20. gadsimta pirmajā pusē serbu matemātiķis Milutins Milankovičs pēc vairāku desmitu gadu ilga darba aprēķināja, kā mainīsies Zemes saņemtais saules siltuma daudzums dažādos platuma grādos atkarībā no dažādām Zemes orbitālo parametru savstarpējām kombinācijām un lielumiem. M. Milankovičs pirmais saprata, ka tieši Zemes riņķojuma izmaiņu likumsakarībām var būt izšķiroša nozīme ledāju izveidē. Kā tas raksturīgi radikālām un patiesām teorijām, tās sākumā tiek uzņemtas diezgan rezervēti.
Okeānu nogulumu izpēte
20. gadsimta vidū pasaules ģeologiem radās iespējas veikt urbšanas darbus okeānu vidienē. Atšķirībā no sauszemes šīs teritorijas ir īpašas ar to, ka nogulumi šeit uzkrājas lēni – daži milimetri 100 gados. Nogulumus veido smalki, tālu vēju atnesti putekļi, kosmiskas izcelsmes daļiņas, kā arī sīkbūtņu foraminiferu, kramaļģu un radiolāriju skeleti. Ir atklāta likumsakarība, ka aukstākos apstākļos dzīvojušām foraminiferām kaļķa skeleta sastāvā ir vairāk smagā skābekļa 18O izotopa nekā siltākā vidē dzīvojušajām. Minēto atšķirību cēlonis, kā izrādījās, nav vis ūdens temperatūra, bet gan ledāju pastāvēšana aukstākajos laika posmos. Ledāji veidojas no atmosfēras nokrišņiem, kas, savukārt, mitrumu iegūst no iztvaikojošā okeāna ūdens. Tieši ūdens iztvaikošanas laikā notiek skābekļa izotopu diferenciācija – vieglāk izgaro ūdens molekulas, kuru sastāvā ir tikai vieglais 16O izotops. Rezultātā pēc ledāju izveidošanās atlikušais okeāna ūdens izrādījās bagātinājies ar smago 18O izotopu.
Pagājušā gadsimta 50.–60. gados tika analizētas daudzas dziļūdens izpētē iegūtas urbumu serdes. Viens no nozīmīgākajiem aprakstīto pētījumu veicējiem bija britu ģeofiziķis, izotopu analīžu speciālists N. Šekltons (N. Shackleton). Vairākus desmitus metru dziļi urbumi aptvēra nogulumus, kas bija veidojušies līdz pat pusmiljona gadu ilgā laikā. Milimetru pēc milimetra no urbumu serdes paraugiem tika gatavoti foraminiferu skeletu preparāti un veikta sarežģīta skābekļa izotopu analīze. Skrupulozais darbs neapšaubāmi bija tā vērts, jo radās iespēja iegūt detalizētu planētas klimata pārvērtību gaitas pierakstu. N. Šekltona un līdzautoru 1976. gada publikācija «Zemes orbītas variācijas – leduslaikmetu rosinātājas» (Hays, Imbrie, Shackleton «Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages») tiek uzskatīta par zinātnisku pierādījumu un rezumējumu vairāku desmitgažu diskusijām par minēto tēmu. Visuzskatāmākā minētajā darbā ir diagramma, kas attēlo skābekļa izotopu izmaiņas okeāna nogulumu foraminiferu skeletos un Zemes ekscentricitātes izmaiņas tajā pašā laikposmā (2. att.).
2. attēls. Skābekļa izotopu izmaiņas okeāna nogulumu foraminiferu skeletos (melnā līkne) un Zemes ekscentricitātes izmaiņas (gaišzilā līkne). Izotopa 18O daļas samazināšanās norāda uz ledāju platības samazināšanos. X ass – gadu tūkstoši. No Hays, Imbrie, Shackleton 1976. «Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages». Science, New Series, Vol. 194, No. 4270, (Dec. 10, 1976), pp. 1121-1132
Dziļurbumi ledājos
Pētot lielos segledājus Grenlandē un Antarktīdā, tiek izzinātas aizvien jaunas pārsteidzošas detaļas par Zemes klimatu pagātnē. Līdzīgi kā okeāna dzīvnieciņu foraminiferu čaulās, arī segledāju ledos atspoguļojas klimata pārmaiņu izraisītās okeānu un nokrišņu ūdenī esošā skābekļa izotopu svārstības. Tikai ledū šīs pārmaiņas ir pretējas. Siltāka klimata apstākļos iztvaikošana no okeāna notiek intensīvāk, līdz ar to tvaikos un nokrišņos nonāk vairāk ūdens molekulu, kas satur smago 18O izotopu. Līdztekus smagā skābekļa ūdenim, ledū nonāk arī smagā ūdeņraža jeb deitērija ūdens, ko tāpat izmanto izotopu pētījumos un klimata rekonstrukcijās.
