3. Ледяной архив

В предыдущих статьях мы искали следы катастрофы в клетках и генах. Но клетки помнят только следствия, гены хранят информацию о средах, но не даты. Чтобы найти саму дату, нужен другой архив, такой, что не зависит ни от человеческой памяти, ни от летописей, ни от календарей, а фиксирует событие физически, в веществе, которое можно измерить и датировать независимо.

Чем дальше в глубь веков, тем менее надежны исторические свидетельства. Мы не будем поднимать вопрос о том, насколько точна историческая хронология, во всяком случае, на этом этапе, а обратимся к тем источникам, которые независимы. Основной источник, совершенно независимый ни от исторических хроник, ни от сторонних физических методов и не нуждающийся в дополнительной верификации – ледники Гренландии и Антарктиды.

Прежде чем переходить к данным, стоит понять, почему им вообще можно доверять, и какие методы вообще способны дать нам точку во времени. Дендрохронология даёт годовую точность, но фиксирует лишь локальный отклик. Стратиграфия устанавливает порядок слоёв, но не абсолютные даты. Радиоуглеродный анализ работает с органикой, однако его разрешение ограничено десятилетиями. Ледниковые керны дают то, чего не даёт ни один из этих методов: глобальный сигнал с годовой точностью, независимо подтверждаемый сразу в двух полушариях.

Физика ледяной летописи

В центральных зонах Гренландского и Антарктического щитов температура воздуха круглый год остаётся отрицательной, среднегодовые значения опускаются ниже минус двадцати пяти градусов. Таяния там попросту не бывает, снег не превращается в воду, не стекает, не смешивается со старыми слоями, а остаётся на месте.

Слой за слоем снег уплотняется, воздух между кристаллами выдавливается наружу, снежинки превращаются в зёрна, образуя фирн, переходную стадию между снегом и льдом. На глубине от пятидесяти до полутора сотен метров фирн становится плотным льдом, и воздух оказывается заперт в крошечных пузырьках, сохраняющих состав древней атмосферы, как в янтаре или стеклянной капсуле.

Каждый год добавляет собственный слой, летний снег отличается от зимнего плотностью, содержанием пыли, изотопным составом. Эти различия видны невооружённым глазом или измеряются прибором, так и считают годы, слой за слоем. Для последних нескольких тысячелетий это не составляет труда; глубже, где различия сглаживаются под тяжестью вышележащего льда, на помощь приходит численное моделирование, учитывающее скорость накопления снега, температуру, вязкость льда, его движение и рельеф ложа. Это позволяет продлить хронологию на десятки тысяч лет в прошлое.

Существенно, что керны датируются независимо от человеческих представлений о времени — их возраст определяется по слоям, так же как считают годовые кольца на срезе дерева. Это позволяет привязать событие к календарному году с точностью, недоступной для большинства других естественнонаучных методов.

Как читают ледяную летопись

Основной маркер вулканических событий — сульфат. Извержения выбрасывают в атмосферу колоссальные количества серы, в стратосфере она превращается в сульфатные аэрозоли, которые разносятся по всей планете и постепенно оседают, в том числе на ледники. Вблизи вулкана отложение начинается почти немедленно, а на больших расстояниях от очага может растягиваться на два-четыре года. В керне это фиксируется как пик концентрации сульфата в определённом слое, чем мощнее извержение, тем выше пик, а чем глобальнее событие, тем синхроннее сигнал в Гренландии и Антарктиде.

Сульфат в атмосфере бывает не только вулканического происхождения, его источником может быть и морская соль. Поэтому из общей концентрации вычитают долю, связанную с морской солью; то, что остаётся, называют «сульфат-эксцесс» (nss SO₄²⁻), и именно этот остаток служит надёжным маркером вулканического события.

Второй маркер — кислотность льда: кислота проводит ток лучше, чем нейтральный лёд, и, пропуская через керн постоянный или переменный ток, можно выявить слои с повышенной кислотностью.

Третий маркер — тефра, микроскопические частицы вулканического стекла с уникальным для каждого вулкана геохимическим составом. Найдя тефру в керне, можно установить не только сам факт извержения, но и его конкретный источник.

В 1995 году Лангвей с соавторами опубликовали в Journal of Geophysical Research работу, где сравнили вулканические события последней тысячи лет по кернам Гренландии и Антарктиды, построив биполярную химическую стратиграфическую хронологию — перечень событий, синхронно проявившихся в обоих полушариях.

