Новосибирские ученые исследовали цикличность климата Южной Сибири с помощью синхротронного излучения
- 15.02.2016
Ученые Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН) и Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) с помощью синхротронного излучения проанализировали донные отложения хакасских озер Шира и Беле. Проведенные эксперименты позволили провести уникальную реконструкцию климата в регионе Южной Сибири за последние 15 веков.
Отбор керна донных осадков на озере Беле
В зависимости от изменений климатических условий, меняется элементный состав донных осадков, поэтому, определив его, можно восстановить климатическую картину региона в прошлом. Скорость накопления отложений невелика, например, в озерах Шира и Беле она составляет около 1 миллиметра в год, и для того, чтобы проследить динамику изменения климата с точностью до года или даже до сезона, нужно разделить керн (пробу) донных осадков на части размером меньше миллиметра, что практически невозможно. Поэтому для исследования кернов ученые ИГМ СО РАН и ИЯФ СО РАН использовали метод сканирующего микроанализа на экспериментальной станции «Локальный и сканирующий рентгенофлуоресцентный элементный анализ» на ускорителе ВЭПП-3 Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения ИЯФ СО РАН. Во время эксперимента образцы керна перемещаются поперёк пучка синхротронного излучения, размер которого может изменяться от 10 микрон до 2 миллиметров. Измерения проводятся с шагом от нескольких микрон до нескольких миллиметров, в зависимости от задач, которые стоят перед учеными.
Экспериментальная станция «Локальный и сканирующий рентгенофлуоресцентный элементный анализ» ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» ИЯФ СО РАН
«Элементный анализ основан на том, – объясняет кандидат физико-математических наук, ученый секретарь ИЯФ СО РАН Яков Валерьевич Ракшун, – что при возбуждении атомов вещества синхротронным излучением возникает характеристическое (флуоресцентное) рентгеновское излучение. Каждому элементу таблицы Менделеева соответствует свой набор линий излучения, поэтому по спектру флуоресценции можно установить состав вещества». Состав каждой части керна позволяет реконструировать основные погодно-климатические условия (температуру и количество атмосферных осадков) в момент его образования.
Для проведения количественной реконструкции палеоклимата необходимо установить связь между элементным составом и метеорологическими данными. «Для этого берется верхний участок керна, –рассказывает старший научный сотрудник Института геологии и минералогии СО РАН, кандидат геолого-минералогических наук Андрей Викторович Дарьин, – который соответствует последним 150 годам. Мы сравниваем метеорологические данные с геохимическими, видим, что есть корреляция, и можно построить трансферную функцию, например, функцию температуры воздуха в зависимости от содержания брома, или ряда других микроэлементов. После этого мы аппроксимируем эту функцию в прошлое на всю глубину опробования керна и получаем реконструкцию данных, позволяющих судить о климате в этом регионе».
Верхняя часть вскрытого керна Беле
Реконструкция климата последних тысячелетий с высоким временным разрешением (порядка одного года) дает возможность поиска природной цикличности с периодами от нескольких лет до столетий. Точная оценка климатической периодичности позволяет лучше понять механизмы изменения климата и подготовить обоснованный прогноз изменения окружающей природной среды на ближайшие годы и десятилетия.
С помощью методики, разработанной в Сибирском центре синхротронного излучения ИЯФ СО РАН, ученые Института геологии и минералогии проводят и другие исследования, например, анализ донных отложений озер, расположенных в районе падения Тунгусского метеорита. В донных осадках этих водоемов обнаружен характерный белый прослой, который сильно выделяется на фоне остального осадка. Ученые связывают это с усиленным сбросом вещества с берегов водоема из-за сильного внешнего воздействия, но в этом слое может находиться также и вещество метеорита. В данный момент изучается элементный состав этих вкраплений. «Конечно, было бы интересно, если бы в прослое нашлось вещество внеземного происхождения», – говорит А. Дарьин.
Метод сканирующего микроанализа позволяет работать не только с донными отложениями, но и с другими геологическими и природными объектами. Его плюс в том, что он не разрушает объект анализа, а значит, с его помощью можно изучать хрупкие, ветхие предметы – древний текстиль, фрагменты останков животных или людей, живших тысячелетия назад. В настоящий момент в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения ИЯФ СО РАН проводится несколько подобных экспериментов, и их результаты будут представлять интерес для ученых разных областей – геологов, археологов, химиков, материаловедов, медиков.