Озонные дыры и гибель человечества

ОТКУДА БЕРЕТСЯ ИНФОРМАЦИЯ

Что произойдет на Земле, если увеличится количество углекислого газа в атмосфере, если уменьшится количество озона и, вообще, если по тем или другим причинам изменится температура? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, ученые проводят расчеты ожидаемых изменений. Они моделируют процессы в атмосфере Земли, задавая различные сценарии изменения указанных величин. Но такие расчеты не являются достаточно точными, поскольку задача слишком сложная. Поэтому ученые собирают всю возможную информацию о том, как изменялись условия в атмосфере (и биосфере) раньше, сотни, тысячи и даже миллионы лет назад. Может быть, подобные ситуации уже были в истории Земли? Любопытно знать, чем они закончились.

На Земле неоднократно изменялся состав атмосферы и средняя температура. Необходимо внимательно проанализировать, к чему приводили эти и другие изменения. Но для того, чтобы проводить анализ изменения климата сотни, тысячи и даже миллионы лет тому назад, надо иметь информацию о климате. Но архивы позволят нам совершить экскурс в прошлое только на сотни лет назад. Где же взять нужные данные?

Этот вопрос задавали себе многие ученые. И они нашли на него ответ, и не один. Оказывается, имеется несколько источников таких данных, что позволяет говорить об изменении климата в прошлом весьма уверенно. Какие это источники?

Изменение климата влияет на многие процессы на Земле. Например, от климата зависит формирование осадочных пород. Под действием ветра и воды формируется рельеф. Климат оказывает влияние на образование почвы. Формирование границ распространения растений и животных, их переселение и вымирание во многом также происходит под действием климата, его особенностей и изменения во времени. Под действием изменения климата происходит изменение характера переноса химических элементов и соединений от одного элемента климатической системы к другому, например, из атмосферы в океан.

Конечно, не все происходившие ранее изменения, связанные с изменением климата, оставили след. Но те, о которых мы знаем, позволяют ученым воссоздать, реконструировать изменение климата в прошлом. Их выводы основаны на геологических документах. Таковыми являются осадочные породы, а также останки растений и животных, которые оказались захороненными в этих отложениях. Эти останки растений и животных содержат в себе информацию о том климате, который был при их жизни. Осадочные породы являются самым первым свидетелем климатических условий прошлого. При таком анализе специалисты изучают не только состав пород (как химический, так и физический), но и их структуру и особенности залегания. Весь процесс напластования осадочных пород протекает очень медленно. Поэтому анализ этих данных позволит получить сведения, относящиеся к достаточно длительному периоду. Извлечь нужную информацию о климате из свойств осадочных пород очень непросто, поскольку эти свойства менялись одновременно и под действием других (неклиматических) факторов. Эти изменения надо уметь распознавать и рассчитывать, чтобы оставшиеся изменения дали информацию о климатических условиях, которые имели место в период образования данного пласта осадочных отложений.

Сказанное можно проиллюстрировать такими примерами. Если пласт осадочных пород представляет собой белые глины (каолины), то ученые не сомневаются, что в период формирования этого пласта климат был влажным. Они знают, что белые глины (которые используют для производства фарфора) образуются в результате выветривания, разложения горной породы в условиях влажного климата. О влажном климате свидетельствуют также пласты бокситов в отложениях осадочных пород. Напомним, что бокситы служат сырьем для производства алюминия. В условиях влажного климата происходило также образование марганцевых руд и пластов каменного угля. Для образования же месторождений фосфоритов климат должен быть не только влажным, но и теплым.

Что же касается сухого климата, то о нем можно достаточно уверенно судить по отложениям, которые образовались в условиях сильного испарения. Это пласты каменной поваренной соли, а также калийной соли и гипсов, они образовались в условиях, близких к современному климату пустынь. Для того, чтобы химические превращения протекали эффективно, температура должна быть достаточно высокой. При низкой температуре, в холодном климате химическое разложение пород, их выветривание существенно замедляется, породы изменяются путем физического разрушения. Можно уверенно сделать вывод, что если в породах не прошли процессы химического разложения, то есть в отложениях обнаруживаются минералы, которые легко поддаются химическому выветриванию, то эти пласты пород формировались в период холодного климата.

Ценную информацию о климате в прошлом содержат в себе отложения, которые оставили ледники. Такие отложения называют моренами. Они представляют собой глинистый материал с примесью песка, гравия, щебня, крупных обломков и валунов, который залегает не пластами, а беспорядочно. Это и понятно — мореные отложения были погребены под слоями других отложений. На них давили вышележащие слои, поскольку морены часто погружены на большую глубину. При этом они могли и нагреваться. Со временем морена древних ледников превращается в горную породу.

Ученые очень ценят информацию о климате в прошлые эпохи, которую они извлекают из свойств отложений в озерах. Эти отложения называют ленточными глинами. В этом случае появляется новая информация, поскольку накопления глинистых озерных отложений имеют годовой цикл. Один годовой слой благодаря этому четко отделяется от другого, соседнего, как предыдущего, так и последующего. Более того, в годовом цикле можно выделить весенне-летнюю и зимнюю прослойки. Информацию о потеплениях, похолоданиях, увлажнениях и засухах считывают из толщины слоев и прослоек, а также из состава материала в этих слоях и прослойках.

О том, каким был климат в прошлом в данной местности, специалисты судят и по особенностям рельефа территории или поверхности с древним рельефом, которую обнаруживают под породами. Если в нынешних пустынях удается обнаружить сохранившиеся следы былой сети рек и речных форм рельефа, значит, здесь раньше был влажный климат.

Ценную информацию о климате в прошлом извлекают из анализа высоты древних снеговых линий в горах. Если эти линии отмечены особыми формами рельефа — норами и нишами, то можно утверждать, что здесь в прошлом была эпоха похолоданий. Если для рельефа характерны ветровые формы, то по ним специалисты могут восстановить даже особенности циркуляции атмосферы в прошлом. Так, о наличии мерзлотных грунтов в прошлом однозначно свидетельствуют мерзлотные формы рельефа. В этом случае можно уверенно говорить о существенных похолоданиях в прошлом в этой местности.

Информацию о климате в прошлом содержат в себе и растения, которые смогли сохраниться в тех пор. Реакция растений на изменение климата более сильная и разнообразная, чем реакция осадочных пород. При переходе от теплого и влажного климата к умеренному и холодному меняется облик растительности, одни виды растений исчезают, а другие, совершенно новые, появляются. Это мы наблюдаем сейчас, это происходило и в прошлом. Поэтому по растительным остаткам в отложениях можно реконструировать климат прошлого. При этом используется абсолютно вся доступная информация — и тип ископаемой растительности, и ее внешний облик, а также анатомическое строение и набор видов растительности. Это позволяет восстановить многие качественные черты климата в прошлом. Очевидно, что более надежную информацию о климате дает анализ растительных сообществ, а не только отдельных растений.

Наличие отпечатков и останки растений большого количества видов означает, что эти растения в свое время росли в теплом климате. По современным данным в тропическом лесу на площади 2 гектара насчитывается более 200 видов деревьев. В умеренном климатическом поясе (более холодном) различных видов деревьев на такой же площади в 20 раз меньше. В холодном климате их еще меньше. Если в прошлом климат был теплым, то в остаточных породах вы обнаружите остатки или отпечатки вечнозеленых растений, пальм, растений с крупными листьями. В холодном же климате росли хвойные деревья, мелколиственные растения. В таком климате деревья и вовсе могут отсутствовать, поэтому их остатки в породах не обнаруживаются. В сухом климате росли растения с мелкой редкой листвой или с колючками.

Отпечатки растений прошлых эпох встречаются значительно чаще, чем сами растения, которые в отложениях сохраняются плохо. Но зато в отложениях хорошо сохраняется пыльца растений и споры. Анализ пыльцы и спор растений прошлых эпох дает очень ценную информацию об изменении и характере климата в это время. Этот метод позволяет установить не только климат, но и растительность в данном регионе в прошедшие эпохи.

Анализ структуры торфа также дает информацию о климате. Торфяники развиваются как в умеренных широтах, так и в холодных климатических зонах. Разные пласты торфа свидетельствуют о разных климатах. Пласт влаголюбивых мхов свидетельствует о том, что он формировался в период влажного климата. Пласт торфа, состоящий из лесной растительности, свидетельствует о том, что в то время в данном регионе был сухой климат.

Существует еще один метод определения климата в прошлом. Он основан на том, что ширина годичного прироста толщины стволов деревьев весьма четко связана с количеством осадков в данном году. Была установлена также зависимость этого прироста от температуры воздуха. Было установлено, что в одинаковых климатических условиях имеет место одинаковый ежегодный прирост колец. Это позволяет по ширине годичных колец деревьев разного возраста — как захороненных в торфяниках, льдах и морене, так и найденных при археологических раскопках, — определять климат в прошлом. Деревья при этом можно использовать самые разные. Так был выстроен по срезам деревьев, по годовым кольцам дендрохронологический календарь (греческое слово «дендрон» означает дерево), который охватывает период в 12 тысяч лет. Здесь ценно то, что речь идет не о влажных или сухих периодах, а об отдельных годах. Собственно, не только о годах, но и о сезонах. Информация о сезонных изменениях климата получается из тщательного анализа годичного кольца (с применением микроскопа, рентгеноскопии и компьютера). Таким образом специалисты получают информацию о средней летней температуре воздуха, поскольку максимальная плотность летней древесины четко связана со средней летней температурой воздуха. А это уже немало, поскольку перекрывается более 10 тысяч лет.

Ценную информацию о климате в прошлом содержат и сведения о распределении животных на суше и в море в то время. Речь идет об останках животных, которые сохранились в отложениях. В данном случае анализ имеющегося материала проводится по той же схеме, что и в случае остатков растений. Так, изобилие или бедность видового состава животных является свидетельством того, был ли климат в тех местах теплым или холодным. Холоднокровные животные свидетельствуют о теплом климате. Размеры животных также могут рассказать о климате. Ведь известно, что теплокровные животные тем больше, чем холоднее климат, в котором они живут. Что же касается холоднокровных животных, то наибольших размеров они достигают в условиях теплого климата. Это же справедливо и по отношению к крупным насекомым. Обитатели моря прошлых эпох свидетельствуют о климате тех времен по-особому. Те из морских организмов, которые выделяют известь, в частности фораминиферы, а также организмы, которые строят коралловые рифы, находились в условиях теплого климата. Это очевидно, поскольку только в условиях теплого климата верхний слой морской воды насыщен известью.

Мы лишь в общих чертах описали метод, позволяющий изучать, каким был климат в прошлом. Практическое применение указанного метода очень непростое. Приходится семь раз отмерить, прежде чем отрезать. Только совместный анализ всей совокупности имеющихся фактов позволяет сделать окончательные выводы о том, каким был климат в то или другое время в прошлом. Но при всем этом самым важным является вопрос о времени. Наряду с хронологией деревьев (по годичным кольцам деревьев) и с хронологией по ленточным глинам очень важными являются изотопные методы определения возраста.

Метод, основанный на измерении содержания изотопов кислорода, был разработан в 1950 году. Он основан на следующей закономерности: при осаждении карбоната кальция (CaCO₃) из воды соотношение между содержанием «легкого» изотопа кислорода (O¹⁶) и «тяжелого» изотопа (О¹⁸) зависит от температуры воды. Значит, измерив соотношение содержания изотопов, мы получаем информацию о температуре воды. Где же берут исследователи эти изотопы? Их консервируют в течение тысяч и даже миллионов лет организмы, которые сохранились в осадочных породах. Дело в том, что организмы, которые строят раковины, отбирают из воды карбонатные ионы. Именно в этих ионах соотношение изотопов кислорода соответствует температуре воды. Так информация о температуре воды закладывается в скелеты организмов. Далее она вместе с организмами накапливается в отложениях, эти архивные данные о температуре воды сохраняются там тысячи и даже миллионы лет. Метод, который можно назвать изотопным термометром, очень широко используется и позволяет получать количественную информацию об изменении климата в прошлом. Ясно, что этот метод применяется в совокупности с другими методами. Изотопный метод позволяет определять температуру воды морей и океанов в те времена, когда в океане появились первые организмы, которые строили свой скелет из карбонатов.

Ценную информацию о прошлом, в том числе о климате, содержат льды, и прежде всего льды Антарктиды. Лед накапливается слой за слоем в результате выпадения осадков в виде дождя и снега. А состав этих осадков (в смысле изотопов кислорода) зависит от температуры и характера испарения. Было установлено, что чем ниже температура формирования осадков, тем меньше вода, которая выпадает в виде дождя или снега, обогащена тяжелыми изотопами кислорода (О¹⁸). Значит, остается слой за слоем считывать всю толщу ледника Антарктиды, Исландии, Арктики. Перелистав этот журнал наблюдений, мы получим количественную информацию об изменении температуры за весьма продолжительное время — сотни тысяч лет. Так мы можем заглянуть в прошлое на полмиллиона лет назад. Правда, читать такой журнал непросто — страницы его не переворачиваются. Остается сверлить (бурить) дырку (скважину) и заглядывать в журнал через нее. Так и сделали. Наши и зарубежные специалисты пробурили скважины в ледниковых покровах Антарктиды и Гренландии. Был проведен анализ образцов льда, который доставали с разных глубин. Кстати, эти образцы льда оказались информативными вдвойне. Мало того, что в них содержится информация о температуре воды. В них сохранились пузырьки воздуха, пробы воздуха, как сказал бы специалист. Эти пробы «брались» (консервировались) регулярно, от года к году. Анализ этих проб позволяет определять состав атмосферного газа в определенный момент в прошлом.

Но лед сохранил не только пузырьки воздуха. Лед является прекрасным улавливателем частиц (пыли), которые переносятся потоками воздуха. А эти частицы (пыль) служат своего рода трассером. По тому, что собой представляет эта пыль, можно сделать заключение о том, откуда она прилетела, или, другими словами, откуда дул ветер. А это немало. Это информация о циркуляции атмосферы, а значит о климате. Исследуют и состав пыли. По нему можно выявить степень влажности и даже восстановить состав солей в океане, поскольку в прибрежной морской зоне воздуха содержится много солевых частиц, которые попали туда из моря.

Восстанавливая картину климата в прошлом, ученые, конечно, анализируют и различные письменные источники. Но на этом вопросе мы останавливаться не будем — здесь многое очевидно и известно читателю. Мы же прямо перейдем к результатам, то есть кратко, схематично опишем картину изменения климата на Земле в прошлом.

Описывая исторические события, говорят о годах, столетиях и тысячелетиях. Описывая всю историю Земли, поступают по-иному — весь период геологического времени разбивают на отдельные периоды.

Еще 2000 лет назад полагали, что вся геологическая история Земли укладывается в 6000 лет. Но позднее стало очевидным, что для формирования осадочных пластов необходимы не тысячи, а миллионы лет. Когда стали использовать радиоизотопный метод датирования, то стало ясно, что геологическое время Земли измеряется не миллионами, а миллиардами лет.

Ученые поделили все геологическое время Земли на отдельные отрезки, для которых характерны однотипные процессы. Прежде всего геологическое время было поделено на два эона. Название происходит из греческой мифологии. Эон — это неостанавливающееся, неумолимое время, отпрыск Хроноса — бога времени. Эти два эона названы докембрийским и фанерозойским. Фанерозой начинается там, где (в смысле времени) встречаются явные следы жизни. Слово «фанерозой» означает «эра явной жизни». В докембрийских отложениях также встречаются следы жизнедеятельности организмов. Но они сохранились плохо. Докембрийский эон занимает 85 % всего времени, которое прошло после момента образования Земли. «Эру явной жизни» (фанерозой) делят на три эры, которые имеют разную продолжительность. Это палеозой — эра древней жизни, мезозой — эра средней жизни, и кайнозой — эра новой жизни. Наше время входит в кайнозойскую эру. Специалисты каждую эру поделили на периоды, названия которым даны по названиям тех районов, где отложения данного периода были описаны впервые. Эти периоды ученые поделили на эпохи. В кайнозойской эре выделено всего два периода — третичный и четвертичный. В третичном периоде было 4 эпохи — плиоцен, эоцен, олигоцен и миоцен. Мы живем в четвертичном периоде. В нем выделена одна эпоха — плейстоцен. Она пока что совпадает по продолжительности с периодом плейстоцен. После таких пояснений перейдем к описанию картины изменения климата Земли в прошлом.

ИСТОРИЯ КЛИМАТА

Говоря о климате всей Земли, оперируют средней температурой на ее поверхности. В отдельных регионах температура может меняться очень значительно. Но когда в одних регионах температура понижается, она повышается в других. Поэтому средняя температура на поверхности Земли при этом меняется незначительно или вовсе не меняется. Если нас интересуют не региональные проблемы изменения климата, а глобальное его изменение, то надо рассматривать среднюю температуру. Она определяется соотношением двух энергий — той, которую Земля получает от Солнца, и той, которую она отдает обратно в космос. Разницу она оставляет себе. Ею и определяется средняя температура на поверхности Земли. Сразу скажем, что эта разница за всю историю Земли изменялась очень незначительно. Другими словами, средняя температура у поверхности Земли за всю ее историю менялась мало. Эти изменения происходили в пределах от 5 до 40 °C. Откуда мы это знаем?

Сделать такой вывод нам позволяет анализ таких фактов. Во-первых, океан на Земле с момента своего возникновения до сих пор существовал всегда — он никогда не вымерзал и никогда не испарялся. Значит, температура не понижалась до 0 °C и не повышалась до +100 °C. Анализ останков растений и животных в древних породах свидетельствует о том, что жизнь никогда не прекращалась, она развивалась в благоприятных условиях — происходило ее непрерывное поступательное развитие. Если бы температура на Земле (средняя) достигала +50 °C, то это было бы невозможным — произошла бы пастеризация, в результате чего большая часть организмов была бы уничтожена в условиях высокой температуры. Но этого не произошло. Следовательно, таких высоких средних температур (+50 °C) на Земле не было. Среднюю температуру Земли сверху ограничим величиной в +40 °C. Нижняя температура, как мы видели, не могла опускаться до 0 °C. Более того, она не могла быть ниже +5 °C. Если бы это случилось, то на больших пространствах быстро распространились бы ледники, которые сами создают благоприятные условия для своего развития. Это своего рода цепная реакция, в результате чего происходят необратимые изменения. Вот поэтому можно уверенно утверждать, что средняя температура у поверхности Земли за всю ее историю не выходила за пределы от 5 °C до 40 °C. С точки зрения сохранения и развития жизни вообще такие изменения средней температуры вполне допустимые. Можно сказать, что это очень узкий диапазон колебаний температуры, который сохранялся в течение всей истории Земли.

Но если говорить не просто о развитии жизни, а о биосфере, ее характеристиках, то она кардинально менялась, если средняя температура на поверхности Земли менялась на 5 —10 °C. В истории Земли эпохи оледенений («зимы нашей планеты»), которые длились десятки и сотни миллионов лет, сменялись еще более длительными теплыми эпохами.

Каким был климат на Земле в самый давний — архейский период? Анализ отложений этого периода свидетельствует об обилии воды в это время. Атмосфера была агрессивной восстановительной. Вода морей характеризовалась высокой кислотностью. Это был самый теплый период на Земле. Атмосферный газ содержал большое количество углекислого газа, а также других примесей, которые создавали парниковый эффект. Образовывалась мощная облачность, поскольку при высокой температуре воды океана интенсивно испарялись. Облака закрывали свет, и на поверхности Земли под облаками царил полумрак. К этому добавим, что почти непрерывно гремели грозы и шли обильные кислые дожди и ливни. В определенной мере это та перспектива, которая ожидает нас, если выбросами в атмосферу человечество раскачает ее тепловой баланс и начнется реальный процесс потепления на Земле. Если к этому добавится проникновение губительного ультрафиолета к поверхности Земли (поскольку озонный слой будет разрушен), то трагизм происходящего достигнет своего апогея: не только произойдет необратимое изменение климата, но и перестанет существовать биосфера как таковая. Но вернемся к описанию изменения климата в прошлом. Собственно, мы и делаем экскурс в историю климата с целью найти ответ на вопрос — что нас ждет в результате изменения состава атмосферы, а значит, и энергетического соотношения, что неизбежно должно привести к изменению средней поверхностной температуры Земли.

После описанного выше периода наступила протерозойская эра. В это время начали появляться первые ледники, а значит, и первые ледниковые отложения. Эта эпоха была учеными названа гуронской, поскольку впервые эти отложения были обнаружены в Канаде в районе озера Гурон. Затем они были обнаружены и в других регионах Земли (в Южной Америке, в западной Австралии).

Ледниковую гуронскую эпоху сменил период потепления, который длился около одного миллиарда лет. За ним последовала вторая эпоха оледенения (гнейсесская). Она сменилась сравнительно теплым периодом, который длился 100–150 миллионов лет. Затем произошло новое похолодание и распространение ледников (стертская ледниковая эпоха). После этой ледниковой эпохи последовал период потепления, который сменился третьей эпохой оледенения (вараганской). Все эти три эпохи оледенения укладываются в первый эон — докембрийский.

Что же касается фанерозойского эона, то он начался с теплого кембрийского периода, за которым последовал ордовикский период. В конце этого периода вновь началось оледенение, о чем свидетельствуют обширные отложения тиллитов с гигантскими валунами, которые были обнаружены относительно недавно. Следы ордовикского оледенения обнаружили в 1960-е годы французские геологи-нефтяники в западной Африке и в Сахаре. Любопытно, что именно в Сахаре, самой большой пустыне мира, были обнаружены доказательства былого оледенения. Ордовикское оледенение закончилось в селуре. После него наступил длительный теплый период, который длился до каменноугольного периода. В начале этого нового периода начинается новое похолодание. Оно достигло своего апогея примерно 280 миллионов лет тому назад. В то время возникли огромные ледниковые покровы и шельфовые ледники над мелкими морями. Плавучие льды покрывали моря, а также пространства вокруг полюсов. Айсберги бороздили воды океанов. Вечная мерзлота широко распространилась на больших пространствах в обеих полушариях. Об этом оледенении свидетельствуют отложения тиллитов. Они обнаружены на огромных пространствах Южной Америки, южной Африки, Индии, Австралии и Антарктиды. Обнаружены они и в Сибири. Мощность пластов тиллитов достигает сотен метров.

После этого оледенения в конце пермского периода началась теплая эпоха, которая продолжалась до середины кайнозойской эры, а затем вновь наступил период оледенения.

Продолжительность ледниковых эпох определяется достаточно точно с помощью радиоизотопных методов. Эти методы позволяют определять возраст пород, которые затем были покрыты слоем тиллитов. Эти измерения позволили установить, что самая древняя ледниковая эпоха — гуронская. Она началась 2,34 миллиарда лет тому назад и закончилась 1,95 миллиарда лет назад. Следующая, гнейсесская эпоха оледенения имела место 950–900 миллионов лет назад. Стертская эпоха оледенения продолжалась от 810 до 715 миллионов лет назад. Последняя эпоха оледенения — варангская — длилась от 680 до 570 миллионов лет назад. Это речь шла о первом эоне — докембрийском.

Во втором эоне — фанерозойском — первая эпоха оледенения продолжалась от 460 до 410 миллионов лет назад. Ее называют ордовикской. После теплого перерыва последовало новое гондванское оледенение, эпоха которого длилась от 340 до 240 миллионов лет назад.

Любопытна регулярность эпох оледенения и их большая продолжительность. Ясно, что они не являются случайными эпизодами на Земле. Учеными была высказана мысль, что эпохи оледенения повторяются на Земле с периодом в 150 миллионов лет. Они считают, что часть эпох оледенения пока что не обнаружена, поэтому эта периодичность и не подтверждается. Вопрос этот важен, поскольку надо понять причину чередующихся эпох оледенения. На рис. 1 показана схема чередования эпох оледенения, которое происходило в продолжении последнего миллиарда лет. Заштрихованы периоды (эпохи) оледенения. Весьма любопытно, что эпохи оледенения не только чередуется с теплыми эпохами, но за последние 2,5 миллиарда лет занимают примерно столько времени, сколько и теплые эпохи. Это в том случае, если в это время включить продолжительность развития и завершения оледенения.

В эпохи оледенения ледниковый покров вначале наступал, затем отступал. Ледники то стягивались к полюсам, то широко распространялись по пространству суши и прибрежных морей. В пределах одной ледниковой эпохи этот колебательный процесс стягивания — расширения ледникового покрова повторялся неоднократно. Поэтому сама эпоха оледенения не однородна во времени.

Следует отметить, что с течением времени в пределах одной эпохи оледенения центры оледенений постепенно смещались. Отнюдь не всегда такими центрами были полюса. По мере вымерзания воды в периоды разрастания ледниковых покровов уровень воды в океанах, естественно, уменьшался. Это падение уровня океанов достигало десятков метров. Когда льды таяли, воды в океанах прибавлялось. Ясно, что от уровня воды в Мировом океане зависят очертания и размеры суши — ее то заливает водой, то с нее вода стекает в океан. Размеры суши менялись. Растения и животные полностью зависели от этого процесса. По мере наступления эпохи оледенения теплолюбивые растения и животные сменялись холоднолюбивыми. Потом все возвращалось на круги своя. И так периодически, а точнее циклически все повторялось много раз.

Как видим, эпохи оледенения были очень динамичными в смысле изменения температуры, уровня воды в океане, движения ледников. Это сказывалось на биосфере, на растительном и животном мире. Теплые эпохи были значительно стабильнее. Изменение внешних условий происходило медленнее, средняя температура на поверхности Земли изменялась незначительно. Кстати, разница в значениях средней температуры на Земле в эпохи оледенения и в теплые эпохи составляла не так уж и много, всего 7 —10°. Такая разница характерна для условий, когда ледники стягиваются около полюсов. Это в эпоху оледенения. Когда же ледники широко разрастались, то эта разница средних температур на Земле в теплые эпохи и эпохи оледенения достигала 20°. Мы сейчас живем в эпоху оледенения, когда ледники стянуты к полюсам. Средняя температура на поверхности Земли сейчас составляет 15 °C. В предыдущий теплый меловой период средняя температура у поверхности Земли была на 7° выше, то есть она составляла 22 °C. Десятки тысяч лет тому назад ледники разрастались до своих максимальных размеров. Тогда средняя температура у поверхности Земли была ниже современной примерно на 6 — 10°. Разница ее с такой температурой в теплый меловой период достигала 13–17°.

Таким образом, за последние 2,5 миллиарда лет происходили следующие изменения климата на Земле. После теплой архейской эры наступил длительный период чередования теплых и холодных эпох, которые имели различную продолжительность. Это значит, что на Земле в этот период сменяли друг друга два различных устойчивых типа климата. Каждый из них длился десятки миллионов лет. Во время одного климата — теплого — суша и моря были безледными. Во время второго климата — холодного — часть суши и морей была покрыта ледовым панцирем. Ясно, что оба эти климата принципиально отличались друг от друга. Ледники шли от полюсов, то есть в широтном направлении. Поэтому во время оледенелого климата зональные климатические изменения были более резкими, чем во время теплого климата. Так, например, в период гондванского оледенения в его пике ледниковый покров в южном полушарии расширялся в направлении экватора и достиг широты в 35°. На этой широте находится, например, Буэнос-Айрес. Таким образом, в пики оледенения зона жизни буквально прижималась к экватору. Все остальное пространство было покрыто льдами.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ КЛИМАТ

Что такое климат — знают все. Мы только уточним, что климат — это та же погода, усредненная за десятки лет. Когда говорят, что климат влажный, то это отнюдь не значит, что каждый день наблюдается влажная погода. Просто за десять — двадцать лет в данной местности преобладали влажные погоды.

Ясно, что климат, как и погода, поддаются измерению. Измеряют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, направление и скорость ветра, облачность, видимость, осадки (количество и вид), туманы и метели, грозы и другие явления, продолжительность солнечного сияния, температуру почвы, высоту и состояние снежного покрова и многое другое. Это мы перечислили составляющие части климата. Специалисты их так и называют — метеорологическими элементами.

Климат Земли проявляется элементами окружающей среды глобального или климатического масштаба. Это океан, атмосфера, суша, солнечное излучение, снежноледниковый покров. Но не только элементы окружающей среды влияют на климат. Климат, в свою очередь, тоже влияет на эти элементы. Если первую связь считать прямой, то вторая является обратной.

Из сказанного выше ясно, что в данном смысле мы имеем дело со сложной системой, которая состоит из многих элементов, связанных между собой. Поэтому специалисты в наше время говорят все чаще о «климатической системе» Земли. А раз «система», то она должна обязательно подчиняться всем законам, которые определяют развитие, состояние, режим жизни систем. Если систему вывести из состояния равновесия, то понадобится определенное (но не любое) время, за которое система или вернется в прежнее состояние, или в ней установится новое состояние. Что именно произойдет при возмущении климатической системы, зависит как от характера и интенсивности возмущения, так и от того состояния, в котором в момент воздействия находилась климатическая система. Климатическая система включает в себя атмосферу, гидросферу (океан и воды суши), сушу (континенты), криосферу (снег, лед и районы многолетней мерзлоты), а также биосферу. Ведущий советский климатолог академик А. С. Монин всю свою жизнь настаивал на том, что эта система является замкнутой. Другими словами, он настаивал на том, что на климатическую систему не оказывают влияния факторы, которые находятся вне системы. Это прежде всего Солнце и его энергия. Абсурдность этого утверждения очевидна, но от позиции ведущего в стране ученого зависит (особенно сильно зависело в советское время) формирование программ и исследований других ученых и институтов. Зарубежные ученые показали, что погода и климат на Земле тесно связаны с изменением солнечной активности, с выбросом из Солнца заряженных частиц различных энергий, с направлением межпланетного магнитного поля к Солнцу или от него. Такие же результаты описаны нами в книге «Космос и погода», выпущенной в свет издательством «Наука» в 1986 году. Мы еще вернемся к этим результатам.

Центральным элементом климатической системы является атмосфера. Через нее человек воспринимает изменение других элементов. Атмосфера есть в любой точке Земли, она глобальна. Другие элементы в той или иной мере локальны. Океан занимает 70,8 % поверхности Земли. Суше остается 29,2 %. Ледники занимают чуть больше 3 % поверхности Земли. Если сюда добавить морские льды и снежный покров, то получится 11 %. Биосфера распространена в глобальных масштабах.

Атмосферный газ является всепроникающим. Он находится в состоянии непрерывного обмена с другими элементами климатической системы. Составляющие атмосферного газа растворяются в гидросфере. Из гидросферы они также поступают в воздух, проникают в поры и трещины литосферы. И в свою очередь атмосфера наполняется выбросами вулканических газов и их слабыми потоками из литосферы. В ледниковых покровах также сохраняются атмосферные газы. При таянии льдов в виде пузырьков они освобождаются и поступают обратно в атмосферу. Атмосфера обменивается газами с биосферой в процессе дыхания. Мы далее убедимся в том, что именно биосфера создала в атмосфере кислород. Атмосфера как элемент климатической системы является самой подвижной из всех других элементов.

Надо ли говорить о том, как важна гидросфера, прежде всего Мировой океан, для образования климата? Тепло, масса и энергия движения передаются от атмосферы водам Мирового океана и наоборот. Они соприкасаются друг с другом на 2/3 поверхности Земли. Влагооборот образуется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется значительное количество воды. Поверхностные течения в океане формируются атмосферными ветрами, которые переносят большое количество тепла. Океан является гигантским аккумулятором тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того, чтобы повысить температуру атмосферного газа на 1 °C, океанической воде надо отдать то же количество тепловой энергии, в результате которого температура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса. Такие изменения температуры даже трудно измерить.

К сожалению, Мировой океан изучен слабо. Только недавно обнаружены очень важные особенности циркуляции воды в океане. Так, были обнаружены океанические вихри, подобные циклонам и антициклонам в атмосфере. Диаметр этих вихреобразных кольцевых структур достигает 100 километров. Свойства воды в пределах этих вихрей сильно отличаются от свойств воды окружающей их. Обнаружены также поверхностные океанические движения воды (рис. 2). Установлено, что и на больших глубинах вода находится в движении. Таким образом, гидросфера является очень подвижной средой, хотя по сравнению с атмосферным газом скорость движения здесь в десять — сто раз меньше. Средняя скорость океанических движений составляет несколько сантиметров в секунду, тогда как скорость ветра достигает нескольких (а то и десятков) метров в секунду. В верхних слоях атмосферы эти скорости достигают сотен метров в секунду.

Снег и лед (криосфера) также очень важны для формирования климата. Покрывая земную поверхность, они сильно увеличивают отражательную способность Земли. В результате до 90 % приходящей от Солнца тепловой энергии этим зеркалом отражается обратно в космос. Усвояемость солнечной энергии участками Земли, которые покрыты снегом и льдами, значительно ниже, чем обнаженных.

Основная масса льда сосредоточена в Антарктиде. Там находится 90 % всего льда, который имеется на планете. Но в данном случае главную роль играет не масса льда, а площадь поверхности Земли, на который он рассредоточен. А наибольшую площадь на Земле занимают морские льды и сезонный снежный покров. Морской лед Северного Ледовитого океана сохраняется летом на площади около 8 миллионов квадратных километров. Зимой эта площадь увеличивается более чем в два раза. Она в два раза превышает площадь Австралии. Морской лед зимой вокруг Антарктиды покрывает еще большую площадь (почти 20 квадратных километров). Летом площадь, занятая там льдами, в 10 раз меньше.

Снег в среднем за год покрывает до 60 миллионов квадратных километров поверхности Земли. Границы как снежного покрова, так и морского льда находятся в непрерывном движении. Непрерывно перемещаются ледники.

Сушу можно считать пассивным элементом климатической системы. Она за короткие промежутки времени меняется мало. Ее изменяют процессы почвообразования, выветривания, эрозии, опустынивания. За десятки и сотни миллионов лет происходит дрейф континентов, что совершенно меняет лик Земли. И не только лик. Меняются все компоненты климатической системы. Скорость дрейфа континентов составляет несколько сантиметров в год.

Биосфера является весьма активным компонентом климатической системы. Действует она на изменения климата по-разному. Так, в периоды вегетации растительного покрова, смены растительных сообществ, расширения и сокращения площади, занятой растительностью, увеличения или уменьшения биомассы ее влияния на изменения климата проявляются по-разному, они проявляются в разных масштабах времени.

Если климатическую систему сравнить с живым организмом, то можно сказать, что роль крови в нем выполняет вода. Она находится в любых фазовых состояниях (пар, жидкость, снег, лед). Вода является переносчиком массы и энергии в климатической системе. Климатическая система, по мнению специалистов, является в большинстве случаев системой саморегулирующейся. Это значит, что многие внешние и внутренние изменения (возмущения) гасятся, затухают.

Самым подвижным компонентом климатической системы является атмосфера. В ней происходят слабые и сильные движения воздуха, а также конвекция. В ней формируются циклоны и антициклоны, зарождаются торнадо и ураганы. В атмосфере дуют устойчивые и неустойчивые ветры, возникают атмосферные волны и с огромной скоростью несутся струйные течения. Атмосфера является наименее инерционным компонентом климатической системы. Она влияет на изменение погоды за секунды, недели, месяцы и годы.

