Ледяные лишаи

Теория Гернета в свете современных представлений[3]

История Земли за последний четвертичный период характеризуется колебаниями климата, связанными с наступаниями и отступаниями ледников. Четвертичный период, или плейстоцен, был ледниковым периодом.

Обширные покровные ледники, подобные по размерам древним плейстоценовым, покрывают теперь только поверхность Гренландии и южный полярный материк — Антарктиду. Площадь Гренландского покровного ледника около 2 млн. км², Антарктического — около 14 млн. км². Максимальная толщина льда достигает 3 км в Гренландии и 4,5 км в Антарктиде. Объем льда этих ледниковых покровов таков, что если бы он растаял, то уровень Мирового океана повысился бы на 60–80 м. Подобные покровные ледники в ледниковые эпохи покрывали Скандинавию и сползали на равнины северо-востока Европы, в том числе на Русскую равнину, а с Баффиновой Земли и Лабрадора — на равнины Северной Америки. Европейский (Скандинавский) покровный ледник превосходил по своим размерам современный Гренландский, а Северо-Американский (Лаврентьевский) был приблизительно равен по величине современному Антарктическому. Наступания ледников чередовались с отступаниями, ледниковые эпохи сменялись межледниковыми. И происходило это неоднократно. До недавнего времени геологи насчитывали четыре смены холодных эпох теплыми. Однако успехи морской геологии, изучение глубоководных донных отложений океанов показали, что чередований холодных и теплых эпох было, по-видимому, больше.

Какими же причинами были вызваны такие большие колебания климата и оледенения? Ответ на этот вопрос, очевидно, имеет не только научный интерес, но и практическое значение. Если холодные ледниковые эпохи сменяются теплыми межледниковыми, то мы живем в очередное межледниковье, за которым последует следующая ледниковая эпоха. Когда можно ожидать наступания ледников? До каких размеров они разрастуться? Можно ли предотвратить их наступание?

Причины ледниково-межледниковых колебаний климата и оледенения долгое время оставались невыясненными. Не вполне ясны они и до сих пор. О недостаточности наших знаний свидетельствует множество гипотез, выдвинутых для объяснения ледниковых событий. За последние 10–20 лет положение, однако, изменилось. Складывается ледниковая теория, или теория колебаний климата и оледенения, и определенную роль в становлении этой теории играют идеи, высказанные Е. С. Гернетом в его небольшой книге «Ледяные лишаи (новая ледниковая теория, общедоступно изложенная)».

Судьба книги, как и самого автора, была необычной. Книга была написана им в 1928–1929 гг. в Японии, «куда, — как он пишет в предисловии, — меня забросила судьба по службе моей Советскому Союзу». Его идеи не получили в то время признания среди ученых, да и мало кому из них стали известны. Как нередко бывает в истории науки, идеи Гернета опередили научный уровень его времени. В их основе лежит представление об автоколебаниях климата и оледенения, в настоящее время завоевывающее все большее признание.

Евгений Сергеевич Гернет был одним из тех офицеров старой русской армии и флота, которые с первых дней революции перешли на сторону восставшего народа. Он был потомственным моряком, происходил из старой дворянской семьи, родился в 1882 г. в Кронштадте. По семейным преданиям, Гернеты были выходцами из Шотландии. Один из них в начале XVIII в. был комендантом Ревеля (ныне Таллин) и после победы Петра I над шведами передал ему ключи от города. Со времен Петра I Гернеты служили в русском военном флоте.

В 1902 г. Е. С. Гернет окончил морской корпус и в первом офицерском звании — мичмана — был назначен в Тихоокеанскую эскадру. В русско-японскую войну он проявил себя храбрым боевым офицером и был награжден орденами и медалями. После русско-японской войны в 1908 Е. С. Гернет участвовал в спасательных работах русского флота во время извержения вулкана Этна (в Сицилии) и в том же году окончил штурманские офицерские классы. В начале первой мировой войны в 1914 г. в чине старшего лейтенанта был назначен в минную бригаду Черноморского флота.

В начале революции 1917 г. Е. С. Гернет, к этому времени капитан 2-го ранга, был командиром эсминца «Калиакрия». Команда эсминца принимала участие в установлении Советской власти в Крыму. В 1919 г. он был начальником дивизиона сторожевых судов Балтийского моря, начальником отряда кораблей и транспортов, шедших с Балтики на Каспий, а с апреля 1920 г. командовал Азовской флотилией. В 1921–1923 гг. Е. С. Гернет был начальником обороны Новороссийска и Южно-Бережного сектора Кавказа. По окончании гражданской войны и демобилизации плавал на судах нашего торгового флота на Дальнем Востоке, был капитаном парохода «Индигирка» и др. Его знания и опыт, как командира и участника гражданской войны, пригодились во время наступления армий гоминьдана на север против реакционных китайских генералов в 1926 г., когда Гернет был нашим военным советником в Сватоу[4].

В 1927–1931 гг. Е. С. Гернет был представителем СССР в Японии, где занимался фрахтом японских судов для Советского Союза. К этому времени и относится рождение его «новой ледниковой теории», написанной в Кобе. Как следует из предисловия к книге, ее автор, не будучи ученым, давно интересовался наукой, особенно геологией, и событиями ледникового периода. В Японию Гернет приехал с семьей — женой и двумя дочерьми. По сравнению с годами гражданской войны и плавания капитаном на морском судне жизнь Гернета в Японии была более спокойной, что, по-видимому, и позволило ему изложить давно сложившуюся идею. «В Кобе, — как он пишет, — никаких источников и справочников на доступных мне языках не было… будь у меня возможность использовать более обширный материал, книга была бы полнее и лучше».

Евгений Сергеевич Гернет, 1924 г.

Книга была набрана им самим и издана в Токио тиражом 500 экз. Она произвела сильное впечатление на К. Паустовского и М. Горького, но не была замечена учеными, да и мало кому из них стала в то время известна. В повести «Золотая роза» Паустовский пишет: «Тогда я только что прочел очень редкую книгу нашего моряка, капитана Гернета. Называлась она „Ледяные лишаи…“ Я не могу здесь подробно рассказать о теории Гернета — для этого понадобилось бы слишком много места[5]. Но Гернет неопровержимо доказал, что если бы удалось растопить ледяной панцырь Гренландии, то в Европу вернулся бы миоцен[6]… Я рассказал Горькому о теории Гернета. Он барабанил пальцами по столу и мне казалось, что он слушает меня только из вежливости. Но оказалось, что он был захвачен этой теорией, ее стройной неопровержимостью… Он долго обсуждал ее, все больше оживляясь, и попросил прислать ему эту книгу, чтобы переиздать ее большим тиражом… Но издать книгу Гернета Алексей Максимович не успел — он вскоре умер»[7].

Обложка первого издания книги Е. С. Гернета «Ледяные лишаи», 1930 г.

Интерес к теории Гернета со стороны ученых появился после опубликования подобных теорий за рубежом. В 1955 г., через 25 лет после выхода книги Гернета в журнале «Сайенс» («Наука») появилась статья американского геолога В. Стокса под названием «Иной взгляд на ледниковый период»[8]. Это был действительно иной взгляд, но высказанный впервые… Гернетом. Новизна подхода заключалась в том, что, по Гернету и Стоксу, не какие-то изменения климата, вызванные некоторой внешней причиной, способствовали распространению ледников, а сами ледники в ходе своего развития изменяли климат. Считая, что нормальным состоянием Земли является ее безледное состояние с равномерно теплым климатом по всей земной поверхности, Гернет уподобляет оледенение болезни — «ледяному лишаю», «самосильно» распространяющемуся по телу планеты. Наиболее существенным для теории Гернета — Стокса является то, что в ней рассматривается взаимное влияние, взаимодействие ледников, океана и морских льдов и атмосферы. Лед — не следствие похолодания климата, а причина его охлаждения. Снег и лед, будучи продуктами климата, становятся фактором, влияющим на климат. Следствие реагирует на причину, как говорил выдающийся русский климатолог А. И. Воейков.

Через год после опубликования статьи Стокса в том же журнале «Сайенс» появилась статья двух известных американских ученых М. Юинга и В. Донна «Теория ледниковых периодов» и еще через два года — ее продолжение и дополнение[9]. В этих статьях они развивали и обосновывали новыми геологическими данными идеи Стокса. После опубликования их статей теория автоколебаний климата и оледенения получила в зарубежной литературе известность под названием «теория Юинга и Донна». Теория вызвала довольно широкую дискуссию. Краткое ее изложение вошло в изданную в 1955 г. в Париже двухтомную монографию по гляциологии Л. Ллибутри[10]. Были высказаны рядом авторов и критические замечания, вызвавшие появление по крайней мере еще двух статей тех же авторов[11], в которых они несколько изменили и дополнили свою теорию. За широко известными именами Юинга и Донна скромное имя Стокса было забыто. На статью Стокса его знаменитые соотечественники сослались вскользь, не указывая на то, что они развивают его идею, изложенную и обоснованную им лучше, чем ими. Имени Е. С. Гернета за рубежом просто никто не знал[12]. Теорию (или гипотезу) Юинга и Донна упоминают и в нашей научной литературе. Ссылаются у нас и на статью Стокса, но имя Гернета упоминается редко, его не знают. Отечественный приоритет в теории колебаний климата и оледенения необходимо восстановить. Ее следует назвать именами тех, кто предложил ее впервые — теорией Гернета — Стокса.

В области геологии и гляциологии (науки о природных льдах) Е. С. Гернет не был специалистом, на что справедливо указал проф. М. В. Тронов, впервые в научной литературе сославшийся на книгу Гернета[13]. Но какой ясностью мысли и пониманием сущности природных явлений он обладал! О незаурядных способностях и эрудиции автора «Ледяных лишаев…» свидетельствует его деятельность в области навигации, гидрографии, мореходной астрономии.

Ему принадлежит идея новой проекции карт для высоких широт. Гернет предложил очень простой подход. Штурманская карта должна удовлетворять двум условиям: линия курса должна прокладываться на карте по прямой линии и углы должны быть равны соответствующим углам на местности. Этим условиям удовлетворяет проекция Меркатора, использующаяся моряками. Но меркаторская проекция не пригодна для высоких широт. Предложение Гернета сводится к тому, что вместо экватора, от которого строится проекция Меркатора, берется другой большой круг земного шара, например нулевой меридиан, заменяющий экватор. Гернет называет его поэтому замэкватором. От него строится ортогональная сетка координат — зампараллелей и заммеридианов. Курс корабля или самолета в этой проекции прокладывается штурманом так же легко и удобно, как и в меркаторской проекции.

