Вилли Дансгард родился в 1922 году и получил физическое образование в Копенгагенском университете. Как многие датчане, после получения диплома он мечтал побывать в Гренландии. В 1947 году у него появилась возможность поработать на острове Диско в Западной Гренландии, изучая геофизические особенности Арктики. Он и его жена Инге приехали в небольшую гренландскую деревню и обнаружили, что там не хватало материалов, чтобы построить дом. Они прожили девять месяцев вместе с другой парой, пока строилось их жилище, но новый дом буквально через две недели сгорел дотла. Лишившись многих своих вещей, Дансгарды выжили за счет продуктов с местного склада, среди которых, к счастью, было достаточно ржи, овса и шоколада. Они постоянно питались шоколадом, так что позже Дансгард вспоминал, что “еще много лет не мог его видеть”.
Наконец Вилли и Инге поселились в безопасном жилище и долгими полярными ночами читали друг другу вслух, а днем Дансгард работал над созданием научных приборов и проводил измерения. Полярный опыт изменил его, как и многих других людей, посещавших остров. Позже он говорил, что за это время, проведенное вместе с Инге, он был “покорен Гренландией на всю жизнь” и навсегда изменился под влиянием “ее силы, доброты, жестокости и, главное, ее красоты”.
Дансгард возвратился в Копенгаген в 1949 году с намерением потом опять отправиться в Арктику, но прежде следовало как‐то устроиться в жизни. В послевоенном Копенгагене в конце 1940‐х возможностей было немного. Дансгард получил должность библиотекаря в национальной библиотеке, но вскоре монотонная работа ему наскучила. Он недолго ждал следующего назначения. Ситуация в мире исследований менялась: финансовые средства, предоставленные Америкой в послевоенные годы в соответствии с планом Маршалла, позволили Дании создавать новую научную инфраструктуру. Геологический институт в Копенгагене использовал эти деньги для покупки масс-спектрометра – нового прибора, который позволял измерять атомный состав химических соединений. Ухватившись за возможность заниматься наукой, а не бумажной рутиной, Дансгард сменил свою безопасную государственную должность на должность техника по обслуживанию нового прибора. Деньги он получал от людей, плативших за пользованием прибором. На самом деле эта новая работа ему нужна была для того, чтобы с помощью масс-спектрометра в свободное время проверить собственные идеи.
Покончив с выдачей книг, Дансгард стал применять масс-спектрометр для изучения физики различных материалов, главным образом воды. Он не утратил интереса к Гренландии и полагал, что, найдя способ определять молекулярный состав льда и жидкой воды, он, возможно, сумеет понять, как образовались и эволюционировали арктические ледники.
Размышляя о льде, о возможностях масс-спектрометра и о полярных регионах, Дансгард кое‐что придумал. Он знал, что кислород встречается в виде двух основных атомных форм – в виде тяжелого кислорода О18 и легкого кислорода О16. Он предположил, что в зависимости от температуры эти две формы кислорода в воде должны вести себя по‐разному. По его теории, при переходе воды в газообразную форму в газе оказывается больше легкой формы кислорода. Он исходил из простого предположения, что более легкому веществу проще оказаться в воздухе. Аналогичным образом он заключил, что при конденсации паров воды в жидкости оказывается больше тяжелой формы кислорода. И он считал, что на основании этих данных можно оценивать температуру. При более высокой температуре вода получает больше энергии для переноса легкой формы кислорода из воды в пар, а при более низкой температуре больше тяжелой формы кислорода остается в воде. Это было смелое предположение: если Дансгард прав, соотношение тяжелого и легкого кислорода в воде может служить индикатором температуры в прошлом в образцах жидкой воды и льда.
Масс-спектрометр у Дансгарда был, и для проверки гипотезы ему требовались только разные образцы воды.
