811°) и из торфяника в озерной котловине в урочище Джилы-Су (N 43.44416° E 42.55577°). В центральной части торфяника Джилы-Су была пробурена скважина Jsu-2, получен керн длиной 4,2 м. В общей сложности отобрано двадцать образцов тефры и шесть образцов осадка на радиоуглеродное датирование. Дополнительно проведены камеральные работы по изучению в лаборатории отложений оз. Гарабаши, которые были отобраны ранее.
В ходе экспедиционных работ были отобраны образцы лавовых потоков разного возраста в Приэльбрусье для датирования по 36Cl. Поскольку морены ледников Эльбруса в изобилии содержат пирокластический материал, для корректного определения их возраста по космогенным изотопам необходимо иметь представление о возрасте вулканических отложений. В настоящее время данные о голоценовых извержениях Эльбруса очень скудны и фактически ограничиваются несколькими радиоуглеродными датировками форм рельефа, сопряженных с лавовыми потоками. Отобрано 10 образцов на 36Сl из вулканических отложений, предположительно имеющих голоценовый возраст, в долинах ледников Большой Азау и Гарабаши. Установлено, что за последние 1600-1700 лет ни одно из возможных наступаний ледника Ирик не превосходило 2.5 км по длине. Сходное по масштабам, но чуть меньшее, наступание произошло в конце малого ледникового периода в 1880-е гг. Одно из наиболее значительных наступаний ледника Шхельда, по данным космогенного датирования, относится к периоду 0.16 ± 0.03 ka 10Be, т.е. произошло в 1840-х гг. Морена этого возраста датирована и на леднике Кашкаташ по дендрохронологическим данным; наступание ледника Большой Азау в 1849 году описано при его первом посещении академиком Абихом. Таким образом, первые результаты датирования морен Кавказа по бериллию-10 согласуются с полученными ранее, но дают новую информацию, которую трудно, а чаще – невозможно - получить с помощью других методов, которые имеют ограниченный временной диапазон применения.
Создана первая хронология клеточных параметров годичных колец деревьев для Европейской территории России. Измерены следующие клеточные параметры: толщина клеточных стенок, площадь люмена, средняя площадь клетки, минимальное, среднее и максимальное количество клеток для каждого годичного кольца и др.
Выполнен отбор образцов дуба на Кавказе для построения новых хронологий дуба сигнала увлажненности. На Северном Кавказе были заложены три пробные площади дуба черешчатого (Quercus robur). Построены три древесно-кольцевые хронологии по ширине годичных колец для живых деревьев продолжительностью от 100 лет. Эти хронологии увеличивают географическое покрытие Европейской территории России дендрохронологическими данными, пригодными для использования в дендроклиматологии. Измерения ширины колец археологических образцов были использованы для наполнения древесно-кольцевых хронологий соответствующих регионов и продления их в прошлое. По статистике, основанной на данном материале, на каждые 10 измеренных археологических образцов в хронологию удается включить лишь 30-50%. Все полученные измерения оптической плотности для Вологодской, Костромской и Ярославской областей включены в имеющиеся хронологии для их наполнения в разные периоды (15-20 вв.). Это позволило повысить надежность хронологий и получить более высокие значения статистических характеристик для последующего построения климатических реконструкций на их основе.
На ключевом полигоне по изучению почвенных архивов палеопожаров на Терских Кейвах Кольского полуострова самый молодой из погребенных пирогенных горизонтов имел возраст 130±75 cal BP, а самые древние горизонты охватывали период 10635±45 – 9595±45 cal BP. Наиболее древняя дата получена для обугленных остатков корневых систем в раннеголоценовой почве, которая прослеживается во всех трех траншеях. Возраст остальных углистых частиц укладывался в диапазон дат 6560±45 – 305±60 cal BP. При распределении радиоуглеродных дат по глубине не было обнаружено инверсий, что дополнительно подтвердило высокое качество записи информации в архиве по осадочному «книгоподобному» типу. Большую часть всех пирогенных горизонтов составляло обугленное вещество с содержанием органического C 69,60±4,85%, общего азота 0,42±0,29%, C/N 265±143 и очень небольшим варьированием соотношения стабильных изотопов углерода (δ13С) – -25,69±0,92‰ (большинство углистых частиц принадлежало хвойным породам).
Массив радиоуглеродных дат для углистых частиц из пирогенных почв Терских Кейв Кольского полуострова достиг 75 определений, что позволило построить распределение суммарной плотности вероятности в пределах интервалов калиброванного радиоуглеродного возраста для погребенных углистых частиц. Выделены несколько периодов повышенной пирогенной активности: 10600-10200, 9800-9400, 7600-7200 и 6800-5200 кал. л.н., а также колебания вокруг относительно постоянного высокого уровня начиная с 4500 кал. л.н. по настоящее время. Беспожарные периоды были наиболее отчетливы 9400-8800 и 8200-7600 кал. л.н. Максимальное количество пожаров за тысячелетие по распределению средних значений достигло 15 и относится к периоду 6000-5000 кал. л.н.
Таким образом, для Терских Кейв Кольского полуострова также, как и для ледниково-карстовых ландшафтов междуречья Кулоя и Пинеги на севере Архангельской области, зафиксирована пожарная активность начиная с раннего голоцена 10600-10200 кал. л.н. В данных регионах в раннем голоцене уже было достаточно растительной биомассы для интенсивного горения и продуцирования большого количества углистых частиц, принадлежащих, в том числе, древесным видам. В это время могла установиться растительность с мощными корневыми системами, что отмечено во всех обследованных траншеях на Терских Кейвах.
Образование и переподготовка кадров:
При непосредственном участии сотрудников лаборатории разработаны и внедрены учебные дисциплины на факультете Географии и геоинформационных технологий НИУ ВШЭ. Учебная дисциплина «Земные сферы» в разделе криосфера включает в себя ряд теоретических и практических занятий, проводимых непосредственно в лаборатории. Учебная дисциплина «Изменения природной среды в прошлом и методы Палеогеографии» фактически проводится на базе лаборатории при участии большинства научных групп.
Ряд методических подходов, а также примеры и данные для работы на семинарах дисциплины «Математические методы, анализ и визуализация данных в изучении природных систем» получены в рамках проекта.
Сотрудничество:
- Британская Антарктическая служба (Великобритания), лаборатория геофизики окружающей среды Университета Гренобль-Альпы (Франция), Институт Пола Шеррера (Швейцария), Университет Огайо, Центр прикладных изотопных исследований (CAIS) Университета Джорджии (США): совместные исследования.
-
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук, МГУ имени М.В.Ломоносова (Россия): совместные исследования и публикации.