Статья об этой проекции была написана в начале 30-х годов по возвращении Гернета из Японии[14], когда он начал работать в области гидрографии. Он был редактором лоций полярных морей, участвовал в гидрографических экспедициях на шхуне «Полярная звезда», на ледоколах «Сибиряков», «Садко», читал лекции по навигации и мореходной астрономии. Известный картограф проф. В. В. Каврайский пишет, что проекция, подобная проекции Гернета, была ранее, в 1928–1929 гг., предложена директором Международного гидрографического бюро Л. Тонта, но что Е. С. Гернет предложил ее независимо[15].

Той же простотой и удобством пользования отличаются составленные Гернетом «Близмеридиональные таблицы»[16]. Как известно, для определения широты места нахождения судна в море секстаном измеряется высота Солнца или звезды в ее верхней или нижней кульминации, т. е. во время прохождения светила через меридиан. Но можно измерить и «близмеридиональную» высоту светила, т. е. его высоту, не точно во время кульминации, а лишь во время нахождения светила вблизи от меридиана данного места. Тогда необходимо вводить соответствующую дополнительную поправку — редукцию. Для нахождения редукции существуют специальные таблицы, входящие в так называемые «Мореходные таблицы». Таблицы, составленные Гернетом, имеют ряд преимуществ по сравнению с «Мореходными таблицами 1933 г.»: они значительно упрощают и ускоряют необходимые вычисления. В 1938 г. таблицы были переизданы и затем вошли в «Мореходные таблицы 1943 г», так же как и в их последующие издания.

Е. С. Гернет умер в 1943 г., на 61-м году жизни. Сделанное им как солдатом, гражданином, ученым заслуживает нашей благодарной памяти.

В основе ледниковой теории Гернета лежит идея о «самосильном» развитии оледенения и его влиянии на климат.

Ледниковая теория в понимании Гернета отличается от ледниковой теории в том смысле, какой ей обычно придают геологи и палеогеографы и одним из создателей которой был русский ученый и революционер П. А. Кропоткин[17]. В этом последнем смысле ледниковая теория — это концепция, объясняющая «ледниковые» формы рельефа деятельностью материкового оледенения и доказывающая реальность его распространения в прошлом на равнины Северной Америки и Северо-Восточной Европы. Гернет принимает эту теорию, исходит из нее. Для него — это данные геологии. Его же ледниковая теория устанавливает причинно-следственную связь событий, приводивших к возникновению и развитию оледенения, его колебаниям и глубоким изменениям климата. О такой ледниковой теории и будет идти речь ниже. Гернет (позже Стокс, равно как и Юинг и Донн, своевременно подхватившие идею Стокса) рассматривает в сущности систему, включающую земную поверхность и окутывающую Землю атмосферу. Изменения состояния земной поверхности — появление ледников на суше и морских льдов в полярных акваториях Мирового океана — влияют на состояние атмосферы — ее температуру, влажность, распределение давления и ветры. Взаимодействие между подстилающей атмосферу земной поверхностью (как сушей, так и океаном) и воздушными массами определяет климат.

Снег и лед способствуют охлаждению земной поверхности и воздуха по двум причинам: потому, что увеличивают отражающую способность, так называемое альбедо поверхности, и, следовательно, уменьшают поглощаемую Землей солнечную энергию, и потому, что температура снега и льда не может подняться выше 0°, температуры таяния льда. При температуре ниже 0° реки и озера замерзают, осадки выпадают в твердом виде. Снег и лед, однажды появившись, способствуют все большему своему распространению и охлаждению климата. Охлаждение, однако, продолжается только до некоторого предела. Одновременно с охлаждением уменьшается содержание в воздухе водяного пара, увеличивается сухость климата, уменьшается сумма выпадающих осадков. При каком-то минимуме температуры осадков выпадает так мало, что летнее таяние у края далеко продвинувшихся на юг ледников сравнивается с питанием их выпадающим снегом, а затем превосходит его. Теперь взаимодействие между земной поверхностью и атмосферой останавливает процесс охлаждения, а затем поворачивает его в обратном направлении — к сокращению оледенения и потеплению. В системе «Земная поверхность — Атмосфера» возникают автоколебания, выражающиеся в чередовании ледниковых и межледниковых эпох.

Но система «Земная поверхность — Атмосфера» не является замкнутой, она открыта для внешних по отношению к ней воздействий, идущих из недр Земли и от Солнца. Начальной причиной оледенения Земли были внутренние процессы, происходящие в ее недрах. Они привели к поднятию и горизонтальному смещению материков, росту горных хребтов. На них и стали возникать и стекать вниз по склонам ледники. Раньше всего, десятки миллионов лет назад, ледники образовались на южном полярном материке, окруженном со всех сторон океаном. Океан ограничивал распространение оледенения за пределы материка. С течением времени образовался устойчиво существующий до наших дней Антарктический покровный ледник — «локализованный стационарный ледяной лишай», как его называет Гернет.

Его образование создало источник постоянного охлаждения, грандиозный холодильник нашей планеты, что способствовало образованию Гренландского покровного ледника. В отличие от южного океанического полушария, в северном материковом полушарии оледенение могло возникнуть и на соседних с Гренландией территориях. Образовались «рефлекторные ледяные лишаи», по Гернету. С этого времени, около миллиона лет назад, началось распространение оледенения на равнины Северной Америки и Северо-Восточной Европы, замерзание внутреннего полярного океана и превращение его в Северный Ледовитый океан. Затем после максимального распространения льдов началось их сокращение — «первая пульсация Гренландского ледяного лишая», по Гернету.

Наступание и отступание ледников, смена ледниковых эпох межледниковыми повторялись неоднократно. Эти большие гляциоклиматические колебания вызывались взаимодействиями внутри системы «Земная поверхность — Атмосфера» (включая в понятие земной поверхности и океан). Но вместе с тем они, по-видимому, стимулировались и колебаниями инсоляции или облучения Земли Солнцем.

Колебания инсоляции, обусловленные астрономическими причинами, были рассчитаны в 20-х годах XX в. югославским астрономом М. Миланковичем. Его расчеты затем неоднократно проверялись и уточнялись. Колебания инсоляции не вызывают сомнений, но вопрос о том, насколько велико их влияние на климат, стал предметом не прекратившейся до настоящего времени дискуссии.

Автоколебательной природе смены ледниковых эпох межледниковыми не противоречит возможность влияния на них и внешних воздействий, как известных в настоящее время, так и других, которые могут быть установлены в будущем. Но «самосильное» развитие оледенения, предположенное Гернетом, является, по-видимому, определяющим.

Значение охлаждающего влияния снега и льда на климат было обосновано в конце XIX в. А. И. Воейковым[18]. В 20-х годах XX в. английский климатолог Ч. Брукс сделал расчет дополнительного охлаждения климата, вызываемого ледяным покровом и способствующего его распространению[19]. В те же годы немецкий климатолог Ф. Пашингер высказал идею об автоколебаниях горных ледников[20], но первым, кто независимо от них и в логически безупречной форме обосновал теорию автоколебаний климата и оледенения, был Е. С. Гернет (вспомним слова К. Г. Паустовского о «стройной неопровержимости» его теории). И он в отличие от Пашингера рассмотрел не только автоколебания ледников, но всей системы, включающей ледники, морские льды, океан и атмосферу. Внутренние взаимодействия в этой системе могут быть учтены и направлены человеком так, чтобы наиболее рационально согласовать с ними свою хозяйственную деятельность.

Осуществление проекта уничтожения Гренландского ледяного лишая, предлагаемого Гернетом, принципиально возможно. Также возможно и искусственное очищение Северного Ледовитого океана от плавучих льдов. Такие проекты обсуждались в современной научной литературе. Превращение Северного Ледовитого океана в безледный полярный бассейн несомненно изменило бы климат Северной полярной области и всего северного полушария. Нужно ли и своевременно ли осуществлять подобные проекты и каких усилий и затрат энергии это потребует — другой вопрос. Но важно то, что вмешательство человека в ход природных событий огромного масштаба и значения возможно. Если бы изменения климата зависели только от внешних воздействий, таких, как тектонические силы Земли, вызывающие горообразование, или колебания инсоляции по астрономическим причинам, или любые другие, то человек был бы бессилен (по крайней мере при современной технике) влиять па них.

Поэтому знание причинно-следственных связей, управляющих ходом изменений климата и оледенения, имеет не только теоретический, но и практический интерес. Это увеличивает значение ледниковой теории, логические основы которой заложил Е. С. Гернет.

Трудно было бы предположить, что написанная 50 лет тому назад книга Е. С. Гернета, излагающая его ледниковую теорию, во всех своих разделах соответствует современному состоянию науки. Автор книги проявляет поразительное проникновение в существо дела и ясное понимание хода ледниковых событий, но излагает предмет на уровне науки 20-х годов. Рассмотрим поэтому важнейшие положения его ледниковой теории и сделаем необходимые поправки в соответствии с современным состоянием знаний.

Эры и периоды истории Земли и их продолжительность (см. гл. I, с. 5—29). Гернет пишет, что события геологической истории не имеют абсолютной хронологии, что известна лишь последовательность событий, продолжительность же времени в тысячах и миллионах лет может быть указана лишь предположительно. Теперь это утверждение уже неверно. Успехи физики и физической химии последних десятилетий дали в руки геологов способы оценки абсолютного времени событий истории Земли. Они основываются на измерении содержания в минералах изотопов элементов, накопившихся после образования минерала вследствие распада содержащихся в нем радиоактивных веществ. В частности, события последних десятков тысяч лет оцениваются так называемым радиоуглеродным методом (по радиоактивному изотопу углерода, C₁₄). Им датируются с точностью до двух — трех сотен лет органические остатки (торф, древесина, раковины моллюсков, кости и ткани животных), захороненные в отложениях. Наиболее надежно определяется этим методом возраст в пределах между 5 и 50 тыс. лет.