Денег на исследования у него было немного, и поэтому свой первый (недорогой) эксперимент он провел рядом с домом. Дансгард решил проанализировать дождевую воду из своего сада в разное время года. Если его предположение справедливо, состав атомов кислорода в дождевой воде должен коррелировать с температурой, при которой выпадают осадки. Первое устройство для сбора образцов было таким же простым, как сама идея: бутылка из‐под пива с воронкой в горлышке, помещенная в центре лужайки у дома. Каждый раз, когда метеосводки предсказывали дождь, Дансгард выставлял несколько таких приемников на заднем дворе своего дома в Копенгагене. И ему повезло: тот год, когда он проводил эксперимент, выдался особенно дождливым, и он собирал дождевую воду во время ливней на протяжении всего года. После месяцев сбора дождевой воды сначала в теплую, а потом в холодную погоду настал момент истины: пришло время измерить содержание атомов кислорода с помощью масс-спектрометра.
Вилли Дансгард с керном льда
Соотношение двух форм кислорода хорошо коррелировало с температурой, при которой шел дождь в разные сезоны. Анализ воды из пивных бутылок, расставленных Дансгардом на заднем дворе, повлиял на наше понимание полярных регионов и роли климатических изменений на планете.
Перед Дансгардом встала новая задача. Его метод позволял определять температуру воды в прошлом путем анализа льда. И это означало, что можно анализировать историю климатических изменений на полярном севере. Что арктический лед может рассказать о температуре на нашей планете в древности? Как изменялся климат в прошлом?
Когда ученые узнали о методе Дансгарда, ему стали присылать образцы льда со всего мира – с горных ледников, из океанов, водопадов и с полюсов. Однако пазл, который интересовал Дансгарда, а именно воссоздание непрерывной истории льда на Земле, пока не складывался. Появлялись только фрагменты информации: кусочек льда оттуда, образцы воды отсюда… Единая картина могла сложиться при анализе образцов из какого‐то одного источника. Дансгарду нужен был непрерывный срез льда, который мог бы показать изменения температуры во времени.
Прорыв в исследованиях произошел неожиданным образом. В 1950‐е годы, в период холодной войны, Пентагон планировал строительство военной базы для ядерных ракет в максимальной близости от России – на Крайнем Севере. В северной части Гренландии планировалось построить военную базу, полностью находящуюся подо льдом. В этом лагере под названием Кэмп-Сенчури были предусмотрены помещения для проживания служащих и военных, кухня и часовня. Лагерь находился подо льдом на глубине десятков метров. Чтобы проверить пригодность льда для обустройства базы, американские военные разработали новую технологию бурения на глубину 1400 метров от поверхности льда до контакта с коренной породой. Извлекаемые керны льда представляли собой именно такие непрерывные срезы, которые искал Дансгард.
Поначалу армейское руководство не хотело давать Дансгарду разрешение на проведение анализа керна из соображений национальной безопасности, которые теперь уже трудно понять. Но, как это многократно случалось в отношении полярных исследований, геополитические факторы стали играть более важную роль. Соединенные Штаты хотели закрепиться в Гренландии, и для этого требовалось поддерживать хорошие отношения с датчанами. Военные не разрешили Дансгарду посетить Кэмп-Сенчури, однако предоставили доступ к кернам, хранящимся в удаленной лаборатории. В 1964 году Дансгард смог проанализировать керн льда протяженностью около 1400 метров, что соответствовало отрезку времени в 100 тысяч лет. Лучше и быть не могло: на этом отрезке времени ледники сначала покрывали всю Европу, Азию и Северную Америку, а затем примерно 15 тысяч лет назад начали таять и уменьшаться в размере.
“Главная улица” базы Кэмп-Сенчури во время подледного строительства
Первые результаты Дансгарда были интересными и даже удивительными. В конце последнего ледникового периода около 21 тысячи лет назад началось потепление, и приблизительно 11 тысяч лет назад ледники заняли такое положение, в котором находятся сейчас.
Но чем тщательнее Дансгард анализировал лед, тем больше загадок он находил.
Как и все научное сообщество, Дансгард предполагал, что в периоды максимального обледенения происходило мало событий. Считалось, что это были стабильно холодные отрезки времени. Однако атомы кислорода в измерениях Дансгарда отражали иную картину. Он знал, что пыль и другие частицы в кернах льда образуют очень тонкие полосы. Эти слои возникают при изменениях ветра и температуры за один год или в некоторых случаях даже за один сезон. В частности, разница в ветрах осенью и зимой отражается в виде разницы в количестве пыли в кернах льда. Эти застывшие “слои времени” позволили Дансгарду воссоздать очень точную картину изменений климата. Теперь он мог составить подробную карту таких изменений.
