CC BY
105
УДК 630*552: 551.509.336:504.7
А. Г. Канатьев, О. И. Шумилов, Е. А. Касаткина, М. А. Мошникова
ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА КОЛЬСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
Аннотация
Приведены результаты дендрохронологических исследований на Кольском полуострове. Описываются места сбора наиболее старых деревьев. Показаны методы обработки и стандартизации образцов. При исследовании обработанных древесно-кольцевых хронологий не обнаружено какого-либо значительного потепления климата в ХХ веке в данном регионе. Было показано, что главные минимумы солнечной активности ведут к значимым похолоданиям земного климата. Полученные результаты позволили выявить региональные особенности климатических вариаций на протяжении последнего тысячелетия и подтвердили возможность использования образцов можжевельника, лиственницы и сосны в дендрохронологических исследованиях для изучения климата.
Ключевые слова:
дендрохронология, места сбора образцов, обработка и стандартизация, длинные серии Кольского п-ова, солнечная активность, климат.
A. G. Kanatjev, O. I. Shumilov, E. A. Kasatkina, M. A. Moshnikova
DENDROCHRONOLOGICAL INVESTIGATIONS AT THE THE KOLA PENINSULA
Abstract
The results of dendrochronological research on the Kola Peninsula are presented. We have described the gathering places of the oldest trees and discussed the methods of processing and standardization of samples. We did not detect any significant climate warming of the region in the twentieth century while investigating the collected tree-ring chronologies . It has been shown as well that the main minima in the past of solar activity lead to detectable coolings of the Earth climate. The results revealed the regional peculiarities of climatic variations over the past millennium, and confirmed the possibility of using samples of juniper, larch and pine trees in the dendrochronological studies for climatic analysis.
Keywords:
dendrochronology, sites of collecting, processing and standardization, a long series of the Kola Peninsula, solar activity, climate.
Введение
Деревья являются наиболее долгоживущими на земле организмами. На юго-западе США в Белых горах Калифорнии сейчас растут деревья возрастом более 4000 лет. Возраст отдельных особей может достигать почти 5000 лет. Недавно был найден новый рекордсмен возрастом 5063 года. Это дерево относится к виду сосна остистая межгорная и также произрастает в Белых горах. С первого же дня рождения живое дерево является «очевидцем» многочисленных явлений природы и той среды, где оно произрастает. Годичное кольцо - это «память» природы, в которой хранятся с точностью до одного года оценки разнообразных климатических условий прошлого - осадки, температура воздуха, влажность почв, солнечная активность и даже удельная радиоактивность земной атмосферы. Значение дендрохронологии особенно возрастает сейчас, когда в науке стала преобладать тенденция динамического подхода к явлениям биосферы. Дендрохронология приносит в естественные
59
науки четвертое измерение - время. Годичные кольца деревьев, произраставших сто, тысячу и много тысяч лет тому назад являются «летописью природы», в них содержится огромная информация о прошлом Земли и Космоса.
Места сбора дендрохронологических серий
Наша дендрохронологическая коллекция насчитывает более 120 серий хвойных деревьев (сосны, ели, лиственницы) и можжевельника, собранных на Кольском полуострове, в Финляндии и Санкт-Петербурге [1] (рис.1),
в Ленинградской обл., на п-ове Таймыр и Сибири (в частности Хакасии).
Рис. 1. Места сбора дендрохронологических серий на Кольском полуострове и в Финляндии
Наиболее значимые серии были отобраны в трёх местах Кольского полуострова. Это Медвежий лог в Хибинских горах, Кэйвы и станция Лопарская. В 2003 г. в результате экспедиции по сбору образцов сосны в Медвежьем логе было обнаружено самое старое дерево для Хибинских гор возрастом в 448 лет. В 2010 г. была организована повторная экспедиция в Медвежий лог, в которой мы не смогли обнаружить более старые деревья, а сосна возрастом в 448 лет оказалась уже гнилой. Для проведения дендроклиматического анализа в 2004 г. в наиболее труднодоступной центральной части Кольского п-ова (р-н Кейвы: 67.5-67.9 N; 36.7-38 E) было отобрано несколько десятков образцов (в основном спилы) с живых и усохших деревьев можжевельника (рис.2). Найденные деревья представляют собой можжевельник сибирский (Juniperus siberica Burgsd) толщиной до 40 см и возрастом до 700 лет [2-5]. Также в 2005 г. нами была обнаружена самая старая сосна для Кольского полуострова возрастом более 560 лет. Образцы были отобраны вблизи северной границы леса в районе ст. Лопарская (68°37 N; 33°14 Е, рис.3) [6, 7]. Последующая экспедиция на это же место, состоявшаяся в 2011 г., не смогла обнаружить более старые деревья, а самая старая сосна оказалась уже гнилой.
