| Predrag Bokšić |
| VODIČ KROZ LEDENA DOBA |
| ZA ASTRONOME |
|
1. Dokaz
postojanja ledenih doba zapisan u sedimentnim jezgrima |
Sedimentna jezgra (“cores”) su potencijalno glavni izvor preciznih informacija o ciklusima ledenih doba. Vađenje uzoraka leda sa polarnih kapa, i dugih, vertikalnih šipki sa dna okeana je otvorilo put utvrđivanju klimatskih epoha na Zemlji.
Najvažnija jezgra su poreklom iz večitog leda, sa Arktika ili Antarktika u kojima se meri hemijski sastav i odnosi izotopa. Uzorci tla kao što je zemljište lesnih zaravni takođe oslikavaju klimatske epohe, i mnogo što šta drugo vezano za biološku sedimentaciju, hemijske, nuklearne reakcije, itd. Za pronalaženje geomagnetnih reverzija se upotrebljavaju uzorci stena, akumulacija stalagmita u pećinama. Uopšteno rečeno, sedimentna jezgra već na prvi pogled golim okom poseduju slojevitost u vidu promene boje, prozirnosti, gustine i slično. Slojevitost je izraz promena tokom milenijuma.
Dubine sa kojih se uzimaju jezgra su određene pristupačnošću. Sama jezgra su merena metrima - za ledena jezgra obično se vadi 4-6 metara u komadu koji se seče na šipke od po jednog metra za skladištenje. Sa dna okeana ili mora (dubokomorska jezgra) se dobijaju uzorci do 10-15 metara dubine. Sa lesnih zaravni na kopnu dobijaju se uzorci sa više od 100 metara dubine. Nekoliko metara ledenog jezgra predstavlja više stotina hiljada godina. Najstarije ledeno jezgro ikada dobijeno je 3.600 metara, odnosno od sadašnjeg vremena, pa do otprilike milion godina unazad. Sa druge strane, 160 metara dugačko jezgro iz lesa može da predstavlja više od 2 miliona godina.
Kiseonik ima 3 izotopa koji se pojavljuju u prirodi: 16O, 17O, 18O. Najprisutniji je 16O, a zatim slede 18O i 17O. Izotopska analiza uzima u razmatranje odnos samo 18O i 16O u uzorku. Kada se izračuna odnos masa ovih izotopa u uzorku, pronalazi se činilac za praćenje klime u prošlosti.
Naime, 18O prisutan u molekulu vode čini ceo molekul masivnijim za razliku mase 2 neutrona. Potrebno je više energije da bi voda H218O isparavala. Takođe, ovaj molekul oslobađa više energije kada se kondenzuje iz pare. Dodatno, H216O se lakše prima kao para iz atmosfere na površinu vode. Usled ovih osobina vodena para koja prva ispari je sa lakšim izotopom, dok tečnost koja ostane je sa težim izotopom. Nakon kondenzacije, lakši molekuli su pretežno u stanju pare, a kondenzuju se teži molekuli vodene pare. Kada vetrovi na Zemlji duvaju i odnose vodenu paru iz toplijeg u hladniji region, para se kondenzuje u padavine iznad hladnije oblasti. U klimatskom sistemu dolazi do destilacije molekula vode H218O i H216O, nakon čega padavine sadrže manji odnos H218O / H216O ako je temperatura niža. Drugi faktori menjaju tok ovog procesa, na primer ako na veoma niskim temperaturama para pređe u kristale leda odmah.
Odnos 18O / 16O obezbeđuje zapis o temperaturi vode u prošlosti. Voda 10oC do 15oC hladnija u proseku nego danas predstavlja glacijaciju. Padavine i glacijalni led sadrže nizak procenat 18O. Pošto se 16O čuva u ledu, sadržaj 18O u okeanskoj vodi je visok. Voda do razlike temperature od 5oC u odnosu na danas predstavlja interglacijalnu vodu (voda koja pripada interglacijalnoj epohi, između ledenih doba). Grafik promena temperature vode tokom Pleistocena prikazuje klimatske epohe – koje nazivamo ledena doba.
Proporcija koncentracija dva izotopa se označava sa δ18O (u promilima) = 103[(Ruzorak/Rstandard)-1], gde je Rx = (18O)/(16O) [25].
Slojevitost prisutna u sedimentnim ledenim jezgrima vezano za izotopski sastav se naziva “marinskim izotopskim stupnjevima“ u stručnoj literaturi (marine isotopic stages). Izotopski stupnjevi se direktno odnose na zapis o nekadašnjim temperaturama. Za tehničku definiciju pogledati [52].
Mikroorganizmi u dubokomorskim (benthic) sedimentnim jezgrima (cores) na razne načine svedoče o klimatskim epohama, uključujući svojom sposobnošću razmnožavanja, evolucije i sl. Mi nećemo proučavati detalje biologije i drugih studija, osim da spomenemo da kalcijum-karbonat u ljušturama mikroorganizama na istovetan način beleži temperature. Kalcijum-karbonat (CaCO3) nastaje od ugljen-dioksida koji donosi dva atoma kiseonika, i vode koja donosi jedan atom kiseonika. Kiseonik poreklom iz vode se pojavljuje u obliku dva prethodno spomenuta izotopa. Organizmi koji su živeli u određenoj epohi ostavljaju za sobom podatak o tadašnjem sastavu vode pohranjen u kalcijum-karbonatu njihovih ljuštura. Kada se organizmi razmnožavaju i umiru, njihove ljušture se talože na dno okeana. Idealno, brzina taloženja je konstantna i onda se dubinska skala može interpretirati kao vremenska (starosna) skala. Ravnomerno taloženje nije očekivana pojava jer se stepen razmnožavanja organizama obično menja zbog temperature vode i okeanskih struja, migracija i slično. Statističke metode teže da usaglase takve razlike u zapisu i formiraju starosnu skalu [18].
