Выше говорилось о том, что в ходе 11-летнего цикла изменения затрагивают в основном ультрафиолетовую часть спектра. Сколь значительны эти изменения, показано на рис. 10. Ультрафиолетовый участок спектра приблизительно соответствует длинам волн 170 < λ < 320 нм[11]. Однако только для длин волн λ < 205 нм интенсивность излучения в максимуме солнечной активности превосходит на 5–17 % ее в минимуме 11-летнего цикла, на бо́льших же длинах волн они почти равны. Следить за такими незначительными изменениями на верхней границе атмосферы очень трудно, это стало возможным только в последние 20–30 лет с появлением искусственных спутников Земли.
Рис. 10. Соотношение интенсивности солнечного излучения на верхней границе атмосферы в максимальной (Imax) и минимальной (Imin) фазах 11-летнего цикла на разных длинах волн по данным измерений
Изменения такого масштаба практически никак не сказываются на солнечной постоянной: спутниковая аппаратура зафиксировала лишь незначительные ее колебания – с амплитудой 0,1 % – в ходе 11-летнего цикла солнечной активности. Косвенные данные указывают на значительно бо́льшие ее изменения (десятые доли процента) в XVII в. Многие исследователи тем не менее полагают, что небольшой рост солнечной постоянной имел место с середины XVIII в. по настоящее время. Однако его трудно выделить и оценить, так как спутниковых измерений тогда не было, а точность наземных измерений, которым мешали и облачность, и недостаточная прозрачность атмосферы, не позволяет достаточно определенно судить о ее росте за последние 250 лет. Но даже изменения на десятую долю процента очень существенно отражаются на эффективности химических превращений в атмосфере, порождая эволюцию содержания газов в составе атмосферного воздуха, в том числе – парниковых газов, подробный разговор о которых еще впереди.
Итак, вышеупомянутый рост температуры в течение ХХ века едва ли обусловлен увеличением потока солнечного излучения. Похоже, здесь у Солнца – надежное алиби. Более того, считается, что и прежде, в том числе и в далеком прошлом, потоки солнечной энергии не подвергались заметным колебаниям. Однако колебания климата в истории Земли случались…
Глава пятая Задача со многими неизвестными
Что мы знаем о климате далекого прошлого
Возраст Земли по современным представлениям составляет приблизительно 4,6 миллиардов лет. За это время наша планета прошла много стадий в своем развитии. Конечно же, эволюция коснулась и ее климата. Каков был климат в столь давние времена, мы вряд ли когда-нибудь узнаем достоверно (да это и не имеет большого практического значения). Однако проследить изменения климата на достаточно большом временно́м промежутке очень заманчиво: ведь если удастся понять их причины, это может стать ключом к пониманию оснований для его изменения сегодня. Занимается подобным специальная наука – палеоклиматология.
Основой для всякой теории, как известно, являются факты. В нашем случае необходимые факты чаще сокрыты под толщей Земли и лишь иногда в прямом и переносном смыслах лежат на поверхности. Их сбором занимаются геологи, археологи, палеоклиматологи, палеонтологи. Получаемые ими сведения очень разнородны: это и количественный и качественный состав воздуха и грунта, и перечень обнаруженных древних представителей флоры и фауны, и особенности быта наших далеких предков. На основе анализа всей информации воссоздается картина соответствующей эпохи: какие компоненты содержались в воздухе, какая часть земной поверхности была покрыта водой, теплым или холодным был климат и т. д. При этом если, например, концентрацию компонентов воздуха можно непосредственно измерить в воздушных пузырьках, вмерзших в лед на глубине нескольких десятков или сотен метров, то судить о характерной температуре эпохи можно лишь косвенно: по преобладанию теплолюбивых или, наоборот, морозостойких растений, по одежде людей. Согласитесь, картина получается, мягко говоря, неполная, а потому недостаточная для сколь-нибудь обоснованных выводов. Эту картину исследователи стремятся дополнить, исходя из универсальных законов природы, модельных оценок, наконец, здравого смысла. Однако представьте ситуацию, когда каждому из десяти выдающихся мастеров предложили восстановить античный сосуд по его небольшому фрагменту, найденному в ходе археологической экспедиции. В результате появится десять прекрасных, но различных версий сосуда, и нет никакой гарантии, что хотя бы одна из них в точности соответствует оригиналу! Так же и к реконструкциям климата прошлых эпох, произведенным в условиях недостатка объективной информации, следует относиться с долей здорового скепсиса, но в то же время стараться «отделить зерна от плевел», т. е. принять выводы, соответствующие современному уровню развития науки.
