Реконструкция условий окружающей среды на Камчатке за последнее тысячелетие на основе исследований ледникового керна и других косвенных данных

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00159

НазваниеРеконструкция условий окружающей среды на Камчатке за последнее тысячелетие на основе исследований ледникового керна и других косвенных данных

Руководитель Михаленко Владимир Николаевич, Доктор географических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт географии Российской Академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-703 - Гляциология

Ключевые слова климатические изменения, ледниковый керн, дендрохронология, тефра, морской лед, лесные пожары, биологическая продуктивность, озерные отложения, Камчатка

Код ГРНТИ87.01.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Участки ледников на Камчатке, расположенные на более низких высотах, чем на Кавказе, более подвержены разрушительному таянию в ответ на глобальное потепление. Наиболее подходящим местом для глубокого кернового бурения на Камчатке служит ледяная шапка кратера Горшкова в массиве вулкана Ушковский, где летнее таяние и инфильтрация талой воды существенно ограничены, а плоская поверхность ледника позволяет довольно легко оценить возраст в глубоких слоях ледника с использованием модели течения льда (Salamatin et al., 2000; Sato et al., 2014). Было показано, что в этой точке содержится ценная климатическая информация (Solomina et al., 1995, 2007). Ледниковые керны Камчатских ледников остаются гораздо менее исследованными с точки зрения изучения окружающей среды по сравнению с высокогорными кернами, полученными в Альпах, на Кавказе и на Алтае. На самом деле на Камчатке было проведено лишь несколько химических исследований льда. Одно из них было посвящено сжиганию биомассы с использованием молекулярно-органических индикаторов (левоглюкозана и дегидроабиетиновой, ванилиновой и п-гидроксибензойной кислот) (Kawamura et al., 2012). Камчатка представляет большой научный интерес с точки зрения изучения бореальных лесных пожаров в Сибири и их повторяемости в связи с изменением погодных условий (усиление летней конвективной активности и образование молний, уменьшение зимнего снежного покрова) Kawamura et al. (2012). Существует потребность в критическом пересмотре ранее полученных результатов по ледниковым кернам Камчатки, которые содержат очень важную информацию о лесных пожарах в Сибири. Сибирь, как и Канада, являются ключевыми регионами бореальных лесных экосистем, которые являются основными резервуарами углерода. Другой аспект, параметры которого потенциально содержатся в ледниках Камчатки, связан с условиями образования и распространения морского льда в Охотском море. С этой целью было проведено предварительное исследование с использованием талых слоев и эксцесса дейтерия (но не химического состава) в керне с ледника Ичинский (гора Ичинская, 3607 м) (Matoba et al., 2011). Очевидно, что необходимы дальнейшие исследования химического состава льда камчатских ледников, в частности с использованием иона натрия или метансульфоната, которые обычно анализируется с помощью ионной хроматографии для изучения условий образования и распространения морского льда в прошлом в этом ключевом регионе, одном из самых южных районов в Северном полушарии, где сезонный морской лед формируется каждый год. Другие косвенные данные на Камчатке Камчатка, регион, в котором расположены многочисленные действующие вулканы и ледники, представляет основной интерес для наших целей. Регион очень хорошо изучен с точки зрения тефрохронологии (Ponomareva et al.., 2007, 2015), однако этот метод все еще имеет большой потенциал для датирования других, кроме вулканических (например, ледниковых) отложений. В реконструкциях климата на основе древесно-кольцевых хронологий использовались лиственница, ель и береза (Solomina et al., 2007, Wiles et al., 2015, Deck et al., 2017), но для данного региона можно построить более длительные хронологии, основанные на использовании плавника. Возможности для улучшения климатического сигнала в древесных кольцах существуют на основе метода измерения оптической плотности, который используется в нашей группе (Долгова, 2016). В последнее время были предприняты значительные усилия для проведения палеоклиматических реконструкций и реконструкций загрязнения воздуха при исследовании озерных отложений на Камчатке (см. Специальный выпуск Global and planetary change, 134). Авторы этого сборника утверждают: «Наши выводы и интерпретации в некоторой степени страдают от недостатка количественных реконструкций климата. Следующие шаги должны быть сосредоточены на увеличении географического охвата многопрофильных палеолимнологических участков на Камчатке, на повышении надежности передаточных функций и разработке новых количественных реконструкций в дополнение к нашим качественным». (Brooks et al., 2015). Мы намерены выполнить на Камчатке следующие виды работ: • Получить новый керн льда (200 м) в самом холодном месте – кратере вулкана Ушковский (средняя годовая температура -16 °C). Для бурения будет использована имеющаяся в ИГ РАН легкая электромеханическая буровая установка; • Ледниковые керны с Ушковского будут проанализированы на содержание стабильных изотопов кислорода и водорода, метана в воздушных пузырьках, заключенных во льду, ионов соединений включая метансульфонат, нерастворимые частицы, органический углерод и осколки тефры; • Мы используем эти измерения для идентификации следов лесных пожаров в керне льда. Как было показано (Legrand et al., 2016), набор индикаторов для идентификации пожаров является отличным для каждого региона. В предыдущих исследованиях изучалось только несколько молекулярных органических веществ. После проведения ключевых исследований по выбору оптимального набора индикаторов мы решим, нужна ли дополнительная информация, получаемая при измерении органических молекулярных индикаторов, анализ которых остается дорогостоящим; • Обновление хронологии лиственницы и применение метода оптической плотности для улучшения температурных реконструкций; • Сбор и анализ древесины плавника для продления существующих хронологий; • Изучение возможности реконструкции распространения морского льда на основе разных источников; • Изучение возможности использования ледяного керна для реконструкции бореальных лесных пожаров. • Датирование морен и вулканических отложений с использованием космогенных изотопов и методов тефрохронологии; • Поиск ленточных глин и исследование возможности их использования для создания реконструкций высокого разрешения на этой основе. Список цитируемой литературы содержится в п. 4.13