Na slici 1.1 je grafik marinskih izotopskih stupnjeva u dubokomorskom jezgru, zajedno sa ekvivalentom skalom promena temperature.
 |
Kliknite na grafik Slika 1.1 Grafik klimatskih promena (prosečne temperature) tokom poslednjih 5,5 miliona godina [5]. |
Dominantni ciklusi klime tokom 5,5 miliona godina su od 100.000 godina (ky = kilo year, hiljade godina) i 41.000 godina [28].
1.2 Les i prisustvo magnetnih čestica
Dok su pomenuti sedimenti vađeni sa dna mora i okeana, na kopnu se uzorci često pronalaze na veoma jednostavan način – u lesu, tj. u naslagama, nanosima vetra koji su sabijeni u slojevitoj, svetloj zemlji. Na preseku lesnih ravni se golim okom vide slojevi tamnije boje koji predstavljaju istoriju nanošenja čestica. Kada bi oblast bila prekrivena ledom, ili geografski bliska oblast prekrivena glečerima, les se ne bi akumulirao ili bi se akumulirao sporije, sa drugim sastavom i sl. Granica na kojoj se pojavljuje les je južna granica glacijacije – gledano na severnoj hemisferi. Zone nastanka lesa se u današnje vreme nalaze južnije (na primer u Africi) na granici polu-pustinjske klime.
U lesu se nalaze magnetne čestice koje čine manje od 1% mase po uzorku i to: magnetit (Fe3O4), maghemit (γ-Fe2O3) i hematit (α-Fe2O3). Varijacije količine tih čestica su indikator etapa ledenih doba.
Tokom glacijalnog doba, vetrom nanesene čestice silikata veličine od oko par desetina mikrona formiraju sedimentni sloj od 1 m/10.000 godina. Kada nastupi interglacijalno doba započinje proces stvaranja tla (pedogeneza). U tlu se raspadom stena proizvode čestice oksida gvožđa veličine oko nekoliko desetina nanometara. Stvaranje lesa je prilično ujednačen proces koji pruža stabilnu pozadinu za datiranje, a potom merenje magnetne susceptibilnosti u uzorku koja se pojačava po intenzitetu za dva reda veličine tokom interglacijalnog perioda.
Veličine magnetnih zrnaca u uzorku su za jednodomenska zrna (single domain, SD) magnetita najviše do 140 nm na gornjoj granici, i manje od 30 nm na donjoj granici veličina. Na 30 nm veličine se javlja granica super-paramagnetnih osobina (super paramagnetic, SP). Pri prelazu ove granice (sa SD na SP) magnetni susceptibilitet se poveća za jedan red veličine diskontinualno – osobina koja je prvobitno otkrivena na česticama čistog gvožđa u prašini Mesečeve površine.
Poreklo magnetne prašine je nepoznato do danas. Veruje se da ulogu igraju magnetostatske bakterije koje fiksiraju odgovarajuća jedinjenja u sebi. Za takve bakterije postoje živi dokazi u sredini. Tih bakterija pak nema u dovoljnoj količini da objasne ovu pojavu. U nekim uzorcima su nađeni lanci magnetita od 20-200 nm, sa karakterističnim padom u jednodomenskom susceptibilitetu – to su tragovi koji pripadaju bakterijama.
Dve trećine remanentnog magnetizma je sadržano u magnetitu koji je nisko oksidovan u glinama bogatim gvožđem i silikatima bogatim gvožđem i magnezijumom.
Zapis u magnetnoj prašini se vremenski poklapa sa takozvanim stadijumima izotopa kiseonika u morskim sedimentima koji su globalni indikator obuhvaćenosti vode u ledenim kapama na polovima. Tako se ispostavlja da je istraživanje lesa povezano sa ciklusima ledenih doba [30].
1.3 Pomeranje geodipola i magnetna reverzija
Magnetni polovi Zemlje se pomeraju i menjaju intenzitet magnetnog polja. Na primer, početkom 20. veka magnetni pol na severu Kanade se kretao 10 km/godini prema Sibiru, a u 2006. godini se kretao brzinom 40 km/godini. Jačina magnetnog polja se menja u toku vremena, povremeno opadajući do nule. Polje bi se potom ponovo uspostavilo sa suprotnom orijentacijom.
Izmene polova ili geomagnetne reverzije (geomagnetic reversal) su bile brojne i naizgled nasumične. Geomagnetne reverzije verovatno potiču od pomeranja mase unutar Zemlje. Orijentacija magnetnog polja u prošlim epohama je ostala zabeležena kao namagnetisanje u stenama. Stene su već datirane na druge načine (npr. metodom radiometrijskog datiranja), omogućavajući tako da podesimo dubinske skale pojedinih sedimenata u kojima su takođe zabeležene magnetne reverzije, i dobijemo starosne skale na njihovom mestu [8, 58]. Poznavanje geomagnetnih reverzija je u tu svrhu omogućilo napredovanje rešavanja enigme ledenih doba putem boljih starosnih skala zasnovanih na vremenima reverzija.
SADRŽAJ VODIČA | Prehodna | Sledeća
