Vos prieš 20 000 metų ledas valdė planetą. Tad kodėl jis atleido gniaužtus?

2008-ųjų metų vasarą, Manhatane, Pasaulio prekybos centro vietoje, kasinėję darbininkai prasikasė iki pamatinės uolienos. Ten jie rado kai ką netikėto: didžiulę, 10 metrų gylio įdubą, o šalimais esantys plyšiai prigrūsti kelių skirtingų tipų uolienoms. Konsultuojantis geologas iškart atpažino šiuos požymius. Akmenis iš už daugelio kilometrų atnešė ledynas, slinkęs pamatine uoliena. Kažkuriuo momentu sraunus tirpstančio ledyno vanduo ir išgremžė įdubą.

Nuo įdubų Niujorke iki miškų jūros dugne, aplink pilna ledo karaliavimo laikų įrodymų. Vėliausias didysis ledynmetis prasidėjo maždaug prieš 120 000 metų. Viena masyvi ledo plokštė, vietomis daugiau, nei 3 kilometrų storio, priešokiais augo ir užklojo beveik visą Kanadą ir driekėsi iki pat Manhatano. Kitas plito per beveik visą Sibirą, šiaurės Europą ir Britaniją, sustojo netoli vietos, kur dabar stovi Londonas. Kitur buvo daug mažesnių ledo plokščių ir ledynų, didžiuliai plotai virto tundra ir dykumomis, nes planeta tapo sausesnė.

Kadangi sausumoje buvo tiek daug ledo, jūros lygis buvo žemesnis už dabartinį 120 metrų. Britanija ir Airija jungėsi su žemynine Europa. Floridos plotas buvo dvigubai didesnis, nei dabar, Tampa – toli nuo pakrantės. Australija, Tasmanija ir Naujoji Gvinėja sudarė vieną sausumos plotą, vadinamą Sahul. Planeta buvo sunkiai atpažįstama.

Tada, prieš 20 000 metų, prasidėjo didysis atlydys. Per kitus 10 000 metų vidutinė pasaulio temperatūra pakilo 3,5 °C ir didžioji ledo dalis ištirpo. Kylantis jūros vanduo prarijo žemiau plytinčius Lamanšo kanalo ir Šiaurės jūros plotus, priversdamas mūsų protėvius apleisti daugelį gyvenviečių. Tad, kas sukėlė tokią dramatišką planetos transformaciją?

Paslaptingi pokyčiai

Jau seniai žinome, kad tirpsmas prasidėjo dėl šiauriniame pusrutulyje vasaromis padidėjusio Saulės spinduliavimo, tirpdančio ledą ir sniegą. Tačiau, kas vyko vėliau, lieka paslaptis. Pavyzdžiui, netrukus po tirpsmo pradžios, pietinis pusrutulis pradėjo šilti, kai tuo tarpu šiaurinis – vėsti. Tai yra priešinga tam, ko galima būtų tikėtis dėl spinduliavimo pokyčio. Dabar, po beveik dviejų šimtmečių kamavimosi su, regis, prieštaringomis išvadomis, manome galiausiai supratę, kodėl baigėsi ledynmetis.

Viskas prasidėjo 1830, kai Louisas Agassizas pastebėjo, kad charakteringi ledynų skurti bruožai, pavyzdžiui įrantos pamatinėje uolienoje ir „klaidingos“ uolienos, pamestos toli nuo jų kilmės vietos, randamos ir toli nuo egzistuojančių ledynų. Panašūs atradimai netrukus buvo padaryti visame pasaulyje, nuo Kanados iki Čilės. Tapo akivaizdu, kad būta visos ledynmečių serijos.

Kas priversdavo ledą plisti ir trauktis? 1864 metais Jamesas Crollas iškėlė mintį, tai galėjo sukelti skirtingus Žemės paviršius pasiekiančios Saulės šviesos kiekio skirtumai dėl planetos orbitos pokyčių. Dar pasiūlė, kad orbitinius efektus galėjo sustiprinti įvairūs atgalinio ryšio mechanizmai, pavyzdžiui, šilumą atspindinčio sniego ir ledo tirpimas ir vandenyno srovių pokyčiai.