Очень подвижны воды Мирового океана. Поверхностные морские течения тесно связаны с движениями атмосферного газа. В Мировом океане имеются и другие системы течений — придонные, приливно-отливные. Происходят также погружения и подъемы глубинных вод. Эти движения вод называют апвелингом. Одна десятая площади поверхности океана занята этими движениями. На поверхности раздела вод с разной плотностью возникают внутренние волны.

ОБРАЗОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Возраст Земли — 4,6±0,005 миллиарда лет. Его определяют весьма точным радиоизотопным методом по возрасту падающих на поверхность Земли метеоритов. Метеориты стали бомбардировать поверхность Земли сразу же после ее образования.

Долгое время считалось, что Земля в свое время была полностью расплавленной. Но сейчас ученые уверены, что этого никогда не было, поскольку никаких следов этого не обнаружено. Следами должны были бы быть мощные древнейшие отложения карбонатных осадков, которые должны были выпадать из атмосферы. Кроме того, из раскаленной атмосферы расплавленной Земли должны были улетучиться благородные газы. Но этого не произошло. Видимо, на то, чтобы расплавить Землю, не хватило тепла. Оно поступало за счет ударов метеоритов, а также за счет радиоактивного распада и движения вещества внутри планеты в вертикальном направлении. При этом более тяжелое вещество опускается вниз к центру планеты, а более легкое всплывает вверх. При таком движении выделяется энергия, превращающаяся в тепло. Энергии всех этих источников хватило только для разогревания внутренней части Земли, а также для того, чтобы расплавить ее поверхностный слой. Из этого слоя, то есть из верхней мантии Земли, вырывалась вулканическая лава. Она формировала земную кору. Первоначально образовавшаяся мантия была однородной. Но затем она постепенно стала разделяться на легкоплавкую и тугоплавкую части. Первая часть состояла в основном из базальтов, в которых были растворены газы и вода. Эта более легкая часть мантии поднималась вверх к поверхности Земли. Затем она через жерла вулканов и трещины разломов изливалась на поверхность. При этом выбрасывались газы и вода в виде пара. Из этих газов и воды затем образовалась атмосфера Земли и Мировой океан.

Через вулканы и сейчас интенсивно выбрасывается вещество. Оценено, что в год таким путем выбрасывается 3 х 10¹⁵ грамм вещества. Это вещество и создало земную кору.

Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН₄), аммиак (NH₃), азот и другие газы. Из них и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-первых, она была очень тонкой. Во-вторых, у поверхности Земли ее температура была равна примерно 5 °C. В условиях такой (низкой) температуры водяной пар превращался в жидкую воду, и так постепенно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед (то есть криосфера).

Ученые установили, что первичная атмосфера Земли состояла наполовину из метана. 35 % приходилось на углекислый газ и 11 % на азот. Кроме того, она содержала пары воды и другие газы. Кислорода в то время в атмосфере вообще не было. В атмосферу вместе с вулканическими газами попадали кислые дымы. Это соединения водорода с хлором, фтором и бромом. Они растворялись в каплях воды, которая была в облаках, и выпадали в виде дождя слабых кислот на поверхность Земли. Такой же путь прошли соединения серы и аммиак. Появились кислотные ручьи и реки, текущие по базальтам. При этом из пород базальтов извлекались щелочные и щелочноземельные металлы. Это калий, натрий, кальций, магний и другие. Извлекалось и железо.

Процесс, как говорится, пошел, и масса атмосферы быстро увеличивалась. Из атмосферы интенсивно вымывались хорошо растворимые и активные газы. И в ней стало увеличиваться содержание газов, которые обладают парниковым эффектом. Поэтому температура у поверхности Земли стала расти. Это способствовало увеличению облачного покрова и содержания пара в атмосфере. Под действием солнечного излучения из молекул воды на верхней границе атмосферы стал выделяться кислород. Стало возможным окисление активных газов атмосферы. Аммиак, метан и другие газы растворились в водах Мирового океана. В результате растворения в воде углекислого газа образовывались бикарбонатные и карбонатные ионы. Они связывались с кальцием и, выпадая в осадок, образовывали слои карбонатов. Так значительная часть газообразного вещества, совершив кругооборот, вновь возвращалась к земной коре в виде отложений.

Например, в земную кору вернулось 80 % углекислоты, которая из недр Земли поступила в атмосферу. Поэтому можно сказать, что земная кора формировалась и за счет взаимодействия океана и атмосферы.

Если бы первичная атмосфера содержала кислород, то жизнь в таких условиях не могла бы возникнуть. Дело в том, что в таких условиях первичные органические вещества были бы кислородом окислены тут же и окиси превратились бы в неорганические.

Первичный океан состоял из воды с резко выраженной кислой реакцией. Эта вода представляла собой смесь разбавленных кислот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. По мере связывания металлов и образования солей кислотность воды в океане понижалась. Таким образом, ни на суше, ни в морях и океанах в то время пресной воды не было.

Что касается суши, то в первоначальный период она занимала большую часть поверхности Земли, чем сейчас. Она представляла собой оголенный грунт, который сформировался вулканическими отложениями — базальтами, туфами, вулканическими бомбами. В то время на суше и на море дышали огнем цепи вулканов. Многие участки поверхности Земли были усыпаны метеоритными кратерами. Поверхность суши была покрыта узором срединно-океанических хребтов. По осям они были разбиты рифтовыми долинами — провалами с крутыми стенками. На дне этих провалов практически не было земной коры. Из этих мест вытекала раскаленная лава, били фонтаны горячих минерализованных гейзеров, дымились выбросы газов. Такие гигантские трещины опоясывали весь земной шар. Они разделяли земную кору на несколько гигантских плит. Эти плиты перемещались, наползали друг на друга и расходились. В тех случаях, когда одна плита подвигалась под другую, формировались горные поднятия. При этом нижняя плита погружалась в недра и частично снова переплавлялась. В этих местах создавалась более мощная и более легкая континентальная земная кора.

Такая первичная климатическая система (атмосфера — океан — суша — криосфера) просуществовала примерно один миллиард лет. Она существенно изменилась после того, как на Земле зародилась жизнь. Вернее, не зародилась, а приняла определенные формы. Дело в том, что жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама Земля. Это подтверждают факты.

Так, в Гренландии были найдены образцы кварцитов, возраст которых составлял 3,8 миллиарда лет. Это древнейшие из пород, обнаруженные на Земле. Исследования показали, что в тончайших средах кварцитов, из которых сложены древнейшие породы, имеются шарообразные и удлиненные пустоты. Их наблюдали под микроскопом. В этих пустотах были обнаружены фрагменты стенок, которые имели явные признаки принадлежности к одноклеточным организмам. Значит, жизнь на Земле начала развиваться задолго до этого. К тому моменту (3,8 миллиарда лет назад) она успела уже пройти стадию доклеточного формирования, а также стадию перехода от органического вещества к живому существу.

Атмосфера Земли стала принципиально меняться с момента появления микроскопических водорослей, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды. При этом выделялся свободный кислород. Все это было возможным под действием солнечного света. Ультрафиолетовое излучение Солнца в наше время задерживается атмосферой. При том составе атмосферы оно проходило беспрепятственно к земной поверхности. Поэтому первые организмы смогли сохранить свою жизнь только в воде на такой глубине, куда ультрафиолет не проникал. Как известно, именно озон, которому посвящена данная книга, задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца и сохраняет нам и всему живому жизнь. Разрушив озонный слой, мы рискуем загнать жизнь глубоко в воды Мирового океана.

Озон образуется из кислорода. А кислорода в первоначальной атмосфере не было. Поэтому не было и озонного слоя. Кислород в атмосферу стали поставлять микроорганизмы, похожие на современные сине-зеленые водоросли. С началом их возникновения атмосфера начала кардинально меняться. Это произошло примерно 3 миллиарда лет назад.

Вначале образующийся кислород расходовался на окисление атмосферных и растворенных в океане активных газов — метана, сероводорода, аммиака, а также серы. Молекулярный азот образовался в процессе окисления аммиака, растворенного в океане. Образованный молекулярный азот явился источником азота в современной атмосфере. Количество кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Окислительные процессы привели к появлению сульфатных осадков — гипсов.

Примерно полтора миллиарда лет назад в атмосфере создалось кислорода около 1 % от нынешнего его содержания. Поэтому стало возможным возникновение организмов, которые при дыхании перешли к окислению. Это аэробные организмы (аэро — воздух). При таком способе дыхания высвобождается значительно больше энергии, чем при анаэробном брожении. В это время в атмосфере начинает формироваться озонный слой. Он задерживает часть ультрафиолетового излучения, и жизнь в океане и водоемах поднимается ближе к поверхности. Водный слой толщиной в один метр надежно защищал живые организмы от ультрафиолетового излучения.

Содержание кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Примерно 600 миллионов лет назад оно составляло десятую часть от нынешнего. Поэтому озонный слой увеличивался. Это усиливало защиту жизни от ультрафиолета. И действительно, примерно с этого времени начался настоящий взрыв жизни. Вскоре на сушу вышли первые самые примитивные растения, что способствовало более быстрому увеличению количества кислорода. Через какое-то время оно достигло современного уровня. Есть мнение, что его было и еще больше. Но оно стало постепенно уменьшаться. Не исключено, что этот процесс уменьшения кислорода в атмосфере продолжается и в наше время. Изменение количества кислорода в атмосфере обязательно вызовет изменение количества углекислого газа.

Океан также менялся. Изменялся его состав. Находящийся в воде аммиак окислялся. Изменились также формы миграции железа. Сера была окислена в окись серы. Из хлористо-сульфитной вода стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. Большое количество кислорода оказалось растворенным в воде океана. Там его стало в 1000 раз больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса воды океана продолжала расти. Но этот рост замедлился по сравнению с первыми этапами. Изменение во времени массы воды показано на рис. 3. Это привело к затоплению срединноокеанических хребтов. Эти хребты в Мировом океане были открыты только во второй половине нашего столетия.

На суше в это время происходили разительные перемены благодаря появлению растительности. Это существенно изменило отражательные свойства суши, а также режим увлажнения. Изменился характер испарения влаги, поскольку изменилась шероховатость земной поверхности, покрытой растительностью. По-другому стали протекать процессы выветривания и формирования осадочных пород.

Поверхность Земли, занятая ледниками, сильно менялась. Она то сильно увеличивалась, то уменьшалась.

Так в конце концов сформировалась климатическая система. Очень большую роль в этом сыграл фактор жизни. Об этом свидетельствуют такие факты. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды, которая равна всей гидросфере. Примерно за 4 тысячи лет обновляется весь кислород атмосферы, а всего за 6–7 лет поглощается вся углекислота атмосферы. Это значит, что за все время развития биосферы вся вода Мирового океана прошла через ее организмы не менее 300 раз. Кислород за это время возобновлялся не менее одного миллиона раз.

Современная климатическая система выглядит следующим образом. Атмосфера имеет массу, равную 5,3 × 10²¹ г. Она состоит из молекулярных азота и кислорода, аргона, углекислого газа, неона, гелия и метана. Основная масса атмосферы сосредоточена в нижних слоях. Половина массы находится в толще высотой 5 километров, 2/3 — в тропосфере, а в двухкилометровой толще находится 9/10 всей массы.

Основное влияние на климатические условия различных районов и всей Земли оказывают процессы в тропосфере. Это поглощение солнечной радиации, формирование потока теплового излучения в инфракрасной (длинноволновой) области спектра, общая циркуляция атмосферы, влагооборот, который связан с образованием облаков и выпадением осадков. Важны и химические реакции. Движение воздушных масс и развитие циркуляции в глобальном масштабе связано с тем, что на разных широтах (в тропическом поясе, полярных и умеренных широтах) земная атмосфера получает разное количество солнечной энергии. В тропиках идет отток теплого воздуха вверх от земной поверхности и по направлению к полюсам. В полярных районах из-за охлаждения воздуха он устремляется вниз к поверхности Земли и движется затем в сторону экватора. Так образуются ячейки Гадлея. Но эти ячейки не являются устойчивыми. Прежде всего из-за вращения Земли, которое приводит к тому, что в умеренных широтах воздух при движении от экватора поворачивает на запад и так образует западный перенос. Так образуются циклоны и антициклоны. Они захватывают теплые массы воздуха на юге и холодные на севере и дальше продолжают движение, вращаясь против часовой стрелки (антициклоны) или по часовой стрелке (циклоны). Размер атмосферных вихрей составляет около 5000 километров в поперечнике. Такими вихрями переносится тепло между полюсами и экватором.

Всю совокупность крупномасштабных движений в атмосфере называют общей циркулярной атмосферы. Она весьма сложная.

Стратосфера также оказывает влияние на формирование климата. В стратосфере находится слой аэрозолей — мельчайших твердых и жидких частиц, которые изменяют поток солнечного излучения, частично поглощая и рассеивая его. В стратосфере находится и озонный слой.

ПОЧЕМУ МЕНЯЛСЯ КЛИМАТ?

Точно на этот вопрос мы ответить не можем. Но существует много гипотез и суждений, которые рассматривают различные возможные причины такого изменения. Все гипотезы о причинах наступления эпох оледенения можно поделить на две группы. Одни из них пытаются объяснить этот факт причинами, которые находятся вне Земли. Это естественно, поскольку основной источник энергии, тепла, от которого зависит климат, находится вне Земли. Это Солнце. Эти гипотезы исходят из того, что поток солнечной энергии мог почему-то существенно меняться. Поэтому менялось и количество тепла, которое получала от Солнца Земля.

Почему Солнце может (могло) менять присылаемую на Землю энергию? Во-первых, нельзя исключить, что процессы внутри Солнца протекают с определенной периодичностью, причем длительность этих периодов составляет сотни миллионов лет. Почему бы и нет? Меняется же активность Солнца с периодами в 11, 22, 33, 90, 200, 600, 2000 лет. От уровня солнечной активности зависит количество энергии, которую посылает Солнце в околосолнечное пространство в виде солнечных заряженных частиц. Почему не может быть такой (но с более продолжительным периодом) периодичности в изменении энергии, которую посылает Солнце в околосолнечное пространство в виде волнового излучения — видимого света, рентгеновского и ультрафиолетового излучения? Исключить такую возможность никак нельзя.

Но причину уменьшения энергии, которая проходит к Земле от Солнца, можно искать и вне Солнца. Можно рассуждать так: Солнце излучает все время одинаково. Но периодически попадает в некую черную (пыльную) полосу, и в результате часть энергии рассеивается и до Земли не доходит. Возможно и такое, но это менее вероятно и менее обосновано, чем предположение о периодических процессах внутри Солнца. Тем более, что такие процессы с меньшими периодами налицо. Но они касаются изменчивости солнечной энергии, которая переносится солнечными заряженными частицами. Специалисты-солнечники считают, что за время существования Земли, то есть за 4,6 миллиарда лет, светимость Солнца монотонно увеличивалась, не проявляя колебательных изменений. За все время это возрастание составило примерно 25–30 % первоначальной величины. В это сейчас все верят, хотя ясно, что столь существенное (на одну треть) увеличение энергии, которую Земля получает от Солнца, не должно было остаться без последствий — Земля должна была с течением времени нагреваться все больше и больше. Нетрудно рассчитать, что если приходящая от Солнца к Земле энергия увеличится на 1 %, то это должно вызвать увеличение средней температуры у поверхности Земли на 1 °C. Это значит, что если светимость Солнца увеличилась за всю историю Земли на 30 %, то ее средняя температура должна была за это время возрасти на 30 °C. Но этого не произошло.

Что же касается пыли, в облако которой попадает Земля и экранируется от солнечной энергии, то эта пыль могла бы появиться в результате прохождения кометы на очень близком расстоянии от Земли. Из хвоста кометы должна посыпаться пыль. Что касается комет, то достаточное количество их проходит на разных удалениях от Земли. Ежегодно 5 комет проходит на расстоянии от Земли, которое равно удалению Солнца от Земли. Это расстояние принято за единицу длины и называется астрономической единицей. Применяя законы теории вероятностей, можно получить, что у всего этого сонма пролетающих за миллионы лет комет один раз примерно в сто миллионов лет комета пронесется мимо Земли так близко, что сильно запылит ее окрестности, прежде всего ее атмосферу. Если эта пыль находится в погодном слое атмосферы (то есть под облаками), то дождями и вообще осадками она достаточно быстро вымывается из атмосферы и осядет на поверхности Земли, после чего больше не будет влиять на поток энергии, приходящий к Земле от Солнца.

Вторая группа гипотез ищет причину оледенений — не в изменении потока солнечной энергии, которая достигает Земли, а в разной усвояемости этой энергии Землей. Идея состоит в том, что почему-то время от времени в околоземном пространстве (в атмосфере Земли) создаются такие условия, при которых солнечная энергия утилизируется значительно хуже и температура существенно понижается. Причину такого изменения усвояемости энергии можно искать только в атмосфере, где происходит сортировка солнечной энергии: часть энергии атмосфера отсылает обратно в космос, часть пропускает к поверхности Земли нетронутой, а часть потребляет сама, прежде всего для собственного обогрева, а точнее нагрева. Но эта способность атмосферы зависит от ее состава, а состав атмосферы Земли за всю ее историю изменялся весьма радикально. Не все составляющие атмосферы играют одинаковую роль в смысле перераспределения солнечной энергии. Важную роль в этом отношении играет углекислый газ СО₂, хотя его абсолютное количество в атмосфере ничтожно мало — всего 0,03 % объема.

Углекислый газ в атмосфере работает как пленка на теплице по принципу: впускать, но не выпускать. Приходящие к поверхности Земли солнечные лучи проходят атмосферу беспрепятственно. Это свет. Конечно, часть его рассеивается из-за мутности атмосферы. Световая энергия частично поглощается и нагревает Землю. Часть солнечной энергии отражается земной поверхностью (сушей и водной поверхностью) обратно в атмосферу и далее в космос. Нагретая Земля, как и любое нагретое тело, начинает излучать. Но получив световую энергию, она излучает тепловую. Это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Это излучение, уходящее от Земли, и задерживает СО₂. Если бы СО₂ в атмосфере не оказалось, то средняя температура на поверхности очень существенно снизилась бы. При этом на Земле наступили бы условия эпохи оледенения.

Из сказанного выше ясно, откуда у нас столь повышенный интерес к СО₂ в атмосфере. Ведь углекислый газ в атмосфере может не только уменьшиться, что угрожает нам ледниками, но и увеличиться, что угрожает нам затоплением, поскольку при сильном потеплении начнут таять ледовые шапки на полюсах. И то и другое плохо. СО₂ лучше не трогать. Но как обеспечить его стабильность? Откуда он берется? Основная масса углекислого газа находится в океане. Его там в 50 раз больше, чем в атмосфере. Поставляет углекислый газ в атмосферу и биосфера. Но самое большое его количество скрыто в земной коре. Он вырывается оттуда время от времени вместе с вулканическими извержениями. Ясно, что в настоящее время установилось некоторое, хотя и весьма хрупкое, равновесие между всеми источниками углекислого газа. Если такое равновесие нарушается, то количество СО₂ в атмосфере должно измениться со всеми вытекающими отсюда последствиями. При этом неизбежно на Земле произойдет изменение климата.

Нельзя исключить, что в прошлом количество углекислого газа в атмосфере изменялось так, что это вызывало сильное похолодание, оледенение. Можно представить себе такую последовательность событий. Биосфера Земли развивалась таким образом. что постепенно утилизировала («съедала») всю углекислоту. Вернее, она ее переводила в такие формы, которые не восстанавливали количество углекислого газа в атмосфере. Например, углекислота трансформировалась в отложения карбонатов, угля и других пород органического происхождения, которые содержат углерод. Если так происходило, то наступала эпоха оледенения. Условия для биосферы становились неблагоприятными, и биомасса постепенно сокращалась. Сокращались и ее потребности в углекислом газе. Значит, он стал снова постепенно накапливаться в атмосфере, которая поэтому получила возможность утилизировать солнечную энергию. А дальше все снова, через 100 миллионов лет повторялось. Это своего рода естественные качели. Правда, при таком развитии событий период качания не обязательно должен быть постоянным. Наоборот, более естественно, что он должен изменяться. И действительно, специалисты считают, что в продолжении фанерозоя (то есть периода жизни) основным регулятором количества в атмосфере кислорода и углекислого газа была именно биосфера. Ведущая роль в этом принадлежит биомассе океанов.

По скорости образования углеродсодержащих отложений на континентах можно рассчитать, как изменялся во времени химический состав атмосферы в фанерозое. Оказалось, что за последние 600 миллионов лет было несколько всплесков увеличения количества кислорода и углекислого газа в атмосфере Земли. Более того, периоды повышенного количества СО₂ достаточно хорошо совпадают с периодами теплых эпох, а периоды уменьшения количества СО₂ с эпохами оледенений. Это показано на рис. 4. Любопытно, что изменения количества СО₂ не очень большие, тогда как результат от такого изменения в переменах климата — налицо. В проведенных расчетах принято, что количество СО₂ в атмосфере меняется в результате изменения вулканической активности. Сама вулканическая активность была определена по количеству вулканических пород за тот же период времени. Она также показана на этом рисунке (пунктирная кривая). Колебания вулканической активности согласуются с изменением количества углекислого газа. Это подтверждает правильность предположения о том, что в формировании всплесков увеличения количества СО₂ вулканическая активность играет определяющую роль. Логически получается, что теплые эпохи на Земле связаны с повышенной вулканической активностью, а нормальным климатом на Земле является как раз холодный климат в эпохи оледенения.

Вулканическая активность является результатом процессов термической (тепловой) конвекции в недрах Земли. Эти процессы, действительно, выявляют определенную периодичность, ритмичность. Теоретические исследования показывают, что длительные эпохи относительного покоя длятся 100–150 миллионов лет. В это время развивается оледенение. Эти эпохи покоя сменяются эпохами активности, которые известны как тектоно-магматические эпохи. Они длятся относительно недолго — обычно миллионы лет. Хотя некоторые совпадения во времени между периодами потепления и периодами вулканической активности имеются (это видно и на рис. 4), тем не менее считать это доказанным нельзя, поскольку нет полного соответствия между похолоданием — потеплением, с одной стороны, и процессами термической конвекции — с другой. Тут «работает» еще один механизм изменения теплового режима Земли. Когда уровень Мирового океана максимальный, то значительная часть суши оказывается под водой (до 40 % по сравнению с современной). Отражательная способность поверхности Земли уменьшается (вода хуже отражает свет, чем поверхность суши). Значит, энергии отражается меньше и она идет на нагрев вод океана, а также суши. Температура при этом повышается. Когда площадь суши увеличивается, то происходит обратное — больше солнечной энергии отражается и температура понижается.

Изменение уровня Мирового океана в течение фанерозоя показано на рис. 5. Видно, что уровень менялся на сотни метров. Столь продолжительные изменения глубины Мирового океана обусловлены процессами в недрах Земли, которые вызывают движение литосферных плит, а также изменения конфигурации, размеров и глубины океана. Те изменения уровня океана, которые обусловлены наступлением и отступлением ледников, имеют продолжительность в сотни и тысячи раз меньше.

Крупномасштабные изменения глубины Мирового океана, которые длятся сотни миллионов лет, обусловлены изменением скоростей приращения литосферных плит в районах рифтовых долин срединно-океанических хребтов. Дело в том, что при быстром раздвижении плит вновь образующаяся океаническая кора не успевает остывать и поэтому формирует «мелкий» океан. Поскольку количество воды неизменное, то часть ее должна выплеснуться на сушу и затопить ее. Когда же скорость приращения литосферных плит уменьшается, то образовавшаяся океаническая кора постепенно остывает и сжимается. Поэтому океан становится «глубоким». При этом воде хватает места в океане — она оставляет сушу.

Перемещение материков по поверхности Земли в составе литосферных плит также оказывает огромное влияние на изменения климата за продолжительные промежутки времени. Как известно, материки перемещаются, и современная их конфигурация и положение совсем не похожи на то, что было, скажем, 150 миллионов лет назад. Ясно, что со временем и нынешняя картина изменится.

Былое расположение материков можно восстановить по геофизическим данным. Легче всего это сделать для фанерозойского эона. Любопытно, что следы оледенения специалисты находят почти на всем протяжении Африки от северной до ее южной оконечности. Значит ли, что в былые времена ледники достигали даже экватора? Отнюдь нет. Не ледники достигали экватора, а сама Африка в какие-то периоды устремлялась от экватора навстречу ледникам. Кстати, ученые установили, что всегда в периоды оледенений один из материков должен находиться в районе полюса. Когда происходило замещение воды сушей (у полюса появлялся материк), то увеличивалась отражательная способность поверхности Земли, а значит, температура понижалась (происходило образование льдов). К тому же районы полюсов получают наименьшее количество солнечной энергии. Поэтому у полюсов осадки выпадают в виде снега. Весь снег не тает, из года в год он накапливается и превращается в лед. Так формируется около полюсов ледниковый покров — своего рода глобальный холодильник. Он и оказывает влияние на климат всей планеты.

Совсем по-другому развиваются события в том случае, если на полюсе оказывается не материк, а океан. Тогда ледниковый покров возникнуть не может. Поэтому у полюсов температура в теплую эпоху не должна быть ниже нуля градусов, а на экваторе не более 30 °C. В настоящее время у одного полюса — южного — находится материк (Антарктида), а у северного полюса — океан. Над океаном, в Арктике, в 3,5 раза теплее, чем над материком в Антарктике. Так выражается влияние океана у полюса.

История движения континентов такова, что то они вместе составляли один суперконтинент, то они расходились в разные стороны. Это просто не могло не вызывать изменения климата хотя бы уже потому, что менялась отражательная способность земной поверхности. Значит, менялось количество энергии, поглощаемой Землей, которая шла на нагрев. В одной из самых теплых эпох фанерозоя — в мезозое — единый суперконтинент — Пангея — располагался по обе стороны экватора. В результате средняя температура поверхности Земли была на 10 °C выше, чем сейчас.

Конвективное движение мантии может образовывать или одну конвективную ячейку, или две таких ячейки. Но обе эти структуры конвекции являются неустойчивыми, и одна переходит в другую. Ученые предполагают, что за все время существования Земли уже пять раз существовала одноячеистая структура конвекции. При такой структуре конвекции все материки объединяются в один суперматерик, который затем при переходе к двухячеистой структуре раскалывается на части. Эти отдельные материки дрейфуют в сторону вновь возникших нисходящих потоков в мантии. Самая большая тектоно-магматическая активность Земли имеет место в эпохи установления одноячеистой конвекции. В моменты перехода от одноячеистой структуры к двухячеистой эта активность минимальна. В периоды, когда установится двухячеистая структура, активность занимает промежуточное положение.

В эпохи повышенной тектоно-магматической активности происходит горообразование и общее повышение суши. Это ведет к тому, что степень усвоения солнечного излучения уменьшается. В результате температура понижается. Так ученые пытаются объяснить наступление эпох оледенения. Но это только еще одна гипотеза.

В настоящее время не вызывает сомнения одно — формирование эпох оледенения и потепления связано с процессами перестройки активности недр Земли. Эти процессы на поверхности Земли выражаются как движение литосферных плит с ускорением или замедлением скоростей приращения, как развитие вулканизма и горообразования, как объединение и разъединение континентов, как изменение площади и глубины океанов и, наконец, как изменения состава атмосферы и эволюционное развитие биосферы. Движущейся силой в данном случае вступает активность недр Земли. Усиливаясь или ослабляясь, эта активность вызывала изменение способности климатической системы усваивать солнечное излучение.

ВЛИЯНИЕ НА КЛИМАТ ДВИЖЕНИЯ ЗЕМЛИ

Климат на Земле зависит от количества той энергии, которую Земля получает от Солнца. Примером являются сезонные изменения погоды. Сезонные изменения на Земле вызваны тем, что Земля по-разному подставлена под солнечные лучи. Для того, чтобы солнечная энергия лучше всего была воспринята данной поверхностью, надо, чтобы эта поверхность была перпендикулярна солнечным лучам. Те места на Земле, которые перпендикулярны солнечным лучам (или почти перпендикулярны), получают больше всего солнечной энергии. Ясно, что они располагаются вблизи экватора, в экваториальном поясе Земли. Они смещаются от экватора к северу или к югу в зависимости от того положения, которое занимает Земля при своем движении вокруг Солнца.

Но количество солнечной энергии меняется не только с сезоном. Поступающая к Земле энергия от Солнца зависит от угла наклона солнечных лучей по отношению к поверхности Земли и от расстояния Земли от Солнца. На самом Солнце (и в его недрах) происходят процессы, в результате которых меняется солнечная энергия. Значит, от этих процессов зависит и величина той энергии, которую Земля получает от Солнца. Эти процессы на Солнце определяют его активность, солнечную активность.

Значит, если мы хотим разобраться в том, почему меняется климат, или, другими словами, почему меняется поступающая от Солнца к Земле энергия, то должны проанализировать, как меняется во времени расстояние от Земли до Солнца, как Земля подставлена под солнечные лучи и какова активность самого Солнца. Прежде всего надо иметь в виду, что земная орбита меняется периодически. Все планеты Солнечной системы движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Но сами эти эллипсы не остаются постоянными, неизменными. Так, эллипс, по которому движется Земля вокруг Солнца, периодически меняется. Меняется эксцентриситет этого эллипса — земной орбиты. Это значит, что при движении вокруг Солнца расстояние Земли от Солнца меняется еще и потому, что меняется форма самого эллипса. Другими словами можно сказать, что траектория Земли вокруг Солнца становится время от времени более вытянутой. Такое положение повторяется с определенными периодами: 90 — 100 тысяч лет, 425 тысяч лет и 120 тысяч лет. Это значит, что с такими периодами меняется удаление Земли от Солнца. А поступающая к Земле от Солнца энергия зависит от этого удаления, она обратно пропорциональна квадрату расстояния от Земли до Солнца. Это значит, что если это расстояние увеличилось бы вдвое, то энергия уменьшилась бы в четыре раза. Ученые рассчитали, как менялась орбита Земли за 30 миллионов лет в прошлом и как она будет меняться в течение одного миллиона лет в будущем. В этих расчетах и были установлены приведенные выше периоды изменения эксцентриситета эллипса — орбиты Земли.

Как должен меняться климат на Земле в результате того, что эллиптическая траектория Земли то вытягивается, то сокращается, то есть в результате изменения эллиптичности орбиты Земли? Если бы климат на Земле менялся только из-за изменения эллиптичности орбиты Земли, то в северном полушарии зимой летние сезоны должны были бы быть более длинными и прохладными. В южном полушарии летние сезоны должны были бы быть более короткими и теплыми, а зимы — холодными и более длинными. Когда земной эллипс вытягивается максимально, сезонные контрасты должны увеличиваться. Такие условия были примерно 20 тысяч лет назад, когда земной эллипс был максимально вытянут. Такая ситуация повторяется примерно через 90 — 100 тысяч лет. Сейчас же орбита Земли медленно приближается к своей наименьшей эллиптичности, то есть она больше будет похожа на окружность, чем на эллипс. И различия условий летом и зимой постепенно уменьшаются.

Изменение эллиптичности орбиты Земли за последние полмиллиона лет показано на рис. 6. Степень вытянутости эллипса (орбиты Земли) характеризуется величиной, которая была названа эксцентриситетом. Чем больше эта величина, тем более вытянут эллипс. Как известно, эллипс в отличие от окружности имеет два центра. Чем дальше они удалены друг от друга, тем эллипс более вытянут. Если оба центра эллипса сближаются постепенно так, что совпадают друг с другом, то эллипс превращается в окружность. Сейчас происходит приближение центров земного эллипса. Это значит, что эллиптическая орбита Земли все больше и больше приближается к форме окружности. По этой причине (это одна из причин) климат на Земле холодает. Из рисунка ясно, что мы постепенно приближаемся к новой ледниковой эпохе.

Однако положение Земли относительно Солнца меняется не только из-за изменения вытянутости земной орбиты. Одновременно меняются и другие характеристики движения Земли и ее положения в пространстве относительно солнечных лучей.

Плоскость, в которой находится траектория Земли, то есть в которой Земля движется вокруг Солнца, не совпадает с плоскостью экватора Земли. Другими словами, ось вращения Земли не является перпендикулярной плоскости, в которой Земля движется, плоскости эклиптики. Это наглядно показано на рис. 7. Собственно, именно поэтому на Земле и существуют сезоны — зима, весна, лето и осень. Но это не все. Оказывается, что наклон оси вращения Земли не остается постоянным. Он все время меняется. Но не произвольно, а по определенному закону. Изменения наклона оси вращения Земли происходят таким образом, что через определенное время все повторяется, возвращается на круги своя. Это время равно 41 тысяче лет. Скажется ли это на климате Земли? Обязательно. Точно так же, как наклон оси вращения Земли. Он является причиной сезонного изменения погоды и климата. Разница только в том, что сезонные изменения видны быстро, за какие-то один-два месяца. А изменения климата, обусловленные изменением этого наклона, скажутся за более продолжительное время — за тысячи лет. Весь круг изменений замыкается по истечении 41 тысячи лет. Затем все повторяется.

Если мы хотим оценить, как эти изменения наклона оси Земли скажутся на изменении климата, мы должны знать, насколько значительны эти изменения наклона. Ученые рассчитали их на многие миллионы лет назад и вперед. Часть этих результатов (за последние 500 тысяч лет) показана на рис. 7. Из рисунка ясно видна периодичность изменения наклона оси Земли. Период равен примерно 41 тысяче лет. Эти изменения почти в два с половиной раза происходят быстрее, чем изменения вытянутости эллиптической орбиты Земли. Это видно из сравнения рис. 6 и 7. Как видно из рис. 7, изменения угла наклона оси Земли весьма ощутимые. В течение полупериода (20 тысяч лет) этот угол меняется примерно на 2,6^о. Таковы законы механики, согласно которым вращающееся тело меняет угол наклона оси вращения в том случае, если ось вращения тела не перпендикулярна плоскости движения тела. В этом вы можете убедиться с помощью детской игрушки юлы, раскрутив ее так, чтобы ее ось была наклонена относительно поверхности пола или стола. Понаблюдайте за ее движением и за какие-то минуты увидите то, что происходит с Землей за десятки тысяч лет.

Какие же изменения климата должны вызвать периодические изменения угла наклона оси вращения Земли? Ученые исследовали этот вопрос и пришли к следующему заключению. Когда угол наклона оси вращения Земли максимальный (это было 8 — 10 тысяч лет назад), то климат должен быть теплым. Именно 8 — 10 тысяч лет назад это и наблюдалось на Земле. Это было золотое время земного климата — время «климатического оптимума», по терминологии ученых. Мы постепенно движемся к моменту, когда угол наклона оси Земли станет минимальным. Этот момент наступит примерно через 20 тысяч лет. Из простой логики следует, что чем меньше угол наклона оси Земли, тем меньше разница между сезонами. Если бы этот угол стал равным нулю, то есть если бы ось Земли была строго перпендикулярной плоскости траектории Земли, то сезоны исчезли бы вообще. Поэтому от года к году разница между сезонами должна постепенно уменьшаться. И так в течение 20 тысяч лет. В конце этого периода она станет минимальной. После этого все начинается сначала. Угол наклона оси Земли будет расти, а разница между сезонами будет также увеличиваться. Это значит, что будет увеличиваться разница между энергиями, которые получают от Солнца северное и южное полушария. Надо обратить внимание на то, что изменения в энергии за счет изменения угла наклона оси Земли одинаковы по величине в обеих полушариях — северном и южном. В первом случае, когда мы рассматривали влияние на климат вытянутости эллиптической орбиты Земли, это влияние в северном полушарии отличалось от такого же влияния в южном полушарии. Это важно, поскольку климат меняется не только потому, что Земля в целом получает меньше или больше энергии от Солнца, но и потому, что эта энергия по-разному распределена по всей земной поверхности. Изменяя места максимального и минимального нагрева атмосферы и земной поверхности, вы тем самым изменяете характер и интенсивность атмосферной циркуляции, то есть меняете погоду и климат. Поэтому обязательно надо знать, как именно распределена по поверхности Земли поступающая от Солнца энергия. Без этого вы не сможете установить характер климата и его изменения.