Приводимая Гернетом в главе I периодизация истории Земли (с. 6) по современным представлениям выглядит несколько иначе. Три последние эры — палеозойская (т. е. эра древней жизни), мезозойская (средней жизни) и кайнозойская (новой жизни) — объединяются в одну сверхэру (эону) — фанерозойскую (от греческих слов фанерос — явный и зоэ — жизнь). Эти три эры и были объектом изучения классической геологии XIX и начала XX в. Фанерозойские осадочные породы, залегающие пластами, содержат явные следы жизни, ископаемые остатки животных и растений, которые служили геологам руководящими окаменелостями для оценки относительного возраста слоев Земли. Продолжительность всего фанерозоя, по современным данным, составляет 570 млн. лет, в том числе 340 млн. лет — палеозой, 163 млн. лет — мезозой и 67 млн. лет — кайнозой. Сравнение с данными, приводимыми Гернетом, показывает, что приблизительная оценка возраста этих эр близка по порядку величин к более точным современным определениям. Между самыми древними периодами палеозоя, указываемыми Герпетом, — кембрием и силуром — современные геологи ставят еще один — ордовик.

Все докембрийское время, принимавшееся ранее за одну архейскую эру, ныне делится на четыре эоны продолжительностью приблизительно по одному миллиарду лет: катархей, архей, афебий и рифей (афебий и рифей вместе называют протерозоем). Их общая продолжительность в 3,5 раза больше той, какую предполагали в начале нашего века. Последняя зона — фанерозой — занимает лишь примерно восьмую часть общей продолжительности жизни Земли, насчитывающей четыре с половиной миллиарда лет.

В течение этого огромного промежутка времени происходили коренные изменения общего устройства поверхности Земли и всей природной обстановки. После периодов горообразования следовали оледенения. Об их продолжительности и пределах распространения известно очень мало. Предполагают, что горообразовательные процессы и связанные с ними оледенения разделялись промежутками времени в 250–300 млн. лет. Предпоследним было оледенение в конце каменноугольного — начале пермского периода (пермо-карбоновое); от последнего кайнозойского оледенения, которое только и рассматривается в книге, его отделяет долгий промежуток теплого времени — с конца палеозоя до миоцена.

Теплая миоценовая эпоха, с которой Гернет сравнивает ледниковый период, началась 25 млн. лет назад, 9 млн. лет назад она перешла в более холодную — плиоценовую, и в течение последнего миллиона лет длится четвертичный период (или плейстоцен).

Наиболее древним ледяным образованием последнего кайнозойского оледенения является ледяной покров Антарктиды, возникший еще в миоцене и существующий уже более десяти, а может быть, и двадцати миллионов лет. За ним следует ледяной покров Гренландии, его возраст превышает 2–3 млн. лет. Известно, что в течение последнего миллиона лет ледниковые и межледниковые эпохи чередовались. Покровное оледенение распространялось на равнины Северной Америки и Северо-Восточной Европы (при этом сильно увеличивались по длине, толщине и площади все горные ледники), а затем оледенение вновь сокращалось до близких к современным размеров. В четвертичном периоде продолжительность ледниково-межледниковых циклов (от предыдущего максимума оледенения до следующего) измеряется промежутком времени в 40–70 тыс. лет, в среднем около 50 тыс. лет; по другим оценкам, продолжительность ледниково-межледниковых циклов — около 100 тыс. лет. Теплое межледниковое время, подобное тому, в котором мы живем, окончилось около 70 тыс. лет назад. Оно сменилось похолоданием и наступанием ледников. Потепление имело место, по-видимому, и между 50–30 тыс. лет назад. Последний максимум оледенения был около 18 тыс. лет назад, около 10 тыс. лет назад край последнего европейского покровного ледника отступил в пределы Южной Финляндии и Швеции, а затем, около 7 тыс. лет назад, оледенение сократилось до современных размеров.

Температура полушарий и аномалии температуры в Северной Атлантике (см. гл. II, с. 29–37). Средняя годовая температура южного полушария на 2° ниже средней температуры северного. Что это объясняется охлаждающим влиянием ледяного материка Антарктиды, теперь общепризнано. Кажется даже странным, что могли быть иные толкования. Гернет дает их исчерпывающую критику и свое простое, естественное и единственно правильное объяснение (с. 31–33). Также очевидна и причина аномалий температуры в Северной Атлантике, заключающаяся в охлаждающем влиянии Гренландского покровного ледника (с. 33–34).

Снегоизбыточный слой атмосферы (см. гл. III, с. 37–46). Введенное Гернетом понятие о снегоизбыточном слое атмосферы, т. е. слое, в котором зимой может выпасть больше снега, чем растаять летом, широко используется современной гляциологией. Этот слой известным советским географом академиком С. В. Калесником был назван хионосферой (от греческого слова хионос — снег)[21]. Понятие о снегоизбыточном слое атмосферы (хионосфере) лежит в основе теории «ледяного лишая» Гернета. Существование хионосферы, лежащей ниже в высоких широтах (к полюсам) и выше в низких (к экватору), объясняет самую возможность возникновения ледников. Гернет показывает связь хионосферы с высотой и состоянием земной поверхности. Хионосфера опускается навстречу поднимающимся горам: на их склонах, обращенных к влажным ветрам с океана, увеличивается количество осадков. После возникновения и распространения ледников хионосфера опускается еще ниже. Отступание ледников влечет за собой повышение нижней поверхности хионосферы и способствует их дальнейшей деградации.

Понятие о хионосфере до сих пор остается дискуссионным. Одни гляциологи считают его важнейшим фундаментальным понятием теоретической гляциологии и гляциоклиматологии, т. е. учения о взаимодействии климата и оледенения; по мнению других, достаточно знать, где проходит снеговая линия в горах и на ледниках и не вводить особого абстрактного понятия.

К сторонникам хионосферы принадлежал профессор Томского университета М. В. Тронов[22], к ярым противникам — не менее известный ученый П. А. Шумский, ранее, однако, сам пользовавшийся этим понятием в своих работах[23]. Теперь он считает, что хионосфера — понятие фиктивное. Однако Гернет прекрасно обосновал необходимость этого понятия. Превышение годового количества снега над его стаиванием, объясняет возникновение и существование ледников[24].

Колебания земной коры и возникновение ледников (см. гл. III, с. 51–55). Совершенно справедливо Гернет рассматривает поднятие суши как первопричину возникновения ледников. Участки суши, повысившиеся до снегонулевой поверхности и вошедшие в пределы снегоизбыточного слоя (хионосферы), становятся «ледородными возвышенностями». На них остается к осени не успевший стаять за лето снег, дающий начало леднику. Однако, по Гернету, существенное значение имеют только пологие куполообразные поднятия обширных территорий, создаваемые эпейрогеническими движениями земной коры. Орогенез (горообразование) он считает процессом второго порядка, не имеющим даже, как он пишет, «для нас в нашей ледниковой теории никакого значения» (с. 7). Это, конечно, неверно.

Поднятия грандиозных горных хребтов, таких, как Альпы, Гималаи, Кордильеры и др., нельзя считать тектоническими процессами второго порядка. Эпейрогенические колебания имеют меньшую амплитуду по сравнению с орогеническими. Для зарождения ледников важен сам факт повышения суши, какими бы движениями земной коры он ни вызывался.

Средняя высота поверхности суши повысилась за последний миллион лет на 300–800 м, в том числе равнины (в результате эпейрогенеза) на 300–500 м, а горы (в значительной мере как результат орогенеза) на 1000–2000 м. Конечно же, приближение к хионосфере в горах было более быстрым, чем на равнинах.

Картина постепенного разрастания «ледяного лишая», образовавшегося на первичной «ледородной возвышенности», поднявшейся до хионосферы, нарисована Гернетом умозрительно, а не на основании изучения хода явлений в природе. Сравнение ледников различных ледниковых районов позволяет проследить их эволюцию от начальных стадий ко все более развитым и представить ход ледниковых событий во времени. Гляциологические исследования в районах распространения малых ледников и многолетних снежников свидетельствуют о том, что начальные формы оледенения обязаны скоплениям снега, навеваемого ветром или соскальзывающего с крутых склонов. Толщина снега в таких скоплениях во много раз превышает толщину снежного покрова на ровных участках, где снег ложится в результате выпадения из облаков. Эти скопления и дают начало многолетним снежникам, со временем переходящим в ледники. Образуются они на склонах и в понижениях, находящихся ниже хионосферы. Для начала образования ледников необходимо лишь приближение земной поверхности к хионосфере и рельеф, способствующий концентрации (скоплению) снега в отдельных местах. Этому благоприятствуют горы. Не ровные куполообразные поднятия с пологими склонами, поднявшиеся до хионосферы, способствуют возникновению оледенения, как думал Гернет, а горный пересеченный рельеф, по высоте приближающийся к нижней поверхности хионосферы. На Полярном Урале, например, типичном ледниковом районе малого оледенения, ледники лежат на высоте от 390 до 1180 м над уровнем моря, а нижняя поверхность хионосферы — на 1350 м, т. е. много выше. Существование ледников здесь обязано не превышению снежных осадков над стаиванием, а превышению над последним масс снега в местах его скопления.

Характерными типами малых ледников являются навеянные ледники, лежащие на подветренных склонах, и каровые. Первые образуются благодаря переносу снега ветром при метелях с наветренного склона на подветренный, как говорят, в ветровую тень, вторые — благодаря скоплениям снега в глубоких нишах (карах) на горных склонах, куда снег частью сдувается ветром, частью соскальзывает по крутым стенкам кара лавинами.

Образование снежника, а затем ледяной шапки на пологой куполообразной возвышенности, вошедшей в пределы хионосферы, описанное Гернетом, также возможно. Так образуются в горах ледники плоских вершин[25], ледяные шапки на полярных островах. Но это скорее редкие случаи, исключения, чем типичный способ зарождения ледников.

Нельзя согласиться и со скептической оценкой Гернетом (с. 9) возможности так называемых эвстатических колебаний уровня моря, т. е. не зависящих от изменения высоты суши, и изостатических колебаний земной коры, т. е. ее оседаний под нагрузкой, и поднятий, когда такая нагрузка снимается. Особенно важны для нас гляциоэвстатические колебания уровня моря и гляциоизостатические колебания суши.

Первые связаны с изъятием воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана, на образование льда или возвращением воды в океан в результате его таяния. В противоречии самому себе Гернет приводит соображение о том, что в ледниковую эпоху «громадные ледяные массы потребовали для своего образования такие огромные количества воды, что уровень моря понизился… почти на 100 м» (с. 21). В современной ледяной Антарктиде находится объем воды, равный 60—80-метровому ее слою, равномерно разлитому по поверхности Мирового океана. Если растопить лед Гренландского покрова, что предлагает Гернет, то уровень Мирового океана поднимется на 6,5 м.