Crollas daugelį detalių suprato neteisingai, bet buvo teisingame kelyje. XX a. pradžioje, serbų astronomas Milutinas Milankovitch'ius padarė išvadą, kad vasarą šiaurinį pusrutulį pasiekiančios šviesos kiekis yra svarbus faktorius ir metų metus atkakliai skaičiavo, kaip jis kito per pastaruosius 600 000 metų. Jo idėjos tuo metu neprigijo, bet aštuntajame dešimtmetyje okeanų nuosėdų tyrimai atskleidė, kad ledynų plitimas ir traukimasis iš tiesų sutampa su „Milankovitch'iaus ciklais“.

Tačiau liko dar daug neaiškumų. Pradžiai, spinduliavimo pokyčiai buvo labai menki. Netgi jei jų poveikį sustiprindavo daugiau absorbuojamos šilumos dėl nutirpusio sniego ir ledo, buvo sunku vien tuo paaiškinti globalių pokyčių mastą. Be to, kai vasarą šiaurinis pusrutulis spindulių gauna daugiau, pietiniame jų sumažėja. Tai paskatino Crollą iškelti idėją, kad ledynmečiai šiauriniame ir pietiniame pusrutulyje atsirasdavo pakaitomis: kai šiaurinis šalo, pietinis šilo ir atvirkščiai. Bet jau seniai buvo aišku, kad visas pasaulis atšilo daugmaž tuo pačiu metu.

Šių galvosūkių atsakymai pradėjo aiškėti devintajame dešimtmetyje, kai Antarktidos ledo kernų analizės atskleidė itin artimą koreliaciją tarp anglies dvideginio lygio atmosferoje ir temperatūros.

„Pastarąjį milijoną metų galima matyti juos abu kylant ir leidžiantis, kylant ir leidžiantis, kartu per kiekvieną ledynmetį, beveik idealiai koja kojon,“ sako Jeremy'is Shakunas iš Harvaro universiteto. „Tai tikriausiai tiksliausia koreliacija, kokios galima tikėtis iš gamtos.“

Jeigu CO2 lygis pakilo netrukus po šiaurėje prasidėjusio atšilimo, tai paaiškintų, kodėl pradėjo šilti ir pietinis pusrutulis. Taip pat padėtų paaiškinti pokyčių mastą. Bet ši daug žadanti idėja susidūrė su didele problema: maždaug prieš dešimtmetį paaiškėjo, kad Antarktyje atšilimas prasidėjo keletu šimtmečių anksčiau, nei CO2 lygio kilimas. Tad, nors kylantis CO2 lygis, be abejo, šildė planetą – manoma, kad jie atsakingi maždaug už pusę atšilimo nuo ledynmečio pabaigos – tai nebuvo pradinė priežastis. „Kažkas kitas sukėlė Antarkties atšilimą,“ sako Danielis Sigmanas iš Princetono universiteto.

Žiedadulkių galvosūkis

Tai nebuvo vienintelė paslaptis. Ketvirtajame dešimtmetyje, nuosėdų, turinčių Alpių gėlės Dryas octopetala ir kitų Alpių augalų žiedadulkių tyrimas parodė, kad vos Europoje prasidėjo atšilimas, staiga vėl atšalo. Ši šaltoji fazė, vadinamasis Ankstyvasis driasas arba Paslaptingasis intervalas, prasidėjo maždaug prieš 17 500 metų ir truko 2800 metų. Ledo kernai parodė, kad tuo laiku atšalo ir Grenlandija.

Tačiau tuo laiku Antarktida tolygiai šilo. „Vertinant detaliau, panašu, pietūs atšilo pirmiau už šiaurę,“ sako Sigmanas. Bet kas privertė šilti pietinį pusrutulį netgi vėstant šiauriniam? Tai negalėjo nutikti dėl orbitos pokyčių ar kylančio CO2 lygio – bet galėjo dėl kintančių vandenyno srovių.

Prieš 19 000 metų pradėjus tirpti ledynams, gigantiški gėlo vandens kiekiai plūstelėjo į Šiaurės Atlantą. Pavyzdžiui, Airijos jūros kranto nuosėdų analizė parodė, kad jūros lygis pakilo apie 10 metrų vos per keletą šimtmečių.

Nedidelis gaunamos šilumos kiekio pokytis sukėlė įvykių grandinę, atšildžiusių visą pasaulį maždaug 3,5 °C
Dabar Šiaurės Atlante iš tropikų tekantys sūrūs vandenys vėsta, tankėja ir leidžiasi prie dugno. Šie gilūs šalti vandenys teka į pietinį pusrutulį, tuo tarpu paviršinis šiltas vanduo – taip pat ir Golfo srovė – teka į šiaurę. Ši srovių sistema vadinama Atlanto pietiniu apytakos ratu.

