Нераскрытые тайны природы

Глава 5. Чем вызваны оледенения?

Нашу эпоху можно назвать межледниковым периодом. Такими значительными по времени интервалами перемежались пики оледенений, часто встречавшиеся на протяжении последних 35 млн. лет. В так называемых зонах умеренного климата зимой выпадает снег, а весной он тает. В настоящее время обширные ледяные шапки покрывают оба полюса нашей планеты. Следовательно, с точки зрения климатической истории Земли современная эпоха ближе к холодной, чем к теплой. Например, в течение тех 250 млн. лет, когда жили динозавры, климат был гораздо более жарким, и вблизи Северного полюса росли деревья. Что касается более недавнего прошлого, то последний ледниковый период окончился всего около 12 000 лет назад. Примерно 20 000 лет назад на Земле было так тепло, что по территории Хартфордшира на юго-востоке Англии бродили гиппопотамы. Когда в XIX веке здесь нашли кости этих характерных для джунглей животных, ученые поняли, насколько в прошлом климат на Земле отличался от современного: там, где сейчас северные широты и довольно холодно, иногда он приближался к тропическому, а иногда было настолько холодно, что большую часть Северной Америки покрывал ледяной панцирь, южная кромка которого достигала Нью-Йорка и Иллинойса.

Но даже если отвлечься от вопроса о гиппопотамах в Хартфордшире, геологи в конце концов стали с удивлением замечать странную мешанину чужеродных пород, ископаемых остатков, необычных окаменелых устричных раковин на территории Англии, в Северной Европе и во многих районах Северной Америки. Откуда взялись все эти разнообразные материалы? Известный английский геолог Уильям Бакленд полагал, что они должны были отложиться в результате библейского потопа, но вскоре возникли более научные объяснения. Связь между ледниками и упомянутым беспорядочным нагромождением различных материалов, получившим название «ледниковых отложений» (или «морен»), первым установил Жан Луи Агассис. Этот швейцарский ученый начинал как зоолог, а впоследствии стал основоположником многих современных разделов геологии. В 1846 г. он эмигрировал в Америку, был профессором в Гарварде и оказал огромное влияние на целое поколение ученых. Исследуя в конце 1830-х годов один из ледников в Швейцарских Альпах, он заметил, что за последние годы этот ледник уменьшился, оставив после себя молодые отложения такого же типа, как и древние нагромождения обломочного материала, которые можно встретить по всей Европе. Из этого он заключил, что когда-то ледники должны были покрывать значительно большую территорию, чем Альпы и те северные районы, где они существовали в XIX веке. Позднее геологи стали копать глубже и обнаружили, что имеется множество слоев ледниковых отложений. Это означало, что ледники должны были несколько раз перемещаться по территориям Европы и Северной Америки, после чего надолго отступали, а затем вновь продвигались на юг. Возникло новое понимание прошлого нашей планеты — оказалось, что Земля неоднократно подвергалась оледенениям.

От самых древних ледниковых эпох остались лишь отрывочные свидетельства. Из-за непрерывного изменения облика земной поверхности все фактические следы были переработаны своего рода природной бетономешалкой. Но за последние полтора столетия, особенно начиная с 1920-х годов, удалось узнать достаточно много, чтобы составить общее представление о том, как наступал и двигался лед. Крупное оледенение началось в середине каменноугольного периода, т. е. порядка 325 млн. лет назад, и продолжалось в течение пермского периода, 260 млн. лет назад. За этой ледниковой эпохой последовал гораздо более теплый период — время процветания динозавров. В течение последних 35 млн. лет ледниковые периоды были частым явлением и происходили в среднем примерно раз в 100 000 лет, но помимо них случались и более коротковременные периоды наступания и отступания льда. Эта далеко не непрерывная временная шкала означает, что ученым еще многое предстоит объяснить, а это всегда открывает дорогу самым разным теориям и соответственно различным аргументам.

