Древесные кольца и время: как это связано с климатом
Полуископаемые деревья Ямальского полуострова подтвердили догадки уральских ученых о самом сильном современном потеплении за семь тысяч лет
В конце лета 2022 года дендрохронологи из Института экологии растений и животных Уральского отделения РАН и Уральского федерального университета опубликовали статью о климате Западной Сибири в журнале Nature Communications. Исследователи представили сверхдлительную хронологию ямальских древесных колец, аналогов которой почти нет в мире. Собранные за сорок лет данные показали, что летние сезоны последних десятилетий на севере Западной Сибири выдались особенно теплыми на фоне семи тысячелетий. По словам ученых, до XIX века температура на планете незначительно колебалась, но постепенно падала. Однако к настоящему времени она достигла самых высоких значений и неуклонно повышается.
Другие, более ранние научные публикации, в том числе специальный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 2018 года по результатам шестого оценочного цикла, заявляют о глобальном потеплении примерно на 1,5 °С к 20352052 годам, а к 2100 году эта цифра может превысить 34 °С. При этом повышение температуры более чем на 2 °С грозит не только гибелью деревьев, но и повышением уровня моря, сокращением биоразнообразия, учащением засух и уменьшением благосостояния человека — от недостатка питьевой воды до роста заболеваемости и смертности и снижения темпов экономического роста*.
* Бондаренко Л. В., Маслова О. В., Белкина А. В., Сухарева К. В. Глобальное изменение климата и его последствия. Вестник РЭА им. Г. В. Плеханова. 2018. № 2 (98).
Специалисты УрО РАН и УрФУ продемонстрировали, что кольца деревьев помогают определить такие изменения климата и предшествующие им катастрофы с точностью до года. О том, как это делается, какой путь проделала дендрохронология и почему ученые из иных сфер стали чаще ей доверять, «Эксперт» поговорил с автором исследования, ведущим научным сотрудником УрО РАН и УрФУ доктором биологических наук Рашитом Хантемировым.
Властелины колец
— Что такое дендрохронология и чем она занимается?
— Если говорить простым языком, то американские ученые определяют дендрохронологию как изучение годичных колец деревьев. На самом деле это не совсем так. Евразийские исследователи подчеркивают: нас интересуют только кольца, у которых известен год формирования. Дендрохронологам важно, во-первых, определить, в каком году появилось кольцо — иногда работа на этом и заканчивается. А во-вторых, вычленить оттуда информацию об условиях в год его формирования. Следовательно, дендрохронология — это наука о точно датированных древесных кольцах.
— Как и когда она появилась?
— Кто-то отсчитывает ее появление от Теофраста. В третьем веке до нашей эры в «Исследованиях о растениях» он уже писал о кольцах, которые образуются каждый год. Кто-то упоминает Леонардо да Винчи: тот добавил, что ширина колец зависит от условий в год его формирования. У нас же основоположником дендрохронологии в советское время считали Федора Шведова. Однако родоначальником науки чаще называют американского физика и астронома Эндрю Дугласа из Аризонского университета. В 1930-х он основал здесь лабораторию, которая до сих пор остается одной из ведущих в мире.
— Как развивалась наука о кольцах деревьев в мире?
— В первое время дендрохронология использовалась только в истории и археологии. Ученые датировали возраст старых деревянных изделий и строений. В 1970-е годы сформировалась дендроклиматология. Она изучает климат — температуру, количество осадков и засушливость — по годичным кольцам у многолетних деревьев. Ее основоположником считают ученого из той же Аризонской лаборатории Харольда Фриттса. Ровно десять лет назад аспирантка Фуса Миякэ из Университета Нагоя в Японии измерила количество радиоактивного углерода в образцах дерева и выявила его скачок в 775 году нашей эры — в журнале Nature вышла статья на эту тему. Коллеги начали перепроверять результаты с использованием других хронологий в сорока разных точках мира: во всех зафиксировали тот же самый скачок. Оказалось, что тогда произошла сильная вспышка на Солнце, которая и отразились на деревьях. Следовательно, появляются новые направления в дендрохронологии. Если же посмотреть публикации по дисциплине, то в 1990-е публиковалось примерно по двести работ в год, а в 2021 году уже полторы тысячи.
— А в СССР и России?
— В 19701980-е у нас было маленькое сообщество, где все друг друга знали. Мы хорошо сотрудничали с зарубежными лабораториями, например в Швейцарии. Поэтому 1990-е были для нашего круга, пожалуй, самым продуктивным периодом. В мае 1990 года прошла последняя всесоюзная конференция в Свердловске, в которой участвовало более ста человек. Потом осталось только две лаборатории — в Екатеринбурге и Красноярске, но позднее появились отдельные исследовательские группы и ученые, в том числе в Москве. В 2015 году произошел неожиданный всплеск российских публикаций по дендрохронологии, и теперь наша доля составляет семь-восемь процентов от общего числа исследований древесных колец. Не знаю, с чем это связано: то ли с появлением Российского научного фонда, то ли с развитием университетов.