Специалисты оценили, насколько важными для климата являются изменения угла наклона оси вращения Земли. Они получили, что средняя энергия солнечного излучения — инсоляция (от слова solar — солнечный) — летом на широте 45° изменяется на 1,2 % на каждый градус изменения угла наклона оси Земли. При изменении угла наклона от среднего значения на 2,6° (амплитуда изменения угла наклона оси Земли) инсоляция изменится на 3 %. Именно такие изменения угла наклона имели место за последние 500 тысяч лет. Эти изменения инсоляции зависят очень сильно от широты места на Земле. Если мы сдвинемся на север от 45° на 20°, то инсоляция (при изменении угла наклона на один градус) изменится уже не на 1,2 %, а на 2,5 %. При амплитуде изменения угла наклона оси Земли в 2,6° амплитуда изменения инсоляции на 65° составит уже 6,5 %. А это немало. Такие изменения поступающей солнечной энергии атмосфера Земли не может не почувствовать. Поэтому, когда угол наклона земной оси максимальный, околополярные области нагреваются больше и ледники должны отступать. Средние и низкие широты также нагреваются, но в меньшей мере. Когда же угол наклона земной оси уменьшается, ледники должны наступать, поскольку полярные области недополучают весомую часть причитающейся им энергии. Энергетические убытки при этом средних и экваториальных широт меньше. Как мы уже говорили, в настоящее время угол наклона оси Земли постепенно уменьшается, в результате чего различие между летом и зимой уменьшается. Но не только это. Грядет похолодание и наступление ледников.

Положение Земли относительно Солнца меняется и вследствие прецессии орбиты Земли. Эффект прецессии проявляется с периодом в 21 тысячу лет. Характерно для него то, что он проявляется одинаково (в одной фазе) в северном и южном полушариях. Кроме того, этот эффект не зависит от широты. В настоящее время Земля и Солнце ближе всего находятся друг от друга в январе, когда в южном полушарии в разгаре лето. Но 10 тысяч лет назад такое расположение Земли и Солнца друг относительно друга имело место в июле, то есть когда было лето в северном полушарии. Еще через 10–11 тысяч лет все вернется к начальному состоянию — Земля и Солнце будут ближе друг к другу в январе. А дальше все будет повторяться с периодом в 21 тысячу лет.

Но раз меняется расстояние между Землей и Солнцем, то неизбежно меняется и поступающая от Солнца к Земле энергия. А это не может не сказаться на изменении климата (с периодом 21 тысяча лет). Какие изменения климата это вызовет? Через 10–11 тысяч лет, когда минимальное расстояние между Землей и Солнцем будет в июле, следует ожидать, что лето в южном полушарии и зима в северном полушарии будут холоднее, чем сейчас. В то же время зима в южном полушарии и лето в северном полушарии станут теплее, чем сейчас. Как изменялась прецессия земной орбиты за последние 500 тысяч лет показано, на рис. 8.

Мы уже говорили, как меняется солнечная энергия, приходящая к Земле (инсоляция) за счет изменения угла наклона оси Земли. Ясно, что надо к этим изменениям добавить и те, что обусловлены изменением вытянутости эллиптической орбиты Земли, а также за счет существования прецессии орбиты Земли. Специалисты оценили изменение инсоляции за последние 500 тысяч лет за счет всех трех указанных изменений в положении Земли относительно Солнца. Расчеты были проведены для трех широт на Земле — 75°, 55° и 65° северного полушария. Результаты расчетов оказались на редкость интересными. Они показали, что чередование ледниковых и межледниковых эпох удивительно хорошо согласуется с теми периодами, с которыми происходит изменение вытянутости эллиптической орбиты Земли, изменение угла наклона оси вращения Земли, а также прецессии. Когда были сложены вместе изменения солнечной энергии, получаемой Землей, которые происходят за счет указанных трех эффектов, то оказалось, что они составляют примерно 5 %, если отсчет ведется от средних летних значений. Климатологи знают, что это отнюдь не мало.

Таких изменений энергии вполне достаточно для того, чтобы перевести климат Земли из состояния «климатического оптимума» (когда был рай на Земле) в состояние ледникового оцепенения. Климатологи утверждают, что изменениями инсоляции такой величины (5 %) можно вполне объяснить изменение климата на Земле за последний миллион лет. Все они сходятся на том, что достаточно изменить поступление солнечной энергии на несколько процентов (но это должно происходить длительное время) для того, чтобы на Земле наступила эпоха крупного оледенения. То же самое можно проделать и в обратном порядке — увеличить солнечную энергию на несколько процентов и освободить Землю от ледников. Это наглядно подтверждается данными, представленными на рис. 9. Там приведены изменения инсоляции за последние 500 тысяч лет. Период увеличения солнечной энергии (инсоляции) четко совпадает с периодом климатического оптимума, который имел место 8 — 10 тысяч лет назад. Период уменьшения инсоляции совпадает с последним ледниковым периодом. Но не только эти периоды совпадают. И другие эпохи потепления и похолодания климата в прошлом совпадают с периодами увеличения и уменьшения инсоляции соответственно. Ученые рассчитали, что через 11 тысяч лет инсоляция уменьшится по сравнению с современной примерно на 5 %. Это значит, что Земля окажется в ледниковом периоде.

Выше мы говорили о климате на всей Земле, о глобальном климате. Но надо иметь в виду, что за счет описанных эффектов меняется не только общая величина поступающей к Земле солнечной энергии. Меняется и характер распределения этой энергии по всей поверхности Земли. А это обязательно вызовет изменение широтных контрастов температуры. Ясно, что в результате этого изменится характер циркуляции атмосферы. Все это обязательно надо учитывать при проведении расчетов, хотя сделать это очень непросто. Иначе не следует требовать от результатов расчетов аптекарской точности. Преувеличение значения модельных расчетов чревато неправильным представлением об исследуемых процессах.

В заключение рассмотрения этого вопроса завяжем узелок на память: сейчас Земля находится в фазе межледниковья и приближается к очередной эпохе оледенения со средней скоростью уменьшения инсоляции порядка 0,2–0,4 % за одну тысячу лет.

ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА КЛИМАТ

Мы рассмотрели, как меняется поступающая к Земле солнечная энергия за счет движения нашей планеты. Но она меняется и потому, что Солнце излучает разное количество энергии в разное время. Это зависит от его активности. Мы описали эту проблему в книге «Космос и погода». Дело в том, что большинство наших отечественных метеорологов и климатологов стараются это влияние не замечать, хотя им все труднее и труднее оправдывать свою консервативную позицию. В книге «Космос и погода» мы показали, что погода на Земле радикально меняется каждый раз, когда наша планета при своем движении вокруг Солнца пересекает границу секторов межпланетного магнитного поля, в которых магнитное поле направлено противоположно. На рис. 10 показано изменение солнечной активности, начиная с 1755 года. Солнечная активность выражена в числах Вольфа. Из рисунка видно, что периоду «климатического оптимума» в X–XIII веках (1100–1250) соответствовал максимум чисел Вольфа. Другими словами, когда Солнце было наиболее активно и излучало наибольшее количество энергии, на Земле был климатический рай (климатический оптимум). Когда же солнечная активность была на очень низком уровне (в 1450–1700), на Земле был малый ледниковый период. В пределах этого периода были два интервала с чрезмерно низкой солнечной активностью. Это 1460–1550 годы и 1645–1715 годы. Первый называют минимумом солнечной активности Спорера, ученого, который детально его исследовал. Второй называют минимумом Маундера, который много писал об этом периоде (исследовали его другие ученые). В оба эти периода с чрезвычайно низкой солнечной активностью на Земле наблюдался наиболее холодный климат даже по сравнению с климатом в другие годы малого ледникового периода. Кстати, похолодание в 1812–1921 годы также четко совпадает с минимумом солнечных пятен.

Сопоставляя данные об изменении климата и об изменении солнечной активности, не надо искать точного совпадения тех и других изменений. Пришедшая от Солнца энергия не может в один миг сдвинуть огромные ледники, растопить их и нагреть воды Мирового океана. Все происходит постепенно. Эффект от изменения приходящей солнечной энергии или от ее дефицита накапливается и затем прорывается при достижении определенной фазы. Что же касается ледников, то они действительно двигаются не по команде. В каждом регионе свои условия, которые влияют как на зарождение и рост ледников, так и на их полное или частичное исчезновение. Так, максимум наступления альпийских ледников приходится на 1760–1790 годы. В горах Кебнекайсе в Северной Швейцарии ледники были наиболее активны в 1780 году. Ледники в Норвегии и Исландии максимально развились в 1740–1750 годах. В 1850–1860 годах наблюдался максимум в активизации ледников в Исландии, Норвегии, Северной и Южной Америке.

Задача состоит не в том, чтобы объяснить все изменения климата только изменчивостью солнечной активности. Мы рассмотрели, какое значение для изменения климата имеет характер движения Земли (эллиптичность ее орбиты, наклон ее оси и прецессия). Влияют на изменение климата и другие факторы, о которых мы будем говорить. Задача состоит в том, чтобы правильно оценить роль каждого из этих факторов и научиться предсказывать, какие изменения климата могут вызвать те или иные эффекты, в частности связанные с Солнцем. Что же касается солнечной активности, то установлена достоверная связь между ее изменениями в последнем тысячелетии с изменениями климата на Земле.

Солнечная активность определенным образом связана с гравитационным действием планет Солнечной системы. Что же касается связей за короткие периоды, то представляют интерес такие данные. С 1958 по 1963 год глобальная приземная температура воздуха выявила отрицательную корреляционную связь с солнечной активностью. Но в последующие годы характер этой связи постепенно менялся и в 1974–1975 годы связь стала положительной, то есть при увеличении солнечной активности температура растет. В 1880–1972 годы наблюдалась положительная корреляционная связь между величиной полезной потенциальной энергии северного полушария и 11-летним циклом солнечной активности. В 30-40-е годы нашего столетия эта связь несколько ослабла. То же наблюдалось и в начале 70-х годов.

С 22-летним солнечным циклом положительно коррелировала летняя температура воздуха у поверхности за весь период с 1750 по 1830 год, а также с 1860 по 1880 год. После 1880 года связь оказалась более сильной с 11-летним циклом солнечной активности. Однако в некоторые периоды эта связь нарушалась, например, между 1830 и 1860 годами.

Температура в тропиках также выявляла связь с солнечной активностью. Она была отрицательной в 11-летний цикл солнечной активности вплоть до 1920 года. Затем в течение 30 лет эта связь стала положительной. Нарушения связи имели место между 1920 и 1925 годами. До 1922 года наблюдалась отрицательная связь между температурой приземного слоя воздуха в Аделаиде (Австралия) и 22-летним циклом солнечной активности. После 1922 года эта связь нарушилась.

Уровень воды в озерах, реках и Мировом океане также выявляет корреляционную связь с уровнем солнечной активности. Например, уровень воды в озере Виктория положительно коррелировал с 11-летним циклом солнечной активности в период с 1880 по 1930 год. Ясно, что уровень воды в озере свидетельствует о количестве осадков. После 1950 года связь уровня воды в озере Виктория с 11-летним циклом солнечной активности восстановилась, но она стала отрицательной. За почти столетний период с 1888 по 1973 год имелась сильная корреляционная связь между западно-восточным смещением центра Исландского минимума и 22-летним циклом солнечной активности. Исключение составлял только интервал от 1923 по 1943 год.

Мы могли бы продолжить перечисление результатов, полученных разными учеными при исследовании связи солнечной активности с процессами в атмосфере и гидросфере, которые определяют собой погоду и климат. Но и приведенных данных достаточно для того, чтобы убедиться, что вопрос не так прост, как некоторым ученым хотелось бы. Они считают, что если связь не является простой, то ее и вовсе нет. Но рассудите сами. Если под действием солнечной энергии в одном месте атмосферный воздух будет нагрет, то изменится движение воздуха в окрестности. Если этот нагрев (или охлаждение) велик, то может измениться атмосферная циркуляция во всем регионе или же на всей Земле. Но вытесненному из одного места воздуху деться некуда — он движется в другое место. Значит, если в одном месте давление падает, то в другом оно неизбежно увеличивается, поскольку вся масса воздуха сохраняется неизменной. На этом примере становится понятным, почему в одном месте связь с солнечной активностью может быть положительной, тогда как в другом месте в это же время она отрицательна. Но циркуляция атмосферы меняется. Поэтому в определенные периоды перехода циркуляции атмосферы от одного режима к другому связь и вовсе трудно проследить. Это не значит, что она исчезла, что ее нет. Просто ее трудно выявить с помощью математического аппарата корреляционного анализа. Приведенные выше примеры связи погоды и климата с солнечной активностью говорят о том, что ограничиваться только поиском корреляционных связей в таком сложном вопросе, как изменение климата, нельзя. Надо к анализу привлекать и другие конкретные физические данные, позволяющие проследить, куда и как распределилась поступающая от Солнца энергия, какие изменения в атмосфере и гидросфере она вызвала и т. д. Ясно, что эти изменения будут разными в разных регионах. Поэтому вместо того, чтобы отмахиваться от проблемы, отрицать проблему влияния солнечной активности на погоду и климат, надо проводить непростой многопараметрический анализ взаимосвязи многих климатических элементов между собой и одновременно их связи с солнечной активностью.

Кстати, надо иметь в виду, что солнечная активность, как мерило солнечной энергии, которая приходит к Земле, связана не только с температурой приземного воздуха или воздуха в верхней атмосфере, но и с другими явлениями в атмосфере. Например, была установлена сильная корреляционная связь между уровнями солнечной активности и количеством гроз. Для Сибири эта связь в 1888–1924 годы оказалась очень даже сильной (коэффициент корреляции равнялся 0,88 при максимальном его значении 1,0, когда связь однозначная, полная). В других районах мира эта связь между числом гроз и солнечной активностью слабее.

Напомним еще раз, что и количество озона зависит от солнечной активности. В частности, после солнечных вспышек количество озона в атмосфере Земли резко меняется.

Климатологи исследовали связь появления засух с разными фазами солнечной активности. Такие связи были установлены. Но в одних регионах они отрицательные, а в других в это же время положительные. Из того, что мы говорили выше, это и понятно: в одном месте число осадков убывает, зато оно прибывает в другом. Поэтому в этих двух регионах и связи с солнечной активностью будут выявлять противоположные знаки: в одном регионе связь положительная, а в другом — отрицательная.

Надо иметь в виду и еще одно обстоятельство. Изменения в атмосфере зависят не только от того, какая дополнительная энергия поступила, но и от того, в каком состоянии в данный момент находилась сама атмосфера. Поэтому проблема изменения климата и связи этого изменения с солнечной активностью еще больше усложняются. Но тем не менее решать ее надо. А для этого надо глубже вникать в физическую суть всех процессов, протекающих не только на разных уровнях атмосферы и гидросферы, но и во всей магнитосфере Земли, в околоземном космическом пространстве и, обязательно, на Солнце. Солнце не только было, но и остается для Земли богом.

Раз уж мы говорим (и это так на самом деле), что погода и климат на Земле определяются энергией, поступающей от Солнца, то имеет смысл более детально проанализировать, как меняется эта энергия во времени. Было время, когда ученые были убеждены, что эта энергия и вовсе не меняется, поэтому они ее так и назвали — солнечная постоянная. Этот термин вы встретите в каждой книжке по метеорологии. Что же собой представляет солнечная постоянная? Это то количество солнечной энергии, которое приходит на верхнюю границу атмосферы в течение одной минуты. Но не на всю границу, а только на один квадратный сантиметр, причем эта площадка должна быть расположена поперек солнечных лучей. По мере проникновения вглубь атмосферы солнечная энергия постепенно теряется в различных процессах поглощения и рассеяния. Поэтому, чтобы узнать, сколько пришло энергии от Солнца к Земле, нужно измерить ее еще до того, как она начнет расходоваться. Почему выбрали одну минуту и один квадратный сантиметр? Это чистые условности. Важно, чтобы их придерживались все, в противном случае величина энергии будет различной.

Солнечную постоянную измеряли с помощью аппаратуры, установленной на высотных самолетах (предельная высота равна 12 км), на баллонах (высоты 27–35 км), на ракетах (наибольшая высота при измерениях достигала 82 км). Ясно, что все эти измерения проводились ниже верхней границы атмосферы, хотя казалось бы, что там плотность атмосферного газа столь мала, что им можно пренебречь. На самом деле это не так. Пренебрегать нельзя ничем, поскольку даже при малой плотности газа часть энергии будет потеряна при взаимодействии с атомами и молекулами газа. Поэтому были проведены измерения солнечной постоянной и с помощью аппаратуры, установленной на космических кораблях (за пределами земной атмосферы). Все данные измерений были обработаны, и получалась официальная величина солнечной постоянной, которую используют во всех инженерных и космических расчетах. Она равна 1,940±0,03 кал/см^{2 ×} мин. Если измерять энергию не в калориях, а в ваттах, то солнечная постоянная равна 1356±20 Вт/м². Чтобы не писать очень малое число, площадку увеличили от 1 см² до 1 м², то есть в 10 тысяч раз. Для простых (обыденных) оценок достаточно величину солнечной постоянной брать равной двум калориям (в одну минуту на один квадратный сантиметр).

Выше солнечная постоянная записана с добавкой «плюс — минус». Это значит, что официально допускается ее изменение на полтора процента, то есть допускается ее непостоянство. Этим непостоянством и заинтересовались ученые. Если оно значительное, то оно (то есть изменение поступающей от Солнца энергии) может вызывать наблюдаемые изменения климата. Если же оно пренебрежимо мало, то с ним не стоит возиться — никаких последствий в атмосфере Земли наблюдаться не должно.

Измерения солнечной постоянной с помощью аппаратуры, установленной на космических кораблях, позволили установить, что ее величина изменяется с изменением солнечной активности. Изменяется, но не намного, примерно на 0,1–0,2 %. То, что эти изменения невелики, не должно успокаивать. Специалисты считают, что при определении длительных изменений климата их надо обязательно учитывать.

Имеется несколько (а, возможно, и много) путей влияния солнечной активности на погодные процессы в атмосфере. Как мы уже говорили, с повышением солнечной активности увеличивается поток солнечных заряженных частиц. Эти частицы, проникнув в магнитосферу Земли, достигают ее атмосферы и вызывают там ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Потоки солнечных заряженных частиц при своем движении через атмосферу вызывают образование окислов азота. Окислы азота вступают в реакции с участием озона. Кроме того, окислы азота изменяют характер поглощения солнечного ультрафиолетового излучения. Это значит, что часть ультрафиолетового излучения, пришедшего от Солнца, поглощается. Это равноценно тому, что уменьшилось бы ультрафиолетовое излучение на Солнце. В конце концов для климатических элементов не важно, где теряется солнечная энергия. Важно, сколько энергии доходит до атмосферы. Специалисты эту измененную за счет атмосферных процессов солнечную постоянную называют метеорологической солнечной постоянной.

Солнечная энергия рассредоточена на разных частотах (разных длинах волн). При изменении солнечной активности энергия на разных частотах меняется по-разному. На некоторых длинах волн (например, 0,18 мкм) амплитуда изменения достигала 37,6 %. А это не может не сказаться на процессах в атмосфере.

На атмосферу действуют и космические лучи, которые выбрасываются из Солнца после хромосферной вспышки. Собственно, это не лучи, а потоки высокоэнергичных заряженных частиц. Они практически беспрепятственно проскакивают верхнюю ионосферу и застревают в атмосфере в основном ниже 90 км. Там эти солнечные частицы производят ионизацию. Собственно, именно они создают самую нижнюю ионосферу. С изменением погоды и климата это связано следующим образом. При воздействии солнечных заряженных частиц происходит не только ионизация атомов и молекул, но и запускаются химические реакции с образованием окислов азота. Это в свою очередь меняет характер поглощения солнечного излучения атмосферой. Другими словами, меняется величина метеорологической солнечной постоянной. Но описанный эффект зависит от широты, поскольку движение заряженных частиц направляется магнитным полем Земли. Чем ближе к магнитному полюсу, тем легче заряженные частицы проникают в атмосферу.

Время от времени на Солнце происходят особые вспышки, во время которых выбрасываются потоки высокоэнергичных протонов. Эти вспышки так и называются — протонными. Высокоэнергичные солнечные протоны проникают в области, окружающие магнитные полюса, — в полярные шапки. Эти протоны производят ионизацию атомов и молекул на высотах нижней ионосферы. Кроме того, они нагревают атмосферный газ, то есть их энергия преобразуется в энергию теплового движения частиц атмосферного газа. Этот эффект был назван «выпучиванием» атмосферы в полярных областях. Некоторые специалисты считают, что именно в результате этого нагревания происходит углубление Исландского минимума и усиление движения атмосферного газа в направлении восток — запад, то есть усиление западно-восточного переноса.

В атмосферу Земли проникают не только солнечные заряженные частицы. Сюда приходят заряженные частицы, выбрасываемые из других звезд галактики. Потоки этих заряженных частиц называют галактическими космическими лучами. Эти заряженные частицы вызывают в атмосфере те же эффекты. Но поскольку они приходят в нашу планетную систему извне, их интенсивность зависит от условий в межпланетном пространстве. При высокой солнечной активности пространство вокруг Солнца (гелиосфера) заполнено заряженными частицами. Поэтому пробиться через него к Земле галактическим космическим лучам труднее. Поэтому при максимальной солнечной активности интенсивность приходящих к Земле галактических космических лучей в этот период минимальна. Их интенсивность зависит от геомагнитной широты, поскольку их движение направляется магнитным полем Земли. Все межпланетное пространство пронизано магнитным полем, источником которого является Солнце. Интенсивность галактических космических лучей зависит и от межпланетного магнитного поля.

При изменении солнечной активности от минимальной до максимальной интенсивность галактических космических лучей может меняться на 20 % и более. Основная их энергия застревает в атмосфере на высоте 12–20 км. Она расходуется как на нагревание атмосферного газа, так и на ионизацию атомов и молекул.

Мы уже упоминали, что изменение солнечной активности приводит к изменению концентрации озона. Это происходит даже в том случае, если солнечная постоянная не меняется. Просто меняется количество энергии волнового излучения Солнца с теми длинами волн, которые эффективно поглощаются молекулами озона. Их так и называют — полосами поглощения озона. Чем больше молекулы озона в стратосфере поглощают солнечной энергии, тем больше стратосфера нагревается. Это и обеспечивает прямую связь солнечной активности с нагревом атмосферы, или, другими словами, с изменением погоды и климата. Поглощение дополнительной солнечной энергии озоном в стратосфере способно увеличить температуру атмосферы на высоте стратосферы даже на десятки градусов. Это тепло дойдет до поверхности Земли не целиком. Температура воздуха у поверхности Земли при этом повысится примерно на один градус.

Поглощает солнечную энергию не только озон. Ее поглощают и другие малые составляющие атмосферы. Когда происходит ионизация заряженными частицами, то NO соединяется с молекулой азота и при этом образуется NO₂. Далее NO₂ соединяется с атомом кислорода, образуя NO. В этих двух реакциях исчезает как озон, так и атомарный кислород. Но это не все потери. Образовавшиеся окислы азота поглощают ультрафиолетовое солнечное излучение. Значит, солнечная энергия, приходящая к Земле, будет уменьшаться (уменьшается метеорологическая солнечная постоянная). Можно не сомневаться, что солнечные и галактические космические лучи за счет изменения их интенсивности во времени могут ощутимо изменять климат.

Имеется еще одна (не последняя) возможность влияния солнечной активности на климат. Она связана с высокоэнергичными солнечными частицами, которые проникают глубоко в атмосферу. На этих высотах (ниже ионосферы) солнечные частицы вызывают ионизацию атомов и молекул воздуха. Эти ионы могут выполнять роль ядер кристаллизации. На этих ядрах собирается (сублимируется) водяной пар из окружающего воздуха. В результате образуются облака. Весь этот процесс происходит потому, что упругость насыщения водяного пара надо льдом отличается от таковой над водой. Такие условия можно создать в специальных камерах в лабораторных условиях. Специалисты подметили, что при высокой солнечной активности создается больше перистых облаков, чем при минимальной солнечной активности. На основании анализа большого массива наблюдательных данных было показано, что после резкого увеличения (всплеска) интенсивности рентгеновского излучения на Солнце в земной атмосфере увеличивается облачность в обеих полушариях. Это увеличение составляет 0,25 — 0,5 балла. Много это или мало? Такое увеличение облачности может привести к уменьшению радиационного баланса в среднем на 1–2 %. В приполярных районах после интенсивных вспышек рентгеновских лучей облачность увеличивается значительно сильнее, она возрастает на 2–3 балла. В результате радиационный баланс меняется на 10–20 %. Это составляет примерно 12 Вт/м². В результате этого температура воздуха в приполярных районах уменьшается примерно на 3 °C. В средних широтах уменьшение температуры воздуха из-за данного эффекта меньше — порядка одного градуса. Но для метеорологов и эта величина весьма существенна. Специалисты рассчитали, как будут меняться отдельные климатические показатели из-за действия описанного механизма, и достоверно показали, что «климатический эффект влияния перистой облачности весьма заметен».

ВЛИЯНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Совершенно очевидно, что для изменения климата важно не только то количество энергии, которое приходит к атмосфере Земли и впоследствии поглощается на разных уровнях, но и свойства той среды, в которой эта энергия поглощается. Это и свойства атмосферы, и свойства гидросферы, и многое другое, вплоть до размеров Земли, ее массы, строения, процессов в ее недрах, свойств земной поверхности, скорости вращения Земли вокруг своей оси, гравитационного и магнитного полей внутренних источников тепла и т. д. Важно и то, как менялся состав атмосферного газа в процессе эволюции Земли и ее атмосферы.

Масса и размеры Земли в данном случае важны потому, что ими определяется гравитационное поле, а оно определяет способность планеты удержать свою атмосферу при себе. У Луны и масса и размеры недостаточны для того, чтобы удержать свою атмосферу, поэтому она безжизненна. Масса и размеры планеты оказывают влияние и на состав атмосферного газа этой планеты.

Гравитационное поле планеты зависит и от скорости ее вращения, поскольку вращение создает центробежные силы, которые в некоторой степени уменьшают гравитационное поле. Этот эффект зависит от широты. Чем ближе к экватору, тем он больше. Если на полюсе эта поправка равна нулю, то на экваторе она достигает максимальной величины порядка 0,35 %. Именно по этой причине ускорение силы тяжести у полюсов больше (9,83 см/с²), чем у экватора (9,78 см/с²). Чем больше масса планеты, тем сильнее она притягивает к себе атмосферу, которая при этом вынуждена уплотняться и ужиматься, прижимаясь к планете. Если бы масса Земли была больше, то ее атмосфера была бы плотнее и тоньше. Динамика атмосферного газа в такой атмосфере существенно отличалась бы от современной, то есть погода и климат были бы другими.

Циркуляция атмосферы зависит от угловой скорости вращения Земли. То же относится и к водам Мирового океана. То, что Земля вместе с атмосферой и водами Мирового океана вращается, кардинально влияет на движения как в атмосфере, так и в Мировом океане. Атмосферный газ приходит в движение прежде всего потому, что он в разных местах нагрет по-разному. В экваториальном поясе он нагрет больше всего. При нагревании газ расширяется и становится легче. Поэтому в экваториальном поясе он поднимается вверх. Отсюда поднятый нагретый атмосферный газ, постепенно охлаждаясь, будет двигаться в направлении северного и южного полюсов, где, естественно, холоднее. Так из-за неравномерного нагрева атмосферного газа создаются его движения в меридиональном направлении — от экватора по направлению к полюсам. На это движение газа действует вращение Земли (сила Кориолиса), из-за чего поток газа уже не движется строго вдоль меридиана, а отклоняется вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Поэтому атмосферный газ движется наискосок, то есть продвигаясь на север, он одновременно значительно смещается к востоку, а продвигаясь на юг, он смещается к западу. Так фактически за счет вращения Земли возникает зональная (вдоль постоянной географической широты) циркуляция. Она часто преобладает. Часто, но не всегда. Ранее мы говорили о том, что имеются две овальные зоны (в каждом полушарии по одной), в которые вторгаются заряженные частицы, приходящие от Солнца, и вносят в атмосферу свою энергию. Их вторжение в верхнюю атмосферу проявляется в виде полярных сияний. Значительная часть энергии солнечных заряженных частиц, которые вторгаются в атмосферу в зонах полярных сияний, идет на нагревание атмосферного газа. Таким образом, на Земле имеется не один нагретый пояс (экваториальный), а целых три: к экваториальному нагретому поясу добавляются еще по одному в зонах полярных сияний каждого полушария. В этих двух дополнительных поясах нагретый атмосферный газ поднимается вверх и затем движется по направлению к полюсу. Это происходит в обеих полушариях. Чем ближе к полюсу, тем вращение Земли сказывается меньше и меньше отклоняет поток атмосферного газа на восток (в северном полушарии) или на запад (в южном полушарии).

Благодаря нарисованной выше картине нагрева атмосферного газа очень отчетливо выявляется зависимость движения атмосферного газа от солнечной активности. Дело в том, что нагрев атмосферного газа в высокоширотных поясах (в зонах полярных сияний) производят солнечные заряженные частицы. Пролетая через атмосферу, они заставляют атомы и молекулы атмосферного газа светиться (полярные сияния, которые в северном полушарии называют северными сияниями) и одновременно увеличивают температуру атмосферного газа. А дальше все просто — чем выше солнечная активность, тем больше выбрасывается из Солнца заряженных частиц, значит, их больше приходит в атмосферу зон полярных сияний. Таким образом, при высокой солнечной активности атмосфера в зонах полярных сияний нагревается больше, что усиливает движение нагретого атмосферного газа в сторону областей, где он более холодный, то есть в меридиальном направлении. При минимальной солнечной активности нагрев атмосферы в зонах полярных сияний заряженными частицами меньше, поскольку меньше самих частиц приходит от малоактивного Солнца. Поэтому меридиональный перенос атмосферного газа будет слабее, чем при максимальной солнечной активности. Климатологи хорошо знают, что значит изменить направление движения атмосферного газа. При этом может поменяться практически все, поскольку погода и зависит от того, «откуда ветер дует». Значит, влияние солнечной активности на погоду и климат посредством нагрева атмосферного газа в зонах полярных сияний не может вызывать сомнений. Жаль только, что климатологи этот факт плохо воспринимают, поскольку он выходит за рамки классической климатологии. Практически все ученые (их результаты) являются жертвами очень узкой специализации, что не позволяет им видеть всю картину процессов в околоземном пространстве целиком. Они видят и понимают только некую часть этих процессов, которую «положено» им видеть в соответствии с выданными им дипломами. Жаль.

Зональная циркуляция атмосферного газа и вод в Мировом океане, создаваемая вращением Земли, очень важна. Ею в основном определяется зональность климата, скорость распределения длинных и ультрадлинных волн, формирование струйных течений с инерционно-сдвиговыми (разрывными) волнами. Вращение Земли определяет собой пассатную циркуляцию в атмосфере и, конечно, циркуляцию вод в Мировом океане.

Если так важно вращение Земли, то необходимо представлять себе, насколько вращение Земли остается постоянным. Специалисты установили, что скорость вращения Земли меняется, менялась она всегда. В далеком прошлом Земля вращалась быстрее. Поэтому зональность климата была более ярко выражена, чем сейчас. В прошлом были и такие периоды, когда Земля вращалась медленнее. Скорость вращения Земли меняется даже в течение малого времени — всего несколько месяцев.

Зональность климата надо понимать так, что климат на разных широтах резко различается. То есть температура воздуха между высокими и низкими широтами очень сильно отличается. Специалисты говорят о контрастах температур на разных широтах. Но в условиях контрастных температур между низкими и высокими широтами возникают многие эффекты, которые могут менять ситуацию. Они направлены на то, чтобы этот контраст (разность) уменьшить. Это прежде всего различные волновые процессы, которые усиливаются, когда перепады температуры вдоль меридиана увеличиваются. Все процессы зависят от той среды, в которой они протекают. Например, звук в воздухе распространяется не так, как в воде или в твердых телах. Так и другие процессы, в частности те, в результате которых переносится тепло. Например, атмосферный газ можно быстро нагреть, но он так же быстро и охлаждается. Воды Мирового океана нагреваются медленно, но зато они способны долго держать полученное тепло, служа своего рода термосом. Охлаждаются так же медленно, как и нагреваются. Поэтому та схема, которую мы привели выше, с нагретыми поясами и меридиальной и зональной циркуляцией, в условиях реальной Земли значительно видоизменяется. Очень много в смысле формирования погоды и климата зависит от того, какие площади поверхности Земли занимают воды Мирового океана, на каких широтах их больше и т. д. и т. п. Это естественно, поскольку континенты и океаны на Земле обладают различными тепловыми свойствами. Поэтому вдоль одной и той же широтной зоны климат может резко различаться в зависимости от наличия или отсутствия океанов.

Проблема погоды — это проблема составления различных карт. Метеорологи их очень любят. Наиболее классические составляются так. Температуры воздуха для каждой широты и для каждого месяца усредняются. Получают некие цифры. Их наносят на карты: каждой широте своя цифра. Причем на карту наносят не усредненную температуру, а отклонение наблюдаемой в данный момент температуры от среднемесячной. Далее на карте те точки, где температуры одинаковые, соединяют линиями. Так получают карту линий одинаковых температур. Такие линии специалисты называют изолиниями («изо» означает «одинаковый»). Такие карты очень наглядны. На них четко просматриваются различные отклонения от нормы (аномалии). Так, для января в районе Северной Атлантики имеется место, где температура равна +24 °C, а в районе Верхоянска -20 °C. Над Тихим океаном имеется аномалия, где температура равна +12 °C, а над Северной Америкой -14 °C. Значит, средние температуры на одной и той же широте могут различаться на 44 °C (это Верхоянск и Северная Атлантика). Так что, говоря о зональности климата, надо иметь в виду, что этот термин достаточно условный, то есть климат в одной и той же широтной зоне отнюдь не одинаковый. Он зависит от наличия или близости вод Мирового океана, от удаления данного места от побережья и т. д. Когда зональность увеличивается (например, при минимальной солнечной активности), то должно происходить потепление климата зимой у западных побережий континентов. В то же время у восточных побережий должно наблюдаться похолодание климата зимой. Все ведь зависит от того, откуда дует ветер, с океана или с континента. А указанные выше направления определяются направлением вращения Земли, которое всегда остается неизменным.

Мы пришли к пониманию, что наряду с вращением Земли для формирования климата очень важна подстилающая поверхность (вода, суша, лед, песок, камни и т. д.). Оба эти фактора определяются свойствами Земли, поэтому их называют геофизическими.