^{На этом рисунке, сделанном в XIX в., показана примитивная хижина, которой пользовались Жан Луи Агассис и его коллеги в 1830-е годы во время изучения ледников в Швейцарских Альпах. Агассис первым понял, что встречающийся по всей Европе обломочный материал, называемый ледниковыми отложениями, свидетельствует о том, что когда-то, в одну из ранних ледниковых эпох, обширные ледники покрывали большую часть материка, а также Британские острова. (Из книги Louis Agassiz: His Life and Correspondence, vol. 1, by Elizabeth Сагу Agassiz.)}

Когда ученые из разных областей науки начали серьезно задумываться о происхождении оледенений, у них была одна очевидная отправная точка. На протяжении геологической истории нашей планеты средние температуры должны были существенно изменяться, и основная причина этих изменений должна быть связана с количеством солнечной энергии, достигавшей земной поверхности. Уже в XIX веке было известно, что путь Земли вокруг Солнца гораздо менее стабилен, чем нам может показаться, когда мы идем по улице. Однако только в 1920-х годах югославский математик Милютин Миланкович точно определил три типа факторов, характеризующих движение Земли в космическом пространстве. Во-первых, Земля обращается вокруг Солнца не по круговой, а по эллиптической орбите — больше похожей по форме на овальное яйцо, чем на круглый бейсбольный мяч. Кроме того, эксцентриситет даже этой эллиптической орбиты меняется с периодом 100 000 лет — на протяжении этого времени орбита Земли становится менее эллиптической и приближается к круговой, а затем вновь вытягивается. Во-вторых, ось вращения самой Земли отклонена от вертикали, и угол наклона земной оси изменяется с периодом 41000 лет от максимального значения 24,5° до минимального 21,5°. (В настоящее время величина этого угла находится почти точно посредине между этими крайними значениями.) В-третьих, Земля вращается вокруг своей оси подобно волчку, слегка при этом покачиваясь. Это покачивание называется «прецессией» и происходит с периодом 22 000 лет. Дополнительный небольшой «скачок» в скорости собственного вращения Земли возникает каждые 19 000 лет.

Почти 30 лет Миланкович работал над выводом уравнений, связывающих периоды движений этих трех типов с возникновением оледенений. Как он установил, в крайних точках и прецессионного цикла, и цикла изменения угла наклона земной оси количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, настолько уменьшается, что может вновь происходить распространение льда. С этой теорией соглашались многие ученые, хотя возникли некоторые сомнения в отношении 100 000-летнего цикла изменения параметров эллиптической орбиты движения Земли вокруг Солнца. Оказалось, что орбита изменяется всего лишь на 0,3%, а по космическим меркам это слишком мало. В то же время известно, что состояние земной атмосферы может изменяться под воздействием исключительно слабых факторов, — именно поэтому даже с весьма совершенными компьютерами долгосрочный прогноз погоды для областей с поперечником менее 500 км остается большой проблемой. В результате некоторые ученые были готовы принять как факт, что изменение солнечной постоянной даже на 0,3% способно оказать заметное влияние на глобальный климат.

Однако уравнения Миланковича оставались лишь теоретическими выкладками. Наконец в 1976 г. появилось некоторое доказательство его теории. Исследователи установили, что осадочные отложения морского дна могут служить надежным индикатором температуры воды в прошедшие тысячелетия. В этих породах присутствовали раковины крошечных животных, фораминифер, и химический состав ископаемых раковин был различным в зависимости от температуры воды в разные эпохи земной истории. Соотношение между содержащимися в них изотопом кислорода 160 и более тяжелым, но менее распространенным изотопом 180 изменялось в зависимости от температуры воды. В океанах и, следовательно, раковинах фораминифер содержание более легкого изотопа уменьшалось, когда климат Земли становился более холодным, так как большая часть этого изотопа попадала в ледники, образующиеся на поверхности в холодные периоды. Как извлечение осадков с морского дна, так и последующие лабораторные анализы — исключительно трудоемкая работа, но она оказалась в высшей степени плодотворной. Образцы осадочных пород из самых глубоких слоев, поднятые на поверхность благодаря глубоководному бурению, показали, что в течение мелового периода, когда жили динозавры, температура воды в океанских глубинах была почти на 20° выше, чем сейчас. Это громадная разница. Были выявлены менее радикальные, но весьма красноречивые изменения температуры, совпадавшие с постепенным похолоданием, которое началось 115 000 лет назад (когда в Англии царил почти тропический климат) и продолжалось вплоть до максимума последнего оледенения порядка 15 000 лет назад, когда в южной части штата Нью-Йорк ледяной покров достигал полуторакилометровой толщины, а его окончательное исчезновение привело к образованию Лонг-Айленда благодаря перемещению суши в море.