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Корнева И.А., Торопов П.А., Муравьев А.Я., Алешина М.А. Climatic factors affecting Kamchatka glacier recession International Journal of Climatology, V. 44(2). P. 345-369 (год публикации - 2023)
10.1002/joc.8328

2. Горбач Н.В., Философова Т.М., Михаленко В.Н. Идентификация горизонтов тефры в леднике на вершине вулкана Ушковский (Камчатка) при помощи анализа химического состава вулканического стекла в пепловых частицах Лед и Снег, Вып. 1. С. 66-80 (год публикации - 2024)
10.31857/S2076673424010053

3. Ложкин Г., Долгова Е., Мацковский В. A python package implementing Direct Reconstruction Technique (DIRECT) for dendroclimatological studies Dendrochronologia, Vol. 86, 126217 (год публикации - 2024)
10.1016/j.dendro.2024.126217

4. Чижова Ю.Н., Михаленко В.Н., Корнева И.А., Муравьев Я.Д., Хайрединова А.Г., Воробьев М.А. New Data on Deuterium Excess Values of Glacial Ice in Kamchatka Peninsula Doklady Earth Sciences, Vol. 517(2). P. 1387-1392 (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X24602190

5. Воробьёв М.А., Кутузов С.С., Виноградова М.М., Хайрединова А.Г., Чижова Ю.Н., Михаленко В.Н. Исследование структуры и химического состава неглубокого ледяного керна вулкана Ушковский Лед и Снег (год публикации - 2024)

6. Хайрединова А.Г., Виноградова М.М., Воробьёв М.А., Кутузов С.С., Чижова Ю.Н., Закусин С.В., Михаленко В.Н. Характеристика минеральных частиц в ледниковом керне вулкана Ушковский Лед и Снег (год публикации - 2025)

7. Чижова Ю.Н., Михаленко В.Н., Корнева И.А., Муравьев Я.Д., Хайрединова А.Г., Воробьев М.А. Новые данные о величине дейтериевого эксцесса в ледниковом льду Камчатки Доклады академии наук. Науки о Земле, т. 517, № 2, с. 139-146 (год публикации - 2024)

8. Чижова Ю.Н., Михаленко В.Н., Корнева И.А., Муравьев Я.Д., Хайрединова А.Г., Воробьев М.А. Изотопный состав (δ18О, δ2Н) ледникового льда Камчатки: связь с современными климатическими изменениями в Тихоокеанском регионе Лед и Снег, № 3, с. 373-386 (год публикации - 2024)