Среди всех этих событий выделяется извержение 1257 года, его сигнал виден повсеместно в полярных кернах, а по мощности выброса оно примерно вдвое превысило извержение Тамборы в 1815 году — того самого, что принято считать одним из мощнейших в исторически задокументированное время (Guillet et al., Nature Geoscience, 2017).

В 1994 году Зелински с соавторами опубликовали в Science работу, где по керну GISP2 из Гренландии восстановили вулканическую активность за семь тысячелетий — один из самых длинных и детальных рядов, доступных сегодня.

Этот ряд показал, что событие 1257 года — крупнейший вулканический сигнал за все семь тысяч лет наблюдений. Ни одно другое извержение за этот срок не дало сопоставимого по мощности и глобальности сигнала.

Но самое любопытное в извержении 1257 года — не его мощность, а его структура. В 2019 году исследование, опубликованное в Quaternary Science Reviews, показало следующее - анализ тефры из четырёх антарктических кернов, взятых в разных точках континента, выявил, что сигнал 1259 года в ледниковых кернах — не одно извержение, а несколько, наложившихся друг на друга. Часть частиц соответствует вулкану Самалас на острове Ломбок в Индонезии — тому самому, что идентифицировала группа Лавиня в 2013 году как источник «загадочного извержения» середины XIII века. Другая часть — вулкану в районе Земли Виктории в Антарктиде, извергавшемуся в 1259 году. И ещё одна часть принадлежит третьему, пока не идентифицированному вулкану.

Синхронность трех извержений может оказаться случайным совпадением на фоне общего всплеска вулканической активности, но может отражать физическую разрядку напряжения в одной тектонической системе.

Мощное извержение — это не только сульфатный пик в керне, но и климатический отклик, фиксируемый и другими архивами. Вулканические аэрозоли в стратосфере отражают солнечный свет, вызывая похолодание — чем крупнее выброс, тем оно сильнее и продолжительнее.

Вторым свидетелем может стать дерево. Каждый год добавляется слой древесины, и ширина этого слоя, его плотность, устройство клеток напрямую зависят от того, что дереву довелось пережить: холод, засуху, недостаток света, поздний заморозок. Каждое из этих испытаний оставляет след в анатомии древесины.

Как дерево записывает год

У деревьев умеренных и холодных широт ярко выражена сезонность роста. Весной и в начале лета камбиальные клетки быстро делятся, производя раннюю древесину с широкими полостями и тонкими стенками — она отвечает за транспорт воды. К концу лета деление замедляется, формируется поздняя древесина с узкими полостями и толстыми стенками — она даёт механическую прочность. Граница между ранней и поздней древесиной и есть видимое годичное кольцо.

Ширина кольца прямо отражает условия сезона: тёплый, влажный, светлый год даёт широкое, ровное кольцо; холодный, засушливый или тёмный — узкое. А в годы экстремального холода кольцо может не сформироваться вовсе, рост полностью останавливается, оставляя после себя выпавшее кольцо, пустоту в летописи.

На клеточном уровне стресс оставляет более тонкие метки. Морозобойное кольцо возникает от сильного заморозка в разгар сезона роста - делящиеся клетки камбия повреждаются, и последующие клетки формируются с аномально утолщёнными, деформированными стенками — под микроскопом это выглядит как искажённая, потемневшая полоса, пересекающая обычное кольцо. Светлое кольцо, напротив, отражает нехватку света или слишком низкую температуру, из-за которых поздняя древесина не успевает лигнифицироваться, и граница кольца размывается, будто смазанная.

Присутствие или отсутствие этих признаков определяется с точностью до года: одно дерево в холодный год может сформировать лишь очень узкое кольцо без морозобойного следа — значит, острого заморозка не было; другое дерево того же года покажет морозобойную полосу — значит, был. Сопоставление множества деревьев и нескольких видов позволяет отличить локальную помеху от действительно регионального события.

Деревья одного региона и вида схоже реагируют на условия одного и того же года, и их последовательности ширины колец образуют общий, узнаваемый паттерн — широкие кольца за широкими, узкие за узкими. Выравнивая эти паттерны по множеству образцов, можно установить абсолютный возраст каждой последовательности с точностью до отдельного года — причём независимо от радиоуглеродного анализа или любого другого метода абсолютной хронологии.

Надымский городок: восемь экстремальных событий в мерзлоте

Надымский городок стоит на северо-западе Сибири, у слияния Оби и Обской губы, неподалёку от Полярного круга — климат здесь крайне континентальный: годовая амплитуда температур достигает 36–40°C, а средняя температура июля едва дотягивает до 11–14°C.