Цилиндрические колонки льда, добытые в результате бурения глубоких скважин в приполярных ледяных покровах Гренландии и полученные за большой период времени российскими учеными в Антарктиде, подтвердили и расширили выводы, сделанные на основе осадков с морского дна. «Термометром» опять-таки служило относительное содержание изотопов кислорода, а поскольку в результате нарастания льда образуются четкие слои аналогично годовым кольцам у деревьев, из Гренландии и Антарктиды были получены более подробные данные, которые помогли датировать периоды потепления и похолодания Земли на протяжении последних 2,5 млн. лет. Но хотя эти результаты подтвердили правильность циклов Миланковича, в последние несколько десятилетий у многих ученых появилось убеждение, что его теория может объяснить в лучшем случае 80% причин, по которым возникают оледенения. Картина все еще представлялась неполной.

Гренландские колонки льда обнаружили еще одно важное обстоятельство. В 1979 г. швейцарский физик Ганс Эшгер отправился в Гренландию, чтобы присоединиться к экспедиции Честера Лангуэя из Университета штата Нью-Йорк. Раскалывая образцы льда, он собирал газ из воздушных пузырьков, образовавшихся в этом льду тысячи лет назад. Ему удалось доказать, что когда около 12 тыс. лет назад на Земле началось новое потепление, уровень содержания углекислого газа в атмосфере был на 10^—4 выше, чем 17 тыс. лет назад — во время кульминации последнего оледенения. После публикации этих результатов были проведены новые исследования глубоководных осадков, которые привели к тем же выводам. Оказалось, что диоксид углерода способствовал усилению воздействия циклов солнечной активности на земную атмосферу.

Как работал этот механизм? Ряд авторитетных ученых подошли к этой проблеме с разных сторон. «Парниковый эффект», о котором в последние годы столько говорят в связи с обсуждением скорости глобального потепления, приводит к повышению температуры окружающей среды. На самом деле благодаря парниковому эффекту стала возможна жизнь на Земле, а сейчас обсуждается главным образом вопрос, не может ли климат планеты бесконтрольно изменяться из-за общего повышения температур. Мы знаем также, что один из важнейших факторов этого процесса — увеличение содержания в атмосфере углекислого газа.

По какой причине содержание в атмосфере диоксида углерода может увеличиваться или уменьшаться без вмешательства человека, приводя к нарушению равновесия окружающей среды? Для разных периодов геологической истории выдвинуто несколько теорий. Например, сильное потепление в меловой период, вполне возможно, было результатом быстрого распространения растительности на поверхности Земли. Растения потребляют содержащийся в воздухе углекислый газ, но затем вновь его выделяют, и чем больше новых видов растет и процветает, тем более высоким становится уровень его содержания в атмосфере. В другое время чрезмерное развитие растительности в океанах могло как бы отсасывать диоксид углерода из атмосферы, в результате чего он попадал под воду. Это приводило к похолоданию, способному нарушить равновесие и вызвать новое оледенение.