Гляциоизостатические колебания суши состоят в опускании ее под нагрузкой льда и поднятии после того, как эта нагрузка устраняется. Эти колебания относятся к наиболее быстрым колебаниям высоты суши (равно как сравнительно быстрыми являются и гляциоэвстатические колебания уровня моря). Поднятие Фенноскандии, скорости которого приводит Гернет (с. 9), относится как раз к гляциоизостатическому поднятию после того, как растаял покрывавший Фенноскандию материковый лед Скандинавского ледяного щита.

Распространение и сокращение оледенения. Взаимная связь оледенения суши и моря (см. гл. III, с. 56–59; гл. V, с. 72–79, 82–85). Саморазвитие ледника, идущее, по Гернету, на поверхности, поднявшейся в хионосферу, которая в свою очередь понижается по мере распространения «ледяного лишая», неизбежно. Правда, Гернет несколько преувеличивает эту неизбежность, когда пишет, что «ледяной лишай, зародившись на площадке ледородной возвышенности величиной, может быть, с медный пятак, может охватить собой десятки миллионов квадратных километров земной поверхности» (с. 58).

Это было бы верно, если бы условия погоды из года в год оставались неизменными. Однако это не так, нужно не только поднятие земной поверхности до снегоизбыточного слоя (хионосферы) и немного выше, но и сохранение благоприятных для оледенения условий (обильных осадков зимой, прохладного лета) в течение ряда лет. Поэтому для возникновения оледенения поднятие земной поверхности должно быть довольно большим и охватывать значительную площадь, входящую в пределы хионосферы. Но во всяком случае (принципиально важно только это) возникшие при благоприятных условиях снежники, не стаивающие летом, увеличиваются в размерах и распространяются все шире самосильно. Разросшийся ледяной лишай, понижая температуру, создает сухость климата, что ухудшает его питание осадками и, следовательно, ограничивает его рост определенными пределами (с. 77–78). Но эти пределы связаны не только с развитием ледников на суше, но и с замерзанием соседних м: орей, или, по Гернету, с распространением ледяного лишая с суши на море. Это понимание им значения взаимной связи оледенения суши и моря является сильной стороной его теории. О такой связи Ф. Пашингер, автор первой гипотезы автоколебаний горных ледников, не упоминал. А без этого автоколебания климата и оледенения в глобальном масштабе нельзя представить.

Существуют два типа связи между оледенением суши и моря (с. 72–74, 82–85). В географических условиях южного полушария, где полярный материк окружен океаном, образуется устойчивый покровный ледник — «ледяной лишай локализованный стационарный». Его расширение за пределы материка ограничивает глубокое море. Выпадающий на поверхность ледяного покрова снег уравновешивается обламыванием айсбергов. Вокруг ледяного материка образуется кольцо плавучих льдов.

В северном полушарии обширные материки окружают «средиземное» полярное море. Покровный ледник, образовавшийся в Гренландии, вызывает охлаждение соседней суши и моря. Айсберги Гренландии охлаждают берега Баффиновой Земли и Лабрадора, где образуются «рефлекторные ледяные лишаи». Затем возникают и разрастаются ледники в Скандинавии. Постепенно заполняется айсбергами, охлаждается и покрывается плавучими льдами и полярный океан. Вся Северная полярная область ко времени максимального распространения льдов превращается в сухую ледяную пустыню, превышающую по размерам Антарктиду. И все это вместе Гернет называет «великим гренландским ледяным лишаем» в максимальную фазу его развития.

Сухость климата ограничивает дальнейшее распространение этого ледяного лишая, а затем приводит к отступанию льдов. Географические условия северного полушария определяют соотношение оледенения суши и моря, делающее неизбежным смену наступания льдов их отступанием, чередование ледниковых и межледниковых эпох. Оледенение северного полушария не стационарно, не существует устойчиво, а то расширяется, то сокращается. Гренландский ледяной лишай — это «лишай, ограничиваемый пульсациями».

Предел распространению «ледяного лишая» кладет создаваемая им «зимняя сухость климата» (с. 56); ничто другое не может ограничить его «самосильное» расползание. Если бы в Африке поднялась куполообразная возвышенность и «средина купола выступала выше снегонулевой поверхности, то мы неизбежно должны получить оледенение Африки от океана до океана…» (с. 54). Подтверждение такой возможности Гернет видит в том, что геологами были найдены следы покровных оледенений в низких широтах. Зимняя же сухость климата могла создаться лишь благодаря распространению оледенения с суши на море.

Но возможность такого неограниченного расползания льда по поверхности суши Гернет преувеличивает. Он, как справедливо заметил проф. М. В. Тронов[26], совсем не учитывает изменения отношений между ледником и климатом. Помимо собственного «самосильного» развития и охлаждающего влияния на климат, возникает и противодействующее влияние климата из-за повышения температуры с широтой. С потеплением по мере продвижения во все более низкие широты увеличивается стаивание льда у края ледника и количество стаивающего льда сравнивается, наконец, с количеством накапливающегося снега. Дальнейшее продвижение прекращается. Предел распространения оледенения определяется не только связанным с охлаждающим влиянием ледника уменьшением осадков, как считал Гернет, но и с повышением температуры и стаивания у края при продвижении его вниз по склонам гор и в более низкие широты.

Что же касается следов покровного оледенения в низких широтах, то они относятся к позднепалеозойскому (пермокарбоновому оледенению), бывшему около 300 млн. лет назад, когда положение материков, ныне лежащих в низких широтах, было совершенно иным. Возможно также, что пермокарбоновые ледники были горными и не распространялись на равнины. О пермокарбоновом и более древних оледенениях известно очень мало.

Значение айсбергов (см. гл. III, с. 56–58; гл. V, с. 72–79).

Температура замерзания морской воды зависит от ее солености, чем последняя больше, тем ниже температура замерзания. Соленость воды глубоких морей и океанов в среднем составляет 35‰ (35 г соли в 1 л воды). Такая вода замерзает при —1,8 °C. Но в отличие от пресной воды, имеющей наибольшую плотность при +4 °C, т. е. при температуре выше температуры замерзания, морская вода, охлаждаясь, становится все более плотной вплоть до температуры ее замерзания. Охлаждаясь с поверхности, морская вода опускается вниз, а на поверхность поднимается более легкая, теплая вода. Поэтому для замерзания морской соленой воды необходимо ее охлаждение на всю глубину.

Но в прибрежных участках моря, в заливах и губах у устьев рек создается поверхностный опресненный слой. Чем больше речной сток, тем большую акваторию занимают поверхностные слабосоленые воды. Их плотность меньше, чем нижележащих, хотя и более теплых, но и более соленых вод. Образование морских льдов и замерзание морей происходит благодаря наличию такого опресненного слоя[27]. Глубокий же Центральный Арктический бассейн мог долго оставаться открытым. Его замерзание задерживалось и тем, что приток в него пресных речных вод в ледниковые эпохи сильно уменьшался. Воды открытого полярного бассейна были холоднее современных. Ныне под холодным распресненным поверхностным слоем толщиной около 50 м с температурой —1,3° лежит слой более теплых атлантических соленых вод толщиной около 200 м с температурой +0,5°. Воды же открытого океана были охлаждены до —1,8°. Превращение его в Северный Ледовитый океан могло происходить лишь путем заполнения айсбергами, как и представлял себе это Гернет (с. 76–79). Пресный лед айсбергов почти не таял в соленой морской воде. Скопляясь во все большем количестве, айсберги постепенно заполнили всю акваторию Северного Ледовитого океана. Какую-то, со временем все большую долю составляли и морские плавучие льды, выносимые из окраинных морей.

Охлаждение, вызванное покровным оледенением суши, усиливалось и обламывающимися от ледников айсбергами, замерзанием прибрежных мелких морей, образованием морских плавучих льдов. Ледники способствовали охлаждению моря, а морские льды его усиливали и ускоряли разрастание оледенения.

Заслуживает внимания и описанное Гернетом охлаждение восточных берегов Северной Америки выносимыми Лабрадорским течением айсбергами и образование на Баффиновой Земле и п-ове Лабрадор «рефлекторных ледяных лишаев» (с. 74–76). Вместе с айсбергами выносились и морские льды, это имеет место и в наше время.

Доледниковое распределение температуры на земной поверхности (см. гл. IV, с. 59–72). Попытка Гернета представить распределение температуры на поверхности Земли в доледниковое время также очень интересна. В наше время появилось немало работ, посвященных таким реконструкциям. Реконструкция Гернета основывается на введенном им понятии «астронормальной температуры», т. е. температуры, обусловленной суммой солнечного тепла, получаемого на данной широте сушей пустынного характера, при отсутствии атмосферной влаги и циркуляции атмосферы.

Астронормальная температура полярных районов изменяется между —40° зимой и +26° летом при средней годовой —6°, а экваториальных областей — между +33° и +36° при средней годовой +35°.

Высота поверхности суши над уровнем моря, циркуляция атмосферы, ветры, содержание в атмосфере паров воды и влияние океана отклоняют температуру от астронормальной. Простые географически оправданные соображения приводят к доледниковым температурным условиям в северной полярной области, близким к рассчитанным в наше время многими учеными[28].

Устойчивые безледное и полностью оледенелое состояния Земли (см. гл. V, с. 79–82). Гернет предполагал, что возможно и такое распределение суши и моря и соответствующий тип соотношения материкового оледенения и морских льдов, когда обламывающиеся от покровного ледника айсберги непрерывно уносились бы морскими течениями. Тогда ледяной лишай мог бы принять всепланетные размеры (с. 57–58).

Историческая геология свидетельствует о том, что ледниковые периоды были сравнительно короткими эпизодами в истории Земли, длившимися десятками миллионов лет. Безледные периоды, когда на всей Земле господствовал сравнительно теплый климат и климатические различия по широтным зонам были не столь значительными, как ныне, занимали больше времени, длились они сотнями миллионов лет. Оледенениям Земли предшествовали периоды горообразования и коренной перестройки рельефа внутренними силами земных недр. Следы оледенения на рубеже каменноугольного и пермского периодов находят на материках, ныне лежащих в низких широтах — Африке, Южной Америке, Индии. Между пермо-карбоновым и переживаемым нами кайнозойским оледенением прошло около 250 млн. лет. Известны следы и более древних оледенений. Однако полному оледенению на всей своей поверхности Земля никогда не подвергалась. Но заключение Гернета (с. 81) о том, что такое глобальное оледенение, если бы оно произошло, было бы устойчивым, подтверждают современные расчеты. Полностью оледеневшая Земля отражала бы более 80 % поступающей от Солнца энергии и освободиться от оледенения уже не смогла[29].