Milžiniški gėlo vandens kiekiai, plūdę į okeaną prieš 19 000 metų, turėjo atskiesti sūrų vandenį, tuo pačiu sumažindami jo tankį. Dėl to sulėtėjo apytaka. To įrodymai gauti 2004 metais iš jūros nuosėdų tyrimų. Dviejų sunkiųjų elementų santykio, priklausančio nuo gilių povandeninių srovių greičio, tyrimas parodė, kad prieš 17 500 metų apytaka praktiškai sustojo (Nature, vol 428, p 834).

Dėl to kilo savotiškas supynių efektas. Kadangi paviršinės srovės į šiaurę pernešdavo daug mažiau šilumos, šiaurinis pusrutulis atvėso. Tropikai ir subtropikai, atvirkščiai, pradėjo kaisti, nes į šiaurę šilumos perduodavo mažiau. Tai paaiškiną daug nesuprantamų atradimų. Atlanto srovės sulėtėjimas taip pat gali padėti paaiškinti, kodėl per didįjį atšilimą kilo CO2 lygis.

Iki dešimtojo dešimtmečio CO2 šaltinio paieškos buvo sutelktos į Pietų vandenyną. Izotopai okeano nuosėdose rodė, kad per ledynmetį vandenyno gelmėse susikaupė milžiniškas CO2 rezervas. Manoma, kad dujas įkalino vertikalaus maišymosi stoka po jūrą dengiančiu ledu. Per atšilimą okeanas buvo „atkimštas“ ir didžioji CO2 dalis pateko į atmosferą.

Tokios teorijos patvirtinimas pasirodė šiais metais, atlikus labai detalią Antarkties ledo kernuose įkalinto CO2 izotopų analizę. „CO2 turėjo atsirasti vandenyno gelmėse,“ tvirtina komandos narys Jochenas Schmittas iš Berno universiteto Šveicarijoje.

Suaktyvėjęs Pietų vandenyno vertikalus maišymasis dabar plačiai pripažįstamas, kaip CO2 šaltinis. Pavyzdžiui, 2009-aisiais, Bobas Andersonas iš Lamont-Doherty Žemės observatorijos Niujorke pranešė, kad Ankstyvajame driase, pradėjus šilti pietiniam pusrutuliui, smarkiai paspartėjo planktono su silicio dioksido kriauklelėmis augimas (Science, vol 323, p 1443). Kadangi šių organizmų augimą riboja ištirpusio silicio dioksido kiekis paviršiniuose vandenyse, jų augimo paspartėjimas turėjo kilti dėl silicio dioksido ir maistingų medžiagų kupino vandens kilimo iš gelmių.

Bet kas tai sukėlė? Yra dvi idėjos. Sigmanas pastebi, kad Antarktida pradėjo šilti beveik tuo pačiu metu, kaip ir vandenys vos piečiau ekvatoriaus. Tačiau pats savaime Atlanto srovių sustojimas turėtų sušildyti tik tropikų vandenį, o ne taip toli į pietus, kaip Antarktis. 2007 m., jo komanda iškėlė mintį, kad sustojus Atlanto srovių konvejeriui, jį pakeitė vietinis apytakos ratas vandenyse aplink Antarktidą. Tankus paviršinis vanduo grimzdo, o vanduo iš gelmių kilo, išlaisvindamas šilumą ir CO2. „Tai paaiškina Antarkties šilimą ir CO2 lygio kilimą,“ sako Sigmanas.

Tačiau Andersonas su kolegomis mano, kad suintensyvėjusį maišymąsi sukėlė vėjo pokyčiai. Žemėje yra vyraujančių vėjų ruožai, kuriuose pučia vėjai, kylantys dėl temperatūrų skirtumų tarp ašigalių ir pusiaujo, bei planetos sukimosi. Pasikeitus temperatūrų skirtumui, jų vieta gali kisti.

Per ledynmetį vakarių vėjų juosta pietiniame pusrutulyje – kurią jūreiviai vadina Riaumojančiomis Keturiadešimtosiomis dėl platumos laipsnio – būtų buvusios šiauriau. Supynių efektas pastūmėjo jas piečiau virš

Pietų vandenyno, atšildydamas Antarktidą ir sujudindamas apie užšalusį žemyną plytinčias jūras. Konkrečiau, vėjo varomos apytakos srovės sukėlė daugiau giliųjų vandens sluoksnių kilimo seklesniuose regionuose tarp Pietų Amerikos ir Antarktidos.