О чем же можно говорить с изрядной долей уверенности? Разочаруем сочинителей различных климатических страшилок: палеонтологические данные демонстрируют непрерывность развития жизни на Земле, а значит, за весь охваченный наблюдениями период никаких климатических катастроф не происходило!
В монографии А. С. Монина и Ю. А. Шишкова[12] говорится, что за все время существования жизни на планете «температура на Земле всегда оставалась в пределах жидкой воды». Палеоданные также свидетельствуют о том, что в истории Земли ее поверхность – материки и океаны – и климат подвергались существенным изменениям. Популярная ныне «эпоха динозавров», составляющая небольшую часть этой истории, характеризовалась более теплым климатом (среднеглобальная температура была выше современной на 5–10 °C) и отсутствием полярных снежно-ледовых областей. Ледниковый щит Антарктиды, по современным оценкам, образовался примерно 15–20 миллионов лет назад, его объем постепенно увеличивался и достигает сегодня около 24 миллионов кубических километров (приблизительно 90 % всего объема ледников на планете; из оставшихся десяти процентов девять приходится на Гренландский ледовый щит и 1 % – на все остальные).
Такое количество льда, если он полностью растает, обеспечит подъем воды в Мировом океане примерно на 55 метров. Однако в так называемой четвертичной эпохе (геологическом периоде, начавшемся примерно 2,6 миллиона лет назад и продолжающемся по настоящее время) наступления и отступления ледников происходили почти регулярно.
Изменялись площадь и положение материков на земной поверхности вследствие дрейфа континентов – они сдвигаются ежегодно в среднем на 1–2 см. Совсем немного. Однако, скажем за 100 миллионов лет, это перемещение составляет величину порядка тысячи километров! Такое смещение континентов напрямую не сказывается на весьма грубых оценках климата соответствующих палеопериодов, но помогает интерпретировать некоторые находки палеонтологов: следы коралловых рифов в Арктике, каменного угля – на Шпицбергене и в Антарктиде, останки динозавров – в Южной Патагонии (Аргентина). В результате пополнение базы палеоданных всегда сопряжено с трудностями их интерпретации и обобщения.
Много определеннее наша осведомленность о состоянии атмосферного воздуха в те далекие времена. Концентрация основных парниковых газов (подробный разговор о них еще впереди) значительно отличалась от современной: так, согласно измерениям в ледниковых щитах Антарктиды и Гренландии, содержание углекислого газа, метана и оксида азота(I) было меньше примерно на 25, 60 и 25 % соответственно в последний межледниковый период (около 120 тыс. лет назад) и на 50, 80 и 40 % в последний ледниковый период (около 18 тыс. лет назад).
При этом изменения содержания вышеперечисленных парниковых газов и температуры происходили синхронно, т. е. когда росла концентрация, возрастала и температура, падение же концентрации сопровождалось снижением температуры. Климатологи спорят лишь об одном: что здесь причина, а что – следствие? То ли увеличение содержания парниковых газов влекло за собой разогрев атмосферы, то ли начавшееся по каким-то иным причинам потепление способствовало обогащению атмосферы парниковыми газами (климатический аналог дискуссии, что было прежде: курица или яйцо?). Есть косвенные данные о том, что изменения содержания парниковых газов предшествовали изменениям температуры воздуха, но они еще нуждаются в подтверждении.
Как ни удивительно, но нет полной определенности с арктической ледовой шапкой: здесь даже в относительно теплую и недавнюю «эпоху викингов» (IX–XII вв.), по мнению А. С. Монина, «возможно, не было или было лишь немного многолетних льдов». Затем наступило похолодание, и последующие четыре века (1430–1850 гг.) часто называют малым ледниковым периодом.
Как ни удивительно, но нет полной определенности с арктической ледовой шапкой: здесь даже в относительно теплую и недавнюю «эпоху викингов» (IX–XII вв.), по мнению А. С. Монина, «возможно, не было или было лишь немного многолетних льдов». Затем наступило похолодание, и последующие четыре века (1430–1850 гг.) часто называют малым ледниковым периодом.
