Дендрохронология

Дендрохронология – использование годичных колец деревьев для изучения пространственно-временной динамики природных и социальных процессов. Исследование разбивается на две части: датирование самих годичных колец и извлечение из них содержательного сигнала. Впервые метод был применен для изучения истории солнечной активности астрономом А.Дугласом из университета Аризоны в Тусоне (Tucson), где до сих пор действует созданная им в 1937 г дендролаборатория. Дуглас постулировал следующую причинно-следственную цепочку: светимость Солнца, выраженная через количество солнечных пятен → климат → ширина годичных колец. Современное продолжение этого направления – реконструкция изменений светимости Солнца по содержанию в атмосфере радиоизотопа ¹⁴С. В одном из последних обобщений (Solanski et al., 2004) такая реконструкция выполнена для последних 11,4 тыс. лет и показано, что с середины XX в Солнце вступило в фазу аномально высокой для голоцена активности (рис.7.3), чем частично объясняется тренд повышения глобальных температур (за резкий рост температур с 1970 г это явление ответственно лишь на 30%).

Характер годичного прироста сильно различается для разных пород деревьев. В дендрохронологии наиболее широко используются разные виды дуба, сосны, в Северной Америке также секвойя и ель Дугласа (псевдотсуга), а в Новой Зеландии – дерево каури. Отдельные экземпляры остистой сосны достигают возраста 4700 (некоторые сухостойные экземпляры – до 6000) лет, секвойя – 3500 лет, ель Дугласа и разные виды дуба – обычно не более 500 лет, в исключительных случаях – до 1000 лет. Для продления хронологии на более продолжительные отрезки времени привлекаются ископаемые стволы, погребенные в речных и озерно-болотных отложениях. При этом используется принцип перекрестного наложения, или кросс-датирования, в соответствии с которым ряды ширины или других характеристик колец (например, плотности древесины), обладают сходством внутри ограниченного региона, что позволяет более или менее уверенно состыковывать полученные по разновозрастным стволам, но пересекающиеся во времени серии. Чтобы минимизировать влияние индивидуальных особенностей дерева и случайных факторов и усилить полезный сигнал, измерения выполняются по нескольким радиусам для каждого экземпляра и, если возможно, по нескольким деревьям для каждого места и по нескольким местам в пределах региона – принцип репликации.

Если нуль-момент хронологии известен точно (если она начинается с живущего дерева или, например, точно известен год постройки деревянного сооружения, из которого взят один из стволов), она называется абсолютной. Если нуль-момент определен приблизительно (радиоуглеродным методом или по историческим данным), она называется плавающей. По данным международного архива дендроданных, который поддерживается Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA), на март 2011 г на пяти континентах существовало более 3 тысяч дендрошкал, большинство из которых, впрочем, не превышало по охвату нескольких столетий. Наиболее длинные непрерывные дендрошкалы построены (1) по погребенным в аллювии рек южной Германии стволам дуба черешчатого и скального (до 10,5 тыс.л.н.) и сосны обыкновенной (для пребореала и позднеледниковья) – 12,5 тыс.л., и в ближайшее время ожидается их продление до 14 тыс.л. с использованием плавающих хронологий по сосне из Швейцарии (Friedrich et al., 2004; Schaub et al., 2008); (2) по остистой сосне в горах Уайт Маунтин на востоке Калифорнии – 8,7 тыс.л. (Ferguson, Graybill, 1983); (3) по сосне обыкновенной в Финляндии – 7,5 тыс.л. (Helama et al., 2008), (4) по дубу черешчатому в Северной Ирландии – 7,4 тыс. лет (Baillie et al., 2000).

Характеристики годичных колец представляют запись состояния природной среды с годичным и даже сезонным разрешением (каждое кольцо можно разделить на отдельные части, соответствующие разным сезонам). Полезный сигнал содержится в ширине годичных колец и их сезонных частей, в плотности древесины, ее изотопно-химическом составе (наиболее информативны изотопы ¹⁴C, ¹³C, ¹⁸O, ²H). Для вычленения полезного сигнала величину годового прироста древесины разделяют на отдельные компоненты, связанные с природными и антропогенными факторами роста (принцип суммирования факторов), в том числе: (1) естественный тренд уменьшения скорости роста с возрастом, (2) погодные условия данного года, (3) факторы нарушения внутри лесной экосистемы, (4) факторы нарушения извне, (5) случайные процессы.

Выбор мест для опробования производится таким образом, чтобы максимизировать возможный отклик динамики роста деревьев на изучаемый тип изменений природной среды, т.е. зависит от цели исследования. Например, при реконструкции рядов температур и/или осадков (дендроклиматология) учитывается известный из общей экологии принцип лимитирующих факторов. В засушливых условиях или относительно сухих местообитаниях динамика роста деревьев определяется преимущественно изменениями увлажнения, а вблизи верхней или северной границы леса, или в относительно холодных местообитаниях (склоны северной экспозиции) – изменениями температур. Широкое применение находит дендрохронология для выявления и построения хронологии экстремальных явлений – засух, пожаров, наводнений, включая и геоморфологические процессы, проявляющиеся во временно угнетенном развитии ныне растущих деревьев в зоне их поражения – обвалов, оползней, эрозионных явлений (дендрогеоморфология).

Использование дендрохронологии для датирования древних геологических или археологических объектов возможно лишь при наличии региональной дендрошкалы, с которой можно сопоставить дендросерии по находкам древесины в соответствующих отложениях – аллювии, морене, культурных слоях археологических памятников. К сожалению, в России региональные дендрошкалы созданы для немногих регионов и они относительно коротки, что сильно ограничивает использование этого метода датирования. Существуют шкалы для северо-запада европейской России с общим охватом 1200 лет – для Пскова (кон. VIII – нач. XV вв), Новгорода (кон. IX – кон. XVI вв), Смоленска (кон. XI – нач. XVII вв) и др. (Колчин, Черных, 1977). Это результат огромной работы на археологических памятниках древней и средневековой Руси. В 1990-е годы по ископаемым находкам лиственницы сибирской построены 1500-летняя дендрошкала для ПолярногоУрала и 7000-летняя дендрошкала для Ямала (С.Г.Шиятов, Р.М.Хантемиров – ряд публикаций). В других районах дендрошкалы либо плавающие, либо построены лишь на данных по ныне живущим деревьям и их длина редко превышает 500 лет.

Пример датирования катастрофических событий общепланетарного масштаба представляет уточнение хронологии взрыва вулкана Санторин в Эгейском море, считающегося мощнейшим извержением за всю историю цивилизации. Это событие изначально датировалось по археологическим данным серединой XVI в до н.э. Появившиеся в 1970-е гг радиоуглеродные датировки показали возраст на столетие древнее – между 1630-1600 гг до н.э. Наконец, в 1980-90-е гг было установлено, что в 1628-29 гг до н.э. во всех районах Северного полушария, где есть длинные дендроряды – в Калифорнии, Ирландии, Англии, Германии, Швеции, отмечается резкое падение скоростей прироста деревьев (Lamarche, Hirschboeck, 1984; Hughes, 1988; Baillie, 1989; Grudd et al., 2000). Это связали с глобальным падением температур вследствие пеплового загрязнения стратосферы, и указанная дата принимается сейчас как наиболее вероятная датировка извержения Санторина.