Морская изотопная стадия

Морские изотопные стадии или МИС (в англоязычной литературе MIS, marine isotope stage), также изотопно-кислородные стадии (oxygen isotope stages) или ледниковые циклы (стадии, пики) отражают изотопные вариации кислорода, наблюдаемые в морских осадочных отложениях, озёрных отложениях и ледниковых толщах^[1][2]. В основе выделения стадий лежит закономерное изменение соотношения между изотопами кислорода морской воды при климатических изменениях➤. В совокупности эти стадии формируют шкалу, которая используется как инструмент построения глобальных и межрегиональных геохронологических корреляций^[3].

Изменения δ18
O (правая шкала) в ракушках бентосных микроорганизмов, переведенные в колебания темпеатуры, полученные из кернов станции Восток (левая шкала). На картинке показано, как миллион лет назад сменились ледниковые циклы: вместо 41 тысяч лет, их продолжительность стала 100 тысяч лет, см. Циклы Миланковича.

Морские изотопные стадии 1−13. По оси абсцисс — ${\displaystyle 10^{4}}$ лет, по оси ординат — δ18
O в промилле (‰)

Морские изотопные стадии (справа) в хронологической шкале изменения климатических показателей северного полушария за последние 47,5 тыс. лет (хронология показана в системе записи времени «до нашей эры»). Левее шкалы МИС — осцилляции Дансгора — Эшгера, ещё левее — события Хайнриха

Содержание атмосферного ${\displaystyle {\ce {CO2}}}$ и глобальный объём льда (по изменению δ18
O в бентосных фораминиферах) за последние 800 тыс. лет.

Основы

Изменения климата приводят к изменению количества воды, запасённой в ледниках. При замерзании воды возникают эффекты фракционирования^{[комм. 1]}: вода, содержащая изотоп кислорода 16
O, и вода с изотопом 18
O замерзают с разной скоростью, что изменяет δ18
O (см. также δ18O^[англ.]) — измеряемую в промилле (‰) величину, производную от отношения 18
O/16
O. Во время холодных периодов растут ледники, они изымают воду из Мирового океана, а так как вода с 16
O переходит в лёд быстрее, чем вода с 18
O, то в Мировом океане остаётся больше 18
O, и δ18
O увеличивается. Во время тёплых периодов ледники тают и δ18
O уменьшается. Таким образом, история изменения δ18
O отражает историю изменения климата на Земле и выступает в качестве заменителя (прокси) непосредственных измерений температуры^[4][1].

Историю изменения δ18
O можно извлечь из кернов ледников, пыльцы наземных растений в озёрных отложениях, или ракушек морских бентосных организмов, например, фораминифер, живущих при постоянной температуре придонной воды (±1°С) и отражающих образование или таяние ледников. Планктонные же фораминиферы «записывают» изменение температуры и солёности^[4][1].

История

Впервые морские изотопные стадии были введены Чезаре Эмилиани, который в 1955 году показал, как менялся изотопный состав кислорода с течением времени в планктонных фораминиферах из буровых кернов Карибского моря. Работа Эмилиани, в свою очередь, была продолжением исследования Гарольда Юри, выпущенном в виде статьи в 1947 году о соотношении изотопов кислорода-18 и кислорода-16 в кальците — основном химическом компоненте раковин и других твёрдых частей различных морских организмов, которое варьируется в зависимости от преобладающей температуры воды, при которой образовался минерал^[5]. Первоначально предполагалось, что изменение изотопного состава отражает изменение палеотемпературы, однако позже было установлено, что это изменение объёма льда на суше^[6], поскольку, помимо температуры, на изотопное фракционирование влияют другие факторы (в первую очередь, приток пресных вод^[6]).

Схема нумерации

Эмилиани предложил схему нумерации: стадии нумеруются в сторону более древних стадий (МИС 1 для голоцена), нечётные номера для тёплых стадий, чётные — для холодных. Эта схема совершенствовалась — например, были выделены подстадии MIS 5a-5e — и углублялась. После достижения начала четвертичного периода и номера 104, для более глубоких стадий Шеклтон предложил нумеровать стадии отдельно для каждой геомагнитной хроны (интервал геомагнитной полярности). Например, первая холодная стадия геомагнитной хроны Sidufjall называется Si2, а первая холодная стадия между хронами Sidufjall и Thvera называется ST2^{[4][7][комм. 2]}.