Проект 17-77-20123

Название: Реконструкция естественной климатической изменчивости по дендрохронологическим данным Соловецкого архипелага за последнее тысячелетие

Руководитель: Долгова Екатерина Антоновна , Кандидат географических наук

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

Года выполнения: 2017 - 2019

Конкурс: Конкурс 2017 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора: 07 - Науки о Земле, 07-701 - Палеогеография

Ключевые слова: Дендрохронология, реконструкция, климатическая функция отклика, последнее тысячелетие, Соловки, ширина и плотность годичных колец, погребённая древесина, Малый ледниковый период, Средневековая климатическая аномалия

Код ГРНТИ: 39.19.29

Аннотация

Изучение трендов климатической изменчивости и экстремальных климатических событий в Северном полушарии в позднем голоцене является современной задачей палеоклиматологии (Frank et al., 2010 ; Masson-Delmotte et al., 2013). Некоторые из реконструкций основаны только на дендрохронологических данных (Esper et al., 2002; D'Arrigo et al., 2006; Frank et al., 2007; Wilson et al., 2007; Schneider et al., 2015 ; Stoffel et al., 2015), однако в большинстве случаев в реконструкции включены несколько источников палеоклиматической информации (Jones et al., 1998; Mann et al., 1999; Mann et al., 2009; Moberg et al., 2005; Hegerl et al., 2007; Wahl and Ammann, 2007 ; Ljungqvist, 2010). Большинство реконструкций Северного полушария представлено в виде одной осреднённой температурной кривой, и лишь несколько реконструкций имеют пространственный характер (Briffa et al., 2002; Mann et al., 1998; Mann et al., 2009; Ljungqvist et al., 2012 ; Tingley and Huybers, 2013). Последний подход является ключевым в понимании пространственно-временных закономерностей современного потепления на фоне других климатических эпох, а также позволяет сравнить реконструкции с глобальными климатическими моделями и выявить внешние факторы, контролирующие низко- и высокочастотную климатическую изменчивость. В последних опубликованных реконструкциях для Северного полушария (IPCC, 2013; Section 5.3.5; Masson-Delmotte et al., 2013) можно отчётливо проследить согласованность климатических эпох: потепление 10 в. с последующим похолоданием в течение 500 лет, похолодание около 1450-1850 гг. и резкое потепление, начавшееся с середины 19в. Хотя эти реконструкции, в целом, похожи, тем не менее наблюдаются значительные различия во времени и амплитуде некоторых эпох (Esper et al., 2004). Скорее всего, использование нескольких источников палеоклиматической информации приводит к неопределённостям итоговой реконструкции. Расхождения связывают с разным сезонным климатическим откликом, различным разрешением источников (не годовое), отсутствием достоверных датировок (Wilson et al., 2016). Актуальность развития дендроклиматической сети по всему Северному полушарию остаётся неизменной даже в условиях значительного прогресса в этой области. В этой работе мы попытаемся восполнить этот пробел путём создания тысячелетней реконструкции температуры воздуха по дендрохронологическим данным. Проведённые нами ранее дендрохронологические работы на Соловецком Архипелаге позволили нам создать первую для этой территории хронологию по ширине годичных колец хвойных продолжительностью 850 лет (Matskovsky et al., 2011). Такой большой продолжительности удалось достигнуть путём включения образцов с живых деревьев и архитектурных объектов. Скорее всего, продление хронологии за счёт архитектуры почти исчерпало себя. В качестве новых источников старовозрастной древесины мы предлагаем использование погребённых в озёрных отложениях образцов. Такая практика зарекомендовала себя в соседней Финляндии (Helama et al., 2017) с похожими гидро-геоморфологическими условиями, когда на дне неглубоких озёр древесина остаётся в сохранности. В случае если перекрёстная датировка плавающей хронологии не даст результатов будет проведено AMS-датирование. Реконструкция температуры воздуха будет получена по данным оптической плотности. При этом будут решены несколько актуальных задач: калибровка оптической плотности относительно максимальной, оценка возможности перекрёстной датировки плавающей хронологии и анализ устойчивости климатического сигнала. Проблема выбора метода стандартизации хронологии до сих пор актуальна в дендроклиматологии и не однократно было показано, что неверный выбор приводил к ошибочным результатам. Для решения этой поблемы мы проведём реконструкцию двумя способами: один основан на применении стандартизации дендрохронологического ряда региональной кривой стандартизации (RCS) и линейной регрессии; второй – без стандартизации рядов путём прямого перехода абсолютных значений оптической плотности к инструментальным данным (Matskovsky and Helama, 2015). Таким образом, результаты полученные в ходе выполнения проекта будут овечать наиболее атуальным проблемам современной дендроклиматологии.