На пути к признанию
— Что помогает дендрохронологам в работе?
— Самый главный наш метод — перекрестная датировка. С ее помощью мы определяем, в какой год сформировалось каждое кольцо. Мы берем образец с живых деревьев: не пилим их, а получаем образцы с помощью бура, который не вредит им. Берется проба, керн, диаметром полсантиметра, и по ней мы определяем годы формирования колец, отсчитывая назад, к центру. Все кольца разные: в один год образуются узкие, в другой, наоборот, широкие. Если взять период в 50100 лет, то рисунок годичных колец оказывается неповторимым для каждого времени и места, но в радиусе не более 200 километров. Скажем, у нас еще есть оставшийся после рубки пенек возрастом 400 лет. Определить его годы можно по узору живого дерева — надо наложить рисунки их колец друг на друга и найти пересечения, совпадения между ними. Так можно определить, когда погибло дерево, с точностью до года.
— Где-нибудь еще используют этот способ?
— Он помогает выявлять выпадающие и ложные кольца. Если рассматривать леса на севере России, то исчезновение десятка-другого колец — это вполне нормально. В очень холодные годы они образуются не по всей поверхности ствола, а только в отдельных его частях. Их называют выпадающими. Иногда появляются и ложные кольца — это когда в один год возникают два кольца, например при объедании листвы насекомыми.
— Каковы плюсы и минусы такого метода?
— Дендрохронологическая датировка самая точная, но она зависит от искусности и профессионализма исследователя. Тем не менее археологи, географы и историки доверяют нам в этих вопросах. Классический же углеродный метод дает погрешность в 100200 лет. Однако перекрестную датировку можно применять только на древесных образцах, у которых число колец не менее пятидесяти: чем их больше, тем нам лучше.
— Можете поподробнее рассказать, как ученые из других сфер начали доверять дендрохронологии?
— Пожалуй, все началось со Степана Григорьевича Шиятова, когда он работал на раскопках древнего города Мангазея в Западной Сибири в конце 1960-х годов. Археологи изучали деревянные постройки семнадцатого века, но дендрохронологический метод их не интересовал. А Шиятову хотелось продлить в прошлое свою хронологию с помощью археологической древесины. Однажды после работы с микроскопом и сравнения графиков он обнаружил, что церковь, которую, по летописям, построили в 1612 году, на самом деле возвели в 1626 году. Археологи же отмахнулись и предпочли довериться письменному источнику. Шиятов отправился копаться в архиве. Выяснилось, что та церковь вскоре после постройки сгорела и на ее месте построили новую. Тогда археологи стали охотнее прислушиваться к дендрохронологам.
Еще один случай произошел в этом году, когда швейцарские ученые изучали радиоуглеродный скачок в 5259 году до нашей эры и запросили материал из нашей хронологии. Всего в исследовании их было четыре: по дубу из Ирландии, по лиственнице из Альп, лиственнице из России и остистой сосне из США. По трем районам даты полностью совпали, хотя сосна дала ошибку в один год, но и это вызвало еще большее доверие к нашей науке.
— Чем отличается работа дендрохронолога в России и в мире?
— У нас пока много проблем с оборудованием — не хватает ресурсов, помещений, людей. Зато у нас огромная территория, где мы можем выбирать районы с чувствительными местами в плане годичных колец. Это дает больше информации, чем исследования наших западных или восточных коллег. Мы активно изучаем ширину колец, проводим клеточный анализ, смотрим отчасти на анатомическую структуру, которую видно под микроскопом, без сложных инструментов. А когда нам необходимо провести какой-либо дорогостоящий анализ — обращаемся к зарубежным коллегам. Но чаще они сами приходят к нам за эксклюзивным материалом. Например, в лабораториях Швейцарии и Японии проведены сотни дорогостоящих анализов радиоуглерода в годичных кольцах деревьев Ямала.
Как дендрохронологи Ямал изучали
— Есть ли у вашего исследования предыстория?
— Одним из первых начал этим заниматься уже упомянутый мной Степан Григорьевич Шиятов. В конце 1950-х он пришел к нам в институт как аспирант, а потом отправился на Полярный Урал изучать годичные кольца. Именно там он нашел старые деревья выяснил, что некоторые из них погибли 10001200 лет назад, и по ним составил первую длительную хронологию в СССР. В 1964 году наш директор, эколог Станислав Семенович Шварц, побывал на полуострове Ямал. Тогда он попросил Шиятова изучить возраст остатков местных деревьев, и, как оказалось, они погибли более 400500 лет назад. Когда в 1982 году появилась возможность проводить экспедиции, были собраны сотни образцов погибших деревьев.
