Исследуя залежи вулканического стекла на западе США, ученые обнаружили, что центральная часть хребта Сьерра-Невада достигла своей настоящей высоты 12 миллионов лет назад, приблизительно на 8-9 миллионов лет раньше, чем было общеизвестно. Это открытие имеет большое значение не только для понимания геологической истории горного кряжа, но и для моделирования древнего глобального климата.
"Все модели глобального климата, которые используются в настоящее время, опираются на знание топографии Земли", - сказал Андреас Мульч, ученый при Стенфордском университете. Он является главным автором работы, опубликованной на этой неделе в он-лайн журнале "Early Edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences".По словам Мульча, ряд исследований за последние пять лет показал, что размещение хребта Сьерра-Невада и Скалистых гор на западе США имеют прямое значение для климатических моделей, распространяющихся на Европу.
"Если б у нас не было этих гор, мы полностью изменили бы климат на североамериканском континенте, и даже изменили б среднегодовую температуру в центральной Европе", - сказал он. "Поэтому нам надо иметь некоторое представление о том, как горы распределялись по планете для того, чтоб верно воссоздать древние климатические модели". Мульч в настоящее время является профессором тектоники и климата при Ганноверском университете (Германия).
Мульч и его коллеги, включая Пейджа Чемберлейна, профессора при Стэнфордском университете, пришли к заключению о времени поднятия Сьерры-Невады, проанализировав водородные изотопы воды, которые образовывались в вулканическое стекло. Они проанализировали вулканическое стекло, взятое на участке от Береговых Хребтов, граничащих с Тихим океаном, вдоль Центральной долины и Сьерры-Невады и до Большого Бассейна на границе штатов Невада и Юта.
Коэффициент водородных изотопов в стекле отображает изменения, произошедшие с содержанием водяного пара в воздухе над Тихим океаном, так как ветер веял оттуда и через горную цепь Серра-Невада. Когда воздух поднимается, он охлаждается, влага концентрируется и конденсируется, и выпадают осадки. Вода, содержащая более тяжелые изотопы водорода, склонна к выпадению в первую очередь, в результате чего систематически сокращается коэффициент тяжелых молекул воды в сравнении с легкими в оставшемся водяном паре.
Из-за того, что столько влаги, находящейся в воздухе, выпадает на наветренной стороне гор, территория подветренной стороны получает значительно меньше осадков. Этот эффект получил название "дождевой тени", вследствие которого часто образуется пустыня.
Чем выше гора, тем значительнее область "дождевой тени" и тем больше сокращение количества тяжелых водородных изотопов в воде, которая пересекает горы и выпадает на подветренной стороне хребта. Определяя пропорцию тяжелых и легких водородных изотопов, сохранившихся в вулканическом стекле, и, сравнивая с современным рельефом и дождевой водой, ученые могут подсчитать поднятие гор во время пересечения их водяным паром в древние времена.
Вулканическое стекло - отличный материал для сохранения древних дождевых осадков. Стекло формируется во время взрывного извержения, когда крошечные частички расплавленной породы выбрасываются в воздух. "Это вулканическое стекло было когда-то маленькими расплавленными частицами. Когда они выбрасывались в атмосферу, то они охлаждались настолько быстро, что практически сразу замерзали", - сказал Мульч. "Они не могли кристаллизироваться и образовать минералы".
Так как стекло имеет аморфную структуру, в противоположность упорядоченной кристаллической структуре минералов, то в нем есть структурные пустоты, в которые может просачиваться вода. Как только стекло осело на поверхности Земли, дождевая вода, стоки и близповерхностные грунтовые воды могут с ним взаимодействовать. По словам Мульча, процесс размывания продолжается до тех пор, пока стекло не будет, по сути, насыщено водой.
Исследования других ученых показали, что как только такое стекло будет полностью заполнено водой, вода в нем не подвергается никакому значительному изотопному обмену с окружающей средой. Таким образом, попавшая в ловушку вода надежно фиксирует изотопный состав воды в окружающей среде во время отложения стекла. "Чтоб эти стекла полностью поглотили воду, должно пройти от ста до тысячи лет, или около того", - сказал Мульч. Тысяча лет - это всего лишь миг в геологическом времяисчислении, но в целях оценки и расчета времени событий, которые происходят в диапазоне миллионов или десятков миллионов лет, этой величины вполне достаточно. Также необходимы залежи вулканического пепла, который выпал относительно быстро на широкой территории. Это норма взрывного извержения. Хотя некоторое количество пепла может циркулировать в верхних слоях атмосферы несколько лет после значительного извержения, значительное количество обычно оседает на обширной территории в течение нескольких дней.
Возраст изучаемых образцов варьировался от около 12 миллионов лет до 600 000 лет, отрезок времени, когда вулканические явления были очень распространены на западе США в связи с непрерывным пододвиганием Тихоокеанской плиты под континентальную кору Североамериканской плиты.
"В процессе использования этого пепла, который имеется по обе стороны от горной цепи, мы можем прямо сравнить то, как выглядела вода до того, как она пересекла этот барьер с атмосферным потоком, и после ", - сказал Мульч. "Если просто стоять позади горного хребта, то виден эффект дождевой тени, и сразу начинаешь задумываться над тем, откуда идет водяной пар, что случилось с облаками до того, как они пересекли кряж". "Впервые мы могли документально доказать, что мы можем отследить образование дождевой тени по обе стороны горной цепи за очень долгий промежуток времени".
До настоящего времени исследователи в основном руководились "очень хорошим геофизическим доказательством", указывающим на то, что хребет достиг своей теперешней высоты приблизительно 3-4 миллиона лет назад вследствие значительных изменений в строении среды гор", - сказал Мульч. "У Сьерра-Невады было очень плотное основание из скальной породы, которое из-за своей плотности просто отделилось и упало в мантию земли. Если убрать тяжелый вес с чего-нибудь на уровне земли, поверхность подпрыгнет".
Отскок хребта после потери такого значительного количества материала должен был бы быть существенным. Но, как сказал Мульч: "Мы не замечаем никаких изменений в подъеме высоты над уровнем моря в горах Сьерра-Невада за то время, и это именно то, что мы хотели испробовать на этой модели".
Мульч, однако, сказал, что он не считает, что его результаты опровергнут геофизическое доказательство. По его словам, вполне может быть, что хребет Сьерра-Невада не образовался равномерно вдоль своей длины 400 миль. Геофизические данные, указывающие на потерю земной коры, относятся к южной части гор Сьерра-Невада; исследования Мульча сосредоточено большей частью на северной и центральной части хребта. На юге гор погодные условия другие и эффект дождевой тени, от которого зависит подход Мульча, менее выражен.
"Вот почему важно иметь сведения, взятые более глубоко из-под земли и с поверхности, и постараться установить связь между ними", - сказал Мульч. Чтобы действительно понять периоды прошлого Земли, когда климатические условия явно отличались от современных, "необходимо комплексное исследование".
Исследование проводилось при поддержке Национального научного фонда (США).