60
Рис.2. Карта района сбора образцов можжевельника
Рис.3. Местоположение пункта сбора образцов сосны относительно северной границы леса (слева) и на спутниковом снимке (справа). Станция Лопарская
61
Обработка и стандартизация образцов
После сбора образцов проводится их дальнейшая обработка в соответствии с общепринятыми методическими требованиями древесно-кольцевого анализа [8]. В настоящее время для измерения ширины годичных колец широко используются специально сконструированные полуавтоматические комплексы, которые состоят из бинокулярного микроскопа с двигающимся столиком либо планшетного сканера. Всё это управляется специальным программным обеспечением [9], которое может содержать практически все инструменты для анализа и построения древесно-кольцевых хронологий.
В дендроклиматологии потребность разделять влияние внешних климатических факторов на прирост деревьев и естественную внутреннюю изменчивость, присутствующую в дендрохронологических измерениях, привела к созданию специфических методов, названных стандартизацией. В основе стандартизации серий ширины годичных колец деревьев лежит тот факт, что при взрослении дерева и увеличении его размера ширина годичного кольца, как правило, уменьшается вдоль поперечного радиуса в основном из-за геометрического ограничения на добавление новых слоев древесины по увеличивающейся поверхности. В литературе был предложен целый ряд методов для удаления вариаций прироста. Большинство из этих методов предусматривает избавление от биологического тренда посредством подбора сглаживающей кривой к исходным измерениям ширины колец (рис.4) [10].
Рис.4. Принцип детрендинга - подбор сглаживающей кривой к исходным измерениям ширины колец
62
Наиболее распространенным методом сравнения и синхронизации кривых в дендрохронологии является наложение двух кривых одна на другую. Трудности синхронизации начинаются с того, что последовательность годичных колец на разных срезах и даже разных радиусах одного среза ствола очень часто не совпадает друг с другом. Поэтому при синхронизации мы имеем дело не с поиском тождества, а установлением степени сходства, которая может лишь приближаться к 100 %. При этом имеет место общее правило: если два образца, каждый в отдельности, схожи с третьим, то они схожи и друг с другом. Существует большое количество разнообразных математических методов для количественной оценки степени сходства двух кривых или шкал. Работы М.И. Розанова показали, что высокие корреляционные связи получаются только между изменчивостью радиального прироста отдельных частей ствола одного дерева (коэффициент 0.88-0.97). Изменчивость же радиального прироста отдельных сучьев с радиальным приростом стволовой древесины, а также радиальный прирост стволов разных деревьев одного местопроизрастания характеризуется низкими коэффициентами корреляций, находящимися в пределах 0.6-0.7. Для стандартизации, детрендинга, кросс-датирования и построения обобщённых хронологий мы используем такие программы, как COFECHA [11] и ARSTAN (рис.5) [12].
Рис.5. Результат работы программы ARSTAN для серии сосны. Кузрека (66.36.142 N; 34.47.854 E), 2014 г., Кольский полуостров.
Верхний график - обобщённая серия ширины колец деревьев без детрендинга образцов (сырые данные). График в середине -обобщённая серия после детрендинга. Нижний график - количество образцов
и распределение их во времени
63
Воздействие внешних (гелиогеофизических) факторов на климат Кольского п-ова по дендрохронологическим данным
В качестве примера связи климатических изменений по дендрохронологическим данным Кольского полустрова приводится график на рис.6. Отчётливо видно связь похолоданий климата с известными минимумами солнечной активности (Шпёрера (1450-1540), Маундера (1645-1715) и Дальтона (1790-1820)). Кроме того, прослеживается связь с интенсивными вулканическими извержениями. Наиболее значительное уменьшение годичного прироста (на 25 % по отношению к предыдущему году) имело место в 1601 г., что явилось следствием извержения вулкана Уайнапутина в Перу в феврале -марте 1600 г., самого мощного за последние 500 лет [13]. Аналогичное уменьшение ширины годичных колец в это время было зафиксировано у можжевельника на Кольском полуострове [4] и Полярном Урале [14].