Первая попытка установить хронологию температурных изменений, предпринятая Дансгардом, закончилась в большей степени появлением новых вопросов, чем ответов. Он обнаружил, что в короткие промежутки времени, длившиеся всего несколько десятилетий, температура в полярных регионах повышалась на целых десять градусов. За такими температурными пиками следовали периоды медленного похолодания, длившиеся сто лет или более. Изменения температуры происходили в десятки раз быстрее, чем предполагалось ранее. Но чем больше Дансгард усовершенствовал свой метод, тем больше он доверял этим результатам. Климат на полюсах Земли может меняться очень быстро. Дансгард опубликовал результаты анализа гренландского керна в 1964 году, но реакция на его работу была минимальная. Научное сообщество в целом игнорировало эти данные, исходя из предположения, что они могут быть ошибкой метода или какими‐то флуктуациями в конкретном керне.
В 1977 году Дания и Швейцария начали совместный проект по анализу кернов льда с глубины почти 750 метров. Работая совместно со швейцарским ученым Хансом Эшгером, Дансгард проанализировал химический состав льда в новом, более совершенном керне. Анализ этого более аккуратно извлеченного керна подтвердил справедливость ранних выводов Дансгарда: быстрые скачки температуры уже нельзя было игнорировать. С тех пор каждый раз, когда ученые анализировали историю арктических льдов за последние 100 тысяч лет, они обнаруживали периоды быстрого потепления, причем даже в моменты максимального обледенения. Быстрые изменения полярных льдов стали научным фактом.
Керны льда из других уголков планеты также подтверждали, что в Арктике в далекой древности имели место периоды потепления. В середине 1980‐х годов немецкий океанограф Хартмут Хайнрих изучал керны с океанского дна, соответствовавшие тому же отрезку времени в 100 тысяч лет, что и гренландские керны Дансгарда. Хайнрих брал образцы ила со дна Атлантического океана, чтобы изучить изменения, происходившие в океане после последнего ледникового периода. Он уже знал о странных климатических изменениях, описанных Дансгардом и Эшгером, но все равно был поражен тем, что обнаружил.
Обычно керны с океанского дна представляют собой регулярные слои илистых отложений, в которых содержатся одноклеточные морские организмы, такие как фораминифера и древний планктон. Благодаря такому чередованию слоев океанские отложения могут служить подробным отчетом об изменениях за большие временные интервалы, как и керны льда, которые анализировал Дансгард. Значительная часть образцов Хайнриха соответствовала этим закономерностям. Однако одиннадцать слоев были совершенно другими: в них содержались фрагменты камней. В каждом были кусочки щебня, которые обычно не встречаются в океанах. Кроме того, эти отложения напоминали фрагменты поверхностных отложений из восточной части Канады. Считая, что эти слои попали на дно океана из Канады, Хайнрих предложил единственный, по его мнению, механизм, объяснявший это явление, – передвижение льда. Он предположил, что тысячи лет назад айсберги, отколовшиеся от канадских ледников, попали в океан. А когда они растаяли, на дне оказались фрагменты каменной породы. Хайнрих выдвинул гипотезу, что армада айсбергов была приведена в движение в результате таяния ледников.
Чем больше ученые анализировали керны льда и отложения на океанском дне, тем более странным казался процесс распада ледников и айсбергов. Разрушение ледников, приводившее к отделению сотен крупных айсбергов от ледяного щита на севере Канады, происходило меньше чем за 250 лет. И столь же быстро каждое из таких событий приводило к повышению уровня мирового океана на высоту от одного до двух метров.
Анализируя керны полярных льдов и океанский ил, Дансгард, Эшгер и Хайнрих установили, что климат Арктики быстро менялся от теплого до холодного, а ледяные щиты обрушивались в воду и меняли уровень мирового океана. Вероятность таких быстрых изменений – неотъемлемая часть единой системы, состоящей из льда, климата и океанских течений.
История планеты, запечатленная в кернах льда, указывает на масштабные природные изменения, происходившие без какого‐либо участия человека. Но что происходит, когда к системе льда, камней и океанов подключается наша промышленная деятельность?