Имеется и еще один источник тепла, которое поступает в атмосферу и Мировой океан. Это сама Земля. Известно, что чем глубже проникать в Землю, тем там теплее. На глубине в один километр температура больше на 30 °C. Это тепло передается к земной поверхности путем теплопроводности. Этот процесс очень медленный. Так, внутри земное тепло доходит до вод Мирового океана или до атмосферы в мизерном количестве — всего одна десятитысячная калории за одну минуту. Значительно эффективнее тепло переносится путем турбулентного движения атмосферного газа. Установлено, что турбулентные потоки тепла над океаном более чем в тысячу раз больше, чем потоки теплопроводности. Над ледяной поверхностью они намного меньше, но все же в два раза больше, чем потоки за счет теплопроводности. Из всего этого следует вывод, что потоки внутреннего (геотермального) тепла оказывают пренебрежимо малое влияние на климат Земли. Другое дело — в прошлом, во время высокой активности вулканической деятельности. При исследовании изменения климата в эти периоды учитывать влияние геотермального тепла обязательно. Особенно если речь идет о длительных в геологическом масштабе времени изменениях климата.

Имеется и еще один геофизический фактор, который может влиять на изменение климата. Это магнитное поле Земли. Здесь мы подразумеваем не то, что только благодаря магнитному полю Земли она имеет атмосферу, биосферу и вообще жизнь. Если бы магнитного поля у Земли не было (как его нет у Луны), то все заряженные частицы (как солнечные, так и галактические), которые подходили бы к Земле, проникали бы в ее атмосферу и очень скоро разрушили бы ее. Все нейтральные атомы и молекулы атмосферного газа этими частицами были бы разрушены (они превратились бы в электрически заряженные ионы) и проблема изменения климата отпала бы сама собой. Естественно, что при этом не было бы смысла говорить ни о биосфере, ни о человеке.

Но здесь мы будем говорить о роли не самого магнитного поля Земли как такового, а о том, как на климатических условиях скажется непрерывное смещение магнитных полюсов Земли. Дело в том, что магнитные полюса кардинально меняют свое положение. Попутно скажем, что зоны полярных сияний, в которых атмосферу нагревают солнечные заряженные частицы, определенным образом «привязаны» к магнитным полюсам: их дневная часть удалена от соответствующего полюса на 10 угловых градусов, а ночная — на 20°. Смещение магнитного полюса автоматически означает смещение зон полярных сияний, а значит, и зон нагрева атмосферного газа солнечными заряженными частицами. Оба магнитных полюса (северный и южный) связаны между собой, как связаны между собой два конца одного намагниченного бруска. Поэтому говоря о движении (смещении) северного магнитного полюса, мы тем самым говорим и о смещении южного полюса. Если захотите воспользоваться глобусом, то точку на глобусе, где находится северный магнитный полюс, соединяйте с центром Земли (глобуса) и продолжайте до ее пересечения с поверхностью Земли (глобуса). Здесь и находится южный магнитный полюс. Правда, это не строго точно, но для понимания сути дела достаточно точно. Дело в том, что центр магнитного диполя Земли на 600 км смещен относительно центра тяжести Земли.

А как смещались полюса раньше? В конце последнего ледникового периода 12–15 тысяч лет назад северный магнитный полюс Земли располагался не там, где сейчас, а на востоке Северного Ледовитого океана. Сейчас он находится на северо-западе Гренландии. Около 200 года до н. э. северный магнитный полюс Земли находился значительно ближе к Европе, чем через 200 лет. Еще через 300 лет он передвинулся на север Аляски. Затем между 600 и 1000 годами н. э. он снова приблизился к Европе. Еще через 600 лет он передвинулся в Баренцево море и только между 1650 и 1850 годами он удалился к Гренландии. Куда он пойдет дальше?

Почему смещение магнитных полюсов должно влиять на климат и вызывать его изменение — мы уже фактически объяснили. Это вызвано смещением зон, в которые вторгаются солнечные заряженные частицы и в которых они вызывают нагрев атмосферного газа. Правда, весьма уважаемые климатологи считают, как и сто лет назад, что заряженные частицы легче всего вторгаются вблизи магнитных полюсов. Такая информация и содержится в книгах по метеорологии. Это неверно, и уже несколько десятилетий благодаря измерениям, выполняемым на спутниках и космических кораблях, установлено, что области непосредственно вокруг магнитных полюсов достаточно надежно защищены от вторжения заряженных частиц. Но зато под действием давления солнечного ветра магнитосфера деформируется таким образом, что наиболее уязвимыми для вторжения заряженных частиц становятся овальные области, подсолнечная (дневная) сторона которых удалена от своего полюса на 10°, а ночная — на 20°. Это и есть те зоны полярных сияний, о которых говорилось выше. Мы объясняем такие «тонкости» потому, что в книгах по климатологии и метеорологии читатель может найти старую информацию, которая выдается за современную.

Поскольку смещение магнитных полюсов Земли приводило к смещению зон нагрева атмосферного газа, то это обязательно вызывало изменение климата. Так, когда северный магнитный полюс смещался ближе к Европе, что, естественно, начинала преобладать циркуляция атмосферы в меридиональном направлении. А это однозначно вызывало потепление климата. На континент поступали более теплые океанические воздушные массы. Когда же северный магнитный полюс находился в восточной части Северного Ледовитого океана, то происходило похолодание: на Европу надвигался холодный арктический воздух.

При оценке возможного изменения климата следует учесть все источники тепла, а также оценить тот вклад, который они могут (или могли) внести в изменение климата. В частности, надо оценить вклад тепла, который связан с распадом долгоживущих изотопов U, Th и К. Оценено, что за всю историю Земли за счет радиоактивного распада U и Th было выделено огромное количество тепла — 1,6х10³⁸ эрг. Несколько меньше (0,9 × 10³⁸ эрг) тепла выделилось за всю историю Земли за счет распада долгоживущего изотопа К. Часть этого тепла, аккумулированного внутри Земли путем теплопроводности, была передана наружу и была поглощена водами Мирового океана и атмосферным газом. Но это примерно пятая часть всего накопленного тепла. Оставшееся там тепло шло на разогрев и частичное плавление недр Земли. Внутри Земли вещество фактически кипит. Как и на Солнце, в мантии Земли имеются весьма интенсивные конвективные потоки вещества. Время от времени последствие этой бурной деятельности мантии мы наблюдаем — активизируются вулканы со всеми вытекающими отсюда последствиями. И не только. Конвективные движения вещества в мантии Земли вызывают также дрейф континентов.

Что касается вулканов, то они возникают не в любых местах. Если вы нанесете на карту или глобус все вулканы, известные на Земле, то заметите, что они группируются в определенных поясах. Что это за пояса? Это зазоры, зоны, которые остаются между литосферными плитами. Сами литосферные плиты не сейсмичны. На них вулканов быть не может. Там нечему кипеть. Все кипящее вещество находится под ними. Литосферные плиты перемещаются, поэтому смещаются и границы между ними, так называемые подвижные зоны. На сегодняшний день установлены следующие подвижные зоны, в которых располагается большинство вулканов. Это Евроазиатская зона, Индо-Австралийская зона, Тихоокеанская, Американская, Антарктическая и Африканская зоны. Расположение плит показано на рис. 11.

Как мы уже говорили, литосферные плиты плавают. Поэтому неизбежно плавают (перемещаются) и материки. Примерно 15–20 миллионов тому назад лет континенты располагались так же, как и сейчас. Эволюция земной коры, океана и атмосферы связана с движением континентов и вулканической деятельностью. Естественно, что с ними самым тесным образом связано и формирование и изменение климата.

За всю историю Земли вулканы выбросили на поверхность столько вещества, что оно равно массе земной коры толщиной около 33 км. Это вещество содержало, в частности, и газы. Общая масса всех выброшенных при извержениях вулканов газов примерно в 50 раз больше массы современной атмосферы. Масса выброшенных газов примерно в два раза больше массы всех вод современного Мирового океана. Значительно больше половины из этих газов (70–80 %) составлял водяной пар. Остальные газы — H₂S, SO₂, HCl, HF, HBr, H, Ar и другие. Ясно, что водяной пар впоследствии сконденсировался и образовал воды Мирового океана. Сконденсировалась и часть других паров, поэтому океан состоял не только из воды.

Мы уже описывали, как дальше развивались события, как происходили сложные геохимические изменения, в результате которых из атмосферы, содержащей азотные соединения и воду, образовалась нынешняя атмосфера — азотно-кислородная. Решающую роль при этом сыграло действие солнечного излучения. При этом в атмосфере образовались примеси — малые составляющие в виде углекислого газа, озона, водяного пара и др. Малые составляющие определяют тепловой режим атмосферы. Они служат своего рода пленкой над нашим домом — теплицей. Эту пленку нельзя повредить, иначе теплица исчезнет и нам станет очень неуютно.

Все ученые сходятся на том, что вулканическая деятельность сформировала атмосферу Земли и хотя бы частично ответственна за изменения климата на Земле. Но специалистами высказывалась и другая идея — что определенная динамика атмосферного газа может активизировать деятельность вулканов. Здесь все построено на определенном распределении сил, сил притяжения. В том случае, если холодные и теплые воздушные массы располагаются так, что их граница (воздушный фронт) придется на вулканические подвижные зоны, то равновесие может быть нарушено, поскольку теплый воздух легче холодного. Проведенные подсчеты показывают, что если воздушные массы будут занимать около десяти миллионов квадратных километров, то при разности в атмосферном давлении равной 20 миллибар (а это вполне реально) могут создасться значительные дополнительные силы напряжения в земной коре.

Как известно, во время извержения вулканов в атмосферу выбрасываются не только газы, но и аэрозоли. Попадая в атмосферу, аэрозоль меняет ее оптические свойства, а значит, и условия прохождения через нее солнечного излучения, особенно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Это не может не сказаться на процессах в атмосфере, а значит и на климате. Не вызывает сомнения, что в прошлом на климат влияли в основном аэрозоль и малые составляющие атмосферы, такие как CO₂ и др. Несомненно, что и в будущем эти факторы, приводящие к изменению. климата, останутся главными. Об этом свидетельствуют такие факты. Мы научились сами создавать огромные количества аэрозоля и выбрасывать его в атмосферу. На сегодняшний день ежегодно мы выбрасываем не менее двух миллионов тонн аэрозоля. Аэрозоль поглощает солнечную энергию, и она не доходит до поверхности Земли. Аэрозоль малых размеров (мелкодисперсный) рассеивает коротковолновое солнечное излучение. Этот эффект равносилен увеличению отражательной способности атмосферы. Раз атмосфера недополучает солнечную энергию, то она охлаждается. Мы привели два противоположных эффекта, которые способен вызывать аэрозоль. Один эффект приводит к нагреванию атмосферы, а другой — к ее охлаждению. Что будет преобладать на самом деле — зависит от свойств аэрозоля и прежде всего от размера его частиц. Поэтому при анализе влияния аэрозоля на изменение климата необходимо весьма детально проанализировать все свойства реально находящегося в атмосфере аэрозоля.

То, что вулканические выбросы способны уменьшить доходящее до поверхности Земли солнечное излучение, было известно с древности. После некоторых мощных извержений вулканов на Земле наступали сумерки. Ситуация не выравнивалась в течение нескольких месяцев.

Некоторые ученые склонны объяснять основные изменения климата на Земле именно влиянием вулканической деятельности. Ледниковые эпохи они также объясняют таким механизмом. Некоторые совпадения действительно имеют место. Когда были сопоставлены данные о климате с изменением индекса вулканической активности с 1500 года н. э. по наше время, то оказалось, что, действительно, в период малого ледникового периода в XV–XVI веках н. э. и в начале XIX века н. э. наблюдалась повышенная вулканическая деятельность. С 1912 года до начала 40-х годов не было сильных вулканических извержений и атмосфера за этот период была более прозрачной. В это время происходило потепление климата. Но не надо все эти факты воспринимать как несомненное доказательство того, что основные изменения климата связаны с вулканической деятельностью. В период с 1883 по 1912 год наблюдалась целая серия извержения вулканов. Солнечное излучение в течение нескольких месяцев и даже одного-двух лет было меньше. Но потепление климата началось не после извержения вулканов, а до того. Поэтому не следует объяснять сложное явление действием только одного из действующих факторов. Нужно остановиться и еще на одном факторе, от которого зависит поступающая в атмосферу и к поверхности Земли солнечная энергия. Это концентрация CO₂, а также других малых составляющих атмосферы. Речь идет о составляющих, которые обладают парниковым эффектом. Это и водяной пар и хлорные соединения, и др.

Что касается количества CO₂, то цифры здесь такие. В атмосфере Земли в настоящее время содержится 0,033 % CO₂. Это соответствует примерно 2350–2570 миллиардам тонн. В водах Мирового океана CO₂ в 50 раз больше. Между атмосферой и океаном, между атмосферой и биосферой происходит непрерывный обмен CO₂. На фотосинтез растений сейчас уходит за счет атмосферы около 100 миллиардов тонн CO₂ в год. Такое же количество CO₂ атмосфера получает в результате дыхания живых организмов. CO₂ поступает и из недр Земли через вулканы. Но это почти в сто раз меньше, чем поступление CO₂ за счет деятельности человека. Источником CO₂ в недрах Земли является углерод, которого там не менее 2× 10⁸ миллиарда тонн. Основная его часть связана в карбонатных породах.

CO₂ приходит в атмосферу и уходит из нее в биосферу. Он совершает своего рода кругооборот, естественный цикл. Этот естественный цикл CO₂ между атмосферой и биосферой составляет около 20 лет. В то же время естественный цикл в системе земная биосфера — атмосфера длиннее. Он составляет 20–40 лет. CO₂ совершает кругооборот и между атмосферой и океаном. Полный период обмена CO₂ в системе океан — атмосфера (туда и обратно) составляет около пяти лет. Этот обмен существенно зависит от температуры воды Мирового океана. Чем теплее, тем эффективнее поступает CO₂ из океана в атмосферу. Одновременно идет поступление CO₂ из атмосферы в воды Мирового океана. Из-за разницы в температурах в высоких широтах в условиях холодной воды поток CO₂ из воды в атмосферу мал. Здесь преобладает поток CO₂ из атмосферы в воду океана. В низких широтах все наоборот, поскольку там вода Мирового океана теплая. Поток CO₂ из воды в атмосферу больше, чем из атмосферы в воды Мирового океана. Установлено, что если температура верхнего слоя воды в Мировом океане (толщиной 50 км) изменится на 1 °C, то это вызовет изменение выхода CO₂ из океана на полпроцента или даже больше. При оценке изменения климата с этим надо считаться.

Рассматривая историю атмосферы, мы уже говорили о том, как менялось содержание CO₂ в атмосфере Земли за всю ее историю. В прошлом в истории Земли были такие периоды, когда содержание CO₂ в атмосфере было намного больше, чем в наше время. Примерно 250 миллионов лет назад концентрация CO₂ в атмосфере составляла 7,5 %. Зато в фанерозое (570 миллионов лет назад) CO₂ в атмосфере было не более 0,3 %. Примерно 1 миллион лет назад концентрация CO₂ в атмосфере была в два раза больше, чем сейчас. Рассматривая современное количество CO₂ в атмосфере и возможные его изменения, мы должны исходить не из абсолютных величин, а из того, как эти изменения при учете озона и других малых составляющих скажутся на изменении климата. Рассматривать влияние на климат изменения концентрации одного только CO₂ бессмысленно, как бессмысленно без всестороннего анализа говорить о том, много CO₂ в атмосфере или мало. Всегда надо добавлять: «для чего?», то есть для чего много или мало. Это необходимо пояснять, поскольку уважаемые климатологи позволяют себе писать так: «сейчас содержание CO₂ в атмосфере невелико».

ВЛИЯНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Рассмотренные выше факторы действуют на климат постепенно. Нужно немалое время, чтобы прогреть Мировой океан или растопить ледники. Приведенное в движение вещество в океане или атмосфере движется, подчиняясь законам движения, законам гидродинамики или даже законам магнитной гидродинамики (в ионосфере и атмосфере). Поэтому мало рассмотреть роль приходящей к Земле солнечной энергии в изменении климата. Надо проследить, как эта энергия распределилась в атмосфере и гидросфере и какие процессы она там вызвала. Каждый процесс характеризуется своим временем. Это также надо учитывать. Поэтому надо рассмотреть, как отразятся на изменениях климата различные особенности циркуляции атмосферного газа.

Не вызывает сомнения, что атмосферная циркуляция в разные климатические эпохи была разной. Общая энергия, поступающая от Солнца в атмосферу, может и не меняться, тогда как циркуляция атмосферы будет меняться весьма кардинально. Об этом свидетельствуют данные наблюдений. Приведем некоторые примеры. В Швеции и Дании зима 1657–1658 годов была одной из самых холодных. Даже средняя температура была отрицательной (-1 °C), тогда как в обычные годы она на 4° была выше. Холодные зимы в этих местах наблюдались и в другие годы: 1739–1740, 1762–1963, 1783–1784, 1788–1789, 1794–1795, 1798–1799, 1822–1823, 1829–1830, 1837–1838, 1890–1891, 1928–1929 и 1941–1942.

Суровая зима в определенном регионе отнюдь не означает холодного климата. Из приведенного выше списка видно, что часть очень холодных зим в Швеции и Дании приходится на малый ледниковый период. Зато две последние суровые зимы имели место в период потепления климата. Особенно суровая зима 1941–1942 годов, охватившая и Россию, наблюдалась в период максимального потепления климата в северном полушарии. Таких примеров можно привести много. Так, по данным о толщине колец деревьев, было установлено, что в конце малого ледникового периода между XVII и началом XX века в Калифорнии произошло общее потепление климата.

Специалисты детально исследовали характер появления различных аномалий в климатических процессах (наступление засух, суровых зим, обильных осадков и т. п.). При этом обнаруживается, что наступают они с определенной повторяемостью, периодичностью. Правда, длина периода в некоторых пределах меняется. Поэтому лучше говорить не о периодичности (это предполагает определенную величину периода), а о цикличности, что означает просто повторяемость. Например, было установлено, что за последние 30 лет для Англии четко выявляются изменения климата, повторяющиеся через 20–25 и 45–55 лет. При этом очень важно, что в этих аномальных климатических условиях циркуляция атмосферы кардинально отличается от циркуляции в другие, нормальные периоды. Так, для Европы самые мягкие зимы соответствуют западным и юго-западным ветрам. Таким в Европе был период 1920–1929 годов. Теплые летние сезоны обусловлены теплыми антициклоническими типами циркуляции над Западной и Центральной Европой. Такими были годы: 1940–1949, 1976. Когда имеет место слабая циркуляция атмосферы, то наблюдаются более холодные зимы. Когда в Европе наблюдались холодные погоды летом (1690–1699 и 1840–1849 годы), то в это время области высокого давления были значительно смещены к югу. При этом преобладали северные ветры. За период с конца XVIII века по начало XX века н. э. положение центра Исландского минимума (атмосферного давления) сместилось в северном направлении на 1,5–3° широты. Именно в результате этого создались условия движения атмосферного воздуха, которые способствовали потеплению климата в приполярных областях северного полушария. В таких условиях при интенсивной атмосферной циркуляции над Арктикой льды взламываются и выносятся в соседние районы. Если движение воздушных масс над Арктикой стихает, успокаивается, то есть в условиях спокойной атмосферной циркуляции, спокойной погоды, то льды растут и их количество увеличивается. Такие условия реализовались над северной частью Европы в 1930–1939 и 1940–1949 годах. Поскольку на этой территории преобладали антициклоны и господствовали южные ветры, то в западной Арктике обширные пространства поверхности воды освободились ото льда.

Если в Арктике дуют восточные и северо-восточные ветры и часто образуются антициклоны, то в Европе формируются холодные климатические условия. Такие суровые зимы с преобладающими восточными ветрами наблюдались в 1560–1569, 1690–1699, 1820–1829, 1890–1899 годы.

Во второй половине прошлого столетия в южном полушарии усиливались южные ветры, а в северном полушарии возрастала циркуляция западного направления (зональный перенос). Этот зональный перенос явился причиной значительного изменения количества осадков. При этом происходящие изменения количества осадков для разных регионов были разными.

Аномальные (необычные) климатические явления весьма часты и в последние десятилетия. Они весьма ощутимо сказываются как на народном хозяйстве, так и на жизни и здоровье людей. Так, аномальной по климатическим условиям была зима 1962–1963 годов. Для Англии она была самой холодной после 1740 года. Зима 1963–1964 годов была очень сухой. Такой сухой зимы в Англии не было с 1743 года. В эту зиму морозы продвинулись вплоть до берега Персидского залива. Зима 1965–1966 годов была суровейшей. Замерзло даже Балтийское море, а льды Северного Ледовитого океана достигли Мурманска. Порт Мурманск обычно не замерзает, сказывается теплое течение Гольфстрим. Над европейской территорией СССР очень холодная зима стояла в 1978–1979 годы. Зимы 1973–1975 годов были очень теплыми. В Копенгагене до конца января цвели розы, а Балтийское море вообще не замерзало.

В последние десятилетия и в экваториальном поясе разыгрывались аномальные климатические явления. В зонах 10–20° северной широты и 12–20° южной широты существенно сократилось количество осадков, которые сюда обычно приносятся ветрами муссонами. Результатом такого сокращения стали жесточайшие засухи.

Специалисты обращают внимание на то, что в последнее время циркуляция (динамики) атмосферного газа радикально изменила свой характер. Это проявляется в том, что сейчас области аномального высокого атмосферного давления (теплые) и аномально низкого атмосферного давления (холодные) очень сходны друг с другом. Такого в прошлом еще не было. Поэтому есть все основания говорить о формировании новых циркуляционных условий или, другими словами, о том, что движение атмосферного газа в наше время кардинально меняет свой характер. С чем связано такое изменение атмосферной циркуляции? Специалисты не спешат все списать на деятельность человека, засорения им окружающего пространства и атмосферы в том числе. Но они и не сомневаются в том, что антропогенное влияние на изменение климата в последнее время очень существенно. Они высказываются следующим образом: «Если для изменения общего теплового режима планеты антропогенных источников, включая CO₂, еще недостаточно, то для региональных воздействий на погоду и климат антропогенные факторы уже сейчас, а тем более в будущем, могут стать определяющими».

ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА В ЧЕТВЕРТИЧНОМ ПЕРИОДЕ

Мы живем в четвертичном периоде. Он начался примерно полтора-два миллиарда лет тому назад. Лучше всего мы знаем, как менялся климат за то время, когда уже существовали цивилизации. Этот этап четвертичного периода называют голоценом. Мы располагаем палеоклиматическими, а также историческими данными не только об изменении климата за это время, но и о том, как это изменение влияло на человечество.

Главной характерной чертой изменения климата в четвертичном периоде является чередование продолжительных (70 — 120 тысяч лет) ледниковых периодов и более коротких (15–20 тысяч лет) теплых межледниковых периодов. Известные нам цивилизации существовали и существуют последние 10–12 тысяч лет. Это время последнего теплого межледникового периода, который начался 15–18 тысяч лет назад. Это благодатное время примерно через 4 тысячи лет должно закончиться — снова начнут наступать ледники. Что они принесут с собой? Об этом можно судить по тем ледниковым периодам, которые уже были раньше.

Если подсчитать среднюю температуру Земли за последние два миллиона лет, то окажется, что она была близка к нынешней — примерно 15 °C. Но это средняя температура. При переходе от ледниковых к межледниковым периодам она изменялась весьма существенно — на 5 — 10 °C.

На рис. 12 показано, как менялась средняя температура Земли за последние 4,5 миллиона лет. За весь этот период даже в самые суровые фазы ледниковых периодов Земля ни разу не была покрыта льдом целиком. Но она и не освобождалась ото льда никогда, даже в самые теплые межледниковые периоды. Ученые считают, что за последние 4,5 миллиона лет Северный Ледовитый океан всегда в той или иной мере был покрыт льдом. Антарктида также была скована льдами.

Последний ледниковый период своим климатом очень сильно отличался от нашего межледникового периода. Наибольшее оледенение имело место примерно 18 тысяч лет назад. Тогда уровень воды в Мировом океане был на 85 метров ниже, чем в наше время. Температура воды в океане была на несколько градусов (местами в Атлантике даже на 10 °C) ниже современной. Некоторые континенты были полностью покрыты ледниками. Поэтому отражательная способность поверхности Земли была значительно больше. Значит, больше приходящей от Солнца энергии отражалось обратно в космос. Лед, камни и песок занимали примерно вдвое больше той площади, которую они занимают сейчас, — 24 миллиона квадратных километров. Тундра и альпийские сообщества также занимали почти в три раза большую площадь, чем они занимают сейчас (сейчас — 8 миллионов квадратных километров). Пустынь и полупустынь на одну треть по площади было меньше (8 против 12 миллионов квадратных километров). Полагают, что леса, кустарники, саванна и другие сообщества занимали в ледниковый период такую же суммарную площадь, как и сейчас.

Исходя из этих основных данных, а также делая определенные предположения, ученые рассчитали, как менялись в ту пору основные климатические показатели: температура поверхности Земли и воздуха у поверхности и на высоте в атмосфере, где атмосферное давление равно 800 и 400 миллибар, ветры на этих высотах, направление на восток или запад, облачность, относительная влажность, а также содержание влаги в атмосфере, испарение, осадки и давление у поверхности Земли.

Были рассчитаны указанные величины для всей Земли для трех различных вариантов в предполагаемых параметрах. Основные результаты этих расчетов дают представление о климате в ледниковый период. Если рассматривать условия июля для северного и южного полушарий, то расчеты показывают, что в северном полушарии средняя температура земной поверхности и воздуха вблизи нее была ниже современной примерно на 5,3 °C. В южном полушарии, где большая поверхность Земли была занята водами Мирового океана, понижение температуры по сравнению с современным было, естественно, меньше (4,5 °C).

Мы привыкли к изменениям температуры на десятки градусов. Поэтому 4–5 градусов могут показаться незначительными. Но не обманывайте себя. Речь идет о средней температуре для полушария. А это совсем иное. Так, уменьшение средней температуры поверхности Земли всего на один градус означает изменение вегетационного периода примерно на две недели. Следовательно, глобальное среднее похолодание на 5,4 °C должно было вызвать сокращение вегетационного периода практически на три месяца. Это значит, что в этих условиях во многих районах мира вегетационный период практически исчезал. Речь идет не только о приполярных зонах, но и о средней полосе, где в условиях отсутствия вегетационного периода нельзя было заниматься сельским хозяйством.

Облачность в ледниковый период была меньше современной на 2–3 %. Более чем в два раза было меньше и количество осадков. Что касается атмосферного давления, то в северном полушарии среднее давление было меньше на 8,7 миллибар, а в южном полушарии на столько же оно было больше современного.

Если в атмосфере меняются давление, температура, влажность и другие показатели воздуха, то меняется и его движение. Другими словами, меняется циркуляция атмосферы. В условиях ледникового периода атмосферная циркуляция была более интенсивной как в июле, так и в январе. В то время циклоны двигались другими путями, их оси были смещены к югу, в отличие от сегодняшних. Они проходили южнее Скандинавии и направлялись в сторону Азии. Летом осадков было немного меньше, чем сейчас, особенно в Южной и Восточной Азии. Зимой их было примерно столько же, как и сейчас. Правда, в северном полушарии их было несколько меньше.

Каким был климат за время существования цивилизаций (период голоцена)? Установлено, что первые 7–8 тысяч лет этого межледникового периода имело место резкое потепление климата. В результате этого примерно восемь тысяч лет назад растаял ледник на Скандинавском полуострове. Спустя полторы тысячи лет растаял ледовый покров и на Североамериканском континенте. Еще через две тысячи лет растаял Лабрадорский лед. По мере потепления леса стали смещаться к северу. Они занимали площади на 300 км севернее нынешней полярной границы лесов. Вечная мерзлота в Северной Америке и Восточной Сибири также отступила на север на несколько сот километров. Климат был не только более теплым, чем сейчас, но и значительно более влажным.

Там, где сейчас имеется засушливый пояс — от Западной Африки до Раджахстана на северо-западе Индии, в то время был очень влажный климат. Об этом можно судить по таким фактам. В современном засушливом центре Сахары количество осадков достигало 250–400 миллиметров. Сейчас там осадки составляют всего 6 мм в год. Уровень воды в озере Чад был на 40 м выше современного. Поэтому само озеро было значительно больше по площади — оно достигало размеров Каспийского моря. В крайне засушливых районах Ближнего и Среднего Востока и северо-запада Индии в то время были очень благоприятные условия для скотоводов-кочевников, а также для земледельцев. Было главное — достаточное количество воды. Поэтому были обильные пастбища и поля для земледелия, не требующие орошения. Это был прекрасный климат. Поэтому специалисты назвали его оптимальным, а точнее климатическим оптимумом.

Но такое положение сохранялось всего несколько тысяч лет. Примерно четыре тысячи лет назад климат стал значительно холоднее. Становилось суше. По уровню воды в озерах в прошлом ученые восстанавливают количество осадков. Эти данные свидетельствуют о том, что количество осадков примерно 3,7 тысячи лет назад уменьшилось в Рад-жахстане примерно в три раза. Это вызвало упадок экономики района. Произошли неблагоприятные изменения климата и в других районах Земли. При этом надо иметь в виду, что все эти изменения взаимосвязаны. Это и понятно, поскольку вся атмосфера Земли представляет собой единое целое. Если в одном месте воздух начнет двигаться по-иному, то и в других местах его движение изменится. Поэтому потепление или увлажнение климата в одних районах будет сопровождаться похолоданием или сухостью климата в других районах. При усреднении это нивелируется и средние показатели меняются значительно меньше. Как мы уже говорили, изменение средней температуры всего на один градус вызовет значительные изменения в жизни биосферы и человека. Так, если брать последние пять тысяч лет, то за первые две тысячи лет из этого периода среднегодовая температура в Китае была на два градуса выше, чем теперь. В этот же период в других районах мира имело место значительное похолодание. В последние три тысячи лет в Китае среднегодовая температура менялась в пределах 2–3 °C. Самые низкие температуры там были в 100, 400 годы до н. э. и в 1200 году н. э. Довольно теплым климат в Китае был в 206 году до н. э., а также в 220 году н. э. и в 618–907 годы н. э. В Западной Японии лето 1180 года н. э. принесло неслыханную засуху. В восточной части Японии в это время собирали богатый урожай.

За последние 6000 лет наблюдались четыре периода повышенной увлажненности, которые четко разделены тремя периодами с сухим климатом.

Первый из этих периодов увлажненного климата имел место на рубеже V и IV тысячелетий до н. э. Об этом свидетельствуют результаты работы французской археологической экспедиции Анри Лота.

Экспедиция обнаружила в Центральной Сахаре в скальных нишах и пещерах массива Тассилин-Алджер наскальные рисунки. На них были изображены гиппопотамы и носороги. Скальные ниши и пещеры находились в долинах рек, которые давно пересохли, а также по берегам высохших водоемов.

Массив Тассилин-Алджер имеет свои особенности. Он находится на северо-восток от плоскогорья Ахаггар. Массив представляет собой систему уступов, которые возвышаются до 2000 м над уровнем моря. В сущности, это плато, расчлененное эрозией и сложенное песчаниками. Эрозия образовала очень своеобразную местность. Это ровные площадки с башнеподобными останками, которые чередуются с участками каменистой пустыни. Песчаники представляют собой пористую породу. Они хорошо собирают грунтовые воды. Край всего массива изрезан ущельями, которые имеют причудливую форму. Это следы работы эрозии.

Руководитель экспедиции Анри Лот описал работу экспедиции во многих книгах. Он описывал, что путь экспедиции лежал среди высоких колонн, которые напоминали руины громадного средневекового города. Им «виделись» обезглавленные башни, церковные шпили, паперти соборов, странные фигуры фантастических животных, диковинные архитектурные ансамбли.

Плато, на котором проводились работы, имеет длину 800 км и ширину 50–60 км. Сейчас там безводная территория. В период увлажнения здесь жили люди, которые создали чудесные наскальные рисунки. Наскальные рисунки здесь были впервые обнаружены в 1933 году лейтенантом Бренаном. На отвесной скале он увидел глубоко вырубленные изображения громадных животных, слонов с поднятыми хоботами, гиппопотамов, которые выходят из воды. Изображены здесь и носороги и длинношейные жирафы, которые щиплют верхушки кустарников.

Специалисты считают, что когда-то Сахара была заселена и ее фауна была аналогична фауне современной саванны. В прошлом в этих местах текли полноводные реки и климат был влажным. Реки брали начало в горных массивах Ахаггар, Тассилин, Ардар-Ифорас. Они образовывали большую гидрографическую сеть, которая соединялась с Нигером, озером Чад, а также с другими озерами, которые сейчас остались как соленые озера.

Сахару в IV тысячелетии до н. э. населяли племена охотников и рыболовов. Они селились по берегам рек и озер. Обнаружены каменные серпы и зернотерки, датируемые IV тысячелетием до н. э. Поэтому можно считать, что население занималось не только охотой, но и использовало семена дикорастущих злаков для приготовления муки. Климат менялся, реки и озера высыхали. Жители устремлялись на восток, к долине Нила и на юг, к озеру Чад. Экспедиция обнаружила много «кухонных куч», в которых найдены кости гиппопотамов.

Имеются наскальные рисунки разных эпох. По ним специалисты получили возможность развернуть жизнь в Сахаре во времени. Так, были выделены разные периоды.

Первый период — период охотников, или период буйвола. Это ранний неолит. Он обнаружен в самых древних наскальных рисунках периода между V и IV тысячелетиями до н. э. На рисунках изображены выбитые на камне контурные фигуры животных «эфиопской фауны». Это гиппопотамы, носороги, слоны, жирафы, антилопы, страусы. Носороги и гиппопотамы изображены только на самых древних рисунках. Они первыми вымерли из-за изменения (иссушения) климата.

Анри Лот так представлял себе то далекое время, в которое ему позволили заглянуть наскальные рисунки:

«Нам рисовались цветущие долины, леса, болота и звери, жившие когда-то в этом раю. Мы заселяли в нашем воображении эти места разнообразными животными. Добродушные слоны толпились возле воды, шевеля большими ушами. Пугливые носороги спешили к логовищам по узким тропинкам. Жирафы прятали головы в кустах мимозы. По долинам, пощипывая траву, бродили стада антилоп и газелей, находивших отдых под зелеными кронами деревьев. Наконец, мы старались представить себе людей, живших в скальных пещерах: мужчин, занимавшихся подготовкой оружия к охоте и мастерящих себе одежду из шкур, женщин, готовящих пищу или отправляющихся к соседнему водоему купаться или мыть миски».

Рисунки этого периода (фрески) имеют большие размеры. На них люди вырисованы с большой тщательностью. При этом видна татуировка, которая характерна для современных племен Верхнего Нила и Центральной Африки.

Второй период приходится примерно на 3500 год до н. э. Это скотоводческий период. Появились домашние животные, что изображено на фресках. Это крупный рогатый скот, козы, собаки, антилопы, муфлоны. Люди и животные изображены очень естественно. Нарисованы стада с пастухами. Люди изображены в разнообразных одеждах. Они полны красоты, гармонии, изящества. Они даны в движении. То они стреляют по дичи из лука, то сражаются за обладание стадами. Показаны они и собирающимися в группы для участия в танцах.