Почему «не леденела» Сибирь (см. гл. V, с. 85–88). Объяснение Гернетом климатических изменений в Сибири, включая и причину вымирания мамонтов, по современным представлениям, принять нельзя.

«Не леденела» Сибирь не из-за сравнительно теплого климата, а потому что, несмотря на холод, там было сухо. Влага, поступающая с Атлантического океана, аккумулировалась западнее, и для оледенения равнин Сибири ее уже не хватало. О суровости климата свидетельствуют толщи вечной мерзлоты, достигающие в Сибири нескольких сотен, а местами превышающие тысячу метров. На такую глубину мерзлота могла проникнуть лишь за многие тысячелетия господства крайне сурового климата.

Вечномерзлые грунты существуют в резко континентальном климате с суровой продолжительной зимой, но довольно жарким, хотя и коротким, летом. В современных условиях в Якутии на оттаивающей на 1–1,5 м почве прекрасно вызревают хлеба, картофель, овощи. Такой резко континентальный климат с еще более суровой зимой господствовал на равнинах Сибири и в ледниковое время. Летом равнины покрывались богатой растительностью, дававшей пищу огромным стадам травоядных, о чем свидетельствуют остатки животных так называемой мамонтовой фауны, очень богатой видами. Зимой все эти стада питались ветками кустарников и сухой травой, которую они легко могли добывать, так как зимы были очень малоснежными.

Остатки мамонтов датируются временем между 35 и 11 тысячами лет назад, что свидетельствует о том, что эти животные жили именно в ледниковое время и вымерли после отступания материковых льдов, когда климат стал теплее и влажнее. В ледниковое время на равнинах Сибири господствовали сухие тундростепи, как их называют в литературе, подчеркивая этим названием особый характер растительности, пригодной и для северных оленей и мускусных быков, и для сайгаков, лошадей, мамонтов. С потеплением стала протаивать вечная мерзлота и усиленно развиваться термокарст, т. е. просадки грунта над вытаивающими ледяными слоями. Сухая тундростепь сменилась заболоченной тундрой с мелкими озерами. Сократилась и общая площадь пастбищ. Огромные пространства осушавшейся в ледниковую эпоху материковой отмели, в том числе и Беренгийская суша между Чукоткой и Аляской, были заняты морем. Это коренное изменение ландшафта оказалось гибельным для мамонтов, полностью вымерших к концу последнего ледниковья. Сокращение пастбищ, вязкие болота и озера, где проваливались и гибли тяжелые звери, и, как думают многие ученые, хищническое истребление мамонтов первобытным человеком были причиной их вымирания.

Можно указать еще на некоторые предположения Гернета, не соответствующие современным представлениям. Среди них — сравнение оледенения Земли со снежными полями на Марсе (с. 34–35), предположение о древности следов былого, более обширного оледенения на Тянь-Шане и Гималаях (с. 87) и некоторые другие, не имеющие принципиального значения. На Марсе выпадает не снег, а конденсат углекислоты, испаряющийся летом. Постоянные полярные шапки Марса сильно отличаются от земных: это лед с мелкоземом, заносимым обычными для этой планеты пыльными бурями. На Тянь-Шане, Памире, в Гималаях, как и в других горных районах, существуют ледники. В ледниковые эпохи они разрастались до много больших размеров и спускались в предгорья. Наиболее ясные следы более обширного оледенения относятся к последней ледниковой эпохе.

Гернет не учитывает и нигде не приводит в своих соображениях также циркуляцию атмосферы, объясняющую, в частности, и то, почему не леденела Сибирь. Господствующий в умеренных широтах западный перенос воздушных масс определяет обеднение их влагой по мере движения с запада на восток. Для покровного оледенения равнин к востоку от Енисея влаги уже не хватало.

Проект уничтожения Гренландского ледяного покрова (см. гл. VI, с. 88–92). Исходные положения проекта Гернета представляются обоснованными. Ежегодная уборка выпавшего за зиму на поверхность Гренландии снега обеспечит постепенное, все убыстряющееся с годами таяние льда Гренландского щита, и через две — три тысячи лет он перестанет существовать. Постепенно будет становиться теплее климат Северной полярной области. Северный Ледовитый океан освободится от многолетнего льда и станет одной из акваторий с наиболее оживленным судоходством.

Как выполнить этот проект, не ясно, и об этом мы не будем говорить. Более важно, однако, оценить побочные и отдаленные последствия его осуществления, которые необходимо предвидеть. О вероятных сроках предстоящего распространения ледников на равнины Северной Америки и Северо-Восточной Европы можно судить по продолжительности ледниково-межледниковых циклов в прошлом. Следующая ледниковая эпоха, «грядущий ужас», по выражению Гернета, может начаться лишь через несколько тысячелетий. С осуществлением любых проектов, имеющих целью предотвращение наступания ледников, можно, по-видимому, не спешить.

Основные же возражения против проекта уничтожения Гренландского ледяного покрова сводятся к следующим. Во-первых, подъем уровня Мирового океана потребует огромных затрат на ограждение дамбами обширных и густонаселенных территорий (или на переселение людей и перенос строений на более высокие места, которым не грозит затопление). Во-вторых, вместе с потеплением климата Северной полярной области произойдут климатические изменения и в умеренных широтах. И в высоких и в умеренных широтах изменения климата могут стать не только благоприятными для жизни и деятельности человека, но и неблагоприятными. С потеплением Арктики будет деградировать вечная мерзлота, распространенная на огромных территориях Сибири, Дальнего Востока, Аляски и Канады. С ее деградацией будут связаны термокарст, просадки грунтов, образование мелких озер, заболачивание. Чтобы превратить эти пространства в хлебопроизводящие районы, нужны будут грандиозные мелиоративные и культурно-технические работы. В умеренных широтах возможно расширение к северу засушливой зоны, степная зона Евразии станет полупустыней. Насколько потепление Арктики компенсирует засушливость в умеренных широтах, еще нужно оценить.

Значение теории Гернета состоит не в обосновании его проекта, а в выяснении причин колебаний климата и оледенения.

Максимум последнего оледенения по современным данным. Наши знания о гляциоклиматических событиях истории Земли за последние десятилетия несомненно обогатились и продолжают обогащаться. Обобщение и сопоставление имеющихся данных позволяет установить границы ледников и морских льдов. Наиболее надежно это может быть сделано по следам последнего оледенения с максимумом около 18 тыс. лет назад[30].

Участники международной программы CLIMAP (Climatic Longterm Investigations, Mapping and Prediction — климатические долгопериодные исследования, картирование и предвидение) составили по новейшим данным ряд карт, показывающих климатические условия и общую природную обстановку на поверхности Земли, какой она была 18 тыс. лет назад[31]. Интересна реконструкция максимальных размеров последнего оледенения, отличающаяся от ранее выполненных представлением о «панарктическом» ледяном щите, занимавшем всю Северную полярную область, включая и Северный Ледовитый океан, что напоминает «Великий Гренландский ледяной лишай» Гернета. Мелкие шельфовые моря вместе с архипелагами островов были заняты материково-морскими покровными ледниками, подобными современной Западной Антарктиде, а над глубокими акваториями лежали шельфовые ледники, такие, как шельфовый ледник Росса в Антарктике и др.[32] Эта реконструкция кажется наиболее отвечающей всей совокупности современных представлений, хотя она и не общепризнана. Имеются, например, сторонники открытого полярного океана во время максимума последнего оледенения, замерзшего лишь в ходе его деградации с появлением благодаря таянию льдов поверхностного распресненного слоя, исчезавшего во время максимума оледенения[33].

Оледенение северного полушария во время последнего максимума 18 тыс. лет тому назад (по Р. Флинту)

1 — распространение ледников; 2 — современные ледники; 3 — южная граница распространения морских льдов; 4 — основные пути переноса воздушных масс; 5 — теплые морские течения; 6 — холодные течения. По последним реконструкциям теплое Северо-Атлантическое течение (Гольфстрим) поворачивало на юг даже значительно южнее, чем показывает Флинт, уже около 50° с. ш. В современных же условиях оно уходит в Северный Ледовитый океан вдоль берегов Сибири

Внешние причины колебаний оледенения и климата. Система «Земная поверхность — Атмосфера», помимо внутренних взаимодействий, подвержена и внешним влияниям. Основной внешней силой, определяющей динамику системы, является солнечная энергия. Ее суммарная величина определяется солнечной постоянной, равной 1,9 кал/см²/мин (на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам на верхней границе атмосферы). Часть этой энергии отражается в мировое пространство, часть поглощается атмосферой и лишь часть идет на нагревание поверхности Земли. На каждый участок земной поверхности в разное время года и суток падает разное количество солнечной энергии в зависимости от высоты солнца над горизонтом и состояния атмосферы. Падающая на земную поверхность солнечная энергия имеет суточный и годовой ход, определяющийся вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Суточные и сезонные колебания повторяются неизменно, и при постоянстве природных условий на Земле причин для изменения климата, связанных с деятельностью Солнца, нет. Об астрономических причинах колебаний климата будет сказано ниже.

Но история Земли свидетельствует о больших изменениях климата, происходивших в течение геологического времени. Наибольшее влияние оказывали изменения общего устройства поверхности Земли, ее глобальный рельеф — распределение моря и суши, поднятия и опускания гор и материков. Современный климат сложился в соответствии с современным рельефом, и климатические изменения первого порядка определялись изменениями глобального рельефа. Последняя грандиозная перестройка лика Земли под влиянием ее внутренних сил происходила в третичном периоде (70—1 млн. лет назад), когда образовались современные материки и горные системы. К началу четвертичного периода (около 1 млн. лет назад) земная поверхность приняла современный вид. Общее повышение суши и поднятие высоких горных цепей вызвали общее понижение температуры и создали условия для зарождения и распространения ледников. Таким образом, основной внешней (по отношению к системе «Земная поверхность — Атмосфера») причиной похолодания и появления ледников было поднятие суши (гор и материков) внутренними силами Земли.

