Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед - Дж. Д. Макдугалл

Одной из особенностей оледенения, которую давно поняли, но которая после открытия тектоники плит приобрела большое значение, является тот факт, что полярные ледяные шапки не могут образоваться в открытом море. Даже если другие факторы вызывают охлаждение планеты, все же крупномасштабное оледенение может начаться только при наличии какой-нибудь суши в высоких широтах. То обстоятельство, что крупный Антарктический континент располагается как раз вокруг южного полюса, является, без сомнения, причиной того, что нынешняя ледяная шапка вокруг Южного полюса образовалась раньше, чем аналогичная шапка северного полушария, и сохраняется в качестве крупной географической структуры даже в течение теплых межледниковых эпох вроде современной. Для всех других эпох прошлого всякий раз, когда обнаруживаются признаки обширного оледенения, реконструкции расположения континентов неизменно показывают наличие больших массивов суши близ полюсов. Например, все южные континенты, которые были когда-то частями Гондваны — Индия, Австралия, Антарктида и Южная Америка, — содержат отложения ледникового тиля (валунной глины), в них найдены ледниковые шрамы в коренных породах и другие признаки ледяного покрова, относящегося к позднему палеозою, то есть между 250 и 300 миллионами лет. Именно в это время Гондвана располагалась над Южным полюсом. Таким образом, для начала Ледникового века необходимо наличие континента в высоких широтах, но столь же необходимы еще два фактора — обильные снегопады и низкая температура, особенно летом. Парадоксально, но первое из этих условий требует умеренно теплых океанских вод, по крайней мере в средних широтах, чтобы обеспечить испарение и поступление атмосферной влаги для осаждения в полярных районах. Как уже упоминалось в главе 11, одна из гипотез, выдвинутых для объяснения начала оледенения в северном полушарии, утверждает, что образование Панамского перешейка около трех миллионов лет назад отвело теплые воды Атлантического океана к северу и увеличило осадки в восточной Канаде, Гренландии и Скандинавии — трех из числа главнейших центров мощных накоплений льда. Но даже участившиеся снегопады не смогли бы запустить механизм глобального оледенения, если бы весь накапливающийся лед стаивал бы летом. Температура должна была быть достаточно низкой, чтобы происходило накопление ледовой массы.

Средние температуры любой местности на поверхности Земли контролируются множеством факторов, но в глобальном масштабе важными факторами являются, во-первых, сколько энергии Земля получает от Солнца, а во-вторых, сколько ее задерживается океанами и атмосферой и не излучается обратно в космос. Задолго до того, как стало известно, что Земля переживала регулярно повторяющиеся периоды наступления и отступления ледников, математики и астрономы показали, что количество энергии, получаемой от Солнца в каждой конкретной местности, должно было в прошлом колебаться закономерным образом в результате воздействия некоторых особенностей вращения Земли по орбите. Разработку астрономической теории оледенения принято приписывать Милутину Миланковичу, югославскому математику, жившему в 1879-1958 годах. И действительно, он детально развил эти идеи и изложил их в современной форме. Но еще до работ Миланковича другие исследователи высказывали предположение, что оледенения могли быть результатом орбитальных изменений, вызывавшим уменьшение количества падающей на Землю солнечной энергии. Вероятно, самым выдающимся из них был шотландский интеллектуал Джеймс Кролл, который впервые опубликовал свои идеи в 1864 году. О Кролле рассказывают интересную историю: когда появилась в печати его статья об оледенении, этот человек-самоучка работал швейцаром. Это была одна из его нескольких профессий, которые он использовал, когда работал или писал по ряду тем. В конце концов его талант был признан и он был направлен на работу в Геологическую службу Шотландии, но по мере того как шло время, его идеи о Великом Ледниковом веке пользовались все меньшим и меньшим доверием. Против него выдвигались разнообразные возражения, в первую очередь тот факт, что изменения получаемой Землей солнечной энергии, вызванные орбитальными вариациями, казались слишком малыми, чтобы объяснить значительные климатические изменения.