Дикие животные — слоны, носороги, гиппопотамы, жирафы, лошадиные антилопы, львы, дикие ослы, страусы — нарисованы очень реалистично. Эти животные не могли существовать без тучных пастбищ и очень влажного климата. Так, на одной из фресок изображены три гиппопотама, за которыми охотятся люди в пирогах.

Таким образом, достоверно доказано, что Сахара некогда была обитаемой. От Атлантического побережья вплоть до долины Нила и далее к востоку, в Нубийской пустыне, были обнаружены следы деятельности человека. В Сахаре повсеместно найдены каменные орудия. Они относятся к двум различным периодам, которые отделены друг от друга тысячелетиями. Орудия первого периода появились в эпоху раннего палеолита. Второй период — время неолита. Итак, в глубокой древности в Сахаре было два периода высокой влажности. Тогда в ныне безводных районах существовала жизнь.

Первый влажный период приходится на эпоху раннего палеолита. Сахару в те времена населяли предки современного человека. Их каменные орудия найдены по всей территории Сахары. Все они очень единообразны. После этого периода влажного климата наступил весьма продолжительный период с очень засушливым климатом. Сахара превратилась в огромную пустыню, непригодную для жизни. Всякая растительность исчезла. Эта древняя пустыня была намного больше современной Сахары.

Затем наступил второй влажный период, уже в эпоху неолита. Именно в это время Сахару населяли племена охотников и рыболовов, которые жили на берегах больших рек и озер. Могучие реки в то время прорезали ущелья в горных массивах. Сейчас рек нет, остались только ущелья. Орудия в этот неолитический период очень разнообразны, но встречались они не повсеместно. В районах каменистых и песчаных пустынь их не обнаружили. Основными орудиями были лук и стрелы. Население занималось преимущественно охотой. Как уже говорилось выше, были найдены каменные серпы и зернотерки, также каменные.

Неолит Сахары не уступает по возрасту неолитическим культурам Египта. Более того, ученые полагают, что Сахара (Тибести) была центром, откуда распространялись культурные влияния на Фаюм, Хартум и Танере.

Но в Сахаре второй раз наступил период сухого климата. Периоды влажного климата обнаруживаются и по раскопкам древнейшего города Ур («Ур халдеев») в Месопотамии (современный Южный Ирак). Город находился в междуречье рек Тигра и Евфрата, в 16 км к западу от современного русла Евфрата.

Раскопки «Ура халдеев» проводила экспедиция под началом Леонарда Вулли с 1922 по 1934 год. Было подтверждено то, о чем писал Геродот об Ассирии и Вавилоне. Вавилон был возведен во времена царицы Семирамиды. Геродот приводит описание Вавилонской башни. Ее руины обнаружила экспедиция Вулли.

Вавилон унаследовал высокую культуру от шумеров, которые раньше населяли Ассирию. Государство шумеров располагалось в общей долине рек Тигра и Евфрата. Это была аллювиальная равнина, сложенная из плодородных речных отложений.

Раскопки свидетельствуют о том, что первые поселенцы позднего неолита селились на илистых речных островах, которые лежали среди заболоченных равнин. Были обнаружены и руины дворцов, и царские могилы. Найденные в могилах сокровища говорят о поразительно высокоразвитой цивилизации.

Раскопки дали информацию и об изменении климата. Верхний слой до 19 м состоял из обычной смеси мусора, развалившихся необожженных кирпичей, золы и черепков. В этом слое (горизонте) находились гробницы. В них археологи обнаружили аллювиальные отложения толщиной до 2,5 м. В них не было никаких следов культуры. Затем под аллювием были найдены следы человека. Это были распавшиеся необожженные кирпичи, зола и черепки расписной посуды. Они принадлежали людям позднего неолита. Ниже этого слоя была зеленоватая глина. В ней не было следов деятельности человека. Эта толща формировалась при постепенном заполнении бывшего морского залива на месте единой дельты рек Тигра и Евфрата.

Раскопки, проведенные экспедицией Вулли, однозначно подтверждают, что в позднем неолите здесь был потоп.

В этот период влажный климат был не только в Центральной Сахаре и Месопотамии. Он прослеживается и в Средней Азии.

Особенно большая влажность в Средней Азии была на рубеже IV и III тысячелетий до н. э. Археолог С. П. Толстов пишет, что территории земель «древнего орошения» между горным массивом Султан-Уиздагом на севере, Амударьей на западе и староречьем Суярган на востоке представляли собой в это время обильно обводненную, влажную, болотистую страну, заросшую камышами и лесными зарослями. В это время были затоплены песчаные холмы с постройками, а значительная часть дельты Амударьи была превращена в водоем.

В середине III тысячелетия до н. э. наступил влажный период. Об этом, в частности, свидетельствует снижение уровней Онежского и Ладожского озер, а также заселение освободившейся местности людьми эпохи неолита. При исследовании побережья Ладожского и Онежского озер был обнаружен торф, который залегал на 3,1 м ниже современного уровня Ладоги. Этот торф, по мнению специалистов, образовался в первой половине суббореального периода, то есть 2600 лет до н. э. Значит, в это время уровень воды в Ладоге был на три метра ниже современного. Это подтверждают и исследования Онежского озера. Специалисты обнаружили культурный слой с обломками керамики, который относится к эпохе неолита, ниже современного уровня Онежского озера. На этом же уровне были обнаружены и древесные пни.

В это же самое время в Альпах сокращались ледники. Высоко в горах стали появляться первые поселения. Люди создали дороги через горные перевалы, которые в наше время закрыты ледниками. Данные однозначно свидетельствуют о том, что в этот период торфяники Западного Казахстана, Западной Сибири и Европейской территории бывшего СССР очень сильно усохли. Этот период пониженной увлажненности во второй половине II тысячелетия до н. э. сменился периодом повышенной влажности. При этом уровень Ладожского озера поднялся на 5,5 м выше современного и на 8,6 м выше того, который был в предыдущий период пониженной влажности. Исследования альпийских озер подтверждают наступление в это время влажного климата. Было показано, что в это время все свайные поселения погибли, поскольку они были затоплены при повышении уровня воды в озерах. Древние свайные поселения найдены почти во всех странах Европы. Они представляли собой поселки людей эпохи неолита, которые вырастали на озерах или реках. Жилища сооружали на сваях с настилом. Когда уровень воды сильно поднимался, люди покидали их.

В начале II тысячелетия до н. э. наступил очередной период пониженной влажности. Об этом достоверно свидетельствуют остатки поселений в поймах рек Русской равнины. В обычных условиях в поймах никто не селился, поскольку пойма обязательно будет залита водой. Собственно пойма — это часть долины вдоль реки, которая ежегодно заливается водой. То, что в этих поймах были обнаружены поселения, однозначно говорит о том, что они не заливались водой, поскольку уровень воды в реке значительно понизился.

При изучении остатков поселений в пойме Оки было установлено время, когда пойма не затапливалась рекой. Это была первая надпойменная терраса. Лесостепь тогда простиралась до широты Вологды. Это первый ксеротермический период. Таким образом, изучение соотношения древних культурных слоев с отложениями речных пойм средней полосы Русской равнины дает убедительную картину заселения человеком пойм в период максимального усыхания водоемов, которое происходило во второй половине II тысячелетия до н. э. Это ксеротермический период.

При изучении морфологии и стратиграфии поймы среднего течения реки Дона было установлено, что в XV–XIV веках до н. э. произошло значительное иссушение. Поэтому стоянки людей бронзового века располагались в пойме. Весенний сток Дона был небольшим, и пойма не затапливалась.

В наскальных рисунках Сахары (Тассилин-Алджер) прослеживается и третий период влажного климата. Он приходится на отрезок времени между 1000 годом до н. э. и началом нашей эры. К этому периоду относятся найденные в Тассилин наскальные изображения колесниц (рис.). Геродот также писал, что живущие в Ливии «гараманты охотятся в квадригах на пещерных эфиопов». Изображены не просто колесницы, а боевые колесницы. Анри Лот восстановил путь, которым проезжали на колесницах от залива Сирта через Сахару к Нигеру. На этом пути существовали большие источники воды. Она проходила по твердому грунту. Она обходила нагромождения песка и горные массивы. В 19 году до н. э. римский правитель провинции (легат) Корнелий Бальба пересек Сахару от Разании до реки Нигер на колесницах.

Достоверно известно, что в римскую эпоху незадолго до н. э. Северная Африка являлась житницей Европы.

В начале I тысячелетия до н. э. климат в очередной раз стал влажным. Это подтверждают многие данные. В частности, исследования в Вологодской области свайных поселений на реке Людлоне, которая впадает в озеро Воже, показали, что в это время люди оставили свайные поселения, поскольку они были затоплены поднявшейся водой. То, что в это время был влажный климат, подтверждают и исследования дюн. Было установлено, что в это время увлажненного климата дюны не двигались. Это естественно, поскольку они были закреплены растительностью, которой хватало влаги.

Влажный климат означает обильные осадки. В этот период в Западной Европе были снежные и суровые зимы. По этой причине в начале первого тысячелетия до н. э. (в 219 году до н. э.) Ганнибал испытал большие трудности при переходе через Альпы. Полибий об этом писал так: «Обстановка сложилась как-то особенно необыкновенно: на прежний снег, оставшийся от прежней зимы, выпал в этом году новый; легко было пробить этот снег ногами, так как он выпал недавно, был мягок и к тому же неглубок. Но, пробивши верхний слой и ступая по нижнему, отвердевшему, солдаты уже не пробивали нижнего и двигались дальше, скользя обеими ногами: на земле так бывает с людьми, которые идут по дороге, сверху покрытой грязью».

Большая снежность в горах подпитывала уже существующие ледники. Это способствовало наступлению ледников стадии эгессен (200 г. до н. э.). Такое происходило не только в Альпах, но и в других горах, в частности на Кавказе. Здесь ледники продвинулись вниз по долинам. Создались напорные конечные морены. Они сохранились до настоящего времени. У нас эти морены называют моренами исторического оледенения. В Альпах их назвали моренами стадии эгессен.

Холода и большая снежность в это время наблюдались и на равнинах Западной Европы. Так, в 177 году до н. э. в северной Греции и на юге Европы зима была очень суровой. В летописи сказано: «В ту зиму все деревья замерзли и сильные ветры сносили целые дома». В 8 — 10 годы н. э. замерзал Дунай. Об этом свидетельствует Овидий: «Уже трижды становился от холода Истр и трижды твердела волна Евксинского моря, с тех пор как мы находимся на Понте».

В I тысячелетии н. э. влажность снова понизилась. Ледники стали отступать. Специалисты считают, что большинство современных горных ледников возникло после исчезновения снегов и льдов в начале первого тысячелетия н. э. В этот период климат на Кавказе был более сухим и теплым, чем климат Приэльбрусья в настоящее время. Гораздо выше находилась и верхняя граница леса. Естественно, что поселения также поднялись выше в горы. Все это стало возможным из-за значительного уменьшения оледенения. Исследователи не исключают, что в этот период оледенение в ряде мест, ранее покрытых льдом, и вовсе исчезло. Об этом свидетельствуют такие факты. А. В. Соколов взбирался на вершину Арарата в 1902 году. По пути на большой высоте он обнаружил участки дороги, которая была высечена в скалах. Более того, выше 4660 м ему встречались остатки различных сооружений. Местный житель ему это прокомментировал так: «Вот видите, было время, когда и наших отцов, и их отцов, и их отцов еще не было, а здесь жили люди и каналы строили, а теперь все пропало». Ученый А. М. Шостак также натолкнулся на древнюю колесную дорогу, когда путешествовал по Раче и Сванетии. Дорога проходила между реками Цхенис-Цхали и Ингури. Вдоль дороги путешественник обнаружил развалины поселений, которые находились на очень большой высоте. Он писал: «Я сперва предполагал ехать этим путем, но, ввиду отсутствия постоянного сообщения, не рискнул довериться проводникам, которые, впрочем, для того времени года сами не ручались за то, что на перевалах не встретится непроходимых снегов. Между тем несколько сот лет тому назад из Геби в Верхнюю Сванетию существовала колесная дорога».

Очень любопытны сведения о ледяной шапке острова Виктория, который находится между Землей Франца-Иосифа и Шпицбергеном. Сообщалось, что летом 1961 года из-под отступившего края ледниковой шапки острова Виктория вытаял древесный ствол плавника. Специалисты определили, что абсолютный возраст этого древесного ствола равен 1035±120 годам. Измерения были проведены весьма точным радиоуглеродным методом. Из этого факта следует, что около тысячи лет назад ледник не закрывал весь купол острова Виктория. Возможно, что ледникового покрова на острове и вообще не было, а рос прекрасный лес. Ведь и другие данные говорят за то, что в то время климат Северной Атлантики был относительно мягким. В то время ледники Скандинавии, Исландии и Гренландии отступали. В этих благоприятных климатических условиях норвежцы успешно колонизовали не только Исландию, но и Западную Гренландию. Таким образом, значительное и резкое сокращение оледенения в Европе в раннее средневековье (Х в. н. э.) проявлялось значительным потеплением в Арктике.

Исследователи обнаружили и в Сибири следы значительных сокращений ледников, которые в свое время сменялись их разрастанием. Явные доказательства потепления в это время находят не только в Сибири, но и на Урале. Климат там становился суше. Поэтому ландшафтные зоны смещались. Например, в начале нашей эры в Большеземельной тундре был лес. Подтверждением этому служит то, что там до сих пор находят пни деревьев. А это на 200 км севернее современной границы тундры. Холод потеснил ее к югу. Люди были вынуждены переселяться в другие зоны. О. Н. Бадер об этом пишет так: «Вероятно, толчки для этнических сдвигов исходили обычно из степей, превращавшихся местами в полупустыни; в этих условиях кочевые племена скотоводов не могли более прокармливать свои многочисленные стада и должны были искать новые пастбища».

Специалисты изучают изменение климата в прошлом и по распределению и содержанию пыльцы древесных пород в торфе. Так, детальное изучение торфа Усманского болота в Воронежской области позволили судить об изменении климата в этих местах за последние 2000–2500 лет. Кропотливое изучение состава пыльцы в каждом тончайшем слое позволяет делать выводы о том, какие деревья здесь росли в данный период. Двигаясь вглубь торфа от одного слоя к другому, вы путешествуете по времени от одного климата к другому. Так восстанавливается хронология климата. В частности, было установлено, что с наступлением все более сухого климата в V–IX века н. э. резко увеличилось количество сосны и уменьшилось количество березы. Максимальное распространение дуба в Усманском бору за последние 2500 лет приходится на VIII век н. э. А это однозначно свидетельствует о существенном потеплении.

Изменение уровня Каспийского моря служит наглядным доказательством изменения влажности климата. На рис. 13 показано изменение уровня Каспийского моря за последние 2000 лет. В V веке до н. э. на берегу Каспийского моря была построена крепость Дербент. Крепостные стены ограждали порт со стороны моря. Эти стены уходили в море почти на два километра. Для их постройки требовалось много камня. Его добывали в больших каменоломнях, расположенных в 4 км к северу от крепости. В каменоломнях часть старых рубок камня оказалась на 30 м под водой. В VI веке н. э. уровень Каспийского моря был ниже современного на 2 м. Как видно на рисунке, уровень Каспийского моря менялся ритмически. В разные периоды крепость Дербент смотрелась по-разному. В 1623 году московский купец Котов свои впечатления от города описал так: «А Дербень город каменный белы, бывал крепок, только не люден, а стоит концом на горы, а другим концом в море, а длиной в горы больше 3 верст… И сказывают, что того города море взяло башен с 30, а теперь башня в воде велика и крепка».

В 1234 году н. э. уровень Каспия был на 30,13 м ниже современного. Показательно и то, что к югу от Ленкорани были обнаружены 18 торчавших из-под воды пней. Специалисты установили, что это остатки деревьев, которые росли еще в 1300 году н. э. Некоторые пни в наше время находились на глубине 2 м. Поэтому можно заключить, что уровень моря тогда был на 32 м ниже уровня Мирового океана.

Показателен и такой факт. К северу от Апшеронской дамбы было найдено старинное кладбище. На нем захоронения производились в больших гробах из камня. Поскольку могилы находятся как на современном уровне моря, так и под водой, можно заключить, что уровень моря в то время был ниже современного на 31,37 м.

Понижение влажности, или, другими словами, увеличение сухости климата, в первом тысячелетии н. э. не обошло и Сахару. Именно в те времена в Центральной Сахаре пересохли реки и озера. Это подтверждается котловинами высохших озер и сухими руслами рек.

Влияние изменения климата на деятельность и жизнь человека иллюстрируется историей колонизации Гренландии. Она была открыта норманнами в 880 году н. э. Колонизация ее началась в 870 году. Эту трагическую историю стоит описать хотя бы кратко.

Колонизация Гренландии началась потому, что там были благоприятные условия для жизни. Климат был значительно мягче, чем сейчас. Березовые леса простирались от моря до гор. Ледников был значительно меньше. В Гренландии были плодородные земли и хорошие пастбища. 4–5 тысяч норвежских колонистов в 895 году отправились туда на 25 мореходных судах. Они расселились в двух районах (Восточной и Западной колониях), которые разделяли 12 дней пути.

Руководил колонистами норвежский моряк Эрик Рыжий. В 999 году его сына Лайфа, который плыл из Норвегии в Гренландию, буря отнесла к берегам Америки. Он вернулся оттуда с ветками дикого винограда и колосьями дикой пшеницы. Норманны назвали новую землю Страной винограда (Винланд). Они решили, что имеет смысл колонизовать и ее. Для этого в 1003 году 160 колонистов на трех кораблях отправились в Америку. Они прошли вдоль ее побережья от Лабрадора (страны плоских камней) к югу и достигли Ньюфаундленда (Лесная страна). Зиму 1003–1004 годов они провели в Теамфиорде (в фиорде Течений) и только летом достигли желанного Винланда. Здесь они провели вторую зиму. Впоследствии они глубоко проникли на американский континент и постепенно смешались с местным населением. От местных жителей-индейцев они отличались белым цветом кожи. Поэтому европейцы, которые значительно позже попали в Америку, недоумевали, откуда там взялись «белые индейцы». Возможно, это и были потомки бывших колонистов-норманнов.

В 1355 году норвежский король Эриксон послал миссию в Гренландию с задачей обратить в христианство гренландских колонистов, поскольку те постепенно смешивались с эскимосами и индейцами и отходили от христианской веры. Эти миссионеры не ограничились Гренландией, а последовали за колонистами в Америку. Но здесь они закончили жизнь трагически. Об этом они оставили запись на каменной плите, которая была обнаружена только в 1898 году. На ней было написано следующее:

«Мы 8 готов (шведов) и 22 норвежца во время разведочного путешествия из Винланда через запад разбили лагерь у двух скалистых островов на расстоянии однодневного перехода к северу от этого камня. Мы ушли из лагеря и ловили рыбу один день. Когда мы вернулись, нашли 10 наших людей красными от крови и мертвыми. Спаси нас от зла Ave Maria. 10 человек из нашей партии у моря наблюдают за нашим кораблем в 14 днях пути от этого острова. Год 1362».

Уже в наше время были найдены руины древнего поселения, а также пни деревьев, которые росли во времена колонистов. С помощью радиокарбонового анализа древесного угля, который был обнаружен в жилищах, был определен абсолютный возраст. Он оказался в пределах 900±80 лет и 1060±70 лет. Это подтверждает, что поселения норманнов в Америке возникли в X–XI веках.

Период сухого и теплого климата длился примерно шесть веков, от V до XII века н. э. Затем началось похолодание. Климат становится холодным и влажным. На Гренландию надвигаются льды. Уже в середине XIV века население Гренландии перестало заниматься земледелием и скотоводством. Льды отделили колонистов от их родины — Скандинавии. Последний корабль в Гренландию прибыл в 1377 году, а из Гренландии последний корабль отправился в Скандинавию в 1410 году. Спустя более чем сто лет, в 1542 году, из Норвегии было направлено судно для обследования территории Восточной колонии. Но оно пришло слишком поздно — никого из жителей там уже не было.

В Исландии с конца XV века также усилилось похолодание. Северное побережье блокировали льды. Климат стал полярным. Культурные земли и поселения занимали ледники. Пастбища беднели, растительность стала скудной. Население было вытеснено ледниками. В это же время замерзло Адриатическое море, а также вся поверхность Балтийского моря.

Температуру, которая была тогда, можно измерить сейчас. Она консервируется ледниками, которые служат своего рода термосом. Установлено, что при изменении внешней температуры в леднике температура меняется только в слое толщиной около 20 метров. Глубже в леднике температура не меняется, что бы ни происходило снаружи. Значит, можно углубиться в ледник и измерить там температуру. Поскольку она там оставалась все время неизменной, можно узнать, какой она была в прошлом, в XIV–XVII веках н. э. Именно во времена значительного охлаждения в XIV–XVI века н. э., в результате которого произошла ледяная блокада Гренландии, образовались запасы холода в ледниках. До этого времени было теплее. Это подтверждает тот факт, что под ледниками на глубине 47 м были найдены остатки растений, возраст которых равен 200 годам.

Этот период похолодания был назван учеными малым ледниковым периодом. Ледники стали образовываться потому, что во влажном холодном климате выпадало много снега и града. Когда же в XVII веке н. э. в фирновых бассейнах их скопилось очень много, образовались ледники. Они начали наступать, неся с собой бедствия для людей. Так, в Альпах, в массиве Высокий Тауэрн рудники по добыче золота были раздавлены надвинувшимися ледниками. А рудники там существовали с начала нашей эры. До этого малого ледникового периода на Земле было теплее, чем сейчас. И это теплое время сменилось очень холодными и мощными ледниками.

Ледники наступали не только в Альпах. Они двигались во всех горах северного полушария, в частности на Кавказе. В 1845 году конец ледника Большой Азау (Эльбрус) надвинулся на густой сосновый лес и лег на него, как на щетку: стволы сосен с зеленой хвоей торчали из ледника.

Ледники приносили огромные разрушения и бедствия. При их движении часто происходило подпруживание боковых притоков реки и образовались ледяные запруды. Выше этих запруд возникали озера. Но когда эти запруды прорывались — это была катастрофа. Например, в результате сползания нижнего конца ледника Казбек (Орцвери) образовалась ледяная плотина, за которой скопилось много воды и всякого обломочного материала. Затем плотина из льда прорвалась, и вал воды, льда и обломочного материала хлынул по руслу (а также по всей долине) реки Чхари. Последствия этого были ужасные.

Нечто подобное произошло и в Альпах. С 1599 по 1848 год ледник Фернагтфернер в Рофнерской долине несколько раз создавал запруды. Высота их достигала 140 м. Так возникло Рофнерское озеро. Все это в 1848 году закончилось страшной катастрофой. Озеро длиною в 1 км и глубиною 80 м, содержащее около 3 миллионов кубических метров воды, опорожнилось в течение всего одного часа. Огромный вал воды и разного материала разрушил все на своем пути и унес много жизней.

В 1938 году в хребте Каракорум в Азии боковые ледники продвинулись в главные долины и образовали запруды. Выше запруд возник ряд озер длиною в несколько километров. Ширина этого водного коридора доходила до одного километра. Глубина воды превышала 100 м. Здесь скопилось около полутора миллионов кубических метров воды. И вся эта вода в один миг прорвала запруду и принялась крушить все на своем пути. Подобное происходило в разных местах весьма часто.

Опасны также ледяные обвалы. Они образуются в тех случаях, когда фирн и лед обильно поступают из области питания, в результате чего скорость движения ледника увеличивается и происходит обвал. Такие ледяные обвалы происходили в разных местах, в частности на Военно-Грузинской дороге. Там 13 августа 1832 года лед объемом в полтора миллиона кубических сажен обвалился и перекрыл ущелье реки Терек на протяжении 2 км. Этот же ледяной обвал в Дарьяльском ущелье разрушил полотно дороги. Обвалившийся лед таял в течение нескольких лет.

В 1902 году огромный ледяной обвал произошел на Кавказе в долине реки Геналдон. Двигалась смесь из льда и снега общим объемом около восьми миллионов кубических сажен со скоростью 12 верст за 5–8 секунд. Этот поток снега и льда полностью уничтожил высокогорный курорт Кармадон. После этого ледяного обвала река Геналдон ниже ледяной плотины сильно обмелела. Но не надолго. Через несколько часов прорвалась запруда и воды подпрудного озера огромным разрушительным валом пронеслись по долинам рек Геналдон и Гизельдон. Долины были покрыты сплошной массой льда, снега и камней на протяжении 12 верст. О масштабах происходящего говорит то, что при прохождении этого ледяного обвала возникали ледяные волны высотой до 100 м над дном долины. Любопытно, что аулы Тменику и Кони построены очень высоко над дном долины. Жители не без основания опасались селиться в долинах.

В Альпах происходило нечто подобное. 11 сентября 1895 года от Ательского ледника в Бернских Альпах оторвалась глыба и понеслась вниз. Ледяная лавина, содержащая около четырех миллионов кубических метров льда, завалила альпийские пастбища площадью почти триста гектаров. В 1901 году ледяной обвал с ледника Росбоден уничтожил деревню Эгген на южной стороне перевала Сими-лон.

Многовековые колебания влажности за последние шесть тысяч лет показаны на рис. 14. За это время имели место 4 периода влажного климата (на рисунке обозначено цифрами 1, 2, 3 и 4) и четыре периода сухого климата (цифры 5, 6, 7 и 8). Дадим краткую характеристику этих восьми периодов.

1. — Открытые Вуллем следы затопления в стране Шумеров (Вавилон — Месопотамия). Повышение влажности в Сахаре и время появления пастухов-скотоводов. Первые затопления свайных построек на альпийских озерах.

2. — Оледенение стадии данау. Гибель всех свайных поселений среднего и позднего неолита. Повышение влажности и быстрое нарастание торфяников в Северной Европе, Западной Сибири, Западном Казахстане. Наступление леса на степь. Ладожская трансгрессия. Пастбища в Сахаре. Второй дождливый период (эпоха неолита). Наскальные рисунки Тассилин.

3. — Погребенный гумусовый слой в дюнах Онежского побережья. Замерзание Амударьи на пять месяцев (сейчас 2 месяца). Наступление горного и океанского оледенения эгессен. Гибель свайных построек бронзового века на альпийских озерах. Холодная и влажная эпоха V–VI в. до н. э. Катастрофические наводнения изменили конфигурацию Северного и частично Балтийского моря. Века страшных зим. Влажность в Африке. Фрески Тассилин третьего дождливого периода. Римляне пересекали Сахару на колесницах.

4. — Затопление города Абескун. Нашествие змей в городе Янгикент. Сильные холода в Европе. Река Тургай впадала в Сырдарью. Опустошение побережья Северного моря наводнением. Разрастание горного оледенения в Альпах и на Кавказе. Сильнейшие штормы у побережий Европы. Ледяная блокада Гренландии. Оледенение Северной Атлантики и Арктики достигло максимума. Разрастание ледникового покрова до островов Виктория, Земли Франца-Иосифа. Уровень Каспия достиг максимума. Каспийское море поглотило часть города Баку.

5. — Понижение уровня альпийских озер и возникновение поселений раннего неолита. Оледенение Северной Атлантики сильно сократилось. Уровень Ладоги и Онеги был ниже, чем в XIX веке н. э. Торфяники Западного Казахстана, Европейской части бывшего СССР, Западной Сибири сильно высохли. Высыхание Сахары.

6. — Отступание оледенения в Альпах. Заселение высокогорных долин. Понижение уровня альпийских озер. Распространение стоянок человека в поймах. Высыхание торфяников Европы, Западной Сибири, Западного Казахстана. Продвижение лесов к северу. Низкий уровень озера Лаче. Усиленное дюнообразование на севере и на юго-востоке Европейской части бывшего СССР. Засушливый период в Сахаре.

7. — Архызский перерыв в оледенении и снежности. Малое оледенение Северной Атлантики и Арктики. Исчезновение ледников на острове Виктория. Наинизший уровень Каспия (V–VI века н. э.). Открытие норманнами Исландии, Гренландии. Первое посещение Северной Америки (Винланд). Отсутствие горного оледенения.

Заселение горных долин в Альпах и на Кавказе (Теберда, Архыз). Самый низкий уровень Каспия. Возникновение ныне погребенного горизонта почв в Приэльбрусье и Хибинах. Постройка города Янгикент.

8. — Деградация оледенения. Потепление Арктики. Усиление схода гляциальных селей. Усыхание степных озер Сибири и Западного Казахстана. Понижение уровня Каспийского моря. Продвижение южных растений и животных к северу.

КЛИМАТ В ЭПОХУ НОВОЙ ЖИЗНИ

Теперь более детально проанализируем, как менялся климат на Земле с того момента, когда появился человек. Собственно, это для нас наиболее важно в смысле освещения проблемы выживания человечества. Чтобы знать, как вынести то, что нас ждет, мы должны как можно полнее представлять, что уже с нами (человечеством) было и как мы это перенесли. Так что же было?

Посмотрите внимательно на рис. 15, на котором показана геологическая шкала времени. Мы будем рассматривать кайнозойскую эру. Ей предшествовала мезозойская эра, в которую входило три периода: триасс, Юра и мел. Граница между мезозойской эрой и эрой кайнозойской не является формальной. На этой временной границе происходили очень большие, радикальные изменения во всем: в движении материков, в климате, в растительном и животном мире. Многое из того, что тогда происходило, остается до сих пор не разгаданным. Сам Дарвин был ошеломлен тем, как все быстро менялось, и поэтому назвал это «отвратительной тайной». Почему «отвратительной»? Потому, что ему не удалось ее разгадать. Но расскажем обо всем по порядку.

Эра, в которую мы живем (кайнозойская), недаром получила название — эра новой жизни. Предыдущая эра (мезозойская) называлась эрой средней жизни. Переход из одной эры в другую происходил весьма драматично.

В конце мезозойской эры существовал единый суперконтинент — Пангея. Но он начал распадаться на части, из которых стали образовываться современные континенты. Раздвижение литосферных плит ускорялось. В результате Мировой океан менялся из-за поднятия дна. Воды Мирового океана затопляли значительную часть суши. Со временем один из осколков бывшего единого континента переместился в направлении южного полюса. Из этого осколка затем образовались Антарктида и Австралия. Эти события происходили в меловой период мезозойской эры, за которым следовала наша кайнозойская эра.

В меловой период в мире менялось все. Кстати, именно в это время вымерли динозавры. Но решая проблему исчезновения динозавров, как специалисты, так и любители забывают о том, что в это же время исчезли и многие другие старые формы жизни, а вместо них появились более близкие к нам новые формы. Поэтому новая эра и была названа эрой новой жизни. Например, смена растительности была настолько радикальной, что она потрясает больше, чем исчезновение динозавров. В это время на смену господству голосемянных и споровых пришло царство цветковых-покрытосемянных.

Поразительно изменился и мир насекомых, хотя они являются самыми устойчивыми обитателями Земли. Таким образом, изменились океан, суша, растительность, насекомые и даже почвы. Мир морских животных также изменился. Современники динозавров аммониты также вымерли. Важно, что все эти изменения происходили весьма быстро (конечно, в геологическом масштабе времени).

В меловый период воды Мирового океана затопили 40 % суши. Но этот процесс был колебательным — эта величина постепенно менялась в ту и другую сторону. Другими словами, обстановка во всех отношениях была изменчивой. Анализ палеоботанических данных показывает, что в это время цветковые растения захватили самую динамическую часть суши — пространства вблизи воды. Особенно благоприятными оказывались периоды, когда воды океана отступали. За ними тут же следовали цветковые растения, покрывающие сплошным ковром недавно залитые водой почвы.

Надо иметь в виду, что меловой период был теплым и устойчивым в смысле температуры. За миллионы лет температура изменялась всего на несколько градусов. Речь идет о средней температуре поверхности Земли. В то время особенно тепло было в высоких широтах южного и северного полушарий. Даже при относительном похолодании на широте 70° (широта Мурманска) температура была такой же, как в настоящее время южнее Москвы. Север тогда еще не был севером.

В нашу кайнозойскую эру средняя температура поверхности Земли стала понижаться. Происходил переход от эпохи теплой к эпохе оледенения. Исследование разных вещественных свидетельств установило, что в начале кайнозойской эры такие области, как ныне покрытая льдом Баффинова Земля у северных берегов Канады, имели растительность, которая сейчас присуща южным приатлантическим штатам США. На островах вблизи побережья Антарктиды в отложениях начала кайнозойской эры были обнаружены остатки листопадных и хвойных деревьев. Из этого можно сделать вывод, что существовали зимы со снежным покровом. С другой стороны, ясно, что было значительно теплее, чем сейчас.

В это время в северном полушарии начал формироваться Северный Ледовитый океан. Рельеф суши изменялся. Открылись северо-западный и северо-восточный проходы. Гренландия при этом сместилась на север, к своему теперешнему положению. Антарктида составляла единое целое с Австралией. Они продолжали дрейфовать на юг, в район южного географического полюса. На каком-то этапе Австралия откололась от Антарктиды. Напомним, что перемещение континентов означает перемещение литосферных плит. Континенты впаяны в плиты. Движение литосферных плит, о котором можно судить по движению континентов, неизбежно сопровождалось поднятием и опусканием различных участков суши. Мы уже говорили о том, что смещение континентов неизбежно приводит к изменению глобального климата. Материки в обеих полушариях смещались в сторону полюсов. А это обязательно должно было привести к понижению температуры. Важным этапом на пути к глобальному похолоданию стало смещение Антарктиды к южному полюсу. Когда она стабилизировалась вокруг южного полюса — глобальный земной холодильник заработал в полную силу.

Далее, примерно 27–28 миллионов лет назад Южная Америка отделилась от Антарктиды. Образовался пролив Дрейка. Для климата это имело очень принципиальное значение. Создалась возможность образования вокруг южнополярного материка сплошного кругового океанического течения. С этого момента этот материк (Антарктида) оказался полностью отрезанным от остального мира. Это и был тот последний штрих, который завершил запуск глобального холодильника в максимальном режиме. Пошел процесс интенсивного образования Антарктического ледникового панциря.

Значительное похолодание, которое сменило плавное снижение температуры в кайнозое, произошло, когда между Антарктидой и оторвавшейся от нее Австралией образовался более глубокий пролив. Это позволило образоваться вокруг Антарктиды циркумполярному течению (но еще не замкнутому). Это произошло примерно 38 миллионов лет назад. Только с отделением Южной Америки это течение смогло замкнуться и холодильная его возможность сильно увеличилась.

Появление ледникового панциря в Антарктиде существенно изменило отражательную способность Земли в глобальном масштабе. Снег и лед отражает свет очень хорошо. Значит, значительная часть пришедшей к Земле солнечной энергии направлялась снежно-ледниковым покровом Антарктиды обратно в космос. Земле ее стало не хватать, поэтому ее температура стала снижаться. Поэтому стала меняться растительность. До сих пор в высоких широтах была субтропическая растительность. С похолоданием ее стала замещать растительность, характерная для умеренных и холодных широт.

Под влиянием южного холодильника стало развиваться оледенение в северном полушарии. Примерно 10 миллионов лет назад появились ледники в горах Аляски. Гренландский ледниковый покров возник значительно позднее, не ранее 3,5 миллиона лет назад. В Исландии ледники возникли не менее 10 миллионов лет назад.

Образование постоянного ледяного покрова в Северном Ледовитом океане очень важно для климата. Он сформировался примерно 4–5 миллионов лет назад.