Izotopu izmaiņu līknes, kas iegūtas līdz pat 740 tūkstošus gadu senai pagātnei un aptver astoņus klimata ciklus, teicami saskan ar okeānu datiem un apstiprina klimata un kosmisko faktoru ciešo saikni (3. att.).
3. attēls: a) Milankoviča saules siltuma (insolācijas) līknes dažādiem platuma grādiem un periodiem. Melnā līkne atbilst Antarktīdas reģiona C kupola (Dome C) novietojumam; b) deitērija (smagā ūdeņraža) rādītāja līknes no urbumiem C kupola reģionā un stacijā «Vostok». Rādītāja pieaugums norāda uz klimata uzlabošanos; c) putekļu saturs ledū, C kupola urbums. Īpaši pieaug intervālos, kas atbilst apledojumu maksimumiem; d) ogļskābās gāzes saturs ledū ieslēgtajos gaisa pūslīšos, samazinās leduslaikmetos un pieaug, klimatam uzlabojoties. Līkne kompilēta no vairāku reģionu urbumiem.
a), b), c) – no EPICA community members 2004. Eight glacial cycles from an Antarctic ice core. Nature, vol. 429, June, pp. 623-628. d) – no Siegenthaler et al 2005.
Papildus izotopiem ledājos pēta vēl daudzus parametrus: ogļskābās gāzes saturu ledū ieslēgtajos gāzu pūslīšos, putekļu daļiņu daudzumu (3.att.), metāna, nātrija un sulfātjonu daudzumus, ledus kristālu izmērus u.c.
Izrādās, ka gan metāna, gan ogļskābās gāzes saturs klimata siltajos intervālos vienmēr ir bijis palielināts, kas skaidrojams ar lielāku oglekļa bioloģiskās aprites intensitāti un CO2 vājāku šķīdību siltā ūdenī. Putekļu daudzums, savukārt, ļoti krasi pieaudzis apledojumu laikā, jo tad ap ledājiem pletās sausas arktiskās stepes, bet zemos platuma grādos pieauga tuksnešu platības. Piemēram, Āfrikā Sahāra iesniedzās pat tagadējā lietus mežu zonā.
Interesanti, ka EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica – Eiropas projekts ledus urbšanai Antarktīdā) pētījuma autori žurnālā «Nature» 2004. gadā 430 tūkstošus gadu seno starpleduslaikmeta sākumu (t.s. V terminācija) salīdzina ar mūsu starpleduslaikmetu holocēnu, šo uzskatu pamatojot ar to, ka klimata pārmaiņas raksturojošās izotopu (deitērija, 4. att.) un citu parametru līknes abiem laikmetiem ir stipri līdzīgas, līdz ar to, ja netraucētu cilvēces radītais piesārņojums, pašreizējais starpleduslaikmets turpinātos ilgi.
4. attēls: 430–390 gadu tūkstošus senā starpleduslaikmeta (zilā līkne) un mūsdienu starpleduslaikmeta (holocēna, sarkanā līkne) deitērija rādītāja salīdzinājums.
No EPICA … 2004.
Minēto analoģiju saskatīšana gan drīzāk varētu būt solis projekta publicitātes vairošanai, nevis nopietns zinātnisks apsvērums. Katra apledojuma un starpleduslaikmeta gaita ir stipri atšķirīga, individuāla, un ir atkarīga no tik liela daudzuma savstarpēji saistītu un grūti prognozējamu procesu, parametru un lielumu, ka mūsdienu izpētes līmenis vēl neļauj veidot klimata prognozi gadu simtu un tūkstošu mērogos.
Zinātnieki ir noskaidrojuši būtiskākās klimatu pārvērtības un leduslaikmetu gaitu virzošās likumsakarības. To sākotnējie iemesli meklējami Zemes orbītas un rotācijas parametru izmaiņās, kas ietekmē uz Zemes nonākošā saules siltuma izmaiņas dažādos platuma grādos un gadalaikos. Šīs izmaiņas, savukārt, caur atmosfēras procesiem dod impulsu nestabilā līdzsvarā esošo okeāna straumju izmaiņām, kas rada jau nopietnākas visas planētas klimata pārmaiņas. Klimatam pasliktinoties, sākas lielo segledāju veidošanās mērenajos platuma grādos (kalnos un augstienēs). Ledājiem sasniedzot atbilstošu biezumu, to pamatnē sākas kušana un notiek strauja ledus masu izplūšana līdzenumos un zemienēs (ledāja sērdži). Ja šāda ledāju uzvirzīšanās sakrīt ar klimata uzlabošanos, plašas teritorijas strauji atbrīvojas no ledus segas, mainās atmosfēras procesi un okeānu straumes, un iestājas starpleduslaikmets (5. att.).
5. attēls. Procesu savstarpējo sakarību virkne – no kosmosa līdz segledājiem.
Autora ilustrācija.
Dainis Ozols
Publicēts 2011.gada janvārī. Nr.132