Согласно одной из гипотез, на климат могли влиять перемещения литосферных плит и возникающие в результате этого изменения континентальных масс. В современном мире Гольфстрим несет теплые экваториальные воды к северу Атлантического океана в сторону Великобритании, благодаря чему в высоких широтах относительно тепло и существуют благоприятные условия для развития зеленых растений. Быть может, возникновение континентальной массы Центральной Америки и прекращение связи между Тихим и Атлантическим океанами 2,5 млн. лет назад инициировали развитие ледников в Северном полушарии. Более позднее глобальное похолодание, возможно, было вызвано отделением Антарктиды от Южной Америки 15 млн. лет назад.

В основе еще одной весьма спорной теории лежит процесс эрозии горных пород, открытый американским химиком Гарольдом Юри (за что он в 1934 г. получил Нобелевскую премию). По мнению Юри, в процессе эрозии силикатные породы поглощают из атмосферы углекислый газ. Если затем они оказываются погребенными на значительную глубину, а по истечении нескольких геологических эпох вновь выходят на поверхность при вулканических извержениях, то диоксид углерода может опять попасть в атмосферу. Согласно гипотезе американских климатологов Морина Реймо и Уильяма Раддимена, ледниковые периоды были связаны с такими обширными горными системами, как Гималаи и Анды, которые возникали из недр Земли, а затем, подвергаясь эрозии, поглощали CO₂ из атмосферы. Эти идеи были привлечены к обсуждению глобального потепления, поскольку ученые пошли дальше, утверждая, что сжигание людьми горючих полезных ископаемых действует подобно извержению вулкана и приводит к выделению в атмосферу огромных количеств диоксида углерода.

Сейчас почти ежегодно в печати — по крайней мере в научно-популярных журналах — появляется какая-нибудь новая теория. В 1997 г. Ричард Мюллер из Калифорнийского университета в Беркли и Гордон Макдоналд из Международного института анализа прикладных систем в Лаксенбурге (Австрия) построили новую компьютерную модель, использовав циклы Миланковича. Как установлено, ежегодно на Землю выпадает 30 000 тонн космической «пыли», которую мы не замечаем из-за изобилия «летающей вокруг сажи» — по образному выражению Николса и Мея (1960-е годы). Однако Мюллер и Макдоналд теоретически показали, что раз в 100 000 лет Земля из-за наклона своей оси проходит сквозь особую полосу космической пыли. В результате количество этого вещества, попадающего на поверхность планеты, возрастает до критического уровня. Два других исследователя — Стивен Кортенкамп из Вашингтонского института Карнеги и Стенли Дермотт из университета Флориды — провели проверку этой гипотезы с помощью другой компьютерной модели. В 1998 г. они заявили, что дело здесь не в наклоне земной оси, а в форме орбиты, по которой Земля обращается вокруг Солнца, — этот вывод лучше согласуется с уравнением Миланковича. Как говорится в сообщении Мея, опубликованном в «Science News» в 1999 г., Кеннет Фарли из Калифорнийского технологического института обнаружил, что в осадочных отложениях каждые 100 000 лет действительно наблюдается трехкратное увеличение содержания космической пыли — но в период, когда модель предсказывает его уменьшение. «Здесь в самом деле творится что-то странное», — заключает Фарли.

В 1999 г. на свет появилась новая связанная с космосом теория. Речь шла о резком увеличении интенсивности космических лучей. Эти лучи постоянно бомбардируют Землю, но в случае увеличения интенсивности они способны вызвать существенное увеличение плотности облачного покрова. Интенсивность космических лучей можно измерить с помощью радиоактивного метода определения возраста пород, основанного на содержании изотопа 14С. Согласно сообщению «Discover» в апреле 1999 г., автору этой новой теории Хенрику Свенсмарку из датского Института космических исследований удалось получить доказательства того, что в течение последнего ледникового периода активность космических лучей выросла «почти в два раза».