Мёрзлый культурный слой памятника создаёт почти идеальные условия для сохранения органики. В ходе раскопок здесь извлекли множество образцов древесины: 107 образцов сибирской лиственницы, 89 — ели, 75 — сосны, охватывающих период с 1170 по 1505 год. Исследовательская группа Г.Т. Омуровой измерила ширину колец, построила последовательности методом графической перекрёстной датировки и привязала их к ямальской дендрохронологии для точности. под микроскопом, а каждое кольцо после разметки повторно перепроверялось.

Событием «экстремального» уровня признавался лишь год, удовлетворявший сразу нескольким критериям — не отдельная аномалия одного вида (она может быть локальной случайностью), а согласованный отклик сразу нескольких видов, указывающий на подлинно региональный климатический стресс.

В окне 1170–1505 годов таких событий обнаружилось восемь, и они неравноценны. 1259 год — единственный, где у всех трёх видов одновременно проявились множественные структурные аномалии, выпавшие кольца и минимум прироста. Авторы прямо называют событие 1259 года «вероятно, глобальным» — опираясь на сопоставление с сульфатными и кислотными пиками полярных кернов и с записями годичных колец Северной Америки и Европы.

1342 и 1466 годы зафиксированы на северо-западе Сибири и в Северной Америке, но не столь согласованно по всем трём видам и типам аномалий, а 1347 и 1440 годы отмечены лишь в Сибири. Но сила сигнала 1259 года проявляется не только в нём самом — она проявляется в паттерне, который следует за ним. Сначала 1342 год, затем более длинный промежуток затишья, затем 1440, 1447, 1466. Это не изолированная вспышка, а период повышенной частоты климатических возмущений, растянувшийся почти на два столетия.

Будь 1257 год одиночным извержением, деревья должны были восстановить нормальный рост в считаные годы. Но этого не произошло: аномалия 1342 года выражена очень сильно, аномалия 1466-го — тоже. Это значит, что климатическая система не вернулась к исходному состоянию, а перешла в новый режим — более чувствительный к возмущениям, более склонный срываться в экстремальные годы.

Этот вывод независимо подтверждается за океаном. Геннаретти с соавторами (PNAS, 2014), построив тысячелетнюю сеть годичных колец из тайги северо-восточной Канады, показали: тёплый средневековый климатический оптимум, длившийся примерно с 910 по 1257 год и включавший самые тёплые десятилетия последнего тысячелетия, обрывается резким и не откатившимся назад сдвигом к более низким летним температурам — сдвигом, по времени точно совпадающим с той же серией извержений XIII века вокруг Самаласа. Один и тот же перелом, зафиксированный на разных континентах, разными видами деревьев, разными исследовательскими группами, независимо друг от друга.

Этот паттерн согласуется с записью ледяных кернов, там климатическая система «переключилась» в новое состояние сразу после 1257 года. Годичные кольца показывают, что новое состояние удерживалось как минимум двести лет, время от времени производя новые экстремальные годы. Две независимые линии — одна из стратосферы, другая с поверхности земли — описывают одно и то же явление.

Устьица листьев: прямое считывание атмосферы

Годичные кольца рассказывают о температуре. Но температура — не единственная переменная, ранее мы рассматривали эффективность усвоения кислорода, а она напрямую зависит от состава атмосферы, прежде всего от концентрации CO₂.

Как восстановить концентрацию CO₂ для эпох, когда прямых измерений просто не существовало? Ответ скрыт в микроскопическом устройстве листа. На поверхности листьев наземных растений расположены устьица — крошечные поры, через которые идёт газообмен: растение поглощает CO₂ и одновременно теряет водяной пар. Их плотность не постоянна: при высокой концентрации CO₂ растению достаточно меньшего числа устьиц, при низкой — требуется больше. Эта регуляция происходит на протяжении недель и месяцев, а значит, подсчитав плотность устьиц на ископаемом листе, можно реконструировать концентрацию CO₂ в воздухе, которым дышало это растение.

В 2005 и 2008 годах ван Хооф с коллегами опубликовал в Tellus B и PNAS исследования листьев дуба черешчатого, сохранившихся в торфяных и озёрных отложениях Нидерландов за несколько периодов последнего тысячелетия. Результат оказался неожиданным: устьичная частота указывает на заметно более высокие колебания концентрации CO₂ в XIII веке, чем показывают ледниковые керны, — расхождение достигает 34 ppmv против 10 ppmv по данным льда.