Вот так обстоят дела с изучением климата прошлых веков. Как мог заметить внимательный читатель, в этом небольшом разделе неоднократно встречалось словосочетание «ледниковый период». Дальнейший рассказ как раз о ледниковых периодах.
Глава шестая Земля в ледяном плену
Циклы миланковича
Найдется немало людей в нашей стране, у которых слова «ледниковый период» ассоциируются исключительно с некогда популярной передачей на одном из центральных телеканалов или одноименным мультфильмом. Мы же, естественно, будем вести речь о ледниковых периодах, случавшихся в истории Земли. Чтобы «добраться» до них, придется совершить виртуальное путешествие в глубь даже не веков, но десятков тысячелетий. А вот доказательства того, что такие периоды действительно существовали, в буквальном смысле лежат на поверхности: становление «большого льда» и, главным образом, его сход оставляли отметины на «теле» планеты в виде цепей холмов (ледниковых морен), гигантских валунов, возникших на ранее сухих местах болот и мохового покрова и пр. (геологи легко «расширят и углубят» этот перечень). «Ну, существовали… – и ладно! Что нам сегодня до этого?» – пробурчит прагматичный читатель. Но кое-какой интерес у нас имеется. Уже само название «ледниковый период» справедливо подразумевает наличие в ту пору очень холодного климатического режима. А с чего бы вдруг, спрашивается, ему установиться? Какие такие могущественные силы, отличные от современных, довлели при его формировании? И что сводило на нет их действие ближе к окончанию каждого из ледниковых периодов? Очевидно, другие не менее могущественные природные силы (человек, конечно же, тут непричастен). Какие? Хотелось бы знать, желательно – поименно. Проявляются ли они сейчас или «затаились на время», чтобы в самый неподходящий момент восстать, как птица Феникс из пепла? Не удружат ли они нам очередным витком всемирного обледенения и не окажутся ли на его фоне наши треволнения о глобальном потеплении никчемной суетой?
Ледниковые периоды стали возникать в четвертичный период истории Земли, около двух миллионов лет назад. За это время масштабное оледенение наступало, по крайней мере, четырежды, а последний ледниковый период случился около 18 тыс. лет назад. На рис. 6 цв. вклейки показаны зоны обледенения поверхности Земли в течение последнего ледникового периода. Обращает на себя внимание тот факт, что в Северном полушарии область, покрытая льдом, много больше своего южного антипода. Различно и распределение льдов в Западном и Восточном полушариях: главный ледниковый щит Западного полушария – Лаврентийский – охватывал пространство Аляски, Канады и Гренландии, а в Восточном подо льдом оказывались Скандинавия, Таймыр, небольшие площади севера европейской России. В то же время Северная Азия и Чукотский «хвост» были почти безледными с замерзшей почвой – той, что сегодня именуется вечной мерзлотой. В Северном полушарии медленное наступление ледников каждый раз начиналось на суше с севера на юг, с вершин гор к их подножиям, также с севера на юг смещались морские границы льда. В Антарктиде первый ледниковый щит появился примерно 20 миллионов лет назад. Тогда же между Антарктидой и Южной Америкой образовался пролив, много позже названный именем Дрейка, и круговое течение, блокировавшее приток теплых вод из тропиков к самому южному континенту.
Чем объясняется такая неравномерность ледяного покрова? Недавние исследования с применением климатических моделей помогли установить две основные причины. Первая – лед может расширять свои «владения» только на суше. В море от «языка» ледника откалываются айсберги, которые дрейфуют в более теплые воды (больше некуда!), где и прекращают свое существование, и, как следствие, общая площадь морского льда почти не увеличивается. Таким образом, в богатом морями Южном полушарии (площадь суши – 49 млн км2) рост материкового льда ограничивается Антарктидой, и его площадь не увеличивается при понижении температуры. В Северном полушарии (площадь суши – 100 млн км2) таких сдерживающих факторов нет, и материковый лед может беспрепятственно распространяться на юг.