Ожидаемые результаты

В ходе реализации этого проекта будут получены следующие результаты:

  1. Впервые будет получена тысячелетняя сводная хронология по оптической плотности колец хвойных Соловецкого Архипелага. Увеличение длины хронологии станет возможным за счёт включения в уже имеющуюся хронологию (850 лет) погребённой древесины, залегающей в придонных озёрных отложениях. Успешность такого подхода показана на примере Финской хронологии, продолжительность которой была значительно увеличена. Недостаток сверхдлинных абсолютно датированных хронологий до сих пор является важной проблемой при создании глобальных палеоклиматических реконструкций (Wilson et al., 2016) и создание тысячелетней чувствительной хронологии может стать частью пространственных глобальных реконструкций.
  2. Впервые для этой территории будет измерена оптическая плотность колец (Blue Intensity, BI) хвойных, при чём для удаления возможных ошибок, связанных с резким цветовым переходом между заболонью и лубом будет измерена разница между ранней и поздней древесины (delta BI). Этот более дешёвый по сравнению с традиционной денситометрией метод получил широкое распространение в последние годы. Все известные нам проведённые исследования свидетельствуют о наличие сильного летнего температурного сигнала (например, McCarroll et al., 2013; Wilson et al.,2014; Dolgova, 2016). Несмотря на успехи в этой области все научное сообщество сходится во мнении, что для адекватного анализа слабых и сильных сторон этого метода необходимо получение как можно большего количества данных из разных географических областей c применением разных пород хвойных (Rydval et al., 2014; Björklund et al. 2014; 2015 ). Правомерность использования оптической плотности будет показана путём её сравнения с максимальной плотностью, измеренной на одинаковых образцах. В этой связи будет выполнена калибровка оптической плотности относительно максимальной и в дальнейшем позволит распространить эту калибровку на весь Север европейской части России. Такой подход будет выполнен для России впервые, а положительные результаты, полученные в ходе проекта, станут основой для использования оптической плотности другими Российскими дендрохронологическими лабораториями.
  3. Впервые для исследуемой территории будут представлены результаты возможности перекрёстной датировки плавающих хронологий с использованием оптической плотности. Проблема получения абсолютных датировок плавающих хронологий всегда стояла остро. Зачастую короткие ряды древесно-кольцевых серий по ширине годичных колец имели слабую статистику, что мешало точно отнести ряд к тому или иному периоду. Последние исследования показали, что применение оптической плотности (вместо ширины годичных колец) в Шотландии для датировок архитектурной древесины в значительной мере повысило статистическую достоверность результата (Wilson et al., 2017). Это даёт нам основание предположить, что похожая ситуация будет наблюдаться и на Соловецком архипелаге. Измерение оптической плотности живых и погребённых деревьев позволит оценить насколько этот параметр пригоден для датировок. Мы пересмотрим наши предыдущие датировки плавающих серий и дадим сравнительную характеристику статистических данных при датировке на основе оптической плотности колец и годичной ширины колец. Результаты применения такого подхода откроют новые возможности в области археологических исследований и приведёт к получению более достоверных результатов датирования для всей ЕТР.
  4. Будет приведена оценка климатической функции отклика хронологии оптической плотности, при этом особое внимание будет уделяться проблеме дивергенции рядов. Решение этой задачи в мировой дендроклиматологии заслуживает особенного внимания, так как включение таких рядов в крупномасштабные реконструкции способно приводить значительным ошибкам. Так, в последних работах одним из критериев использования региональной реконструкции является отсутствие дивергенции (Wilson et al., 2016). В случае наличия дивергенции между рядами плотности и температуры будут проанализированы возможные причины её возникновения.
  5. Хронология по оптической плотности будет изучена на предмет наличия в ней долгопериодной изменчивости, а также её способности отражать амплитуду экстремальных климатических событий за период инструментальных наблюдений. Будет приведена оценка когерентности спектров оптической и максимальной плотности между собой и с инструментальными рядами температуры воздуха.
  6. Впервые для севера ЕТР будет получена реконструкция температуры воздуха за последнее тысячелетие двумя разными методами. Первая реконструкция будет получена традиционным в дендроклиматологии способом - с помощью линейной регрессии. Вторая реконструкция будет получена без стандартизации путём перехода от абсолютных значений оптической плотности к температуре. Будут приведены результаты сравнения двух реконструкций и анализ причин различий между рядами.
  7. Будет оценён вклад внешних факторов, влияющих на климат севера ЕТР, путём сравнения реконструкции с модельными данными о радиации (Schmidt et al, 2012), которые, в свою очередь, отражают изменчивость инсоляции и последствия вулканической активности Северного полушария. Благодаря этому анализу станет возможным определить причины установления холодных или тёплых эпох. Будет проведена оценка амплитуды и продолжительности похолодания вследствие крупных вулканических извержений методом наложенных эпох.
  8. Все промежуточные и итоговые результаты будут выложены в открытом доступе на веб сайте, посвящённом выполнению проекта. Результаты исследований будут опубликованы в высокорейтенговых международных журналах.