Наличие множества новых теорий, выдвигаемых для объяснения причины оледенений, конечно, верный признак того, что это поле исследований перепахано еще не до конца. Некоторых ученых раздражают чересчур экзотические теории. Они предпочитают точные компьютерные модели и считают, что самозванные эксперты из слишком многих областей науки бесцеремонно встревают со своими досужими домыслами. Сама природа предмета неизбежно вовлекает в дискуссию самых различных специалистов. Общепризнано, что следует принимать во внимание циклы Миланковича, хотя мнения ученых расходятся относительно степени учета. Во всех случаях прочное место за столом в этой полемике занимают астрономы. То же относится и к биологам-эволюционистам, так как существовавшие в определенные периоды формы жизни свидетельствуют о том, что в это время происходило с климатом, а иногда они могли и воздействовать на него. Наиболее тесно взаимодействуют геологи и химики, например при добыче и анализе образцов осадков из океанических глубин. Хотя результаты ученых в одной области науки могут иногда подкреплять или даже подтверждать работы других, неизбежно наступают моменты, когда они начинают противоречить друг другу. То, что, допустим, кажется очень убедительным с точки зрения геологии, может вступать в конфликт с данными эволюционной теории, и наоборот.

Многие ученые, по существу, весьма пессимистично относятся к возможности когда-либо до конца решить загадку развития оледенений. Некоторые считают, что количество информации слишком велико. Конечно, если циклы Миланковича играют столь важную роль, как это считают многие ученые, то ответ должен появиться примерно в ближайшие 2000 лет. Нас ожидает наступление новой ледниковой эпохи. Но есть трудности и в этом сценарии. Выделение в атмосферу избыточных количеств углекислого и других парниковых газов в результате человеческой деятельности приводит к глобальному потеплению, из-за которого весь процесс может нарушиться. В таком случае мы вместо ожидаемого оледенения навлечем на себя период таяния полярных льдов и наступления прекрасной погоды, подходящей для гиппопотамов в Хартфордшире (если только он не окажется под водой из-за подъема уровня моря). Но даже это не было бы чем-то совершенно новым. В конце концов, был же период длительностью более 200 млн. лет — время динозавров, когда не происходило ничего похожего на оледенение. Фактически даже за последние 35 млн. лет, когда прошли многочисленные ледниковые эпохи, они не всегда появлялись точно вовремя. Быть может, причины оледенений столь разнообразны и столь сложны, что в реальности не существует никакого графика, по крайней мере в пределах всей геологической истории. Возможно, попытки раскрыть эту неразрешенную тайну больше свидетельствуют о стремлении людей к порядку, чем о чем-либо еще.

1. Lamb, Simon and David Sington. Earth Story. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1998. В этой книге, основанной на телевизионной серии Би-Би-Си, описывается, как сказано в подзаголовке, «формирование облика Земли», т. е. помимо оледенений рассматривается много других тем. Но при этом подробно и прекрасно написана длинная, богато иллюстрированная глава, посвященная данному вопросу.

2. Levenson, Thomas. Ice Time. New York: Harper & Row, 1989. В книге с подзаголовком «Климат, наука и жизнь на Земле» представлены важнейшие факты, касающиеся изучения ледниковых периодов, и она вовсе не устарела, как может показаться из даты ее публикации, особенно если учесть, что новые теории, в изобилии появляющиеся в последние годы, в основном противоречат друг другу. К тому же это прелестная и весьма доступная книга.

3. Langway, С. С, Н. Oeschger, and W. Dansgaard, Eds. Greenland Ice Core. Washington, DC: American Geophysical Union, 1985. Читатели, интересующиеся подробностями бурения с отбором ледового керна в Гренландии и причинами, по которым оно проводилось, убедятся, что это увлекательная книга, хотя в ней и использована специальная терминология.

Замечание. О новых достижениях в данной области читатели смогут узнать из научно-популярных журналов. Это один из тех вопросов, которые средства массовой информации очень любят подхватывать и делать из них сенсации или представлять в отрыве от контекста.