Как видим, произошли слишком значительные изменения, которые подвели климатическую систему к некоторому критическому порогу. За этим порогом должна была начаться существенная перестройка системы. Это показано на рис. 16. Здесь изображено изменение средней температуры у поверхности Земли в течение кайнозойской эры. Видно, что около 2–3 миллионов лет назад общее постепенное понижение температуры сменилось практически периодическими ее колебаниями. Периодичность связана с разрастанием покровных оледенений на материках северного полушария и на прилегающих к ним шельфах. Одновременно все больше и больше разрастался антарктический ледниковый покров. Кстати, нынешняя средняя температура у поверхности Земли, равная 15 °C (288К — по абсолютной шкале), является пороговой температурой при существующей сейчас климатической системе. Это надо иметь в виду, поскольку любой сдвиг по шкале температур может привести к колебательному изменению температуры и к кардинальной перестройке климатической системы, к непредсказуемому изменению климата. В то время пороговая температура была иной, но последствия ее изменения очевидны. Наступили колебательные изменения средней температуры (то есть климата).

Раньше считалось, что в этот период было всего четыре ледниковых подпериода. Но более поздние данные дают основания полагать, что их было 18. То есть 18 раз ледниковый покров максимально расширялся и затем сужался до областей вокруг полюсов.

Чтобы не было путаницы, мы еще раз подчеркнем, что не надо путать эпохи оледенения, о которых мы говорили раньше и которые длились очень долго, и ледниковые периоды, относительно (в масштабе геологического времени) короткие, которые имели место уже в нашу кайнозойскую эру.

Колебательное изменение ледникового покрова (то он разрастался, то сужался — и так 10 раз) неизменно вызывало существенные изменения климата. Климатическая система не могла не реагировать на динамику ледников, поскольку менялось количество солнечной энергии, которую усваивала Земля. Чем большая ее поверхность была покрыта льдами, там больше приходящей к Земле энергии отражалось снежным и ледовым покровом обратно в космос. Поэтому на Земле холодало. Когда ледников было меньше, больше солнечной энергии усваивала Земля и средняя температура у ее поверхности увеличивалась. Колебания температуры были весьма существенными. Это и понятно, если иметь в виду, что при максимальном расширении ледники покрывали примерно треть всей суши планеты. Колебания средней температуры в разные фазы движения ледников составляли не менее 6 °C. В умеренных широтах температура была ниже современной как минимум на 10 °C.

Самый близкий к нам ледниковый период изучен, естественно, наиболее полно — больше удалось собрать данных о нем. Ученые его называют валдайским. Ему предшествовало межледниковье. Это было примерно 125 тысяч лет назад. Тогда был теплый климат. Границы растительности по сравнению с современными были намного ближе к полюсам — в Северной Америке на 300–400 км, а в Сибири на все 600 км. Поскольку льды растаяли, то уровень Мирового океана повысился на 5–8 м. Это то, что угрожает нам сейчас. Казалось бы, что такое 5 или даже 10 м, этого можно даже не заметить. Но не тут-то было. Если не дай Бог это произойдет в наше время, то оно обернется для нас всех огромной трагедией и неисчислимыми материальными потерями. Судите сами: гавани и порты по всей Земле со всеми их постройками, техническими средствами окажутся под водой. Прибрежная линия очень существенно сместится вглубь континентов. Кроме того, будут залиты водой практически все плодородные земли. Можно уверенно сказать, что человечество это не перенесет, а те, кто перенесут это бедствие, будут совсем иными, им не позавидуешь. Так что нам есть чего бояться, тем более, что мы слишком далеко оторвались от природы и намертво зависим от технического прогресса.

Межледниковье с его теплым климатом длилось недолго. Буквально спустя пять тысяч лет после его расцвета (пика тепла) начался очередной (последний для нас) ледниковый период. Он вызвал огромные перемены. Уровень океана понизился примерно на 60 — 100 м. Это произошло потому, что замерзшая океаническая вода в виде огромного количества льдов переместилась на сушу. В Северной Америке возник Лаврентьевский, а в Европе Скандинавский ледниковые покровы. Ледниковый период не был однородным. Специалисты его делят на две части более теплым периодом. Этот теплый интервал имел место от 60 до 25 тысяч лет назад. Потеплело потому, что ледниковый покров в Северной Америке отступил к северу и востоку и отделился от Кордильерского ледяного щита на западном побережье. Ледниковый покров в Европе отступал к предгорьям в Норвегии и Швеции. Но распад ледников в этот теплый промежуток времени был отнюдь не полным, и уровень Мирового океана продолжал оставаться очень низким. Именно поэтому оголилась перемычка между Азией и Америкой, что позволяло человеку каменного века свободно перемещаться из одного континента на другой.

Последнее разрастание ледникового покрова началось 25 тысяч лет назад. В северном полушарии ледники достигли своего максимума примерно 18 тысяч лет назад. Климат на Земле в этот период стал суше, а температура воздуха над ледниковыми поверхностями была очень низкой. Над экватором она была примерно такой же, как сейчас. Пик оледенения 16 тысяч лет назад сменился фазой быстрого таяния льда. В продолжение пяти тысяч лет количество льда сократилось примерно вдвое, а восемь тысяч лет назад Скандинавский ледниковый покров исчез полностью. Спустя две тысячи лет исчез и мощный Лаврентьевский ледник в Северной Америке.

Мы говорили о северном полушарии. Но то же самое, по сути, происходило и в южном полушарии. В Южной Америке в Кордильерах образовался ледниковый щит, а в горах Австралии и Новой Зеландии образовались ледниковые шапки. Расширялся и Антарктический ледниковый щит. Граница этого щита совпадала с границей между ледниковым шельфом и глубокой частью океана.

Ученые единодушны в том, что при современном состоянии климатической системы изменения климата в глобальном масштабе зависят от ледникового покрова в Антарктиде. Это своего рода демпфер, стабилизатор. Площадь его всегда не менее десяти миллионов квадратных километров. Поэтому даже в межледниковые периоды не происходит резкого повышения температуры. Именно антарктический ледниковый покров удерживает критическую пороговую температуру воздуха почти на одном уровне. В межледниковье она увеличивается не более, чем на два градуса. Стабильность связана с тем, что в периоды расширения ледников Антарктический ледник не может себе позволить выйти за пределы своей зоны (мелководья). Открытый глубокий океан препятствует образованию ледника. Поэтому в этом смысле оба полушария оказываются не равноправными, не идентичными в смысле динамики ледников и изменения температуры. Так, когда в северном полушарии люто свирепствуют ледники, в южном полушарии все остается стабильно — сохраняется сравнительно теплая обстановка. Собственно, главным стабилизатором климата на планете является Мировой океан. Такую огромную массу воды трудно быстро нагреть, но ее так же трудно быстро охладить. В этом и состоит суть стабилизации. В южном полушарии более стабильный климат потому, что большую его часть занимает Мировой океан, играющий роль стабилизатора.

В природе все устроено очень мудро: жизнь содержит в себе смерть, а смерть содержит в себе жизнь. Можно думать, что раз ледник стал расширяться, то так может продолжаться до бесконечности, поскольку отражательная способность увеличивается, а температура при этом должна падать. Но до каких пор? Кто остановит этот процесс? Его остановит атмосфера, движение атмосферного воздуха. Дело в том, что над ледниковым покровом создаются условия для формирования области высокого давления, то есть антициклона. Этот воздушный вихрь с высоким атмосферным давлением препятствует проникновению сюда циклонов, которые несут осадки. Так ледник лишается существенной подпитки в виде осадков. Поэтому он перестает расти, расширяться. Более того, он постепенно начинает распадаться, поскольку таяние льда не восполняется его притоком из центральной части ледника. Так все регулируется естественным путем.

Мы не будем рассматривать многочисленные гипотезы объяснения наступления ледниковых периодов. Все они любопытны с точки зрения того, насколько все взаимосвязанно. Можно дернуть за одну из множества ниточек — и начнется образование ледников. Один Бог знает, за что можно дергать, а за что нельзя. Во всяком случае, современный человек об этом и вовсе не задумывается и дергает за все, что ему взбредет в голову. Но это до поры до времени. В природе как аукнется, так и откликнется. Рано или поздно отклик обязательно последует. В чем он будет состоять — вот вопрос.

Что же касается образования ледников, то самый простой механизм следующий. В данном районе снежные зимы несколько лет следуют одна за другой. Бывает же такое. В результате при холодных летних условиях на плато и в равнинах формируются поля снега, который не успевает растаять летом и поэтому существует круглый год. Снежный покров увеличивает отражение солнечной энергии обратно в космос, поэтому температура должна в конце концов понижаться. Это начало. А дальше образование ледника будет само себя подстегивать, пока его не остановит образовавшийся над центральной частью ледника антициклон. Как видите, гигантские изменения в природе могут начаться (и начинаются) с очень незначительных изменений, которые нам кажутся случайными. Но в природе ничего случайного нет.

Для образования ледника (ледников) в самом начале должно произойти хотя бы незначительное понижение температуры. Дальше все пойдет само собой. Ученые считают, что в северном полушарии в любое время может произойти перестройка атмосферной циркуляции только потому, что эта циркуляция неустойчива. Если это произойдет (а при неустановившейся циркуляции атмосферного воздуха это может произойти в любое время), то над северной Атлантикой будет удерживаться холодный воздух. В результате зимний сезон удлинится, и выпадет большое количество осадков в виде снега. Это сформирует холодные летние условия, что будет способствовать сохранению снежного покрова до следующей зимы. А дальше последуют второй и третий холодные годы и грянет начало образования ледников.

Мы говорили о неустановившейся циркуляции атмосферного воздуха, в результате чего может развиться практически любой процесс, неблагоприятный в смысле сохранения постоянным климата. Но мы сами можем внести такие изменения в атмосферу, при которых эта неустойчивость проявится обязательно и в самых неблагоприятных для нас формах.

Сосредоточив свое внимание на самой климатической системе, мы не должны забывать то, чем определяется климат, то есть солнечную энергию. Вернее, нас должна интересовать та часть солнечной энергии, которая достигает поверхности Земли и усваивается ею. Эта энергия зависит не только от того, чем покрыта поверхность Земли (песок, снег, лед, вода и т. д.). Эта энергия зависит и от того угла, под которым солнечные лучи падают на земную поверхность. Ясно, что этот угол падения солнечных лучей на экваторе один, на полюсах другой, в средних широтах — третий. И так для любой широты — свой. Но он меняется в зависимости и от сезона, не говоря о времени суток. Поэтому с сезоном меняется температура (и вообще погода). Но только ли с сезоном?

Сезонные изменения связаны с тем, что Земля по-разному оказывается подставленной солнечным лучам: меняются места, куда солнечной энергии поступает больше всего и меньше всего. А это значит, что изменится циркуляция атмосферы, то есть изменится режим климатической системы. Но положение Земли относительно Солнца (солнечных лучей) меняется и по другим причинам. В частности, в результате изменения наклона оси вращения Земли. Земная ось описывает в пространстве круг за время около 25 тысяч лет. Другими словами, земная ось как бы прецессирует по отношению к Солнцу. Это и есть явление прецессии. Положение Земли относительно Солнца меняется и в результате изменения наклона земной оси по отношению к плоскости ее орбиты, к плоскости эклиптики. Эти изменения наклона достигают 3°. Период этих изменений составляет 41 тысячу лет. Положение Земли относительно Солнца меняется и в результате изменения ее орбиты. Как известно, каждые 100 тысяч лет орбита Земли изменяется от почти круговой до вытянутой (эллиптической). В результате этого удаление Земли от Солнца меняется, причем весьма существенно. Эти изменения составляют около 5 миллионов километров. Полагают, что в прежние эпохи они были еще больше.

Законы движения Земли хорошо известны, в том числе и те, о которых сказано выше. Можно без труда рассчитать (тем более с помощью современных компьютеров) не только положение Земли по отношению к солнечным лучам, но и ее удаление от Солнца на любой момент времени. Далее, можно определить те периоды, когда те или иные широтные зоны (пояса) на Земле получали наименьшее количество солнечного тепла. Можно полагать, что в эти периоды и формировались ледники.

Такие расчеты были выполнены, и неоднократно. Одни ученые перепроверяли других. Но у всех у них оказалось, что рассчитанные периоды похолодания содержат в себе все три цикла, которые связаны с описанными выше тремя особенностями в движении Земли. К анализу был привлечен большой фактический материал, касающийся не только изменения температуры Земли за последние полмиллиона лет, но и материал о содержании тяжелого изотопа кислорода, а также видового состава двух видов морских организмов (радиолярий). Эти данные были получены при изучении колонок глубоководных морских осадков. Очень важно, что все указанные данные характеризуют разные стороны климатической системы, а именно температуру, распределение и засоление вод океана в результате таяния и образования ледниковых покровов.

По всем указанным данным было выявлено наличие трех циклов изменения климатической системы, а именно связанных с колебаниями земной оси, с изменениями наклона земной оси по отношению к плоскости эклиптики и с изменениями удаления Земли от Солнца. Анализ вещественных данных, о которых говорилось выше, показал, что периоды в 100 тысяч лет, 42 тысячи лет и 24 тысячи лет действительно прослеживаются в изменении климатической системы Земли, а попросту — климата. Наибольшие изменения климата происходили с периодом в 100 тысяч лет. С таким периодом происходят колебания земной оси. Менее выражена периодичность в изменении климата, которая совпадает с периодом изменения наклона земной оси по отношению к плоскости эклиптики (42 тысячи лет). И еще меньше проявляются колебания климата с периодом в 24 тысячи лет, которые связаны с изменением удаления Земли от Солнца. Это вполне закономерно. По законам физики так и должно быть.

Можно заключить, что на сегодняшний день наиболее правдоподобно объясняет наступление ледниковых периодов именно учет указанных трех особенностей в движении Земли. Выполненные корректные расчеты с учетом не только усваиваемой Землей солнечной радиации, но и с учетом обратной связи между температурой воздуха и полярными льдами в совокупности с результатами анализа большого фактического материала об изменении климатической системы за последние полмиллиона лет показали, что загадка наступления ледниковых периодов, которые следовали друг за другом с определенной цикличностью, близка к разгадке. По крайней мере, в главных чертах.

Именно в главных чертах, поскольку задача настолько сложная, что надо быть слишком самоуверенным и близоруким, чтобы позволить себе говорить о ее решении. По сути дела, надо решать задачу в более широком аспекте. Надо рассчитывать колебательный режим климатической системы с учетом всех прямых и обратных связей между различными ее элементами. Такие задачи мы решать пока не умеем — это слишком сложно даже для современных компьютеров. Сложно не из-за большого объема вычислений, а потому, что мы не в состоянии в настоящее время задать сколько-нибудь уверенно алгоритмы прямых и обратных связей между различными элементами климатической системы. Но когда самые главные связи — между атмосферой, океаном и ледниками, — были заданы разумными алгоритмами, то результаты оказались вполне похожими на реальную ситуацию, которая имела место за последние полмиллиона лет. Естественно, что в расчеты надо включать и то, о чем говорилось выше — изменение условий поступления солнечной энергии (ее утилизации) в связи с изменением положения оси Земли, изменением ее наклона и изменением удаления ее от Солнца. В эту задачу надо включать и другие разумные, обоснованные и проверенные логикой и фактами положения. Именно в этом направлении движется решение этой сложной задачи сегодня. И небезуспешно.

Остановимся более подробно на последнем отрезке времени, периоде голоцена, во время которого мы живем, — от начала нынешнего межледниковья, которое началось 10 тысяч лет назад. В это время также происходили значительные изменения климата.

В начале этого периода происходило потепление, которое примерно восемь тысяч лет назад перешло в нечто оптимальное. Напомним, что ученые это состояние климатической системы назвали «климатическим оптимумом». Жаль, что он продолжался всего 25 тысяч лет. В этот благоприятный период средняя температура воздуха была выше современной. Влажность воздуха также была повышенной. Влажно было и в местах, где в настоящее время находится пустыня Сахара, а также в Раджахстане в Индии.

О более высокой температуре в то время говорят находки стволов деревьев, которые тогда росли в Сибири на берегах Северного Ледовитого океана, а также в Гренландии и на острове Эльсмир. В то время березовые леса покрывали половину всей территории Исландии. Сейчас они занимают не более 1 % ее территории. Ледяной покров Северного Ледовитого океана по сравнению с современным сократился в то время примерно на половину. Сахара тогда еще не была Сахарой. В ней найдены останки многих животных, которые могли жить только в водоемах со стоячими и текучими водами. Значит, тогда такие водоемы в Сахаре были. Найдены также в бывшей Сахаре и остатки богатой растительности.

В Европе в то время было теплее, чем сейчас, но ненамного — всего примерно на 2 °C, и то главным образом летом. Судя по тому, что вечнозеленые растения — тисс, падуб и другие, — в это время на север не продвигались, делаем вывод, что зимняя температура была не выше, чем сейчас. Дело в том, что жизнь этих растений контролируется, естественно, самой низкой, то есть зимней температурой. В южном полушарии потепление было значительно меньшим, чем в северном. Опять же — роль океана как стабилизатора, а его в южном полушарии больше.

Но «климатический оптимум» был непродолжительным. Он 5,5 тысячи лет назад сменился похолоданием, после которого наступило новое потепление. Это показано на рис. 17, пик которого отстоит от нас на четыре тысячи лет. Наступившее после этого новое похолодание совпадает по времени с периодом Троянской войны. В это же холодное время путешествовал и Одиссей.

Мы говорили достаточно подробно о том, по каким данным ученые описывают изменения климата в прошлом. Для получения этих данных используются в основном геологические и геофизические методы. Те изменения климата, которые происходили в историческое время, в период развития цивилизации, но еще характеристики климата не измерялись с помощью инструментов, называется историческим. Для получения информации о климате в исторический период используют данные анализа археологических памятников, а также памятников письменности. Когда говорят о современных изменениях климата, то имеют в виду его изменения за тот период, когда проводились инструментальные измерения различных элементов климата — температуры, влажности, ветров, осадков и т. д. и т. п.

Первое историческое похолодание достигло пика около трех тысяч лет назад. После него началось новое потепление, которое продолжалось и в первом тысячелетии нашей эры. Этот период назван климатологами «малым климатическим оптимумом». На этот период приходится эпоха забытых географических открытий (в отличие от Великих географических открытий XV и XVI веков). Забытыми открывателями были ирландские монахи. Они открыли Фарерские острова, Исландию и Индию, Америку. Это стало возможным потому, что потепление улучшило условия мореплавания в Северной Атлантике. Следом за ними эти же открытия повторили норманнские викинги. Они в конце первого тысячелетия н. э. заселили Фарерские острова, а также Исландию. Они также открыли и заселили Гренландию. Более того, в начале второго тысячелетия нашей эры они добрались и до Америки. Тогда были, несомненно, очень теплые условия, что и определило экспансию викингов.

В Гренландии норманнские поселенцы занимались не только охотой и добычей рыбы, но и скотоводством. Мореплавателями они оставались всегда. При этом они очень далеко заплывали на север. Они устанавливали каменные пирамиды, которые служили им ориентирами. Такие пирамиды обнаружены даже на широте 79°, всего в тысяче километров от северного полюса, на берегу пролива Смита, который разделяет Гренландию и остров Элсмир.

Потепление в период раннего средневековья привело к уменьшению влажности в Европе. Об этом свидетельствуют отложения торфяников в Средней Европе. До конца Х века н. э. благоприятные климатические условия были и на Руси. Неурожаи случались редко, не было очень суровых зим и сильных засух. Именно в это благоприятное время был открыт и весьма интенсивно использовался путь «из варяг в греки».

Но уже в первую четверть нашего тысячелетия начинается постепенное похолодание. Священник Ивар Бордемон, который жил в XVI веке, писал о том, что появившийся морской лед отрезал Гренландию от Исландии. В результате поселения норманнов были обречены на вымирание. В последний раз о них упоминалось в 1500 году.

Климатические условия в Исландии также резко ухудшались. В XVI–XVII веках для нее наступили времена тяжелых испытаний. И это не могло не сказаться на населении страны. С начала похолодания до 1800 года оно сократилось вдвое. Голод сделал свое дело. Тяжелой стала жизнь и в Скандинавских странах. Суровые зимы стали повторяться все чаще и чаще, наступали ледники. Неурожаи стали обычным делом.

Похолодание не обошло и равнины Европы, которые настигли суровые зимы. Было все: и падеж скота, и неурожаи, и вымерзание водоемов. Ледники в Альпах и на Кавказе двинулись вперед. Участился сход снежных лавин, а снеговая линия в горах понизилась. Движущиеся ледники вклинивались в леса, перекрывали дороги, которые построили еще римляне. Наступавшими ледниками и снежными лавинами были уничтожены многие поселения.

В то время льды сковывали значительные пространства. В XIV–XVIII веках они несколько раз блокировали побережье Норвегии. Крупные льдины выносило даже к Шотландии. На таких плавучих льдинах эскимосы и достигали Шотландии. Гренландские айсберги достигали берегов Франции. Один из них, согласно историческим хроникам, в 1750 году был вынесен на отмель у острова Бель-Иль. Здесь он таял в течение целого года.

Резкое ухудшение климата происходило и на Руси. В начале второго тысячелетия нашей эры на Руси начался период страшных гроз, великих засух и суровых зим. В летописях сообщается, что в 1143 году в Новгородской земле в течение четырех месяцев не прекращались дожди. В XV веке произошел перелом, и не в лучшую сторону: засухи сменились годами с сильными наводнениями и небывалыми грозами. Десятки тысяч жителей унесли голод и эпидемии. Голод был спутником жизни все эти шесть столетий, с XI по XVII. Известно, что за этот период на Руси в целом и в отдельных районах было 200 голодных лет. Каждый третий или четвертый год был голодным!

Эта эпоха похолодания — малый ледниковый период, — длилась вплоть до XIX века. Только в прошлом веке началось новое потепление. Что касается малого ледникового периода, то он охватывал, несомненно, всю Землю, проявлялся в северном полушарии от Западной Европы до Китая, Японии. Проявлялся он и в Северной Америке. В южном полушарии похолодания тоже были, хотя и меньшие. Из рис. 20 видно, что колебательные изменения климата в голоцене идут на фоне постепенного, но явно выраженного, похолодания.

КЛИМАТ ПОСЛЕДНЕГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ

Данные об изменениях климата специалисты получают из исторических свидетельств (летописей и т. п.), а также из косвенных наблюдений за такими показателями климата, как годичные кольца деревьев, уровень воды в озерах, состояние горных ледников и т. п. Что касается последних двухсот лет, то за этот период накоплены данные о непрерывных наблюдениях за различными климатическими элементами. Надо сказать, что имеются письменные источники об изменении климата 5000 лет назад в Египте, 4500 лет назад в Китае и 250 лет назад в Южной Европе. Для Северной Европы письменные свидетельства об изменениях климата содержатся за последние 2000 лет. В Японии такие записи начали вестись с 500 года н. э., в Исландии — с 1000 года н. э., в Северной Америке — с 1500 года н. э., в Южной Америке — с 1550 года н. э., в Австралии — с 1800 года н. э. В русских летописях описания изменения климата содержатся начиная с X столетия.

Что касается последнего тысячелетия, то наиболее характерными периодами для него были следующие климатические условия. Примерно VIII–XIV века были сравнительно теплыми. Этот период и был назван малым климатическим оптимумом. Между XIV и XIX веками имел место малый ледниковый период. Во второй половине XIX века началось потепление, которое достигло максимума в 30 — 40-х годах XX века. После этого наступило некоторое похолодание, которое еще продолжается, хотя и с некоторыми колебаниями.

Мы уже говорили о норманнах, которые колонизировали в VIII–XIV веках Гренландию, Исландию и частично Америку. В период потепления климата усилилось экваториальное западное течение. При этом меньше штормило в тропиках. Это позволило полинезийцам плавать в экваториальном поясе. Между народами происходил активный культурный обмен.

Максимум потепления в Европе пришелся на 1200–1250 годы. В отдельных районах это период с 1265 по 1312 год. Необычайно засушливым было время с 1272 по 1291 год. Зато необычайно влажно было между 1313 и 1322 годами. Внутрисезонная изменчивость климата очень увеличилась в 1270–1350 годы.

За последнее тысячелетие средняя температура земной поверхности примерно на полтора градуса была выше, чем до того. Она была несколько выше средней температуры при потеплении в 30 — 40-х годах двадцатого столетия. Количество осадков в период малого климатического оптимума увеличилось. Потепление в этот период не обязательно сопровождается сухостью климата. При этом в ряде районов при более влажном климате в период потепления осадков стало меньше.

При переходе к малому ледниковому периоду (между 1300–1450 годами) средняя температура поверхности Земли резко снизилась на 1,3–1,4 °C. Линия деревьев в горах в Центральной Европе понизилась почти на 200 метров. Вегетационный период роста растений сократился почти на три недели. В это время полярные льды блокировали Исландию и Гренландию. Наиболее холодным был период 1675–1704 годов. Самым холодным был 1695 год. В это время холодные полярные воды преобладали вблизи Исландии и Фарерских островов. Вода в верхнем слое Мирового океана в то время была на полградуса холоднее, чем сейчас. Сильно увеличилась неустойчивость атмосферных процессов. Усилилось образование циклонов, участились наводнения. В 1443–1700 годы зимние температуры были значительно ниже, чем в последующие 250 лет. Но были и исключения. Теплые зимы были в 1665–1686 и 1718–1719 годы.

Как уже говорилось, ледники в Альпах сильно развились и вновь заняли свои прежние места, с которых их согнал малый климатический оптимум. Похолодание и наступление ледников не могло не сказаться на сельском хозяйстве. Так, в некоторых провинциях Китая после сильных морозов в 1654–1676 годы почти вымерзли апельсиновые деревья. В 1782–1787, 1883–1839, 1866–1869 годы в Японии были очень низкие урожаи, характерные для холодной влажной погоды летом.

Малый ледниковый период наиболее ярко проявился в 1550–1700 годы. В Европе наиболее изменчивым был климат в конце XV — начале XVI и в XVI–XVII веках. В горах Европы оледенение достигло максимума к 1600 году. Около 1820 года наблюдалось вторичное усиление оледенения. Ему предшествовало очень сильное похолодание в 1812–1817 годах. Для этого периода было характерно влажное холодное лето и холодная зима.

После весьма изменчивого климата в 1569–1579 годах последовали очень влажные и холодные летние сезоны во второй половине 80-х годов XVI века. В этот период, 13–21 августа 1588 года во время страшного шторма погибла Испанская армада. Четыре из пяти дней были дождливыми.

После 1560 года в Швейцарии наступили очень тяжелые климатические условия. Холодные зимы и весны сменялись холодным и влажным летом. Следствием этого были неурожаи зерна в 1614, 1717, 1731, 1785 годах и неурожаи винограда в 1588, 1628, 1692, 1698 и 1816 годах. С 1680 по 1718 год во Франции был очень холодный климат с катастрофическим выпадением осадков. В 1782–1785 годах в Европе наступили жестокие засухи. Особенно холодными и с избыточным увлажнением были 1812–1821 годы. Очень холодная зима наступила в 1657–1658 годы. При этом средняя температура в районе между Данией и Швецией была примерно на 4 °C ниже, чем за период 1931–1960 годов. В этих условиях проливы к востоку от Ютландского полуострова замерзли.

На Американском континенте в малый ледниковый период также происходили значительные изменения климата. Самые сильные засухи там наблюдались в 1746, 1803, 1824–1825, 1842–1844, 1868–1889, 1891 и 1912 годах.

Как менялся климат в России в последнее тысячелетие?

В первые двести лет второго тысячелетия нашей эры, когда в Европе отмечалось значительное потепление, на территории Руси климат менялся мало. Отмечены за два столетия только четыре особо опасные засухи (в 1022, 1024, 1124 и 1161 годах). Ледовые условия на Руси были в это время весьма благоприятными. Так, в X веке новгородцы вышли на берег Русской Арктики, а в 1132 году они ходили к Карским воротам. Тогда они назывались Железными воротами. Морозы были особенно суровыми в 1230 году. Но с 1232 по 1250 год климат менялся незначительно. Зато после этого последовал период с частыми бурями, сильными дождями, наводнениями, возвратами холодов и жестоких зим. Это было во второй половине XIII столетия. В следующем, XIV столетии непогода усиливалась. Экстремально неблагоприятные климатические явления за сто лет отмечались 40 раз. Половина из них приходится на тридцать лет от 1301 до 1331 года. Все это очень хорошо описано в русских летописях. В них отмечены за это время четыре дождливых периода и паводка в середине лета, два возврата холодов, четыре засухи и одна суровая зима. На это столетие приходится 20 голодных лет. Голод свирепствовал не только на Руси, но и в Европе.

В следующем, XV столетии климат на Руси продолжал ухудшаться. В летописях описаны уже более 50 экстремальных климатических явлений. Они стали причиной десяти голодных годов. Основным бедствием были холодные продолжительные дожди. Они 18 раз за столетие губили озимые и яровые. За эти сто лет наблюдались 15 засух, шесть из которых охватили всю русскую землю. Засуха в 1424 году охватила и Западную Европу.

Шестнадцатое столетие было не лучше. 26 раз наблюдались сильные дожди летом и осенью. 16 раз за сто лет наступили засухи. Четыре из них (1508, 1525, 1533 и 1534 г.г.) нанесли огромный ущерб экономике России. В XVII столетии непогоды продолжались — имели место 24 дождливых года и восемь засух. Каждый четвертый год этого столетия на Руси был голодным. В это время волна похолодания в Арктике распространялась с запада на восток. Во второй половине XVII века увеличивается ледовитость арктических морей и климат становится еще более суровым. Показательно, что в 1696 году недалеко от Архангельска вмерзло в лед 35 кораблей.

Не смягчился климат и в XVIII веке. За сто лет наблюдалось 18 жестоких зим. Особенно суровыми из них были зимы 1709 и 1740 годов. Время от времени (1702, 1709, 1716, 1718, 1765 г.г.) происходили большие наводнения. От них пострадали Москва и ряд других городов России. Засухи повторялись столь же часто (19 засух на столетие). Только в XIX веке началось выравнивание климата. Так, в первой четверти XIX века имели место четыре засухи, но они носили региональный характер. Только одна из них распространялась на обширную территорию. Постепенно увеличивается число мягких зим. Наводнений и дождливых лет также становится существенно меньше. Постепенно улучшаются ледовые условия в Арктике. Все это признаки потепления климата.

Из сказанного выше ясно, что в период похолодания в XI–XVIII веках в России были очень неблагоприятные условия для жизни. Конечно, похолодание коснулось не только России. Исторические хроники Исландии сообщают, что с 975 по 1500 год в стране было 12 голодных лет. За 1600–1804 годы отмечено 34 голодных года.

Все имеющиеся данные говорят за то, что период похолодания климата везде сопровождался увеличением влажности и осадков. Усиливались ветры, а зимы становились холодными. Летом же часто наступали засухи. Все это не могло не влиять на жизнь людей, на их благополучие, здоровье и, в конце концов, на их выживание. Такое положение было характерным практически для всех регионов северного полушария. Социальные явления и исторические события следовало бы также анализировать с учетом условий проживания людей, с учетом климата.

Со второй половины XIX века климат постепенно теплел. Наиболее ярко это проявилось в высоких широтах северного полушария. Потепление достигло максимума в 30 — 40-е годы нашего столетия. Это видно из рис. 21, на котором показано изменение температуры воздуха за последние сто лет. Видно, что на фоне общего потепления климата в отдельные временные отрезки имело место похолодание. После 1940 года происходит незначительное похолодание климата.

Из рис. 18 видно, что при общем потеплении климата имели место похолодания в первом, втором и третьем десятилетии. Эти похолодания были вызваны выбросами в атмосферу вулканической пыли. Специалисты отмечают также связь этого изменения климата с изменением солнечной активности.

Очередное потепление климата привело к резкому уменьшению арктических льдов. Улучшились условия плавания в арктических морях. В период с 1924 по 1945 год площадь льдов в восточном секторе Арктики уменьшалось почти на один миллион квадратных километров. Горные ледники в Альпах с 1866 года начали отступать. Так, ледник Мер-де-Пляс отступил на 1300–1400 м, а ледник Аржантьер — на 1000 м. В Скандинавии, Исландии, на Шпицбергене, в Гренландии, на севере Канады и в Кордильерах Северной Америки происходило то же самое — ледники отступали. На Кавказе с 1890 по 1946 год площадь ледников уменьшилась на 8,5 %. Уменьшились размеры ледников на Алтае, Памире и в Турции. С начала XV века бурно таяли ледники в Экваториальной Африке. В это время граница вечной мерзлоты повсеместно отступила на север. Температура мерзлых пород повысилась примерно на два градуса. Исландия стала освобождаться от льдов. Так, если в малый ледниковый период ее побережье сковывали льды в течение 20 недель, то в 1920–1939 годы этот срок ледовой блокады сократился до двух-трех недель. Реки и озера стали вскрываться раньше, а замерзать позднее. Северные моря стали более теплыми. В них завелась более теплолюбивая рыба. В Баренцевом море, в Атлантике, в Арктическом бассейне и в северной части Тихого океана стали водиться сельдь, треска, скумбрия, морской окунь и другие породы рыб, которых тут раньше не было или было так мало, что об их промысле не могло быть и речи. Морская фауна также изменилась весьма значительно. Раньше стали прилетать птицы.

С потеплением климата изменилась атмосферная циркуляция. В ряде мест уменьшилось количество осадков, увеличилась засушливость климата. Это было характерно для Северной Америки и Советского Союза. Потепление 1930 — 1940-х годов охватило не только северное, но и южное полушарие. Почему в 1940-х годах потепление климата сменилось его похолоданием — остается невыясненным.

ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРИРОДНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ КАТАСТРОФЫ

За всю свою историю Земля пережила целый ряд глобальных климатических катастроф. Причины их были разные. Разными были и последствия. Нам важно знать об этих катастрофах не только потому, что это история нашей планеты, но и потому, что мы получим представление о том, что может вызвать глобальную катастрофу (экологическую, климатическую) и в чем именно она может проявиться. Важно иметь и представление о том, как Земля восстанавливает свою жизнь после такой глобальной катастрофы.

Природных причин глобальной климатической катастрофы может быть много. Мы рассмотрим только главные из них, тем более что любая из них может повториться. Некоторые из этих природных причин в наше время могут быть вызваны к жизни человеком. Они перестанут быть природными, естественными, а станут антропогенными, обусловленными деятельностью человека. Начнем с рассмотрения сильной запыленности атмосферы и ее влияния на катастрофические изменения климата в глобальном масштабе. «Запыленность» в данном случае сказано очень мягко. Речь идет о тех явлениях, когда в атмосферу выбрасываются за короткое время миллионы тонн пепла и пемзы. Таких катастрофических выбросов за всю историю Земли было не мало. И, естественно, они будут и в будущем. Но для нас они представляют интерес и потому, что дают нам представление, что может произойти, если путем взрыва большого количества ядер-ных бомб мы поднимаем в воздух миллионы тонн земли и пыли (и дыма, который в результате сплошных пожаров, закроет небо в глобальных масштабах). Климатические последствия ядерной войны мы рассмотрим отдельно и достаточно детально (люди должны знать, в какие игры они играют и к чему могут привести эти игры). Здесь же мы, рассматривая влияние вулканических извержений на изменение климата, все время будем помнить, что это только слабое, облегченное в сотни и тысячи раз подобие того, что мы сами сделаем для себя, для всего человечества, если затеем ядерную войну. Актуален ли вопрос сегодня? Он всегда будет актуален. Он будет актуален до тех пор, пока имеются ядерные бомбы, пока хотя бы один человек на Земле знает, как их изготовить. Джинна обратно в бутылку уже не загнать.