9. Сушинцев И.М., Дроздов Е.Д., Торопов П.А., Михаленко В.Н., Воробьев М.А., Хайрединова А.Г. Оценка качества воспроизведения снежного покрова на ледниках на примере высокогорных районов Камчатки и Кавказа Лед и Снег (год публикации - 2025)

10. Долгова Е.А., Бушуева И.С., Бичурин Р.Р., Семеняк Н.С., Кузнецова В.В., Мацковский В.В. Определение фитомассы лесов Камчатки по данным дендрохронологии Известия Российской академии наук. Серия географическая (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Был выполнен минералогический анализ образцов микрочастиц в кернах и выявлены источники поступления микрочастиц. Концентрация частиц минеральной пыли и их распределение по размеру были определены с использованием счётчика Beckman Coulter Counter Multisizer 4e. Нерастворимые частицы исследовались на минералогический состав посредством стереомикроскопии и рентгеновской дифракции. Анализ проводился с использованием оптического стереомикроскопа Leica MZ6 и рентгеновского дифрактометра Ultima-IV фирмы Rigaku. Для точки бурения проведён анализ обратных траекторий воздушных масс с использованием модели NOAA HYSPLIT и выявлены основные источники поступления микрочастиц. Проанализирован опыт работы с горизонтами тефры, захороненной в верхних горизонтах ледника в кратере вулкана Ушковский. Изучение состава вулканических стекол в тефре показало, что один из таких горизонтов представлял собой смесь пепловых частиц различных вулканов-источников. Установлено, что в случае присутствия в керне горизонтов пеплов мощностью более 1 см целесообразно проводить опробование с разрешением не менее 1 см. Создана коллекция отложений тефры верхних горизонтов ледника. Для всех образцов выполнены анализы вулканического стекла в пепловых частицах и определены вулканы-источники. Результаты такого анализа размещены на ресурсе https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24481843.v2. С использованием анализатора общего углерода Sievers M9 TOC Analyzer была определена общая концентрация углеродсодержащих соединений и концентрация неорганического углерода в керне. Содержание основных неорганических ионов установлено методом ионной хроматографии. Проведён анализ элементного состава керна с применением масс-спектрометрии и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Определены основные источники растворимых аэрозолей и оценено влияние таяния на распределение химических маркеров в толще ледника. Для полученных трендов концентраций ионов выделены три группы химических соединений. Для каждой группы предложен основной источник поступления и исследована склонность к вымыванию в результате таяния поверхности ледника. Первая группа включает ионы преимущественно вулканического происхождения, которые активно мигрируют под действием талых вод. Вторая группа состоит из морских аэрозолей. В третью группу входят маркеры вегетационной активности лесов и горения биомассы. При помощи модели SNOWPACK выполнено численное моделирование снежного покрова для поверхности ледника в кратере Горшкова с различными входными данными по осадкам: модельных данных реанализа ERA5, данных сетевых метеонаблюдений и с коррекцией данных с помощью параметризации орографического добавка к осадкам. Проведено сравнение полученных результатов моделирования за период с 1986 по 1996 гг. С помощью модели SNOWPACK воспроизведена аккумуляция и стратиграфия снежного покрова в кратере вулкана Ушковский. Модельный комплекс удовлетворительно воспроизвел основные характеристики ледяных прослоев в снежно-фирновой толще и толщину снега Анализ результатов показал, что наблюдается образование прослоев при адвекции теплого влажного воздуха с Тихого океана и Охотского моря. Был произведен добор дендрохронологических образцов в старовозрастном лиственничном лесу в районе пос. Козыревск. Было заложено 15 дендрохронологических площадок. Породный состав исследованных деревьев – берёза каменная, лиственница Каяндера и ель аянская. Получены хронологии по ширине ранней (EWW) и поздней (LWW) древесины, ширине годового кольца (TRW) и оптической плотности (dBI) для 13 площадок. Измерения ширины сезонной древесины и оптической плотности получены для территории Камчатки впервые. Построена сводная хронология климатических изменений на Камчатке. Установлено, что климатический отклик деревьев усиливается при увеличении абсолютной высоты. Выполнена реконструкция оптической плотности колец лиственницы до 1727 г., которая отражает положительный тренд температуры, наблюдаемый в последние десятилетия. Результаты анализа наложенных эпох подтвердили, что похолодание на Камчатке наступает в течение 1-2 лет