Но многократные колебания климата и оледенения, чередование ледниковых и межледниковых эпох за последний миллион лет, когда существенных изменений рельефа Земли не происходило, нужно объяснять другими причинами. Ими могли бы быть колебания состава атмосферы и ее прозрачности из-за вулканических извержений, колебания солнечной радиации. Обе эти причины выдвигались для объяснения ледниково-межледниковых климатических колебаний. Усиление вулканизма могло повышать содержание в атмосфере углекислого газа (CO₂) и понижать прозрачность атмосферы из-за увеличения запыленности. Первое увеличивает парниковый эффект и должно вести к потеплению, второе ослабляет солнечную радиацию и должно приводить к похолоданию. Эти влияния противоположны. Нет веских доказательств и о значительности возможных изменений климата из-за вулканических извержений. Главное же — нет никаких данных, свидетельствующих о циклических изменениях вулканической деятельности, соответствующих циклическим колебаниям климата.

Сплошной «панарктический» покровный ледник во время максимума последнего оледенения 18 тыс. лет назад (по М. Г. Гросвальду, Т. Хьюзу и Г. Дентону)

От вершин отдельных, слившихся между собой ледяных куполов (Лаврентьевского — Л, Кордильерского — К, Канадского Арктического или Иннуитского — Ин, Гренландского — Гр, Исландского — И, Британского — Б, Скандинавского — Ск, Баренцева — Ба, со Свальбаруским куполом — Св, Карского — Ка, Путоранского — П, Купола Толля над архипелагом Де-Лонга — Т) лед растекается во все стороны и занимает соседние акватории. Мелкие моря заполняются льдом, а на глубоких, включая Центральный Арктический бассейн, образуются плавучие шельфовые ледники. В гренландско-европейской части и с восточного берега Северной Америки лед стекает в Атлантический океан, а в противоположной аляскинско-сибирской — наползает на материковую отмель, с понижением уровня моря, осушавшуюся. У южного края ледник стаивал, образуя подпрудные приледниковые озера (особенно большие в Западной Сибири). 1 — границы материковой отмели; 2 — линии тока льда на суше; 3 — линии тока шельфовых ледников

Высказывались предположения и о циклических колебаниях солнечной радиации. Основанная на этом гипотеза Дж. Симпсона получила широкую известность. Но нет достаточных доказательств циклических колебаний радиации Солнца. Влияние же на климат циклических колебаний солнечной активности дискуссионно[34].

Однако существуют колебания интенсивности облучения Земли Солнцем, или колебания инсоляции, вызываемые астрономическими причинами. Они заслуживают особого внимания. Их физическая природа очевидна, а продолжительность циклов колебаний близка по порядку величин к продолжительности циклов ледниково-межледниковых колебаний климата и оледенения. В 20-х годах XX в. Н. Миланкович рассчитал величины этих колебаний и предположил, что они и являются основной причиной чередования ледниковых и межледниковых эпох[35]. Колебания инсоляции связаны с периодическими изменениями параметров земной орбиты — ее эксцентриситетом, наклоном оси вращения Земли к плоскости орбиты и смещениями по орбите точки равноденствия, так называемым предварением равноденствия или прецессией. Накладываясь друг на друга, эти изменения параметров орбиты определяют наклон падающих на Землю солнечных лучей, а следовательно, и интенсивность нагревания ими земной поверхности. Колебания инсоляции могут быть рассчитаны для прошлого и будущего. Расчеты Миланковича неоднократно проверялись и уточнялись[36]. Сопоставление колебаний климата и оледенения и колебаний летней инсоляции на 65° с. ш. свидетельствует об их соответствии[37].

Сам Миланкович сделал расчет колебаний приземной температуры, вызванных колебаниями инсоляции, и получил довольно большую амплитуду, порядка 5°. Но в своих вычислениях он не принял в расчет выравнивание температуры из-за циркуляции атмосферы, которое очень сильно уменьшает амплитуду возможных колебаний. Оценку влияния атмосферной циркуляции сделал Дж. Симпсон. Современные расчеты, выполненные более совершенными методами, подтвердили заключение Симпсона о незначительности колебаний температуры из-за колебаний инсоляции. Но реальность этих колебаний не вызывает сомнений. Возможность их точного расчета и близость продолжительности циклов колебаний инсоляции и ледниково-межледниковых колебаний не позволяют не принимать их в расчет, несмотря на доказанную незначительность вызываемых ими колебаний приземной температуры. Может быть, отклонение температуры к похолоданию (или потеплению) является импульсом, изменяющим направление взаимодействий в системе «Земная поверхность — Атмосфера». Несколько более холодная погода летом при смягчении зим и увеличении осадков приводит к большему распространению площади морских льдов и лучшему питанию ледников. Снег и лед, увеличивая альбедо, вызывают дополнительное охлаждение, большее, чем только из-за ослабления инсоляции. К такому объяснению пришли многие ученые[38]. Это подтверждается и тем, что колебания инсоляции, вызванные астрономическими причинами, наблюдались в течение всей истории Земли, но в безледные теплые периоды никаких существенных колебаний климата не вызывали. Колебания климата начались в плейстоцене, когда разрастались и сокращались обширные покровные ледники.

Палеоледниковая кривая Эмилиани — Дансгора (1) и кривая инсоляции на 65° с. ш. Миланковича (2)

Четные цифры — холодные ледниковые эпохи, нечетные — теплые межледниковые. Для кривой Эмилиани — Дансгора за единицу принята масса льда, растаявшего со времени максимума последнего оледенения, что соответствует 100—130-метровому слою воды Мирового океана (36–47 млн. км³ воды). Кривая 3 показывает колебания средней температуры летнего полугодия на 65° с. ш., зависящие от колебаний инсоляции по расчетам Д. Шоу и В. Донна (1968)

Из последних научных работ, относящихся к этому вопросу, заслуживают внимания результаты исследований участников программы CLIMAP, просмотревших большое число проб (колонок) глубоководных донных отложений, взятых в разных частях Мирового океана[39]. Прослеженные в слоях осадков колебания климата указывают на продолжительность циклов приблизительно в 23, 42 и около 100 тыс. лет, т. е. такую, какую имеют периоды колебаний элементов земной коры орбиты, откуда авторы делают вывод о несомненной зависимости колебаний климата от колебаний инсоляции по астрономическим причинам.

Растекание и сокращение плейстоценовых покровных ледников. Как показывают современные исследования (полевые, лабораторные и теоретические), огромное значение в ходе ледниковых событий и связанных с ними изменений климата имеет растекание льда благодаря его пластичности. Возникающие в горах ледники заполняют понижения рельефа и стекают вниз по уклону. После заполнения межгорной котловины лед вытекает в долину, образует долинный ледник, как бы ледяную реку. Сужение долины, создавая подпор движению льда, способствует повышению поверхности льда выше сужения. Такое подпруживание ледников играет большую роль в развитии оледенения в условиях его разрастания — в ходе наступания ледников. Лед сглаживает неровности рельефа, заполняя понижения и перетекая через седловины, не покрытыми льдом остаются только вершины гор с крутыми склонами. При дальнейшем развитии лед покрывает страну сплошь, оставляя лишь отдельные высокие горные вершины у края, где покров льда утоньшается.

Поверхность такого покровного ледника очень полого поднимается от краев к середине, напоминая ковригу хлеба. Ее форма в слабой степени отражает неровности подледного ложа. Она определяется в основном растеканием льда от середины к краям. В средней части поверхность льда поднимается наиболее высоко независимо от высоты подледного ложа. Во внутренних районах Антарктиды, например, находятся подледные горы Гамбурцева. Толщина льда над ними около 1,5 км при средней толщине льда Антарктиды 2,5 км. В центре Гренландии подледное ложе опускается ниже уровня моря, а толщина льда здесь наибольшая, более 3,5 км при средней толщине льда Гренландского покрова 1,5 км. В разрезе поверхность льда покровных ледников имеет форму эллипса — ее уклон очень мал и становится круче только у краев.

Эллиптическую форму поверхности, определяющуюся растеканием льда, приобретают все покровные ледники независимо от их размеров — от малых ледяных шапок на островах полярных областей до ледяных щитов материковых размеров, таких, как Гренландия и Антарктида. Горизонтальные размеры и площадь покровных ледников находятся в определенной зависимости от их толщины. Площадь S = kH⁴, где k — постоянный коэффициент; H — толщина льда.

Эта зависимость может быть выведена математически из эллиптической формы поверхности и в то же время получается по фактическим данным. Если нанести на график по оси ординат толщину, а по оси абсцисс площадь современных покровных ледников, то окажется, что отклонения отдельных точек от общей зависимости большей частью невелики. Плейстоценовые покровные ледники, такие, как Скандинавский, Лаврентьевский и др., очевидно, также подчинялись этой зависимости: законы пластического течения льда, зависящие от его физических свойств, не могли быть иными. Тот факт, что площадь покровного ледника пропорциональна четвертой степени его толщины, показывает, что при увеличении толщины лед растекается очень широко. При увеличении толщины вдвое площадь увеличивается в 16 раз (линейные размеры, следовательно, в 4 раза, объем в 32 раза).

Все современные покровные ледники разделяются по их размерам на две неравные группы — группу сравнительно небольших ледяных шапок, с площадью не больше одного — двух десятков тысяч квадратных километров каждая, и группу ледяных щитов материковых размеров с площадью, измеряемой миллионами квадратных километров. Покровных ледников с площадью между 30 тыс. и 2 млн. км² в наше межледниковое время не существует. Это свидетельствует о неустойчивости, краткости жизни плейстоценовых покровных ледников — Скандинавского, Лаврентьевского, достигавших размеров, близких к размерам современных Гренландского и Антарктического ледяных щитов. По сравнению с последними, время существования которых измеряется миллионами лет, плейстоценовые покровные ледники жили недолго — один — два десятка тысяч лет. Различие это впервые объяснил Гернет. Современные щиты — щиты «локализованные стационарные», их края обрываются в море, которое и ограничивает их разрастание. Достигая глубокого моря, лед обламывается айсбергами. Гренландский и Антарктический щиты — ледяные щиты материково-островного типа. Скандинавский и Лаврентьевский щиты были ледяными щитами собственно-материкового типа. Их передний край лежал на суше и их наступание ограничивалось стаиванием у края. Когда оно, все увеличиваясь по мере продвижения в низкие широты, сравнивалось со снегонакоплением, дальнейшее наступание прекращалось, а затем по мере уменьшения питания сменялось отступанием.