Причина расхождения — не ошибка, а разница в самой физике архивов. Воздух в ледяном керне проходит стадию фирна, где он ещё диффундирует и обменивается с атмосферой прежде, чем окончательно замереть в пузырьке, — этот процесс действует как фильтр низких частот, сглаживая быстрые колебания. Устьичная частота, напротив, фиксирует условия конкретного вегетационного сезона, почти без сглаживания. Когда исследователи применили к исходным устьичным данным ту же модель фирновой диффузии, что сглаживает сигнал во льду, расхождение между записями заметно уменьшилось — оба метода, как выяснилось, измеряют одно и то же явление, просто с разным разрешением.

Что стояло за этими колебаниями? Ван Хооф с коллегами отмечают, что тренд CO₂, выведенный из устьичной частоты, коррелирует с температурой поверхности Северной Атлантики — это указывает на океанический источник или сток: холодная вода поглощает больше CO₂, тёплая — отдаёт больше в атмосферу. Могла ли вулканическая активность влиять на этот механизм через похолодание океана? Это остаётся гипотезой, требующей дальнейшей проверки — прямую причинно-следственную связь с извержением Самаласа утверждать пока нельзя. У самого метода устьичной частоты есть свои слабости: разные виды растений реагируют неодинаково, условия сохранности листьев могут искажать результат, локальные факторы среды способны смещать сигнал. Но, каковы бы ни были эти оговорки, устьичная запись остаётся независимой от ледяных кернов и годичных колец линией доказательств — из другого региона, другого биологического материала, по совершенно другому измеряемому параметру.

Пересечение линий

Последовательность экстремальных событий в Надыме и устьичная запись ван Хоофа демонстрируют заметное совпадение во времени. 1259 год в Надыме — событие глобального уровня; колебания CO₂ в устьичной записи наиболее выражены как раз в первой половине XIII века, и, учитывая разрешение метода, извержение 1257 года и его последствия приходятся на завершение этой волны. 1342 год в Надыме совпадает с задокументированными экстремальными климатическими записями в Европе. 1466 год сопровождается сульфатным пиком в гренландском керне.

Механизм, способный связать все линии воедино, выглядит так: крупное извержение вбрасывает сульфаты в стратосферу, отражает солнечную радиацию, охлаждает поверхность — это напрямую записывается в кольцах дерева. То же похолодание меняет температуру океана, а с ней и баланс поглощения-выделения CO₂ океаном — это уже косвенно записывается в устьицах листа. Листья — отклик косвенный, холод изменил океан, океан изменил атмосферу, атмосфера изменила устьица.

Теперь у нас есть уже не два, а несколько независимых архивов. Ледяные керны: извержение Самаласа 1257 года, крупнейший сульфатный сигнал за семь тысяч лет, три вулкана, сработавших почти одновременно. Годичные кольца Сибири: глобальное экстремальное похолодание 1259 года и двухвековой период учащённых потрясений. Годичные кольца Канады - обрыв многовекового климатического оптимума ровно в той же точке. Листья Нидерландов: аномальный скачок CO₂ в XIII веке, не сводимый к шуму измерений. Если все они указывают на одно и то же событие, то это уже не артефакт одного конкретного метода.

Если наша гипотеза о рассогласовании физиологии и генома со средой верна, то самый вероятный временной якорь этого рассогласования — именно 1257 год. После 1257 года климатическая система Земли перешла в новое состояние. Данные дендрохронологии показывают, что система отреагировала мощным катаклизмом, но к прежней норме не вернулась. Она сместилась и осталась в новом положении. То, что климатологи называют Малым ледниковым периодом, началось именно тогда.

Вы можете сказать – ну и что? Все эти данные прекрасно известны, но они никак не связаны ни с энергодефицитом, ни с нарушенным метаболизмом, ни даже с отсутствием у человека ранних маркеров обезвоживания, такими данными наука не располагает. О колебаниях влажности в последнее тысячелетие ничего определенного сказать нельзя, как и о колебаниях атмосферного давления. Да и среднее атмосферное давление на высоте 2000 метров, где человек совершенно спокойно живет, более чем на 20% ниже давления на уровне моря. А потому колебания в этом диапазоне не должны оказывать существенного влияния на физиологию, во всяком случае, не должны приводить к таким глобальным последствиям.

Всё верно. Этих данных явно недостаточно. Но мы обещали вам гипотезу, причем такую, которая, с одной стороны, всё объяснит, а с другой, будет настолько спекулятивной, что может вызвать сомнения в умственных способностях автора. И, тем не менее, мы к ней перейдем в следующей статье, где подвергнем критике и собственный вывод.  

Литература