вслед за извержениями тропических вулканов в 1884, 1809, 1815, 1836 гг. Проведены работы по определению динамики фитомассы древостоев Камчатки и скорости их углеродного депонирования на основе дендрохронологического метода. Установлено, что ход фитомассы определяется изменчивостью летних температур воздуха и антропогенным фактором. Связь фитомассы с температурой ослабевает в 1940-е и 1960-е гг., когда зафиксированные массовые рубки и пожары в районе посёлка Эссо привели к увеличению прироста за счёт увеличения освещённости. Проведена подготовка 222 дендрохронологических образцов на изотопный анализ в Лаборатории геологии и экологии кайнозоя в Институте геологии и геофизики Китайской академии наук. Из всех образцов была выделена целлюлоза. Измерения выполняются на масс-спектрометре Thermo Scientific DELTA V Advantage. Впервые были получены профили плотности кернов каменной березы (Betula ermanii) с помощью рентгеновской компьютерной томографии высокого разрешения (XµCT) и проведен их дендроклиматический анализ. Длина хронологий составила 177 лет (1847-2023 гг.). Дендроклиматический анализ показал, что хронологии, основанные на плотности, превосходят аналоги, основанные на ширине годичного кольца с точки зрения силы климатического отклика. Результаты показали бóльшую климатическую чувствительность хронологий плотности колец каменной березы по сравнению с шириной колец и перспективность развития этого направления. Получены новые данные методами относительной геохронологии об изменениях климата и динамике вулканической деятельности на территории Камчатки в голоцене. Выяснено отсутствие морен у ледников Эрмана и Богдановича в Ключевской группе вулканов, которые имеют максимальные размеры вследствие прироста своих областей питания за счет образования 7000 л.н. Ключевского. Ледник Бильченок, берущий начало в вершинной кальдере вулкана Ушковский, имеет наиболее развитый моренный комплекс среди ледников этой группы вулканов. На основе тефрохронологического метода были выделены три генерации голоценовых морен на полуострове: образовавшиеся до 7600-7700 л.н., в диапазоне 6000-1800 л.н., и моложе 1400/1500 л.н. Колебания ледника Бильченок прослеживаются по фрагментам боковых морен. После сокращения в начале 20 столетия Бильченок был в активном состоянии и наступал в конце 1940-х гг. Объем перемещенного льда составил около 40 млн м3. На развитии ледника в первой половине голоцена отрицательно сказались кальдерообразующие извержения Ушковского вулкана, уничтожившие область питания ледника и осложнившие его дальнейшее существование в процессе роста шлаковых конусов в молодой кальдере и их эруптивной деятельности.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В настоящее время не существует детальной хронологии вулканических извержений на Камчатке за достаточно протяженный период времени. Полная хронология извержений записана в ледниковой толще вулкана Ушковский, которая при более благоприятных условиях будет исследована и расшифрована. С ее помощью можно оценить повторяемость извержений отдельных вулканов, что поможет при прогнозировании будущих извержений. В процессе реализации проекта были разработаны рекомендации для дальнейших исследований ледникового керна и создан протокол для отбора образцов тефры и их последующего анализа. При математическом моделировании снежной толщи в областях питания ледников, покрывающих вулканы, было установлено, что происходит увеличение льдистости снежно-фирновой толщи за счет формирования гололедных корок. При прогрессирующем потеплении климата, что подтверждается разработанными климатическими сценариями, будет происходить дополнительный сток талых ледниковых вод с ледников, что должно учитываться при разработке долгосрочных гидрологических прогнозов. Бореальные леса Северного полушария являются важнейшим депозитарием углерода. Дендрохронологический метод позволил оценить изменчивость фитомассы в прошлом и провести реконструкцию скорости углеродного депонирования древостоев Камчатки. В работе разработаны рекомендации по созданию реконструкции изменчивости фитомассы по дендрохронологическим данным. Полученные в ходе реализации проекта хронологии по ширине и плотности годичных колец хвойных деревьев, растущих на Камчатке, оказались исключительно чувствительными к изменчивости летних температур. Хронологии отражают как амплитуду, так и тренды изменения температуры воздуха, чётко следуя за современным потеплением последних десятилетий. Полученные данные могут быть использованы для реконструкций, охватывающих Северное полушарие, и послужить входными данными в глобальных климатических моделях.