План и поперечные профили Гренландского ледяного покрова (по Б. Фриструпу, 1966)

Зависимость площади (S) покровных ледников от их толщины (H)

Слева приведена кривая в обычном (I — для ледяных щитов, II — для малых ледяных шапок), справа — в логарифмическом масштабе (на шкале нанесены логарифмы величин). 1 — Антарктический; 2 — Гренландский; 3 — Новоземельский покровные ледники; 4—17 — меньшие ледяные шапки

Существовали щиты и третьего типа — материковоморского. Изучение их истории только начинается. Они образовывались на арктических островах и окружающей их материковой отмели (или материковом шельфе), а затем причлепялись к собственно материковым Скандинавскому и Лаврентьевскому ледяным щитам. Наиболее изучена история Баренцева щита, покрывавшего Баренцево море вместе с архипелагами о-вов Шпицбергена, Земли Франца-Иосифа, Новой Земли[40]. Другой подобный щит — Карский — занимал Северную Землю и Карское море, надвигаясь с севера на п-ов Таймыр. Третий, так называемый Иннуитский, покрывал Канадский Арктический архипелаг и соединялся с Лаврентьевским ледяным щитом.

Современным представителем ледяных щитов этого типа является ледяной покров Западной Антарктиды, причленившийся и слившийся с ледяным покровом Восточной Антарктиды в единый ледяной щит. Подледная Западная Антарктида представляет собой архипелаг островов с довольно глубокими морями между ними, более глубокими, чем Баренцево или Карское море, и тем не менее ныне до дна заполненными льдом. Основание льда Западной Антарктиды опускается местами до глубины 2500 м ниже уровня моря, т. е. в ходе своего образования лед вытеснил воду и заполнил глубокие проливы между островами. Многие ученые считают, что в отличие от большей части Антарктического ледника — ледяного щита Восточной Антарктиды, неизменно существующего многие миллионы лет, Западная Антарктида неоднократно разрушалась. Возможность ее деградации не исключена и в недалеком будущем, что повлечет за собой катастрофически быстрое повышение уровня Мирового океана на 5–7 м. Образование материково-морских ледяных щитов следовало за образованием собственно-материковых. Оно облегчалось понижением уровня моря, неизбежным в ходе разрастания оледенения, и растеканием ледяных шапок на островах на освобождающуюся вокруг них от воды часть материковой отмели. Отдельные ледяные шапки на островах разрастались и сливались вместе и за счет многолетнего припая, образовывавшегося на мелководных участках.

Возможность разрастания и сокращения покровных ледников в течение сравнительно короткого времени подтверждают расчеты. После максимального распространения Скандинавского ледника на равнины Восточной Европы, что было 18 тыс. лет назад, к 10 тыс. лет назад его край отступил в Южную Финляндию и Швецию, а к 7 тыс. лет назад сократился до размеров небольших разобщенных ледников в горах Скандинавии. За сравнительно короткое время (приблизительно в 20 тыс. лет) край ледника продвинулся на юг на 1200 км, а затем за 10 тыс. лет отступил на то же расстояние в обратном направлении. Расчеты показывают, что при вероятных (по современным наблюдениям на ледниках) величинах снегонакопления и стаивания такое наступание и последующее отступание за указанное время были вполне возможны. Были рассмотрены две возможности разрастания оледенения: растекание из орографического центра и постепенное накопление фирна и льда на равнине. Первый способ более вероятен по ряду соображений, однако и второй нельзя отвергать, тем более что он на первый взгляд легче объясняет быстрое оледенение огромных пространств. Но расчеты баланса льда по вероятным величинам зимнего накопления снега и летнего стаивания показывают невозможность непосредственного оледенения равнин. Наоборот, расчет растекания льда со Скандинавских гор, где зародились ледники, свидетельствует о реальности распространения и сокращения оледенения за сравнительно короткое время при вполне возможных величинах снегонакопления и таяния[41].

Западная Антарктида — современный покровный ледник материково-морского типа (схема Дж. Мерсера, 1970)

1 — лед на суше; 2 — лед на плаву; 3 — лед на морском дне

По достижении покровным ледником некоторой (сравнительно небольшой) величины — нижнего критического размера — благодаря каким-то изменениям климата, дальнейший рост ледника идет спонтанно (или самосильно, как писал Гернет); ледник растекается независимо от климата до достижения верхнего критического размера. В то же время он охлаждает климат и расширяет этим пределы своего саморазвития[42]. Этот вывод подтверждается математическим анализом, вытекающим из механики движения льда[43]. Растекание льда покровных ледников и изменение ими климата положил в основу своей теории автоколебаний климата и оледенения югославский географ Т. Шегота[44].

И. Вертман рассчитал растекание льда покровных ледников северного полушария, вызванное колебаниями инсоляции по астрономическим причинам[45]. При этом он не рассматривал колебания температуры у земной поверхности из-за колебаний инсоляции, а просто использовал тот факт, что с широтой инсоляция уменьшается. Ослабление- инсоляции равносильно увеличению широты или понижению климатической снеговой линии (точнее говоря, нижнего уровня хионосферы). Изменения инсоляции можно свести к изменению высоты снеговой линии. Его расчеты показывают, что повышение и понижение снеговой линии параллельно самой себе возможны в пределах от 500 м ниже уровня моря до 1300 м выше его (ее современная высота на 70–80° с. ш. — 200–300 м над уровнем моря). Уклон снеговой линии Вертман принимает равным 0,001, т. е. 100 м на 1° широты.

Пользуясь моделью растекания льда в покровном леднике как твердого тела совершенной пластичности, Вертман рассчитывает пределы растекания и сокращения ледника в соответствии с колебаниями инсоляции. Его расчетный ледник растекается на юг и на север. На северном крае он стекает в море, обламываясь айсбергами, а на южном стаивает. Стаивание на южном крае равно расходу на айсберги на северном.

Расчеты Вертмана по принятой им модели покровного ледника хотя и не настолько точны, чтобы прогнозировать будущее наступание ледников по предвычисленному ходу инсоляции, все же очень интересны. Они показывают, что колебания климата и оледенения, возникшие в определенных географических условиях, сложившихся к началу четвертичного периода, связаны с колебаниями инсоляции, но последние действуют не непосредственно, не сами по себе, а лишь через оледенение. Не будь ледников, климатическое влияние изменений инсоляции было бы малозаметным.

Системный анализ колебаний оледенения и климата. Ледниковая теория (или теория колебаний оледенения и климата) развивается также и в связи с успехами прикладной математики и вычислительной техники, с применением быстродействующих электронных вычислительных машин (ЭВМ). Методы теории систем управления позволили составить математическую модель динамики системы «Земная поверхность — Атмосфера», т. е. показать изменения в этой системе, вызванные взаимодействиями внутри нее.

На первых этапах исследования математическое моделирование подтвердило возможность автоколебаний в системе без какого-либо участия внешних воздействий, было так же показано, что последние лишь изменяют продолжительность циклов и амплитуду колебаний[46]. В дальнейшем в ходе исследований, проводившихся в Тихоокеанском институте географии Дальневосточного научного центра АН СССР во Владивостоке, было проведено моделирование системы с учетом реально существующих внешних воздействий — колебаний инсоляции и повышения суши[47].

Рассматриваемая система — атмосфера с подстилающей ее земной поверхностью — включает ледники, морские льды, океан и сушу. Климатическое значение суши в этой системе относительно невелико из-за небольшой ее теплоемкости и средней величины альбедо. Наибольшим альбедо обладает снег, отражающий 80 % падающей солнечной энергии, а наименьшим — вода, альбедо которой не превышает 10 %. Поэтому снег и лед нагреваются солнечными лучами очень мало. Наибольшим аккумулятором тепла является океан. Альбедо суши — 20–30 %.

Систему «Земная поверхность — Атмосфера» будем в дальнейшем называть, следуя Сергиным, системой «Ледники — Океан — Атмосфера». Первые два ее звена обладают большой тепловой инерцией, что оказывается очень важным для динамики всей системы. Вода имеет самую большую теплоемкость — 1 кал/г на 1 °C, она медленно нагревается и также медленно остывает. Ледники — холодильники планеты; на таяние 1 г льда нужно затратить 80 кал тепла, и пока лед не растаял, температура талой воды не поднимается выше 0 °C, а масса покровных ледников огромна (вспомним, что она равна 60—80-метровому слою воды, разлитому равномерно по поверхности Мирового океана, — 360 млн. км²). Через атмосферу же происходит основной обмен теплом.

Пользуясь методами теории систем управления, была составлена функциональная схема системы «Ледники — Океан — Атмосфера». Эта схема дает понятие о замкнутой цепи взаимосвязей, возникающих под действием постоянного источника энергии вне системы — солнечного тепла. Она затем заменяется так называемой операторной схемой, в которой для каждой связи между величинами подбирается математическая зависимость. Их совокупность представляет собой систему дифференциальных уравнений, решение которой в численном виде производится на ЭВМ; Полученный результат показывает ход изменений во времени всех входящих в систему величин.

Функциональная схема системы «Ледники — Океан — Атмосфера» (по В. Я. и С. Я. Сергиным)

Схема показывает, как влияют друг на друга учитываемые ею величины. Например, испарение зависит от температуры и интенсивности атмосферной циркуляции. Испарение, в свою очередь, определяет осадки и облачность, которые, изменяясь, влияют на температуру через изменение притока к земной поверхности солнечной энергии, и т. д.

Операторные схемы были составлены отдельно для северного и южного полушарий, а затем соединены в общую схему для всего земного шара. Раздельный их анализ показал, что в то время как для северного полушария взаимодействия в системе приводят к автоколебаниям, для южного полушария устанавливается стационарный (или апериодический) режим. Рост покровного оледенения на полярном материке автоколебаний не вызывает (Антарктический ледяной лишай — лишай локализованный стационарный, по Гернету). Автоколебания в системе для Земли в целом обеспечиваются за счет северного полушария, где разрастались покровные ледники собственно-материкового типа. В глобальную операторную схему были включены и внешние воздействия — колебания инсоляции и повышение суши. В результате был получен ход колебаний во времени объема ледников в северном и южном полушариях, средней годовой температуры для полушарий и других величин, характеризующих изменения климата.

Смоделированный ход колебаний гляциоклиматических характеристик не претендует на близкое совпадение с действительным ходом соответствующих величин. Модель системы «Ледники — Океан — Атмосфера» пока еще несовершенна. Но все же полученные с ее помощью результаты весьма интересны. Из взаимодействующих между собой в природной системе сил и достоверно установленных внешних влияний ход изменений оказался в общих чертах подобным тому, каким он представляется (по доступным науке данным) за последние несколько сотен тысяч лет.