Nors dėl detalių dar vyksta debatai, bendras vaizdas aiškus. „Vis dar yra šiek tiek nesutarimų dėl paskutiniojo ledynmečio pabaigoje vykusių procesų,“ sako Andersonas. „Tačiau bent jau platesnis vaizdas gana gerai priimamas.“

Anksčiau šiais metais, Shakunas su kolegomis sujungė daugelio tyrimų gijas, išanalizuodamas 80 skirtingų temperatūros ir atmosferos sudėties kitimo per pastaruosius 22 000 duomenų bazių (Nature, vol 484, p 49). Jų darbas patvirtina ledynmetį užbaigusių įvykių seką. Ji buvo tokia:

Maždaug prieš 20 000 metų, šiaurinis ledo skydas išsiplėtė taip toli į pietus, kad menkutis spinduliavimo padidėjimas sukėlė didžiulį tirpimą. Gėlam vandeniui plūstelėjus į Šiaurės Atlantą, vandens apytakos ratas sustojo, atvėsindamas šiaurinį pusrutulį, tačiau sušildydamas pietinį. Šie pokyčiai daugiausiai vyko dėl šilumos perskirstymo – prieš 17 500 metų vidutinė temperatūra pakilo vos 0,3 °C.

Kintantys vėjai ar srovės arba kartu, pakėlė daugiau giluminio vandens į Pietų vandenyno paviršių, išlaisvindami tūkstantmečius buvusį užrakintą CO2. Jo lygiui atmosferoje perkopus 190 dalių milijone (ppm) ribą, visa planeta pradėjo šilti. Tolima šiaurė reagavo vėliausiai, bet maždaug prieš 15 000 metų, CO2 lygiui pasiekus 240 ppm ir vėl įsijungus Atlanto apytakos ratui, temperatūros ėmė kilti. Apytakos rato atsinaujinimas turėjo priešingą poveikį pietiniam pusrutuliui: ten šilimas sustojo ir įkalinto CO2 patekimas į atmosferą baigėsi.

Maždaug prieš 12 900 metų, supynės vėl sulingavo. Temperatūros šiaurinėse platumose staiga nukrito ir tokios išsilaikė maždaug 1300 metų. Šį atšalimą, vadinamąjį Didįjį atšalimą arba Vėlyvąjį driasą, manoma, sukėlė milžiniško tirpsmo vandens ežero Šiaurės Amerikoje, kuriame vandens buvo daugiau, nei visuose Didžiuosiuose ežeruose kartu paėmus, staigus išsiliejimas į Atlantą, vėl sustabdęs apytakos ratą.

Tuo tarpu Pietų vandenynas pradėjo laisvinti CO2. Atmosferoje jo pagausėjo iki 260 ppm, dėl to visa planeta kitus porą tūkstantmečių sparčiai šilo. Maždaug prieš 10 000 metų Žemė transformavosi. Ledas atsitraukė, jūrų lygis pakilo ir mūsų protėviai ėmėsi mokytis ūkininkavimo.

Tačiau techniškai ledynmetis dar nesibaigė. Per pastaruosius keletą milijonų metų ledynai daug kartų plėtėsi ir traukėsi, tačiau šiek tiek ledo ašigaliuose visada išlikdavo. Tačiau, gali būti, jau neilgam. Tereikėjo nediduko gaunamo spinduliavimo padidėjimo ir tolygaus CO2 lygio pakilimo 70-čia ppm, kad ištirptų didžiuliai ledo skydai, kadaise dengę Euraziją ir Ameriką. Nuo pramonės amžiaus aušros CO2 padaugėjo 130 ppm ir vis tebeauga. Jei dar neišpumpavome pakankamai CO2 į atmosferą Grenlandijos ir Antarktidos ledynų ištirpinimui, tai galime padaryti netrukus.

Mūsų laimei, paskutinių didžiųjų ledynų ištirpimas gali trukti tūkstantmečius. Jei tai visgi nutiks, galbūt vieną dieną statybininkai Antarktidoje ras didžiules tirpsmo vandens išgraužtas duobes pamatinėje uolienoje ir susimąstys apie kitą dramatišką planetos transformaciją.