Интересно отметить, что значительное уменьшение температуры во временном интервале 1780-1830 гг. совпало по времени не только с Дальтоновским минимумом солнечной активности, но также и с двумя мощными извержениями вулканов Лаки в 1783 г. (о. Исландия) и Тамбора в 1815 г. (Индонезия), которые привели к значительным социальным и климатическим эффектам.
Рис.6. Вариации среднегодовой температуры в Европе за последнюю тысячу лет (вверху) и индексов годичного прироста сосны Pinus sylvestris на Кольском полуострове (1445-2005 гг.) (внизу). Вертикальными штрихами обозначены наиболее мощные вулканические извержения
64
Как известно, извержение вулкана Тамбора (вулканический эксплозивный индекс VEI=7) вызвало глобальное похолодание климата в северном полушарии в 1816 г., которое было зафиксировано по многим дендрохронологическим записям, включая Сибирь и Аляску [15]. При извержении вулкана Лаки (VEI=4) выброс вулканического вещества произошел в тропосферу, что ограничило его распространение в северном полушарии. Результатом этого извержения явились аномально жаркое лето 1783 г. и холодная зима 1784 г. [16]. До настоящего времени уменьшение древесного прироста в 1784 г., возможно, связанное с извержением вулкана Лаки, было зафиксировано на юге Норвегии [17] и Аляске [18]. В декабре 1902 г. в Исландии произошло крупное извержение вулкана Гримсвотн (VEI=4). Как видно из рис.6, в 1784 г. и в 1903 г. наблюдались значительные уменьшения древесного прироста по отношению к предыдущему году (на 14 и 41 % соответственно), которые, возможно, были вызваны похолоданиями,
связанными с вулканическими извержениями в Исландии.
Заключение
Наши дендрохронологические исследования позволяют сделать выводы, что древесно-кольцевые хронологии Кольского полуострова отражают климатические вариации, связанные с солнечной активностью и
вулканическими извержениями [19]. При исследовании обработанных древеснокольцевых хронологий не обнаружено какого-либо значительного потепления климата в ХХ веке в данном регионе, что подтверждается данными измерений и палеоклиматическими данными для некоторых районов Арктики. Полученные результаты позволили выявить региональные особенности климатических вариаций на протяжении последнего тысячелетия и подтвердили возможность использования образцов можжевельника, лиственницы и сосны в дендрохронологических исследованиях. Полученная хронология позволит сделать прогноз будущих климатических изменений с целью планирования хозяйственной деятельности на востоке Кольского полуострова и шельфе Баренцева моря. Из образцов можжевельника (включая реликтовые растения), собранных на Кольском полуострове, была создана 676-летняя древеснокольцевая хронология [2-4]. Эта серия оказалась самой длинной серией можжевельника в северо-западном регионе России. Также получена самая длинная древесно-кольцевая хронология по сосне для Хибинских гор (448 лет) и хронология по сосне для Кольского полуострова (560 лет) [6, 7].
Литература
1. Дендрохронологические исследования на Кольском полуострове / С. В. Иванов, А. Г. Канатьев, О. И. Шумилов, Е. А. Касаткина // Мат-лы 19-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных ВНКСФ-19 (28 марта - 4 апреля 2013 г.). Архангельск, 2013. С. 485.
2. Paleoclimatic potential of the Northernmost juniper trees in Europe / O. I. Shumilov, E. A. Kasatkina, N.-A. Morner, A. G. Kanatjev, I. Yu. Kirtsideli // Abstr. EURODENDRO Conference (28 September - 2 October 2005). Viterbo, 2005. P. 37.
65
3. Dendroclimatic potential of the oldest juniper trees at Kola Peninsula / O. I. Shumilov, E. A. Kasatkina, N. V. Lukina, I. Yu. Kirtsideli, A. G. Kanatjev // Abstr. of the 29-th Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena” (Apatity, 27 February - 1 March 2006). Apatity, 2006. P. 88.