Вторая причина обусловлена обратной связью между отражательной способностью поверхности и температурой. Как, вероятно, знает читатель, белый снег наиболее эффективно отражает солнечную радиацию, достигшую земной поверхности. При снижении температуры усиливаются как выпадение снега, так и образование ледяного покрова, и отражательная способность поверхности возрастает. Далее ослабляется поглощение ею солнечной энергии, а следовательно, ее температура падает еще больше, что благоприятствует появлению все новых масс снега и льда. Но, как было сказано выше, площадь ледника может заметно возрастать лишь в Северном полушарии, поэтому именно здесь взаимосвязь отражательной способности поверхности и температуры действует наиболее продуктивно.
А различие между Западным и Восточным полушариями? Здесь опять «виноваты» размеры площади суши, а также ее сезонный нагрев летом и охлаждение зимой. В климатологии хорошо известен так называемый континентальный эффект сезонного хода температуры и осадков. В середине материка, вдали от морских берегов, зима холоднее, лето теплее, осадков (дождя, снега) выпадает меньше, чем в прибрежных зонах или на островах в океане. В Сибири и вообще в Северной Азии лето, хотя и короткое, но обычно сухое и жаркое. Ледники в большой Евразии тают быстрее, чем в меньшей по площади Северной Америке, а прирастают медленнее из-за меньшего количества осадков, которых в Восточной Сибири выпадает немного. Таким образом, в Восточном полушарии – в Азии – затруднено образование ледниковых щитов и «облегчено» их относительно быстрое таяние по сравнению с Северной Америкой и Гренландией.
Однако пора уже рассказать о причинах таких ледовых «напастей». В разгар Второй мировой войны в Европе, в 1941 г., была опубликована книга сербского астрофизика М. Миланковича (1879–1958), содержавшая объяснение интересующего нас феномена. Впрочем, неудивительно, что в то «горячее» время она осталась практически незамеченной. И только позже, в 1960-х, в свете произведенных тогда измерений содержания изотопов кислорода в ледовых кернах и в донных отложениях древних озер и океанов, гипотеза Миланковича нашла свое подтверждение. «Корень зла» заключается в колебаниях количества достигающей Земли солнечной радиации (в пределах от 5 до 10 %) на протяжении больших промежутков времени. Но чтобы понять причины таких колебаний, нам придется мысленно совершить визит в планетарий (см. рис. 8 цв. вклейки).
Траектории планет Солнечной системы, согласно первому закону Кеплера, представляют собой эллипсы (овалы). Орбита обращения Земли вокруг Солнца (происходящего, кстати, со скоростью 29,8 км/сек.) – эллипс, мало отличающийся от круга, а степень этого отличия – эксцентриситет – изменяется в пределах от 1 до 5 % (в настоящее время – 1,67 %) с главным периодом около 100 тыс. лет, который совпадает с периодом наступления и отступления ледников. Одновременно Земля вращается вокруг своей оси, причем направление этой оси в пространстве, в соответствии с законом сохранения момента импульса, должно быть всегда одним и тем же. Однако присутствие других планет, а также спутника Земли Луны приводит к тому, что возникают некоторые периодические отклонения, сказывающиеся и на орбите Земли, и на ее вращении.
Всего насчитывается 14 различных движений орбитальных процессов, совершаемых нашей планетой в космосе. Миланкович рассмотрел три из них. Помимо упомянутого вращения Земли вокруг Солнца, это прецессия и нутация.
Земная ось, которая «должна» была бы иметь всегда неизменную ориентацию, в реальности движется по круговому конусу с вершиной в центре Земли (период полного оборота равен 25 750 лет), это движение называется прецессией. Следствием прецессии является то, что в январе, когда расстояние между Землей и Солнцем минимально (и, значит, наша планета получает наибольшее количество солнечной энергии), Северное полушарие отвернуто от Солнца, а Южное, напротив, к нему повернуто. Такие отдаленность и приближенность полушарий к светилу обусловливают времена года: в январе в Северном полушарии – середина зимы, в Южном – разгар лета. По истечении половины периода (т. е. примерно через 13 тыс. лет) ситуация переменится на противоположную – тогда в Северном полушарии январь и июль поменяются ролями, и январь окажется летним месяцем. «По совместительству» и угол наклона земной оси к плоскости орбиты также подвержен небольшим колебаниям (рамки их изменений от 21,5° до 24,5° с периодом 41 тыс. лет, современное значение – 23,5°) вследствие влияния Луны и Юпитера. Такие колебания и есть нутация.