Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Как мы отмечали в главе 8, годичные кольца представляют собой идеальный календарь. При помощи живых и давно умерших деревьев нам удалось построить полную летопись, охватывающую период от 13 900 лет до конца последнего ледникового периода. Самый простой показатель климата – это ширина кольца: как правило, чем оно шире, тем лучше условия роста в соответствующем году (более высокие температуры, достаточное количество воды – хотя есть и предостережения, о которых мы еще упомянем). В качестве показателя часто служит и плотность древесины, но прямой подсчет атомов в каждом кольце позволяет получить больше количественных данных. Отбирая образцы древесины из кольца, соответствующего нужному году, мы можем использовать стабильные изотопы Кислорода, Углерода и Водорода и с их помощью определить температуру и интенсивность осадков, – как если бы в том месте, где росло это дерево, у нас была небольшая метеостанция, записывающая эти числа на будущее.

Соотношение ¹⁸O/¹⁶O – основная величина, позволяющая нам определять температуру. Как и в случае с любым изотопным соотношением, о которых мы говорили прежде (C, N и т. д.), нам необходимо установить произвольный эталон. Здесь им служит так называемый Венский стандарт океанской воды (VSMOW)¹⁰ – образец, собранный в океане на глубине в несколько сотен метров, из которого удалены все соли и другие химические вещества. Значение для ¹⁸O/

¹⁶O составляет 2005,2 ppm, или почти 0,20 %.

Как уже, наверное, очевидно, молекула воды, состоящая из H₂ ¹⁸O, будет тяжелее и, следовательно, медленнее, чем молекула, состоящая из H₂¹⁶O. Из этого можно сделать два вывода: (1) более тяжелой молекуле труднее перейти из жидкого состояния в газообразное (иными словами, испариться), и (2), как отмечалось в главе 10, если она все же испарится и поднимется к облакам, где остынет (и, таким образом, замедлится еще больше), ей легче найти «подружек», к которым она сможет прилипнуть и снова создать каплю воды, которая в конечном итоге выпадет в виде дождя или снега. То же самое можно сказать и о молекуле воды, в состав которой входит дейтерий – стабильный тяжелый изотоп Водорода (²

H); впрочем, в последнем случае эффект слабее, поскольку меньше разница масс¹¹.

Таким образом, содержание ¹⁸O тем выше, чем выше температура. Исследований, направленных на восстановление исторических температур при помощи данных об изотопах Кислорода в древесных кольцах, проводилось очень много. Т. Портер и его коллеги изучили 150-летнюю летопись (1850–2003 гг.) трех белых елей, растущих в дельте реки Маккензи на севере Канады¹². Сравнив свои результаты с данными о температуре, полученными благодаря термометрической съемке, которую проводили на метеостанции в близлежащем аэропорту Инувик с 1957 по 2003 год, они показали, что наблюдалась тесная корреляция между измеренной температурой и значениями ¹⁸O, при этом два набора данных частично совпадали. Это позволило исследователям продлить температурную летопись до 1850 года; общее соотношение ¹⁸O/

¹⁶O варьировалось от +1,7 % до +2,3 % по сравнению с VSMOW и ясно возрастало с 1970 по 2000 год, причем в последний год количественные показатели температуры были выше, чем в любой другой момент за 150-летний период. Вывод, сделанный авторами, заключается в том, что с 1950 по 2000 год температура в этом арктическом регионе поднялась на 1,0 °C, что вдвое превышает рост, зафиксированный на протяжении того же периода в более низких широтах, и согласуется с тенденцией к более выраженному потеплению в Арктике, которую нам удалось недавно пронаблюдать.

Те же исследователи измерили и соотношение ¹³C/¹²C, при помощи которого можно оценить влажность. Деревья вдыхают CO₂ через устьица, крошечные поры, расположенные на нижней стороне листьев. Однако устьица – это улица с двусторонним движением: проходящие через них газы не только проникают внутрь листьев, но и выходят из них. В то время как в ходе фотосинтеза эти шлюзы используются для поглощения CO₂ и выделения O₂

, по этому пути может выходить и H₂O. Этот процесс называется транспирацией, и он очень важен для дерева, потому что потеря воды создает отрицательное давление, которое втягивает воду от корней до листьев; более того, он жизненно необходим для растущего слоя древесины (и сбора кленового сиропа для блинчиков). Если относительная влажность высока и осадков много, то поры остаются открытыми, не причиняя дереву вреда. Но в засушливых условиях дерево теряет через устьица слишком много воды, поэтому отверстия закрываются. Из-за этого CO₂ попадает в лист с трудом, так что дереву приходится быть менее привередливым к предпочитаемым изотопам Углерода. Недавняя «калибровка» этого эффекта, образцами для которой послужили деревья из немецкого Шварцвальда, показала увеличение соотношения ¹³C/¹²C на 0,17 % на каждые 10 % снижения относительной влажности¹³.