Спустя долгое время после смерти Кролла, когда его идеи были почти забыты, Миланкович начал свои математические исследования орбитальных вариаций Земли и их влияния на климат. Его первая работа была опубликована в 1920-х годах, причем все его вычисления были проделаны вручную — жуткая работа. Миланкович кропотливо рассчитал вариации количества солнечной энергии, получаемой Землей в северном полушарии за последние 650 000 лет. В своих вычислениях он (а после него и другие исследователи) принимал, что мощность солнечного излучения в течение этого периода оставалась постоянной. Этот аспект теории Миланковича стал предметом споров, поскольку даже малые изменения солнечного энергопроизводства могли бы иметь значительные последствия для Земли. Но даже при постоянной мощности солнечного излучения Миланковичу пришлось рассмотреть три различных механизма, благодаря которым количество падающей на Землю энергии могло колебаться: во-первых, мелкие регулярные изменения угла наклона земной оси относительно плоскости орбиты; во-вторых, незначительные изменения формы земной орбиты, которые приближают или удаляют Землю от Солнца в крайних точках орбиты; и в-третьих, медленное вращение земной орбиты, которое постепенно сдвигает время нашего наибольшего приближения к Солнцу с зимы на лето и обратно. Все эти вариации действуют в разных масштабах времени, то усиливая, то ослабляя друг друга, но главное — это то, что они действуют регулярно. Как и более ранняя работа Кролла, вычисления Миланковича вызвали сильное волнение при своей первой публикации, после чего последовал шквал работ, пытающихся связать известные ледниковые отложения с циклами Миланковича. Однако, следуя судьбе идей Кролла, работа Миланковича несколько потускнела по мере выдвижения против нее ряда возражений. Но эта ситуация резко изменилась, когда геологи получили возможность собирать и исследовать керны глубоких скважин, пробуренных в дне океанов. Как мы видели выше, осадки, отложившиеся в море за несколько миллионов лет, содержат удивительно регулярные вариации целого ряда характеристик, которые оказались связанными с циклами оледенения.

В последние годы вычисления Миланковича были повторно выполнены с помощью компьютера. Это позволило внести в них ряд уточнений, но главные его результаты остаются теми же. И хотя остается возражение, что изменения получаемой от Солнца энергии, обусловленные этими циклами, сами по себе недостаточно велики, чтобы запустить или привести к концу периоды оледенения, тот факт, что математическое моделирование климатов прошлого, которое включает вычисленные Миланковичем вариации, довольно хорошо согласуется с реальными фактическими данными, убедило большинство ученых, работающих в этой области, что астрономические факторы каким-то образом все же работают, может быть, действуя в качестве спускового механизма, могущественной соломинки, которая ломает верблюду спину, когда все остальные факторы действуют совместно в одном направлении.

Циклы Миланковича показывают, как солнечная энергия, получаемая Землей, изменялась во времени, но сколько этой энергии удерживалось? Этот вопрос оказался даже более сложной задачей, чем вычисление орбитальных вариаций, поскольку решение ее зависит, среди прочих факторов, от распределения суши и моря, от характера поверхности суши и от состава атмосферы. Например, морская вода поглощает большую часть получаемой солнечной энергии, но лед или пустыни отражают значительную часть ее. Поэтому континентальные ледяные шапки создают положительную обратную связь, отражая солнечную энергию и еще больше охлаждая планету уже одним своим наличием. Но если ледяные шапки появляются в высоких широтах, где количество падающей солнечной энергии на единицу площади в данном месте гораздо меньше, чем в тропиках, то таким образом охлаждающее действие расположенных в высоких широтах ледников может быть нейтрализовано распределением суши при обширных океанах и небольшим числом континентов на низких широтах. Однако изменения распределения континентов относительно полюсов происходят очень медленно, и хотя они должны влиять на чувствительность Земли к вариациям других параметров, они не могут объяснить быстрые колебания между условиями ледниковых и межледниковых эпох Великого Ледникового века.

С другой стороны, состав атмосферы подвергается существенным изменениям за короткие промежутки времени. Анализ пузырьков воздуха, захваченных льдами из Гренландии и Антарктиды, как уже указывалось, показал, что во время ледниковых циклов содержание как углекислого газа, так и метана в атмосфере изменялось в ногу с климатом. Оба эти парниковых газа задерживают тепло, которое излучает Земля, и не дают ему уходить в космос, а керны, полученные из льда, показывают, что содержание обоих этих газов в теплые периоды увеличивается, а в холодные уменьшается. Однако внимательный анализ времени наступления этих изменений показывает, что в большинстве циклов они, по-видимому, следуют за изменениями температуры с некоторым запозданием. Если запаздывание будет подтверждено дополнительными исследованиями, то это будет означать, что они являются, скорее, результатом ледниковых циклов, а не их причиной. Но даже если это и так, то они должны были усиливать флуктуации температуры, при этом более высокие концентрации парниковых газов должны были поддерживать Землю несколько более теплой в межледниковые эпохи, а более низкие концентрации способствовали дальнейшему охлаждению в эпохи похолоданий.