4. Paleoclimatic potential of the northernmost juniper trees in Europe / O. I. Shumilov, E. A. Kasatkina, N. V. Lukina, I. Yu. Kirtsideli, A. G. Kanatjev // Dendrochronologia. 2007. Vol. 24. P. 123-130.
5. Использование можжевельника в дендрохронологическом анализе /
O. И. Шумилов, Е. А. Касаткина, И. Ю. Кирцидели, А. Г. Канатьев // Лесоведение. 2008. № 1. С. 52-59.
6. Palaeoclimatic variations on the tree-ring data at Kola Peninsula (North-Western Russia) for 1455-2005 / O. I. Shumilov, E. A. Kasatkina, M. Krapiec, N. V. Lukina, A. G. Kanatjev, I. Yu. Kirtsideli // News of Forest History. 2008. Vol. 39. P. 64.
7. Paleoclimatic variations in the tree-ring data in the Kola Peninsula (Northwestern Russia) for 1445-2005 / O. I. Shumilov, E. A. Kasatkina, K. Mielikainen, M. Timonen, A. G. Kanatjev // International Journal of Environmental Research. 2011. 5(4). P. 855-864.
8. Software to analyze tree rings // The Science of Tree Rings: site. URL: http://web.utk.edu/~grissino/software.htm (дата обращения: 29.09.2015).
9. Канатьев А. Г., Шумилов О. И., Касаткина Е. А. Программное обеспечение для дендрохронологических измерений // Приборы и техника эксперимента 2014. № 2. С. 127.
10. Cook E. R. A time series approach to tree-ring standardization: PhD Dissertation, Laboratory of Tree-Ring Research, University of Arizona. Tucson, 1985.
11. Holmes R. L. Computer assisted quality control in tree-ring dating and measurement // Tree-Ring Bulletin. 1983. Vol. 43. P. 69-78.
12. Cook E. R., Holmes R. L. Users Manual for Program ARSTAN. Laboratory of Tree-Ring Research. Tucson: University of Arizona, 1996.
13. de Silva S. L., Zielinski G. A. Global influence of the AD 1600 eruption of Huaynaputina, Peru // Nature. 1998. Vol. 393. P. 455-458.
14. Хантемиров Р. М., Горланова Л. А., Шиятов С. Г. Патологические структуры в годичных кольцах можжевельника сибирского (Juniperus sibirica Burgsd.) и их использование для реконструкции экстремальных климатических событий // Экология. 2000. № 3. С. 185-192.
15. Long-term temperature trends and tree growth in the Taymir region of Northern Siberia / G. Jacoby, N. V. Lovelius, O. I. Shumilov, O. M. Raspopov,
J. M. Karbainov, D. C. Frank // Quaternary Research. 2000. Vol. 53. P. 312-318.
16. Palaeovolcanic forcing of short-term dendroisotopic depletion: The effect of decreased solar intensity on Irish oak / N. Ogle, C. S. M. Turney, R. M. Kalin, L. O’Donnel, C. J. Butler // Geophysical Research Letters. 2005. Vol. 32. P. L04708.
17. Kalela-Brundin M. The narrowest ring of 1784 in tree ring series of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Southwest Norway - A possible result of volcanic eruptions in Iceland // Palaeoclimatic Research. 1996. Vol. 20.
P. 107-118.
18. Jacoby G. C., Workman K. W., D’Arrigo R. D. Laki eruption of 1783, tree rings, and disaster for northwest Alaska Inuit // Quaternary Science Reviews. 1999. Vol. 18. P.1365-1371.
66
19. Paleovolcanos, solar activity and pine tree-ring from the Kola Peninsula (Northwestern Russia) over the last 560 years / O. I. Shumilov, E. A. Kasatkina,
K. Mielikainen, M. Timonen, A. G. Kanatjev // International Journal of Environmental Research. 2011. Vol. 5(4). P. 855-864.
Сведения об авторах
Канатьев Александр Геннадьевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, kantjev@gmail.com
Шумилов Олег Иванович,
д.физ.-мат.н., главный научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, oleg@aprec.com
Касаткина Елена Алексеевна,
к.физ.-мат.н., старший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, oleg@aprec.com
Мошникова Мария Александровна,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, oleg@aprec.com
67