То, что запыление атмосферы должно привести к изменению климата, становится понятным из простых логических рассуждений. Солнечная энергия, которая приходит к поверхности Земли в виде света, должна на своем пути через атмосферу преодолеть ее влияние. Часть солнечного света атмосферой поглощается, часть отражается, а также рассеивается и до поверхности Земли не доходит. Чистая атмосфера является более прозрачной для солнечных лучей, чем запыленная. В чистой атмосфере имеются атомы и молекулы, которые поглощают солнечную энергию и затем переизлучают ее обратно в космос. Поэтому и чистая атмосфера (без пыльных примесей и аэрозолей) не является полностью прозрачной. Но когда в атмосферу в результате извержения вулканов или пыльных бурь выбрасываются миллионы тонн пыли и разных аэрозолей, то ее прозрачность падает настолько, что свидетели этого говорят о наступлении мглы. Проанализируем отдельные такие случаи, которые имели место в разное время.

В Исландии в 1783 году произошло извержение вулкана Лаки. Через какое-то время в Европе появился «сухой туман» (мгла). При этом климат существенно изменился: лето было холодным и неурожайным. Тогда Б. Франклин высказал мысль, что именно извержение вулкана было причиной изменения климата. С тех пор ученые прорабатывали эту мысль в деталях. Они доказали, что в результате запыленности земной атмосферы после извержений вулканов солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли, может уменьшиться на 10–20 %. Это явление занимает огромные территории и может длиться не только в течение нескольких месяцев, но даже и в течение нескольких лет. В результате Земля недополучает значительное количество солнечной энергии и климатическая система меняется. Очень наглядно это иллюстрируется рис. 19, где показано, как изменялась интенсивность прямого солнечного излучения, которое достигало поверхности Земли, после извержения вулкана Катмай на Аляске в 1912 году. Для лучшей наглядности взята не сама интенсивность, а ее отношение к интенсивности солнечного излучения, которое достигало поверхности Земли в безоблачную погоду до извержения вулкана. Если бы выбросы вулкана не влияли на интенсивность солнечного излучения, которое достигает земной поверхности, то мы имели бы прямую горизонтальную линию, которая начинается у цифры 100(%). Но вы видите, что кривая относительной интенсивности резко падает вниз, и только спустя 4–5 месяцев она очень постепенно начинает выравниваться. В данном случае потребовался почти год для того, чтобы прозрачность атмосферы восстановилась до того значения, которое было бы до извержения вулкана.

Специалисты рассчитали, как должна была измениться средняя температура нижнего слоя атмосферы в результате этого извержения вулкана. Результаты показаны на рис. 20 нижней кривой. Видно, что температура приземного воздуха изменялась бы примерно так же, как и интенсивность прямого солнечного излучения, то есть она уже в первые два месяца после извержения вулкана понизилась на все 5 °C. Для средней температуры это очень много. Скажем, что за последние 100 лет изменения средней приземной температуры не превышали 1 °C. Более того, за последние 500 миллионов лет, то есть в продолжение всего фанерозоя, изменение средней температуры нижнего слоя атмосферы не превышало 5 °C. На самом деле такого изменения температуры не произойдет и при сильных извержениях вулкана. Почему? Потому, что на Земле действует своего рода термос, поддерживающий изменение температуры в определенных пределах. Во всяком случае, он не позволяет температуре (средней температуре) изменяться резко, быстро. Роль этого термоса играет вода в Мировом океане. Запасенное ею тепло и не позволяет средней приземной температуре изменяться быстро. Это и спасает нас от климатических катастроф, которых в противном случае было бы слишком много, чтобы можно было рассчитывать на выживание биосферы и в частности человечества.

Специалисты рассчитали, как изменится средняя приземная температура в результате вулканического выброса при учете указанного термоса — вод Мирового океана. Результаты показаны на том же рисунке 20 верхней кривой. Эти изменения также весьма существенны и не могут быть незамеченными, хотя они и составляют только несколько десятых градуса.

Показательным в этом плане является извержение вулкана Эль-Чичон в Мексике в 1982 году, а также ряд других взрывных извержений, которые произошли за последние сто лет, когда уже функционировала мировая сеть метеорологических станций. Так, об извержении в 1883 году вулкана Кракатау в Индонезии известно всем. В результате в атмосферу было выброшено примерно двадцать кубических километров пепла и пемзы. Морские волны, которые породил взрыв, пересекли весь Тихий океан и даже проникли в Атлантический. После извержения во всем мире наблюдались необычайно яркие закаты. Известно, что цветной закат объясняется рассеянием солнечного света на частицах аэрозоля. При этом длина волны излучения меняется — а значит, меняется и цвет света, то есть цветовая гамма заката. Поскольку количество аэрозольных частиц в атмосфере резко возросло, то изменились и закаты. Они стали необычайно яркими. Специалисты считают, что в результате взрывного выброса вулкана Кракатау приземная средняя температура в северном полушарии примерно на полградуса уменьшилась.

Когда были проанализированы последствия взрывных извержений вулканов за последние 100 лет, то оказалось, что над сушей средняя приземная температура меняется в среднем на треть градуса, причем максимальное падение температуры наблюдается во второй месяц после извержения. После этого атмосфере требуется несколько месяцев (а то и год) для того, чтобы ее средняя температура восстановилась до нормального уровня.

На северо-западе США 18 мая 1980 года произошло извержение вулкана Сент-Хеленс (Святая Елена). В результате извержения в атмосферу был выброшен большой шлейф пепла. Он быстро распространился над восточной частью штата Вашингтон, а также над соседними штатами Айдахо и Монтана. Измерения на метеорологических станциях позволили установить, что дневная температура (но не средняя!) в местностях под облаком пыли уменьшилась на 8 °C. Причина ясна — уменьшилось солнечное излучение, которое нагревало земную поверхность и нижнюю атмосферу. В то же время ночная температура под облаком повысилась на 4–6 °C. Это тоже понятно — облако заэкранировало Землю и тепло от нее труднее излучалось в сторону космоса. Рассеивание излучения происходило на частицах, из которых состояло облако. Их по оценкам специалистов было около двух миллионов тонн. Размеры их составляли от 1 до 10 мкм (микрометров). Более мелких частиц было значительно меньше. Частицы таких размеров, из которых состояло облако, очень эффективно поглощают и вновь испускают тепловое излучение. Поэтому облако и не давало ночью земной поверхности остывать.

Более мощным было извержение вулкана Тамбора, которое произошло в 1815 году в Индонезии. При этом взрыве в атмосферу поступило 150–180 кубических километров пепла и пемзы. Но об этом извержении имеется меньше фактических данных, поскольку мировой сети наблюдений за погодой еще не было. Однако достоверно известно, что летом 1816 года в Европе и Северной Америке была столь низкая температура, что этот год назвали «годом без лета». В результате был нанесен существенный ущерб природе. Пострадали и люди. Многие тысячи людей в регионах, очень далеких от места взрыва, погибли от голода, поскольку резко снизилась урожайность.

Несмотря на то, что специальных наблюдений за погодой и климатом не велось, ученые находят возможность получить информацию не только об изменении климата, но и о самих извержениях. Для этого изучают слои льда, который оставался нетронутым тысячи лет, то есть крупных ледников, которые сформировались за очень продолжительное время. Причем проводят тщательный химический анализ состава льда. Так определяют в слоях льда соединения серы, которые попали на поверхность льда из атмосферы после взрывов вулканов. Слой за слоем ледник записывал информацию (причем достаточно подробную) об извержениях вулканов, о составе выбросов, а также о времени, когда это происходило.

Таким методом специалисты установили, что в 536 году произошло очень сильное извержение взрывного типа. В исторических записях позднеантичного времени говорится о том, что в этом году в атмосфере образовалась малопрозрачная пелена, которая сохранялась целых два года. Очевидцы писали, что яркость Солнца из-за этой пелены снизилась до яркости Луны. Установлено также, что извержение произошло в тропическом поясе. Об этом можно судить по тому пути, который прошло облако (и оставило свои следы). Специалисты заключают, что аэрозольное облако от извержения этого вулкана было примерно вдвое более плотным, чем то, что было выброшено в атмосферу при взрыве вулкана Тамбора. Не вызывает сомнения, что при этом произошли значительные климатические изменения, но конкретных данных мало. Известно только, что в том году не вызрели фрукты в странах Средиземноморского бассейна и Месопотамии.

Примерно в 1500 году до нашей эры произошло извержение вулкана на острове Санторин в восточной части Средиземного моря. Историки полагают, что вызванная извержением этого вулкана климатическая катастрофа привела, в частности, к гибели высокоразвитой крито-микенской цивилизации, которая до этого времени процветала. В Библии говорится «о тьме египетской».

Можно не сомневаться, что за продолжительные интервалы времени, длящиеся целые геологические эпохи, имели место и намного более мощные извержения вулканов. Последствия таких извержений не могли не быть катастрофическими.

До сих пор мы говорили об отдельных, единичных извержениях вулканов. Это естественно — они более вероятны. Но когда речь идет о длительных интервалах времени (миллионы лет), то надо учитывать и парные или тройные извержения. Вероятность их за такое продолжительное время отнюдь не равна нулю. Кроме того, надо иметь в виду, что в течение геологических периодов вулканическая активность менялась. В определенные интервалы она была значительно выше, чем сейчас. По этим причинам количество аэрозоля, который поступает в атмосферу от взрывных извержений вулканов за одно десятилетие, примерно в 10–20 раз больше того количества аэрозоля, которое поступило в атмосферу от вулкана Кракатау. Земной термос — воды Мирового океана — зависит от количества воды в океане. А это количество за всю историю Земли менялось очень сильно. Когда воды было мало — термос работал плохо и температура уменьшалась очень сильно. Во всяком случае, не менее чем на 5 °C, в результате чего неизбежно должны наступить катастрофические последствия для биосферы.

Специалисты оценили, что если аэрозольное облако будет существовать десяток лет (взрывы идут один за другим), то термос не справляется со своей задачей и наступление глобальной климатической катастрофы в этом случае становится неотвратимым. Конечно, раньше были и другие ситуации, когда извержение вулкана было единичным, но оно было в десять раз мощнее, чем извержение вулкана Кракатау. Ясно, что последствия для климата были не менее трагичными. Специалисты научились определять по количеству аэрозольных частиц то понижение температуры, которое оно вызовет. Так, во время извержения вулкана Эль-Чичон, когда в атмосферу было выброшено несколько миллионов тонн аэрозолей, средняя температура воздуха у поверхности Земли могла понизиться примерно на одну десятую градуса.

Этот вопрос, ввиду его важности, был разработан учеными весьма детально с применением методов математической статистики. Это позволило им сделать вывод, что за достаточно длительные интервалы времени могут возникать мощные аэрозольные слои, в результате чего средняя глобальная температура нижнего слоя атмосферы может понизиться не только на 5, но и на все 10 °C. Это средняя температура. Над сушей она меняется значительно сильнее, чем над водой. Надо ли говорить, что это истинная катастрофа для всего живого. Можно не сомневаться, что Земля пережила такие катастрофы, которые сопровождались вымиранием многочисленных видов животных и растений.

Надо сказать, что пыль в атмосфере образуется не только при извержениях вулканов. Она в большом количестве заносится в атмосферу при пыльных бурях, а также при падении небесных тел на Землю. Так, при падении больших метеоритов образуется дополнительный аэрозольный слой, а точнее, увеличивается, как говорят специалисты, оптическая плотность существующего аэрозольного слоя в атмосфере.

То, что Землю бомбардировали крупные метеориты, хорошо известно. Их размеры могли превышать не только сотни метров, но и достигать километров. Были проведены оценки, которые свидетельствуют о том, что падение одного крупного метеорита на Землю может привести к понижению температуры примерно на 5 — 10 °C. Оно будет продолжаться несколько месяцев, а последствия этого, бесспорно, будут катастрофическими для биосферы. Схема действия метеорита на температуру та же самая: образуются аэрозоли и перекрывают путь солнечному излучению. Может оказаться, что ослабленного этим аэрозолем солнечного излучения будет недостаточно для того, чтобы процесс фотосинтеза протекал успешно. Из-за ослабления солнечного излучения образовавшимся слоем аэрозоля температура воды в Мировом океане может понизиться на 2–3 °C, и это похолодание может затянуться на два года и более. Менее инерционна суша. Поэтому здесь температура понизится значительно сильнее (на несколько десятков градусов). Но она быстрее начнет восстанавливаться. На суше такого восстановления можно ожидать через полгода, а воздух над океаном восстановит свою температуру только спустя два года или более. Было оценено, что в течение первых десяти месяцев после падения астероида средняя глобальная температура может снизиться в среднем на 9 °C.

Столкновение Земли с астероидом — явление не частое. По теории вероятности оно происходит один раз в сто миллионов лет. Речь идет о столкновениях с крупным астероидом, диаметр которого достигает десяти километров. Скорость столкновения оценивается в 20 км/с. При таком мощном ударе о Землю высвобождается энергия, равная в тринитротолуоловом эквиваленте ста миллионам мегатонн. Исследования слоя осадков на границе мелового и третичного периодов показали, что этот слой имеет среднюю толщину порядка 2 см. По этой толщине можно определить полную массу глобальных осаждений. Кстати, частицы этих осаждений оплавлены.

На Земле имеются свидетельства столкновения астероидов с земной поверхностью, которые произошли в прошлом. Таким свидетельством является Карский кратер. Он расположен вблизи реки Кара, которая берет свое начало на Северном Урале и впадает Байдарацкую губу Карского моря. Возраст этого кратера составляет примерно 65 миллионов лет. Это даже не один кратер, а два. Основной — Карский — кратер имеет в поперечнике 60 км, а второй — Усть-Карский, диаметр которого достигает 25 км, уходит на дно Байдарацкой губы.

Около Ростова-на-Дону также имеется кратер (Каменский), который возник примерно в то же самое время. Диаметр этого кратера составляет 11,5 км.

Любопытно, что все три кратера расположены на одной дуге большого круга. Это наводит на мысль, что в космосе двигалась единая система, единое тело, которое в процессе падения разделилось на три части, каждая из которых приземлилась в своем месте. Но поскольку траектория этих трех частей была одной и той же, то они образовали кратеры вдоль одной дуги большого круга.

Надо иметь в виду, что несколько астероидов вызывают при столкновении с Землей больше пыли, чем один астероид, масса которого равна массе этих нескольких астероидов. Поэтому ученые не сомневаются, что при столкновении с Землей описанных трех астероидов в атмосферу поднялось огромное количество пыли, которое вызвало глобальную катастрофу. Как мы уже говорили, в то время образовался глобальный слой твердых осадков толщиной в 2 см, что свидетельствует о мощном глобальном запылении атмосферы.

Конечно, происходили и менее мощные выбросы пыли, когда размеры бомбардирующих Землю астероидов были меньше или значительно меньше. Так, если диаметр астероида составлял 5 км, то и пыли было в 10 раз меньше. Значит, и слой осадков имел толщину только 2 мм. Такой слой, образованный десятки миллионов лет назад, достоверно обнаружить трудно. Оценки показывают, что при столкновении с Землей метеоритом диаметром 2 км в атмосферу выбросится примерно 100 миллиардов тонн пыли. Этого достаточно для того, чтобы так ослабить приходящее к поверхности Земли солнечное излучение, чтобы фотосинтез перестал «работать». Если же фотосинтез прекратится, то произойдет резкое падение средней температуры поверхности Земли.

Мы привели только небольшую часть фактического материала, чтобы проиллюстрировать, что в геологическом прошлом имели место очень существенные кратковременные изменения климата. Специалисты не сомневаются в том, что они оказывали существенное влияние на биосферу Земли. Изменение климата происходило в результате значительного увеличения массы атмосферного аэрозоля. Это вызывало понижение прозрачности атмосферы и значительно уменьшало долю солнечного излучения, которое достигало земной поверхности. Конечно, это ослабление солнечного света было в десятки и сотни раз больше, чем после взрыва вулканов Кракатау или Тамбора. Но как мы убедились, что даже в результате запыления атмосферы после взрывов этих вулканов солнечное излучение, достигающее земной поверхности, было сильно ослаблено. Если выброс пыли был бы в десятки раз больше, то климатическая катастрофа была бы неминуемой. Так, собственно, оно и было в прошлом. И не один раз. Дело в том, что вулканическая активность за всю историю Земли в ее геологическом прошлом была очень неравномерной. Значит, были периоды, когда она была в десятки, а может, и в сотни раз выше, чем в наше время. Значит, при одновременных взрывах нескольких вулканов пыли выбрасывалось намного больше. Это и приводило к образованию в атмосфере мощного слоя аэрозолей, который рассеивал солнечное излучение.

Одновременно Землю бомбардировали и астероиды, что также приводило к дополнительному образованию аэрозолей в атмосфере. Запыление атмосферы происходило и в результате сильных пыльных бурь, которые, без сомнения, разыгрывались на Земле.

Во время пыльных бурь образуются облака пыли, высота которых достигает двух километров и даже больше. Такое облако эффективно рассеивает и поглощает солнечное излучение. За счет поглощенного тепла атмосфера разогревается, поэтому температура уменьшается с высотой не так резко, как обычно. Поэтому воздушные потоки становятся устойчивыми. Чем больше падает температура с высотой, тем неустойчивость воздушного потока увеличивается.

Атмосферный воздух, начиненный частицами пыли, ведет себя не так, как чистый атмосферный воздух, в котором происходят турбулентные (вихревые) движения. Эти движения как будто тормозятся при добавлении частиц пыли. Можно сказать, что энергия вихревого (турбулентного) движения атмосферного воздуха идет на поддержание пыли во взвешенном состоянии. Пыль при этом дольше находится в атмосфере, не осаждаясь на земную поверхность. Но если вихревые движения запыленного воздуха подавляются частицами пыли, то с высотой это способствует увеличению скорости ветра. Такое увеличение происходит очень резко — оно заметно уже на высоте в несколько метров над подстилающей поверхностью. Если при этом поверхность неровная, то увеличивающаяся скорость ветра будет способствовать усилению пылеобразования. Получается, что чем больше пыли в атмосфере, тем более эффективно поднимается новая пыль. Этот процесс постепенно замедляется и даже прекращается тогда, когда пылевое облако становится больше, чем та подстилающая поверхность, которая является источником пыли. Может произойти и другое — облако пыли сносится ветром с того участка, который был донором пыли.

Таким весьма эффективным донором пыли являются пески Сахары. Образовавшиеся там пылевые облака переносятся восточными и северо-восточными пассатами над странами Западной Африки. Далее пассаты выносят сахарские пылевые облака в Атлантику. Их путь прослеживается вплоть до Флориды и даже Мексики. Недаром еще в средние века часть Атлантики у западного побережья Африки в районе островов Зеленого мыса была названа «Морем мрака». Образующиеся пылевые облака занимают площадь до одного миллиона квадратных километров. В одном таком облаке содержится до восьми миллионов тонн пыли.

В период сухого сезона (январь — май) в Западной Африке приносят пыль северо-восточные ветры. Их называют харматан. При таких ветрах в Нигерии солнечное излучение уменьшается на треть, а температура падает на 5–6 °C.

Вопрос о пыльных бурях отнюдь не праздный. Климат зависит одновременно от целого ряда факторов. И изменение какого-либо из них может зацепить всю систему (климатическую систему) так сильно, что все полетит вверх тормашками. Когда говорят об озонных дырах, то тешат себя убаюкиваниями, что оно не может вызвать катастрофических изменений климата. Но это от непонимания. Изменение содержания озона настолько сильно повлияет на климатическую систему, что это трудно и описать. Мало того, что ультрафиолетовое излучение получит доступ к земной поверхности и на определенную глубину к морской и океанической воде. Поднимется уровень Мирового океана. Циркуляция атмосферного газа изменится в корне.

Как изменяется циркуляция атмосферы, можно судить по атмосфере Марса. Там это делают пыльные бури, которые достигают глобальных масштабов. При этом они покрывают всю планету толстой пеленой. Мутная пелена планеты может почти достигать конусообразных вершин, высота которых достигает 15 километров и более. Такова толщина пыльной пелены. Надо помнить, что на Марсе нет водной поверхности (океанов) и вся поверхность планеты способна быть донором пыли. Образование пыли на Марсе связано с количеством тепла, которое планета получает от Солнца. Марс движется вокруг Солнца по очень вытянутой эллиптической орбите. Поэтому он то сильно приближается к Солнцу, то удаляется от него. Количество тепла, которое Марс получает от Солнца, поэтому меняется так же сильно. Глобальные пыльные бури зарождаются и развиваются в то время, когда Марс находится ближе всего к Солнцу, то есть в перигелии. В это время Марс получает в полтора раза больше тепла, чем в афелии, когда он максимально удален от Солнца. В южном полушарии Марса в перигелии конец весны — начало лета. Тогда вначале в южных субтропических и средних широтах начинают образовываться пыльные облака. Процесс развивается быстро, и через несколько дней все эти широты покрываются пыльной пеленой. Спустя примерно неделю это пыльное одеяло дотягивается до обеих полюсов. Напомним, что толщина пыльного марсианского облака достигает 10 км. Может быть и больше. Состав марсианской пыли таков, что она поглощает солнечный свет несколько сильнее, чем силикатная пыль на Земле. Аккумулируя солнечное тепло, пылевое облако повышает температуру атмосферного газа на несколько десятков градусов. Но поскольку тепло в виде солнечных лучей не доходит до поверхности Марса, то она остывает на 10–15 °C. Мы говорили, что пыль изменяет циркуляцию атмосферы. Это наблюдается и в атмосфере Марса. Пока его атмосфера чистая, то в ней действует очень регулярная система циклонов. Но как только образуется пылевая пелена, всякая циклоническая активность там прекращается до тех пор, пока облако пыли не рассеется. А оно может существовать в продолжение месяца и более.

Что касается земной атмосферы, то особые для движения воздуха условия создаются в высоких широтах Арктики. Там в конце зимы — весной формируется устойчивая воздушная масса. Поэтому осадков здесь в этот период мало. Пыль (аэрозоли) из атмосферы вымывают осадки. Но раз их мало, то аэрозоли в продолжение нескольких месяцев висят в воздухе, образуя так называемую арктическую дымку. Слои этого аэрозоля достигают высоты до 5 км. В их составе много сажи. Арктическая дымка существенно влияет на отражение солнечного излучения. Эффективность отражения зависит и от угла падения солнечных лучей на аэрозольный слой. Важен при этом и характер (в смысле отражения солнечных лучей) подстилающей земной поверхности. Поэтому над открытым океаном, воды которого плохо отражают солнечное излучение, общая отражательная способность (альбедо) аэрозольного облака и подстилающей поверхности в этом случае увеличивается на несколько процентов. В то же время надо льдом, который хорошо отражает солнечное излучение, полная отражательная способность может понизиться примерно на десять процентов. В результате этих изменений альбедо температура может меняться в определенных местах на несколько градусов.

Имеется и еще один фактор, который способен сильно изменить климатическую систему и изменить климат в неблагоприятном направлении. Это дым от пожаров. Пожары пылают над землей всегда. Но их то больше, то меньше. Мы говорим о больших пожарах, во время которых в атмосферу поступает много аэрозолей. Мы рассматриваем здесь влияние дыма больших пожаров на климат и потому, что в случае глобального ядерного конфликта пожары обязательно охватят весь земной шар, во всяком случае его сушу. На последствиях этого мы остановимся позднее, а сейчас проанализируем имеющиеся данные о действии дыма обычных пожаров на изменение климата.

Мощным источником аэрозолей являются большие лесные пожары. Они наблюдаются и в наше время, пылали они и в прошлом. Никоновская летопись описывает пожары, которые возникали в засушливое лето 1371 года. Тогда над обширными территориями стояла дымная мгла. В летописи сказано, что Солнце было тусклым и на нем «аки гвозди» были видны пятна, звери бежали из лесов, а осенью хлеб почти не вызрел, дав «тощее зерно». Летом 1915 года огромные лесные пожары охватили Западную Сибирь. Летом 1972 года на Европейской части Советского Союза в лесах и торфяных болотах возникали пожары, а дымная мгла висела в течение нескольких недель. Она простиралась до высоты в 5 км. Обычно эта высота составляет 2–3 км. Дымные облака очень стабильны. Они распространяются на тысячи километров. Так, в августе 1972 года облако дыма, которое образовалось в средней части Европейской части территории Союза, обогнуло Уральский хребет и в две струи шириной в несколько сотен километров достигло озера Балхаш.

Как правило, большие пожары происходят в сухую погоду, в условиях антициклона. В центре антициклона развиваются направленные вниз движения воздуха. Они давят дым к земной поверхности. На периферии антициклона воздух устремляется вверх. Вместе с воздухом дым может подняться до высоты 8 км и даже в стратосферу (25 км).

Очень показательно развитие облака дыма, которое образовалось в результате лесных пожаров в западной части Канады в сентябре 1950 года. Это был огромный пожар, охвативший площадь леса около сорока тысяч квадратных километров. Буквально через два дня после начала наиболее интенсивной фазы пожаров облако дыма покрыло фактически всю Канаду и даже все восточные штаты США к востоку от Миссисипи и ряд других. В полдень в городах пришлось включать уличное освещение, настолько стало темно из-за дымового облака. Облако дыма двигалось в сторону Западной Европы и спустя пять суток достигло ее. Его можно было наблюдать везде: от Испании до Скандинавии. Поднятые в воздух английские специальные высотные самолеты обнаружили частицы дыма даже на высоте 10–12 км. Беспокойство англичан можно понять. Они наблюдали целый ряд очень необычных явлений. На небе были синие Солнце и Луна. Все были встревожены.

Вблизи Вашингтона дым был обнаружен на высоте 2,5–5 км. Слой дыма был хорошо перемешан, а снизу и сверху его граница была четко очерчена. Слой дыма уменьшил солнечное излучение, приходящее к земной поверхности, вдвое. В течение четырех дней температура была ниже обычной примерно на 4 °C.

Надо иметь в виду, что рассеяние и поглощение частицами (аэрозолем) солнечного излучения зависит от размеров частиц. Поэтому вулканическая пыль и дым по-разному влияют на солнечное излучение. Мы видели раньше, что при извержении вулкана Сент-Хеленс облако вулканической пыли приводило к некоторому повышению температуры ночью. Облако дыма такого эффекта не производит, поскольку частицы, из которых состоит дым, более мелкие, чем вулканические.

Приведенные выше данные интересны сами по себе. Но мы помним главную проблему, которой посвящена данная книга — проблему выживания человечества. Поэтому стараемся давать такие сведения, которые позволили бы оценить, что может с нами произойти при определенных критических ситуациях, которые мы создаем себе все в большем и большем количестве.

КРИЗИСЫ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ

Под кризисами мы понимаем кризисное состояние биосферы и прежде всего животного мира. Имеются в виду периоды (эпохи), в которые происходило массовое вымирание организмов.

Можно считать установленным, что в геологическом прошлом неоднократно происходили резкие изменения абиотических условий окружающей среды. Они приводили к массовым вымираниям организмов. Откуда мы об этом знаем? Ученые пользуются таким правилом: заключение о существовании в тот или иной момент времени данного вида (или рода) должно делаться на основании соответствующих палеонтологических находок. Если же таких находок для указанного исследуемого момента или более позднего времени нет, то можно заключить, что данный вид (или род) вымер.

Последнее из наиболее значительных массовых вымираний произошло в конце мелового периода. В это время перестали существовать многие представители морской и наземной флоры и фауны. В это время вымерла значительная часть видов морского планктона. Из четырех семейств планктонных фораминифер в конце мела вымерли три семейства. Из 23 родов вымерли 17. В конце мелового периода исчезло большинство семейств и родов существовавших тогда двухстворчатых моллюсков. В это же время вымерли и многие брахиоподы, остракоды, аммоноидеи, белемноидеи, а также другие беспозвоночные животные. В группе костистых рыб также произошли значительные изменения. При переходе от последней эпохи мелового периода (маастрихта) к первой эпохе третичного периода (данию) из 38 родов сохранилось 8, из 50 видов — 11.

Известно, что в конце мелового периода вымерли многие наземные, водные и летающие рептилии. Динозавры относились к числу вымерших наземных рептилий.

Самые точные сведения о продолжительности вымирания в поздний меловой период можно получить из наиболее массовых палеонтологических материалов, которые относятся к некоторым морским позвоночным, в частности к фораминиферам. Вымирание планктона на границе мелового и третичного периодов произошло за время около 200 лет.

Вымирание рептилий, в том числе и динозавров, обсуждалось очень широко. В одной из работ 1982 года была высказана мысль, что вымирание разнообразных организмов, включая и динозавров, и многих других рептилий, произошло за очень короткое время. Предположили, что причиной вымирания было падение крупного астероида. Позднее высказывалось и другое мнение. Автор полагает, что вымирание продолжалось не менее двух миллионов лет и оно было, по мнению автора, вызвано похолоданием климата. Причина похолодания климата не обсуждается.

Что касается изменения климата, то оно действует губительно на живые организмы только в том случае, если происходит за относительно короткое время. Это подтверждается возникновением четвертичных оледенений, когда понижение температуры на обширных территориях составляло десятки градусов. Но при этом изменения климата происходили на протяжении многих тысяч лет. Поэтому массового вымирания организмов не случилось. Правда, при наступлении ледников крупные изменения климата происходили только в высоких и средних широтах. Это позволило многим животным и растениям перемещаться в более теплые районы низких широт, где климат менялся незначительно. Ясно, что если бы ледники покрыли всю поверхность Земли, то ее биосфера была бы целиком уничтожена. Собственно, это подтверждается тем фактом, что в центральных областях Антарктиды, которые покрыты ледяным щитом, отсутствуют живые существа, которые обитали бы там постоянно.

В начале мезозойской эры существенно изменился химический состав атмосферы. В результате произошло значительное уменьшение количества кислорода в воздухе. Поскольку процесс был глобальным, то есть охватывал всю земную атмосферу, то это привело к существенному сокращению общего числа видов животных.

Если происходит изменение температуры, то оно наиболее опасно для биосферы в том случае, если развивается быстро, в течение короткого периода времени. Если такие изменения происходят за сотни тысяч лет и при этом изменение средней температуры не превышает несколько градусов, то значительная часть живых организмов должна приспособиться к такому изменению температуры, в частности к похолоданию. Животные могли бы постепенно переселиться в более теплые районы. С другой стороны, в этих условиях будет происходить акклиматизация, приспособление к новым более суровым условиям путем эволюционных изменений в самом организме животных. Мы уже говорили, что на протяжении эпох фанерозоя средняя температура изменялась в пределах нескольких градусов. Но это не приводило к массовому вымиранию животных, поскольку эти изменения температуры происходили очень медленно. Вымирание животных в конце мелового периода объяснить понижением средней температуры нельзя, если такое изменение было медленным. Для создания катастрофических условий средняя температура должна была понизиться примерно на 10 °C. Но палеотемпературные данные такого понижения в это время (да и вообще за всю геологическую историю Земли) не выявляют. То, что такого похолодания действительно не было, явствует из того факта, что в конце мелового периода не произошло развития крупных оледенений. Если бы такое похолодание действительно произошло, то неизбежные при этом оледенения были бы обнаружены.

При анализе ситуаций в прошлом и при попытках заглянуть в будущее надо помнить одно: чем быстрее изменяются условия жизни в худшую сторону, тем они опаснее для жизни, тем больший ущерб эти изменения причиняют живым организмам. Ученые это правило называют экологическим принципом воздействия неблагоприятных факторов на живую природу. Это значит, что даже незначительное, но резкое понижение средней температуры воздуха на всей Земле может вызывать массовое вымирание животных. Но это произойдет только в том случае, если изменение температуры произойдет в продолжение нескольких (немногих) лет. Если это похолодание затянется на многие тысячи или более миллиона лет, то катастрофы не произойдет. Животные постепенно разными путями приспособятся к новым условиям жизни.

Самым главным во всей этой проблеме выживания является вопрос о том, какими причинами были вызваны катастрофические изменения климата. Для нас это не просто любопытство или любознательность, но и вопрос нашего выживания. Надо понять, что происходило в прошлом биосферы. Тогда нам легче будет оценить те изменения климата, которые нас ожидают в будущем (частично, по нашей вине). Поэтому еще раз проанализируем, что может реально вызывать изменения климата, которые были бы катастрофическими. О действии вулканических извержений на климат мы уже говорили. Суть этого действия состоит в том, что после извержений вулканов взрывного характера происходит уменьшение прозрачности атмосферы, а значит и уменьшение солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Поэтому температура приземного слоя атмосферы уменьшается или в данном регионе, или во всем полушарии, или в масштабах всей Земли. Реализующийся вариант зависит от мощности и частоты вулканических взрывов. Если извержения вулканов являются единичными, то температура нижнего слоя атмосферы изменится незначительно, только на несколько десятых градуса. Но надо помнить, что речь идет о средней температуре. Если же извержение вулканов происходит одно за другим, целой серией, то средняя температура нашей планеты может уменьшиться на все 5 °C и даже больше. Ученые считают, что такие серии извержений вулканов, по теории вероятностей, могли происходить на Земле примерно каждые 10 — 100 миллионов лет.

Уже говорилось и о том, что критическое состояние климата может быть вызвано столкновением Земли с кометами, крупными метеоритами или астероидами. Еще Лаплас в конце XVIII века высказал мысль, что глобальное вымирание организмов на Земле было связано с падением на земную поверхность комет, что в конце концов приводило к глобальному похолоданию. Имеются прямые и косвенные свидетельства того, что такое могло быть на самом деле.

Во-первых, падение на Землю небесных тел сейчас не вызывает сомнения. Имеются все доказательства того, что небесные тела бомбардировали не только Луну, но и все планеты Солнечной системы. Это документировано при проведении космических исследований за последние десятилетия. Ясно, что небесные тела точно так же падали и на Землю. Причем падало их отнюдь не меньше. Остались следы этого падения — малые и крупные кратеры. Специалисты считают, что крупные кратеры (радиусом 100 км) возникали в среднем один раз за 14 миллионов лет. Более крупные небесные тела падали на Землю реже — один раз за 600 миллионов лет. Они оставляли после себя след — кратер диаметром в 1000 км. Эти кратеры, как и менее крупные (диаметром в 200 км), имеющие астрономическое происхождение, называют астроблемами. Гидросфера и атмосфера на Земле сильно разрушают за тысячи и миллионы лет эти «воронки». Поэтому не все они сохранились в первозданном виде до наших дней. В большинстве случаев они весьма сглажены или полностью деформированы водой, ветром и эрозией.

Когда происходили столкновения Земли со сравнительно большими небесными телами, то они сопровождались мощными взрывами, при которых выделялось огромное количество энергии. В результате после взрыва температура воздуха в районе взрыва на короткое время повышалась. После этого локального нагрева наступало длительное глобальное похолодание. Причиной похолодания был образовавшийся толстый аэрозольный слой, поскольку атмосфера была заполнена продуктами взрыва. Нечто подобное происходит и после взрывного мощного вулканического выброса. Но при столкновении с крупным небесным телом мощность взрыва в десятки и сотни раз больше. Поэтому и значительнее последствия, в частности запыление атмосферы.