Продолжительность циклов (от максимума или минимума предыдущего оледенения до максимума или минимума последующего) в модели имеет тот же порядок (от 40 до 80 тыс. лет, чаще 50–70 тыс. лет), какой известен по палеогеографическим данным. Так же сходны по порядку величин амплитуды колебаний. Отклонения температуры в сторону похолодания (в ледниковья) больше, чем в сторону потепления. (Мы живем в одно из межледниковий, и современная температура лишь немногим ниже, чем она была в самые теплые стадии.) В северном полушарии амплитуда температуры в два с лишним раза больше, чем в южном (до 20° против 8°), в соответствии с большими здесь колебаниями объема льдов (от 2 до 20 и более млн. км³, т. е. более чем в 10 раз, против 20–30 млн. км³, т. е. менее чем в 2 раза, в южном полушарии). Колебания температуры в обоих полушариях синхронны и определяются главным образом событиями в северном полушарии. Синхронно с колебаниями объема льдов изменяется и разность значений температуры между экватором и полюсом: она увеличивается в ледниковья и уменьшается в межледниковья. Колебания уровня Мирового океана также соответствуют колебаниям оледенения в северном полушарии. Уровень моря показывает тенденцию к неуклонному понижению в связи с продолжающимся и в плейстоцене повышением суши.

Колебания климата и оледенения, полученные В. Я. и С. Я. Сергиными при математическом моделировании динамики системы «Ледники — Океан — Атмосфера», 1978 г.

Средняя температура (°С) северного полушария — t_с; средняя температура (°С) южного полушария — t_ю; объем ледников (в млн. км³) в северном полушарии — V_с; объем ледников (в млн. км³) в южном полушарии — V_ю; уровень океана (в м) — h. Все величины приведены в отклонениях от современных. Начало шкалы времени условное, т. е. за начало отсчета времени принят какой-то произвольный момент в прошлом. Колебания уровня океана происходят на фоне неуклонного его понижения, что объясняется повышением суши, продолжающимся с третичного времени. Помимо внутренних взаимодействий, моделирование учитывает и внешние влияния — колебания инсоляции по астрономическим причинам и повышение суши тектоническими силами, обусловленными процессами в недрах Земли.

На модели, кроме того, выясняются некоторые особенности хода событий гляциоклиматической истории плейстоцена, остававшиеся неясными по палеогеографическим данным. Так, изменение температуры отстает от изменения массы льда. Минимум температуры наступает после максимума оледенения уже в ходе его отступания, а максимум температуры — после минимума оледенения, когда оно начинает уже разрастаться. Отставание это измеряется 2–3 тыс. лет[48]. Этот результат полностью отвечает представлениям Гернета: охлаждение вызывается оледенением, а изменения последнего определяются балансом массы льда, который зависит от испарения с океана и осадков. Это отставание подтверждается и палеогеографическими данными для последнего оледенения с максимумом 18 тыс. лет тому назад. Относительно соответствия колебаний оледенения на полушариях сколько-нибудь надежных данных нет, но моделирование (см. рис. на с. 139) показывает, что эти колебания в северном и южном полушариях не совпадают по фазе. Наибольший размер покровного оледенения Антарктиды наступает нередко задолго до максимума оледенения в северном полушарии. Это можно объяснить тем, что увеличение осадков, приносимых с теплого океана, раньше сказывается на улучшении питания Антарктиды, а потом уже — на ледниках северного полушария. Разным по результатам моделирования оказывается и продолжительность гребней и впадин волны колебаний оледенения на полушариях. Для северного полушария характерные острые пики максимумов оледенения и относительно продолжительные межледниковья. Последнее подтверждается и палеогеографическими данными. Оледенение же Антарктиды изменяется по пологой кривой; продолжительность существования Антарктического покрова в несколько большем или несколько меньшем объеме почти одинакова.

Таким образом, особенности эволюции оледенения в северном и южном полушариях, полученные моделированием, во многом соответствуют имеющимся данным, частью же указывают на неизвестные до сего времени черты. Для их подтверждения нужны дальнейшие исследования. Но общее соответствие палеогеографическим реконструкциям хода событий по модели заставляет внимательно отнестись и к выводам, пока не подтвержденным другими данными.

Весьма интересен и результат моделирования перехода от плиоцена, в течение которого наблюдалось постепенное похолодание, к плейстоцену, когда на общем фоне похолодания начались резкие циклические колебания климата. Известно, что покровное оледенение Антарктиды существует более 10 млн. лет, покровное оледенение Гренландии — не менее 2 млн. лет, тогда как собственно материковые покровные ледники надвинулись на равнины Северной Америки и северо-востока Евразии лишь приблизительно 700 тыс. лет назад и с тех пор их наступания и отступания вызывали чередование ледниковых и межледниковых эпох. Моделирование хорошо воспроизводит эту последовательность событий. При постепенном включении в операторную схему роста оледенения в северном полушарии гляциоклиматические колебания начинаются лишь после разрастания собственно-материковых покровных ледников.

Наступания и отступания края покровных ледников последней ледниковой эпохи, восстановленные по следам оледенения и абсолютным датировкам (по Р. Гоулдвейту и др., 1965; по Л. Р. Серебрянному, 1971)

Графики движения южного края ледяных покровов по характеру колебаний их и продолжительности подобны полученным математическим моделированием.

Математическая модель колебаний климата и оледенения не потребовала привлечения каких-либо новых гипотез о причинах, их вызвавших. При составлении функциональной схемы системы «Ледники — Океан — Атмосфера» и решении с помощью ЭВМ уравнений, представленных в виде операторной схемы, были использованы существующие в природе физические зависимости. Вопрос о причинах больших ледниково-межледниковых колебаний, характерных для последнего миллиона лет истории Земли, рассмотрен объективно с учетом всех факторов, влияние которых можно предполагать существенным. Отбор этих факторов был сделан на основании предварительного анализа, а насколько этот отбор оказался правильным, показывает результат. Ход событий в модели системы «Ледники — Океан — Атмосфера» оказался в общих чертах подобным наблюдавшемуся по имеющимся данным.

Выполненная работа не завершение, а лишь начало исследований, практической задачей которых является прогноз будущих изменений климата, причем прогноз не в общей форме, который можно дать уже сейчас (и который еще в 1930 г. высказал Е. С. Гернет): мы живем в очередную межледниковую эпоху, за которой после достаточного повышения температуры Мирового океана, увеличения испарения и осадков последует наступление ледников и следующая ледниковая эпоха. Нужен прогноз более определенный: когда это будет и как повлияет на ход гляциоклиматических событий хозяйственная деятельность человека. Все увеличивающееся выделение тепловой энергии от сжигания минерального топлива (нефти, газа) и другие изменения окружающей среды заставляют предполагать возможность быстрого повышения температуры на всей поверхности Земли. Модель системы «Ледники — Океан — Атмосфера» должна дать ответ, что произойдет, если температура повысится к такому-то году на столько-то градусов. Но пока модель еще недостаточно совершенна. Проверка ее качества может быть сделана по ее пригодности для реконструкции прошлого. Полученная на модели продолжительность циклов и амплитуда колебаний должны совпадать с таковыми по имеющимся геологическим и палеогеографическим данным, пока же мы имеем лишь качественное подобие и близкие по порядку величины.

Изменения характера колебаний климата и оледенения при переходе от плиоцена к плейстоцену, полученные математическим моделированием.

Амплитуда колебаний температуры (t_с) и объема ледников (V_с) в северном полушарии резко увеличивается со времени образования в начале плейстоцена собственно-материковых покровных ледников

Колебания средней годовой температуры в Центральной Европе за последние 60 млн. лет (по П. Вольдштедту, 1954)

Масштаб времени для плейстоцена (последний миллион лет) увеличен в 4 раза. Кривая построена по палеоботаническим данным. Она подтверждает резкое увеличение амплитуды колебаний температуры в плейстоцене, полученное математическим моделированием.

Колебания объема ледников в северном полушарии получились на модели несколько заниженными по сравнению с тем, что известно по палеогеографическим данным. Это может быть связано с недостаточным учетом растекания льда и увеличения площади абляции (ускоряющей деградацию) собственно-материковых покровных ледников. Может быть, не введены в расчет некоторые факторы, например увеличение в межледниковья слоя распресненных вод в полярных морях и сокращение его в ледниковья, что облегчает замерзание морей при переходе от межледниковых эпох к ледниковым и способствует временным похолоданиям на фоне общего потепления и отступания ледников.

Все величины, полученные математическим моделированием, дают средние значения для каждого полушария (северного и южного), но как они будут различаться от места к месту, остается неизвестным. В действительности в низких широтах, например, амплитуду колебаний температуры от теплых периодов (межледниковых) к холодным (ледниковым) можно принять равной нескольким градусам, в умеренных же и высоких широтах — 10–20° и больше. В приатлантических районах северного полушария изменения всей природной обстановки были значительно большими, чем в притихоокеанских. Но для моделирования все исходные величины были взяты как средние для полушарий, оно велось в «сосредоточенных» параметрах. Чтобы получить различия по широте и долготе и вообще более детальную картину, нужно было бы использовать «распределенные» параметры (т. е. разные значения температуры, испарения, осадков и пр. по участкам земной поверхности). Но это сопряжено с огромными математическими трудностями и представляется делом будущего.

Таким образом, ледниковая теория, логические основы которой дал Гернет, успешно развивается. Его идея автоколебаний климата и оледенения как основной причины чередования ледниковых и межледниковых эпох подтверждается математической моделью системы «Ледники — Океан — Атмосфера», которая соответствует действительному ходу событий в прошлом. Как основная идея, предложенная впервые в нашей стране, так и ее дальнейшее развитие на современном научном уровне ведутся советскими учеными. За рубежом также высказывались мысли о целесообразности применения для решения вопросов о причинах ледниковых колебаний теории сложных систем[49], но пока успешное ее применение сделано в нашей стране. Вспомним, что и ледниковая теория в том смысле, что именно ледники некогда наступали на равнины умеренных широт и оставили следы в виде огромных валунов, моренных гряд и холмов, была обоснована П. А. Кропоткиным. Приоритет нашей отечественной науки в развитии ледниковой теории не вызывает сомнений.