За тринадцать лет накопилось достаточно материала на статью, которая вышла в 1995 году и где была хронология в 2300 лет. Потом мы создали и плавающую хронологию, использовали радиоуглеродный анализ для ее привязки ко времени. Мы очень радовались, когда удалось заполнить пробел около 1250 года до нашей эры, соединить плавающую и абсолютную хронологию и продлить ее до 7000 лет.
— А как насчет современности?
— В 2018–2021 годах мы с коллегами вернулись к работе: помогли и грант от Российского фонда фундаментальных исследований, и помощь ученых из Университета Восточной Англии, швейцарского Института леса, снега и ландшафта и Университета Женевы, и карантин в пандемию. Что касается статьи в Nature Communications, похожие выводы были еще в моей докторской диссертации в 2009 году. Спустя сорок лет исследований наша хронология составила 8768 лет и теперь считается самой длительной для России и Азии. Работа актуальна для мировой науки и до сих пор продолжается, хотя мы вряд ли продвинемся дальше 9100 лет. Конечно, в Альпах хронология чуть подлиннее, но у них пока деревьев недостаточно, чтобы все сделать надежно. Есть места и в горах на Алтае, на Таймыре и на севере Якутии, но там пока длительность хронологий — две-три тысячи лет.
— Чем именно уникальны леса Ямальского полуострова?
— Мест, где можно найти множество чувствительных к температуре деревьев тысячелетней давности, как на Ямале, очень мало. При этом образцы бывают очень хорошей сохранности, с мелкими веточками и корой: их хорошо сберегла вечная мерзлота. Поэтому это довольно редкий материал, который многим интересен. Раньше, семь-восемь тысяч лет назад, на Ямальском полуострове были леса. Однако из-за падения температур и по другим причинам деревья постепенно отступили на юг на 500 километров. Сейчас на Ямале фактически нет леса, а наши образцы преимущественно из тундры.
Былое — настоящее — будущее
— В таком случае, если возвращаться к вашей статье о самом сильном за последние семь тысяч лет потеплении, то какие факторы сейчас сильнее влияют на климат?
— В этом я больше доверяю экспертным мнениям климатологов и их сводкам. Если рассматривать данные за последние сотни тысяч лет, то раньше происходили более сильные изменения. Но человеческая цивилизация появилась в голоцене (последние 12 тысяч лет), когда климатические условия были более или менее стабильны. Поэтому для нас текущие колебания можно назвать небывалыми. Из самых значимых факторов для планеты хочу отметить орбитальные изменения Земли. Так, летом в приполярных широтах Северного полушария постепенно снизилось поступление солнечной энергии — сейчас мы находимся на максимальном расстоянии от Солнца летом из-за выгнутой орбиты. Эта фаза похолодания началась где-то восемь-девять тысяч лет назад. Сюда добавляется и снижение солнечной активности в последние десятилетия.
— Почему тогда потепление?
— Появился новый, антропогенный фактор — углекислый газ, который создает парниковый эффект и задерживает тепло. Последние 800 тысяч лет его концентрация находился в пределах 170–270 частей на миллион, а теперь 420, и это небывалое повышение. Даже если мы сейчас сократим выбросы и предпримем меры, количество СО2 сразу не уменьшится, температура продолжит расти. Об этом многие ученые предупреждали еще в 1990-е, когда появились первые доклады по теме.
— В каких еще исследованиях может помочь дендрохронология?
— На данный момент активно развивается радиоуглеродная датировка, которая помогает археологам по всему миру. Калибровка измерений радиоуглерода с помощью данных древесных колец может ощутимо повысить точность этого метода, в некоторых случаях до одного года. Например, есть история о крепости Пор Бажын в Туве. Исследователи смогли радиоуглеродным методом с точностью до сезона определить начало ее строительства и точно датировать извержение вулкана Чанбайшань на границе Кореи и Китая. Историки предполагали, что именно это привело к гибели государства Бохай. Причем радиоуглеродный анализ отдельных годичных колец лиственницы, которая погибла во времена катастрофы, показал, что извержение произошло через двадцать лет после гибели государства. Почти то же самое сделали для поселения викингов у берегов Северной Америки, где те оказались, согласно датировке, в 1021 году. Наши исследования помогают ученым из Швейцарии и Японии калибровать до года данные радиоуглеродных анализов.
— Наконец, что бы вы хотели посоветовать молодым ученым, которые захотят присоединиться к таким исследованиям?
— У нас работают исследователи, которые получили различное образование и трудятся в разных областях: экологи, биологи, лесоведы, географы, историки, математики. В нашей работе требуется добросовестность, терпение, усидчивость и, что важно, желание. К счастью, еще попадаются те, кто хочет узнать что-то новое. Остальному научим.
Фотографии из личного архива Рашита Хантемирова
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl