Новые анализы древнего льда из Антарктиды и содержащегося в нем воздуха расширяют историю климатических наблюдений на Земле и углубляют понимание исследователями того, как планета менялась за последние 3 миллиона лет.

Результаты исследования, опубликованные в двух статьях в журнале Nature, показывают, что долгосрочное похолодание климата Земли в этот период сопровождалось лишь незначительным снижением концентрации парниковых газов, удерживающих тепло, в атмосфере.

Учёные знали, что ещё 3 миллиона лет назад Земля была намного теплее, а уровень моря намного выше, начиная с первых открытий более 100 лет назад: ископаемых остатков умеренных и субтропических лесов на Аляске и в Гренландии, а также древних выброшенных на берег пляжей, простирающихся от Джорджии до Вирджинии.

Однако причина этого периода глобального потепления и последующего похолодания остается загадкой, во многом из-за трудностей в точном восстановлении глобальных температур и уровней парниковых газов, удерживающих тепло в атмосфере.

Новое исследование было проведено учеными из Центра изучения древнейших ледников Национального научного фонда, общенационального проекта по исследованию Антарктиды в поисках древнейшего льда на Земле, штаб-квартира которого находится в Университете штата Орегон.

В двух исследованиях, проведенных под руководством Джулии Маркс-Петерсон, аспирантки Университета штата Орегон, и Сары Шеклтон, в то время постдокторанта Принстонского университета, а ныне профессора Океанографического института Вудс-Хоул, используются недавно обнаруженные архивы многомиллионнолетнего льда из района Аллан-Хиллз, расположенного на окраине Восточно-Антарктического ледового щита.

Древний антарктический лед как капсула времени

Аллан-Хиллз — необычное место, где лед из внутренних районов Антарктиды застрял в горных хребтах на краю континента. Характер потоков деформирует изначально горизонтальные слои, что затрудняет поиск непрерывных данных о климате. Вместо этого данные представляют собой «моментальные снимки», указывающие на средние условия окружающей среды в отдельные периоды времени.

«Эти снимки позволяют значительно расширить климатические данные, полученные во льдах, по сравнению с тем, что было возможно ранее», — сказал директор COLDEX Эд Брук, палеоклиматолог из Колледжа наук о Земле, океане и атмосфере Университета штата Орегон.

«Эти более длительные периоды наблюдений также поднимают новые вопросы об эволюции климата Земли и о том, насколько далеко в прошлое мы можем заглянуть, используя данные ледяных кернов».

Отслеживание 3 миллионов лет охлаждения

Используя точные измерения соотношения различных благородных газов в воздухе, заключенном во льду, которые отражают изменения температуры океана, Шеклтон и его коллеги показали, что средняя температура океана снизилась на 2–2,5 градуса Цельсия за последние 3 миллиона лет.

В предыдущих исследованиях подробно изучались изменения температуры поверхности океана, которые также показывают похолодание в этот период, но новая работа показывает, что время похолодания различается между поверхностью океана и его глубинами.

«Благородные газы во льду предоставляют уникальную возможность изучать изменения температуры океана», — сказал Шеклтон. «Другие методы могут дать информацию о температуре океана в одном конкретном месте, но этот метод позволяет получить более глобальную картину».

Например, значительная часть похолодания средней температуры океана произошла на раннем этапе, начавшись 3 миллиона лет назад и продолжаясь около миллиона лет, в то время, когда в Северном полушарии начали формироваться ледниковые щиты.

Напротив, температура поверхности постепенно снижалась примерно до 1 миллиона лет назад. В своей статье Шеклтон и ее соавторы предполагают, что эти расхождения связаны с изменениями в способах передачи тепла между поверхностью и глубинными слоями океана.

Новые данные о выбросах парниковых газов, полученные из старых ледяных льдин

Используя те же образцы ледяных кернов, Маркс-Петерсон и ее соавторы впервые получили прямые данные об уровнях двух важнейших атмосферных парниковых газов, углекислого газа и метана, за последние 3 миллиона лет.

Данные показывают, что долгосрочный средний уровень углекислого газа в атмосфере, вероятно, оставался ниже 300 частей на миллион в течение этого времени; измеренный уровень углекислого газа составлял 250 частей на миллион 2,7 миллиона лет назад и незначительно снизился примерно на 20 частей на миллион до 1 миллиона лет назад. Долгосрочный средний уровень метана в атмосфере оставался неизменным на уровне 500 частей на миллиард.

Некоторые предыдущие исследования, основанные на химическом анализе древних отложений, предполагали более высокие значения углекислого газа, чем показывают новые данные, но не все такие исследования совпадают, что подчеркивает необходимость использования данных ледяных кернов, охватывающих как можно более ранний период, отметили исследователи.

Согласно данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, современные уровни углекислого газа и метана резко возросли за последние два столетия: в среднем, в 2025 году концентрация углекислого газа составляла 425 частей на миллион, а метана — 1935 частей на миллиард.

Что означают эти результаты для климата?

Полученные результаты свидетельствуют о том, что похолодание последних 3 миллионов лет, вероятно, включает в себя, помимо ключевой роли парниковых газов, удерживающих тепло, важный вклад других компонентов климатической системы, таких как отражательная способность Земли, изменения растительности и/или ледового покрова, а также циркуляция океана.

«Мы надеемся, что эта работа уточнит наше представление о более теплых климатических условиях в прошлом и углубит наше понимание того, как взаимодействуют различные элементы земной системы», — сказала Маркс-Петерсон.

Эта работа привела к появлению новых исследовательских вопросов, многие из которых в настоящее время изучаются другими исследователями в рамках проекта NSF COLDEX, сказал Брук. Недавно исследователи COLDEX обнаружили лед возрастом до 6 миллионов лет на дне одного из своих кернов и в настоящее время обрабатывают новые данные из этих более древних образцов.

Недавно завершенное бурение новых ледяных кернов должно обеспечить доступ к дополнительным образцам старого льда. Исследователи также изучают методы проверки реконструкции содержания углекислого газа, исследуют другие газы в ледяных кернах и углубляют понимание условий, которые приводят к сохранению очень старого льда, что должно помочь определить новые цели для бурения.