Поскольку частицы, попавшие в атмосферу после столкновения Земли с большим небесным телом, образовались в результате взрыва, то они должны быть специфичными как по составу, так и по форме. В частности, они должны быть оплавленными. Раз эти частицы меченые, то их можно отличить от других. Значит, их стоит искать. И ученые искали рассеянное метеоритное вещество (которое осело на земную поверхность из образовавшегося аэрозольного слоя). Особо анализировались периоды, которые соответствуют эпохам крупных вымираний животных. Поиски оказались не безрезультатными. Ученые действительно нашли в слоях, которые относятся к концу мелового периода, избыточное количество иридия. Именно в небесных телах иридия больше, чем в земных. Но это касается не только иридия. В небесных телах концентрация и других металлов отличается от их концентрации в земных условиях (металлы платиновой группы, а также никель и кобальт). Подтверждения того, что небесные тела бомбардировали Землю, меняли климат на ней, обнаружены на разных континентах (в Европе, Африке, Северной Америке, Новой Зеландии) и даже на дне центральной области Тихого океана. Значит, эффект от падения небесных тел был глобальным. Так же глобально изменялся и климат на Земле.

По количеству иридия в осадочных отложениях можно не только судить, откуда он взялся (от небесного или земного тела), но и можно определить размеры упавшего небесного (внеземного) тела. Ученые таким путем определили, что найденный иридий в осадочных отложениях выделился при взрыве небесного тела (при столкновении с Землей), которое имело размеры 5 — 16 км. Масса этого астероида составляла несколько миллионов мегатонн (10¹⁴ кг). Мы говорим об астероиде исходя из его огромной массы. Можно определить, что при падении на землю столь тяжелого астероида выделились огромная энергия. Она была оценена примерно в 10²³ джоулей. Это соответствует энергии, которая выделяется при взрыве 10¹⁴ тонн тринитротолуола.

Расчеты показали, что при падении указанного астероида на Землю образовался аэрозольный слой, который в тысячи раз был более мощным, чем тот аэрозольный слой, который образовался в атмосфере в результате извержения вулкана Кракатау в 1883 году. Столь мощный аэрозольный слой служил плотным стратосферным экраном, который полностью задерживал солнечное излучение и оно не доходило до поверхности Земли. Поэтому прекратился фотосинтез, за чем последовало, естественно, вымирание животных. Экранирование Земли от солнечного излучения аэрозольным слоем длилось в течение нескольких лет. Но причиной вымирания животных могло быть и нагревание атмосферы. Атмосфера после падения астероида сразу нагрелась, и это могло повлечь за собой гибель животных. Нагрев атмосферы мог произойти и вторично — через тысячи лет после взрыва астероида. Дело в том, что после падения астероида в атмосфере изменились условия — увеличилось количество углекислого газа. Это стало естественным результатом того, что в океанах фитопланктон погиб и углекислый газ, который планктон поглощал, оказался невостребованным. Поэтому его концентрация в атмосфере постепенно стала увеличиваться. Углекислый газ в атмосфере создает парниковый эффект: чем его больше, тем больше нагревается атмосфера и Земля (земная поверхность). Поэтому естественно предположить, что по этой причине нагрев атмосферы увеличивался постепенно, что привело к ее перегреву и массовой гибели животных. Эти соображения о причинах глобальной гибели животных в конце мелового периода весьма логичны. Но не все исследователи их разделяют. Во-первых, они указывают на то, что если бы фотосинтез на Земле перестал протекать, то жизнь прекратилась бы раз и навсегда. Особенно трудно в этих условиях пришлось бы живым организмам в океанах, где нет сколько-нибудь значительных запасов органического вещества, которое они могли бы использовать в пищу и выжить. В то же время факты говорят за то, что массового вымирания океанических организмов все-таки не было. Поэтому надо согласиться с тем, что фотосинтез прекратился не полностью. Высказываясь против того, что сразу после падения астероида температура нижнего слоя атмосферы катастрофически повысилась, ученые приводили такой довод: если падение астероида произошло в океан, то воды океана без больших проблем утилизировали энергию астероида. Если падение астероида произошло на суше, то и в этом случае земная кора должна была поглотить основную часть углубившегося в нее астероида.

Есть противники утверждения о том, что произошла массовая гибель животных из-за перегрева нижнего слоя атмосферы. Здесь не учитывается, что разные животные по-разному реагируют на изменение температуры атмосферного воздуха. На самом деле в конце мелового периода исчезли многие группы позвоночных, которые не имеют терморегуляции. В то же самое время теплокровные животные (млекопитающие и птицы) остались практически невредимыми. Поэтому специалисты отдают предпочтение предположению, что вымирание животных в конце мелового периода было все же обусловлено похолоданием, которое было резким и кратковременным.

Надо иметь в виду, что в конце мезозойской эры на Земле было значительно теплее, чем сейчас. Тогда на Земле на всех широтах существовал теплый и жаркий климат. В таких условиях понижение температуры на 5 — 10 °C было вполне достаточным для того, чтобы вызвать массовое вымирание более или менее стенотермных жизненных форм, которых в конце мезозойской эры было очень много.

Высказывались и другие гипотезы о причинах массового вымирания животных в конце мелового периода. Одна из таких причин связывается с влиянием на земные организмы взрывов сверхновых звезд, которые происходили (могли происходить) на сравнительно близком расстоянии от Солнечной системы. Другие гипотезы рассматривать не будем. Скажем только, что вопрос о том, почему происходило массовое вымирание животных в конце мелового периода, далеко не исчерпан и разработка новых гипотез продолжается. Тем более, что сама проблема очень масштабна и экзотична. Но можно на нее посмотреть и более трезво и не привлекать сюда сверхновые звезды. Рассуждаем так. Жизнь может существовать только при определенных условиях (температуре, атмосферном давлении, влажности и др.). Имеется в виду жизнь живых организмов, так как сама жизнь как таковая существует при очень сильно измененных условиях. Условия на Земле за всю ее историю менялись весьма существенно. Они просто не могли не меняться, поскольку на климатическую систему действует одновременно слишком много факторов. Поэтому вполне естественно, что время от времени для определенных животных условия «зашкаливали» и эти животные переставали существовать. Такое рассуждение вполне логично, хотя и прозаично, обыденно. Конечно, это не значит, что не было ни астероидов, ни извержения вулканов, ни других катаклизмов. Все было, и все это привело к существующему положению.

Детальный анализ всей имеющейся информации по поводу массовых вымираний животных в конце мелового периода заставляет выбрать более умеренные оценки происходящего. Во-первых, трудно согласиться с тем, что после падения астероида средняя (!) температура воздуха над континентами понизилось на 40 °C. Нельзя согласиться с тем, что в течение полугода эта температура была ниже точки замерзания. Если бы это было так, то вымерло бы почти все живое из фауны и флоры, а не только часть животных. Нельзя согласиться с тем, что фотосинтез прекратился на несколько лет. Правда, авторы этого заключения пересмотрели свои выводы и сейчас считают, что фотосинтез не происходил только в течение нескольких месяцев. Надо при этом учесть, что морские животные чувствительны не только к наличию пищи (она создавалась с помощью фотосинтеза), но и к температуре воды. В конце мелового периода, как уже говорилось, было на Земле весьма тепло. Естественно, что и Мировой океан населяли животные, которые очень любили тепло. Уменьшение температуры океанической воды всего на несколько градусов, естественно, оказалось бы для них гибельным.

Мы весьма подробно рассмотрели массовое вымирание животных в конце мелового периода. Но в истории Земли были и другие периоды, когда происходила массовая гибель животных. На протяжении фанерозоя произошло несколько наиболее крупных вымираний. Специалисты полагают, что в конце пермского периода произошло вымирание животных более крупного масштаба, чем в конце мелового периода. В фанерозое кроме нескольких очень масштабных вымираний было больше меньших по масштабу вымираний животных. Но получить данные о них намного сложнее, чем о крупных вымираниях. Палеонтологические данные о событиях, которые оставили слабые следы, непросто. Тем не менее ученые установили, что некоторые из этих менее масштабных вымираний были также вызваны падением на Землю небесных тел. Эту точку зрения разделяет практически большинство ученых. Дело в том, что она хорошо подтверждается фактами. Например, в научной литературе сообщалось, что в середине позднего девона (365 миллионов лет тому назад) имело место массовое вымирание морской фауны. Обсуждалось, что причиной этого могло быть падение большого метеорита. И действительно — не так давно в Австралии были обнаружены повышенные концентрации иридия именно в том слое, который соответствует этому геологическому периоду.

О действии похолодания на массовое вымирание животных можно судить и более конструктивно. Не обязательно считать, что все животные от охлаждения погибли сразу, в короткое время. Могло все происходить в результате не одноразового действия фактора (например, извержения вулкана), а вследствие ряда крупных извержений, которые происходили в эпохи максимальной вулканической активности, между этими отдельными извержениями проходили многие тысячи лет. При такой ситуации вымирание проходило поэтапно. В результате первого похолодания погибали наименее приспособленные к охлаждению животные. При последующем взрыве происходило вымирание ряда других групп животных, которые были ослаблены за время предыдущих похолоданий.

Нельзя рассматривать падение астероидов и выбросы вулканов полностью независимыми. Очень вероятно (и логично!), что удар астероида об Землю должен активизировать процессы перемещения магматических масс в литосфере. В результате неизбежно должно произойти усиление вулканической активности. Другой вопрос — как долго будет длиться этот активный период. Во всяком случае, он должен быть достаточным для того, чтобы вызвать серию особенно крупных вулканических извержений. Поэтому после начальной аэрозольной катастрофы мог произойти ряд новых катастроф, которые и доконали животных, оставшихся после падения астероида. Так могли возникать двухэтапные массовые вымирания животных.

То, что массовые вымирания животных проходили этапами, а не сразу, подтверждается исследователями тех массовых вымираний животных в фанерозое, которые были более слабыми по сравнению с крупнейшими вымираниями, которые обсуждались ранее. Результаты исследования показали, что эти рядовые вымирания животных были разделены между собой более или менее близкими интервалами времени, которые в среднем имели продолжительность в 26 миллионов лет. Астрофизики заинтересовались этими результатами. Они предложили их объяснение. Оно состоит в том, что такие рядовые вымирания, возможно, были вызваны небольшой звездой. Эта звезда пока что не обнаружена, но по всем данным она обязана быть спутником Солнца. Эту звезду назвали Немезидой по имени греческой богини возмездия. Название звезды выбрано не случайно. Что касается ее астрономических характеристик, то ученые сообщают о них следующее. Немезида движется по эллиптической орбите на среднем расстоянии от Солнца, которое примерно в 100 000 раз больше расстояния между Солнцем и Землей. Немезида совершает один оборот вокруг Солнца за 26 миллионов лет. При движении по своей орбите Немезида время от времени приближается к облаку Оорта. Это область в космосе, в которой содержатся кометы и остатки вещества, недорасходованного при создании Солнца и планет Солнечной системы. Звезда Немезида, пролетая через эту область, так действует на нее, что способствует массовому выбросу комет, движущихся в сторону Солнца. Далее логика понятна — некоторые из этих комет должны столкнуться с Землей. Одна серия образования таких комет, которые затем движутся к Земле, занимает во времени примерно 1 миллион лет. Ясно, что серии возникают и действуют на Землю, на ее климатическую систему с периодом, равным 26 миллионов лет. Все здесь красиво и заманчиво. Осталось только обнаружить Немезиду (не богиню, а звезду) и уточнить экспериментально свойства облака Оорта, где рождаются кометы. Приведенная выше гипотеза описана в научной литературе, и предложили ее серьезные ученые — астрофизики, а не фантасты. Поэтому мы ее и привели. Ведь известно, что идея должна быть достаточно безумной, только тогда у нее есть шансы быть правильной. Мы так перефразировали высказывание известного ученого-ядерщика Макса Бора. Тем не менее другие ученые высказывают к описанной идее (гипотезе) немало претензий. Во-первых, считают оппоненты этой гипотезы, четкая периодичность с периодом в 26 миллионов лет массовых вымираний животных не доказана достоверно. Во-вторых, многие астрономы считают личным оскорблением предположение, что вблизи Солнца обитает еще никем не обнаруженная звезда. Это при нынешнем оснащении астрономов уникальными инструментами наблюдения во всех диапазонах спектра! Астрономы считают, что такая малая звезда не могла длительное время быть частью Солнечной системы, так как на столь большом расстоянии от Солнца сила тяготения ее к светилу очень мала. Но спор в научных кругах о Немезиде пока продолжается.

ПЛАВАЮЩИЕ МАТЕРИКИ И ЛИТОСФЕРА

Атмосфера появилась «из-под земли». Поэтому мы не можем ограничиться рассмотрением только атмосферы и гидросферы. Мы должны заглянуть и «под землю», тем более, что оттуда непрерывно поступают в атмосферу различные газы, а также аэрозоли.

Как устроена Земля?

Земля образовалась из того вещества, которое было выброшено из Солнца. Поэтому имеет смысл начать историю Земли с самого начала — с момента образования Солнца. Солнце в его нынешнем виде образовалось 6–7 миллиардов лет назад. Земля же образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад. Звезда — Солнце — с самого начала была не такой, как сейчас. Каждая звезда рождается, живет и умирает. Наше современное Солнце — это определенный этап в развитии, жизни звезд.

Каждая звезда образуется из газового облака, которое под действием собственной гравитации постепенно сжимается. По мере сжатия плотность вещества увеличивается. Когда она достигает определенной критической величины, то начинается дробление (фрагментация) единого облака. Каждая часть раздробленного облака сжимается — и из нее образуется звезда.

Основной характеристикой, от которой зависит дробление первоначального облака, является плотность вещества в облаке. Если радиус облака уменьшится в два раза, то плотность вещества увеличится в 8 раз. Первоначальное облако, из которого впоследствии образовалась наша Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные части, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.

Облака-протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — протозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 °C. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон — протонные реакции), и протозвезда перестает сжиматься. Это значит, что протозвезда превратилась в звезду.

Энергия звезды, благодаря которой поддерживаются высокие температуры в ее недрах, черпается из термоядерного синтеза. В этих термоядерных реакциях четыре протона путем разных преобразований соединяются так, что образуют ядро гелия (альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов). При превращении одних частиц в другие часть их массы превращается в энергию. Поэтому можно оценить запасы атомной энергии звезды.

Дальнейшая эволюция звезды определяется, главным образом, ее массой. Чем больше масса звезды, тем больше энергия, которая может выделиться внутри звезды в процессе термоядерных реакций, тем больше горючего содержится внутри такой звезды. Казалось бы, что такая звезда должна жить (светиться) дольше. Но это не так. Чем массивнее звезда, тем больше она излучает энергии в космическое пространство. Если массу звезды увеличить в три раза, то ее расход энергии на излучение (светимость) увеличится в девять раз. Поэтому с увеличением массы звезды продолжительность ее жизни резко уменьшается. Так например, горючего для ядерного реактора внутри Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет. Около пяти миллиардов лет это горючее уже расходуется. Но если масса звезды в 50 раз превышает массу Солнца, то ее горючего хватит всего на несколько миллионов лет!

Когда в процессе термоядерных реакций в ядре звезды израсходуется весь водород (он превращается в гелий), то термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают идти в слое вокруг ядра. Светимость звезды на этом этапе увеличивается. Звезда как будто разбухает. Но температура поверхностных слоев звезды уменьшается, поскольку размеры ее увеличились. Поэтому она начинает светиться не голубым, а красным цветом. Такую звезду называют красным гигантом. Дальше звезда эволюционизирует следующим образом. Поскольку в ядре не идут термоядерные реакции и не выделяется тепло, то она постепенно сжимается под действием сил гравитации. В результате сжатия ядра увеличивается его температура. Она достигает 100–150 миллионов градусов. При столь высокой температуре гелий становится источником тепла: идут термоядерные реакции, в результате которых ядра гелия превращаются в ядра углерода. Давление внутри ядра звезды увеличивается, поэтому сжатие прекращается. Светимость звезды на этом этапе увеличивается из-за выделения энергии из ядра. В результате увеличивается и поверхностная температура звезды.

Но когда-то кончается и гелий. Причем значительно быстрее, чем кончился водород. Когда это произойдет, то звезда теряет свои наружные слои. Они расширяются и отделяются от ядра звезды. Эти слои впоследствии наблюдаются как планетарная туманность. После этого момента события будут развиваться по одному из трех вариантов (сценариев). Какой из вариантов реализуется, это зависит только от массы звезды. Если масса звезды меньше 1,2 массы теперешнего Солнца, то вещество звезды под действием гравитационного сжатия уплотняется таким образом, что его плотность достигает 10 тысяч тонн в кубическом сантиметре. При такой огромной плотности атомы разрушаются. После этого сжатие звезды прекращается, так как ему начинает противодействовать сила упругости образованного очень плотного газа. Такая звезда (ее называют «мертвой») является белым карликом. Напомним, что до того, как звезда превратится в белого карлика, она некоторое время становится красным гигантом. Затем белый карлик в течение нескольких миллиардов лет остывает и в конце концов превращается в черного карлика, то есть в тело, которое уже не излучает. Звезда умирает и перестает излучать. Специалисты часто ее называют «трупом». Во Вселенной имеется бесконечное количество кладбищ звезд, превратившихся в черных карликов. Эта судьба ждет и наше Солнце, которое когда-то было и красным гигантом. Но оно сбросило лишнее вещество и из него образовались планеты нашей системы, в том числе и Земля. Что происходит со звездами, масса которых больше 1,2 массы Солнца, мы подробно описали в книге «Внеземные цивилизации» (ЭКИЗ, 1993). Здесь только скажем, что те из звезд, масса которых больше 1,2, но меньше 10 масс Солнца, в конце концов превращаются в нейтронные звезды. Это очень уникальные объекты. Плотность вещества такой звезды равна плотности вещества внутри атомного ядра! Получить такое вещество на Земле невозможно. Если же масса звезды превышает 10 масс Солнца, то она превращается в черную дыру, радиус которой равен всего 1–3 км. Так сильно ужимается (и уплотняется) вещество столь массивной и первоначально огромной звезды.

Но вернемся к Солнцу. Предшественник Солнца красный гигант сбросил с себя вещество, которое состояло в значительной мере из тяжелых химических элементов. Этот сброс происходит в виде взрыва. После того, как красный гигант сбрасывает свою шубу, он превращается в сверхновую звезду. Ученые слово «звезда» опускают и говорят просто «сверхновая». Таким образом наше Солнце после стадии красного гиганта превратилось в сверхновую звезду. Но при этом в околосолнечное пространство оно сбросило лишнее вещество, из которого и образовались планеты Солнечной системы. Это происходило так.

Спустя несколько сотен миллионов лет околосолнечное облако сброшенного Солнцем вещества стало постепенно остывать. При этом в нем стали появляться твердые частицы пыли. Все частицы облака находились в движении вокруг Солнца и постепенно стали двигаться в экваториальной плоскости Солнца, образуя своего рода диск. Это были струи твердых частиц и газов, занимающие пространство в форме диска и движущиеся вокруг Солнца. По законам движения происходила сортировка частиц по их величине и плотности: чем ближе к Солнцу, тем вещество приобретало большую плотность. Поэтому планеты земной группы, которые находятся ближе к Солнцу, чем остальные, образовались из более плотного вещества. Поэтому они и меньше по размерам. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс. Более далекие планеты образовались из летучих элементов и более легких газов. Поэтому они и по размерам больше. Это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Примерно 5 миллиардов лет назад «вырисовался» зародыш Земли. Но процесс ее формирования продолжался в течение примерно еще одного миллиарда лет. Только после этого Земля стала постепенно остывать и превратилась в холодное безжизненное скопление космического вещества. Но спустя сотни миллионов лет это остывшее вещество вновь стало разогреваться, но уже по другим причинам. Энергия для этого поступала от ударов космических тел, а также вследствие радиоактивного распада химических элементов. Расплавилось ли при этом земное вещество полностью или только частично, сказать трудно. Ясно одно, что жидкое (или частично жидкое) вещество Земли получило возможность под действием силы притяжения перераспределиться по плотности вещества, по его удельному весу. При этом самое плотное вещество, состоящее из тяжелых элементов и соединений, стремилось к центру Земли. Во внутреннем составе Земли преобладает железо (35 %); за ним идет кислород (30 %), далее следуют кремний (15 %) и магний (12 %). Вещество Земли содержит значительное количество радиоактивного вещества, при распаде которого выделяется тепло. Этого тепла достаточно для того, чтобы поднять температуру в самой середине Земли до 6 000 °C. Под действием сил тяжести и тепла сформировалась и структура Земли: в ее сердцевине находится ядро, которое окружено мантией. Снаружи мантию покрывает земная кора.

Ядро Земли состоит из двух частей — внутренней и внешней. Внешняя граница земного ядра находится на глубине 2 900 км. Ниже этой границы (то есть в ядре) плотность вещества увеличивается скачком на 80 %. Внешняя часть ядра является жидкой. Внутренняя часть ядра состоит из железоникелевого сплава и ведет себя как твердое тело. Давление в центре ядра, а значит и в центре Земли, достигает 3 миллионов атмосфер. Температура там достигает 10 000 °C. Во внутренней части ядра сосредоточено только 1,7 % всей массы Земли. Более массивной является внешняя часть ядра. Она содержит почти треть всей массы Земли. Но плотность вещества во внешней части ядра значительно меньше, чем во внутренней, поскольку оно разбавлено легкой серой. Ее там содержится до 14 %.

Полагают, что сразу после образования Земли ее ядро было целиком расплавленным. Затем оно постепенно стало остывать, и на сегодняшний день расплавлена только его внешняя часть. Любопытно, что внешняя граница ядра не является идеальным шаром. Это слой со своеобразным рельефом, толщина которого в разных местах разная — от 150 до 350 км.

Ядро Земли окружено мантией. Она простирается от 30–50 до 2 900 км в глубину. Порода мантии содержит в себе 80 % оливина (Mg, Fe)₂ [SiO₄] и 20 % пироксена (Mg, Fe)₂ [S₂O₆]. Эту породу называют перидотитом. Она представляет собой зеленоватые минералы, силикаты магния и железа.

В мантии также высокая температура. Поэтому глубинные породы расплавляются и превращаются в магму. Эта магма по трещинам прорывается наверх в виде лавы. Собственно Земля на 82 % состоит из мантии. Она, естественно, неоднородна. Ученые делят ее на верхнюю и нижнюю. Но самым важным элементом, прослойкой мантии является слой в верхней мантии, в котором породы находятся в частично расплавленном состоянии. Расплав составляет всего 1–3 %. Но этого достаточно, чтобы обеспечивать весьма своеобразную динамику всей вышележащей части Земли. Из-за слабого расплава вещества в этом слое он был назван «астеносферой» («астенос» — слабый). Это слаборасплавленное вещество не является жидкостью, и течь оно не может. Но оно служит своего рода «смазкой», по которой перемещаются жесткие литосферные плиты, которые образуют верхнюю твердую оболочку Земли. Эта оболочка и называется «литосферой» (от греческого «литос» — камень).

Земная кора имеет разную толщину на материках и под океанами. Она толще всего там, где вздымаются могучие горные хребты. Океаническая кора тоньше континентальной. Состав их также различен. Океаническая кора состоит из двух слоев — базальтового и осадочного. Базальты — это темно-зеленая или даже черная силикатная порода, которая содержит кальций, натрий, магний и железо (а иногда и алюминий). Океаническая кора выделяется из самого верхнего слоя мантии, который под дном океана находится на глубине всего 10–50 км. Там, в верхнем слое мантии, порода находится в расплавленном состоянии и оттуда по трещинам поступает наверх, где и застывает, образуя базальтовый слой океанической коры.

Земная кора на континентах образуется по-иному. Она состоит из нескольких слоев. Самый верхний ее слой сложен песчаниками, глинами и известняками. Следующий слой (которого нет в океанической коре) образован гранитами и метаморфическими породами, которые изменились под влиянием высокой температуры и давления. Это и есть основной слой земной коры континентов. Кроме этого основного слоя в земной коре имеются осадочные породы — песчаники, глина, базальты. Базальты и подобные им породы составляют нижнюю часть континентальной коры. Континентальная кора образовалась давно, более 3 миллиардов лет. Океаническая кора возникла по геологическим понятиям только что, всего 150–170 миллионов лет.

Все вещество Земли находится в непрерывном движении. Так, любой участок литосферы постоянно перемещается по горизонтам. Конечно, мы этого не замечаем, поскольку перемещение составляет всего несколько десятков сантиметров в год. Но за геологические отрезки времени это перемещение достигает многих тысяч километров. Посмотрите на глобус или карту и мысленно или на рисунке сдвиньте Америку к Африке. Они очень хорошо стыкуются. Это проделал в середине XIX века Антонио Снидер. Он совместил берега Атлантического океана и получил один огромный континент. На эту мысль его натолкнуло не только сходство береговых линий Африки и Америки. В руках ученых оказались и другие данные, которые свидетельствовали о полном сходстве ископаемых растений каменноугольного периода палеозойской эры, которые были найдены в Европе и Северной Америке. Значит, ископаемые деревья росли в одном большом лесу, половина которого оказалась в далекой Америке, а другая половина осталась в Европе. Ученый поспешил поделиться своим открытием со всеми и в 1858 году издал книгу «Мироздание и его разоблаченные тайны». Но в эту ошеломляющую (и хорошо аргументированную) новость никто не поверил, и все забылось. И только в 1910–1912 годы Альфред Вегенер снова поднял этот вопрос. Так появилась идея плавающих («дрейфующих») материков, которая с тех пор и известна как «гипотеза Вегенера». Очередная несправедливость! Вегенер назвал единый континент, который затем располагался на части, «единой Землей» («Пангея»). Но почему и как материки дрейфуют, Вегенер и его современники не разгадали. Только к концу 60-х годов нашего века вопрос стал постепенно проясняться. Суть дела оказалась в следующем.

Раньше считали, что твердая земная кора плавает на расплавленном веществе. Факты такое представление как будто подтверждали. Судите сами. Когда в прошлом веке измерили силу тяжести в Гималаях, то установили, что под огромной массой Гималаев земная кора просела. При этом она погрузилась в слой с более плотным, вязким веществом. Масса вытесненного глубинного вещества, как и полагается по закону Архимеда, равна массе гор.

Другой пример. Во время оледенения в четвертичный период в Скандинавии земная кора прогнулась под тяжестью льда. Со временем лед растаял, и освободившаяся от груза земная кора начала восстанавливать свое прежнее положение. Она начала подниматься — сначала быстро, а затем все медленнее. Этот процесс продолжается и в наше время — земная кора в Скандинавии продолжает всплывать со скоростью один сантиметр в год.

Описанные факты достоверны, но трактовка их неправильная. Под земной корой находится не жидкое вещество, а твердое. И так на протяжении тысяч километров вглубь вплоть до ядра Земли. Так почему и как плавает земная кора? Она не плавает, а только смещается благодаря слою смазки — астеносфере. Но астеносфера находится не непосредственно под земной корой. Над ней находится и часть мантии. Эту часть мантии и земной коры, то есть все то, что находится над астенолсферой, назвали литосферой. Таким образом, плавает земная кора не сама по себе, а вместе с верхней частью мантии. Другими словами, плавает (скользит по слою смазки) литосфера. Толщина литосферы под континентами 150–300 км, а под океаном — от нескольких километров до 90 км. Таким образом, литосфера (в том числе и земная кора) плавает на астеносфере. Она при этом поднимается, опускается и скользит в горизонтальном направлении относительно нижней мантии и ядра Земли. Если бы вся литосфера представляла собой единую жесткую сферу, то скользить она не могла бы, тем более поднимаясь или опускаясь при этом. Но литосфера не есть единое целое. Она расколота на отдельные куски, части, которые называют плитами. Сейчас литосфера Земли состоит из семи больших плит и нескольких более мелких плит.

Литосферные плиты скользят в разных направлениях, наезжая при этом друг на друга. Упираясь друг в друга они создают напряжения, которые заканчиваются землетрясениями. Если плиты не упираются друг в друга, а расходятся, то напряжение не возникает. Ясно, что во внутренних частях литосферных плит все стабильно, там землетрясений нет. Все землетрясения располагаются вдоль крупных расколов, то есть вдоль границ между плитами, где и создаются напряжения и в конце концов происходит смещение одной плиты относительно другой (рис. 21). В том случае, если плиты расходятся, то во время землетрясений на поверхности появляются глубокие расщелины, которые называют рифтами (от анлийского riff — трещина, щель). Такие границы удаляющихся друг от друга литосферных плит проходят вдоль подводных срединно-океанических хребтов. Их называют расходящимися или дивергентными (от лат. divergere — обнаруживать расхождение). Там же, где происходит сближение, столкновение плит, вдоль границы между плитами образовались высокие горы, глубоководные желобы и островные дуги. Последние расположены главным образом вокруг Тихого океана. Такие границы между плитами называют сходящимися или конвергентными (от лат. convergere — приближаться, сходиться).

Литосферные плиты могут не только сходиться или расходиться, но и скользить друг относительно друга вдоль линии разлома. При таком смещении плит движение переносится от одной активной зоны к другой. Происходящие при этом землетрясения сопровождаются сдвигом пород параллельно разлому.

Литосферные плиты различаются и составом пород, из которых они состоят. Толщина их также различна. Под океаном литосфера намного тоньше, чем под континентами и под шельфами (обширными мелководьями). Имеются плиты целиком океанические — тонкие. Есть и комбинированные, состоящие из континентальной и океанической частей. Толстые литосферные плиты менее подвижны, что естественно. Океанические плиты наиболее подвижны.

Что заставляет плиты двигаться? Вещество мантии, которое находится под плитами, совершает круговое (конвективное) движение. При этом движении в одних местах, где сходятся кольца конвекции, вещество движется вверх, а в других — вниз. Там, где оно движется вверх и образует восходящий поток, и литосфера испытывает давление снизу. Она приподнимается и раздвигается в стороны. Происходит раскол литосферы (под океаном она тонкая) с одновременным ее подъемом вдоль линии раскола. Так образуются срединно-океанические хребты с расщелинами — рифтами. В этих местах по трещинам изливаются базальтовые лавы. Магма, заполнившая трещину, в конце концов застывает. Так образуется кристаллическая горная порода. Это показано на рис. 22. Таким образом, с одной стороны, две половины срединно-океанического хребта расходятся в стороны со скоростью от нескольких миллиметров до 18 см в год. С другой стороны, образующаяся при этом щель (которая непрерывно растет) заполняется веществом, которое выходит из глубины. Так в этом месте раскола образуется новая океаническая кора. В результате океаническое дно как будто растягивается, расширяется. Специалисты этот процесс назвали английским словом спрединг (развертывание, расстилание).

Но литосфера не может только разрастаться. Это было бы возможным, если бы увеличивались размеры Земли. А «если в одном месте прибудет, то в другом месте убудет». Другими словами, должны существовать места, где литосфера сокращается. Это может происходить разными способами. Часть литосферы может поглощаться (утопать в жидком веществе мантии), сокращаться за счет смятия в складки или надвигаться одним участком на другой. Легко сообразить, что это происходит в тех местах, где движение мантийного вещества на стыке двух конвективных ячеек направлено вниз. В этих местах океаническая литосфера пододвигается под встречную плиту. Далее она потоками вещества мантии затягивается на глубину, где при высоких давлениях вещество плиты существенно уплотняется. Став тяжелее, этот кусок литосферы сам тонет во вязкой астеносфере. Он опускается на поверхность нижней мантии. Таким путем литосфера может затянуться очень глубоко. Например, под Камчаткой она упала на глубину более 1000 км, где она и затерялась. Ясно, что в таких местах на дне океана образуются глубоководные желоба, глубина которых может достигать 10 км. Так, самый глубокий такой желоб — Марианский в Тихом океане — достигает глубины 11 км. В таком желобе имеется прямой доступ к жидкому веществу мантии. Поэтому рядом с желобом обычно цепочкой выстраиваются действующие вулканы. Примером тому могут служить вулканы Курильской островной дуги и Камчатки. Они располагаются рядом с Курило-Камчатским желобом. Вулканы образуются над тем местом, где литосфера, которая наклонно уходит на глубину, начинает плавиться при высоком давлении и температуре. Погружение литосферы происходит со скоростью от 1 до 12 см в год.

Таким образом, вырисовывается такая картина. Литосферные плиты расходятся вдоль срединно-океанических хребтов и движутся к глубоководным желобам, где они уходят на глубину и там поглощаются. Но на плитах находятся континенты. Они вынуждены дрейфовать вместе с плитами. Если при этом сталкиваются два континента, то происходит нагромождение таких гор, как Альпы, Гималаи, Памир.

Таким образом, океаническая литосфера рождается в зонах расхождения. Континентальная литосфера наращивается по толщине в зонах столкновения. В тех и других зонах располагается большинство подводных и наземных вулканов. В этих местах поднимаются горячие растворы, которые несут с собой металлы. Поэтому здесь образуются рудные месторождения.

Очень важен кругооборот вещества в результате описанных процессов. Он состоит в том, что океаническая кора погружается и возвращается в мантию, она уносит туда с собой морские отложения, которые накопились на дне. В них содержатся и горные породы органического происхождения. Так в мантию Земли попадают не только элементы воздуха и воды, но и животные и растения оказывают влияние на ее состав до глубин в сотни и даже тысячи километров. Положение тех и других зон не является неизменным. Но неизменно движется, циркулирует, конвектирует вещество Земли. В расщелинах на дне океана изливается не только базальтовая лава. Здесь имеется множество горячих источников минерализованной воды. Вода богата медью, цинком, марганцем. Температура воды достигает 330 °C. Это так называемые гидротермы. Соединения химических элементов из раствора источников образуют на дне наросты, столбы и трубы. Высота их достигает 27 м. По этим трубам продолжает подниматься горячий раствор. При этом труба как будто дымится, поскольку на выходе из нее из раствора выделяются мелкие частицы минералов. Поэтому эти трубы назвали черными курильщиками (рис. 23). Вокруг них образуются отложения, которые богаты металлами. Там же образуются и железомарганцевые шары — конкреции. Вокруг них кипит подводная жизнь. Здесь имеются не только бактерии и черви, но и моллюски и даже крабы. Любопытно, что с течением времени в описанных выше процессах земная кора утолщается. Это происходит потому, что когда образовавшаяся земная кора начинает отодвигаться от линии разлома, то под ней застывает и содержимое магматического очага. Так в нижней части океанической коры образуются горные кристаллические породы. В результате толщина коры может достигать 7 км. На подошву коры снизу нарастают самые тугоплавкие минералы астеносферы, которые остались после выделения базальтовой массы. Поэтому чем древнее океаническая кора, тем больше тяжелых (богатых железом) пород мантии успевают нарасти к ней снизу. В тех местах, где дно океана формировалось еще в юрский период, толщина дна достигает 70–80 км. Это в 10 раз больше толщины земной коры.

Поскольку прилипают тяжелые породы, то со временем средняя плотность литосферы растет. Это значит, что становясь тяжелее, литосфера все больше и больше утопает в вязкой астеносфере. Раз дно океана опускается, то глубина океана увеличивается. По глубине океана можно рассчитать время образования его дна. Ясно, что чем дальше от срединно-океанического хребта, тем дно древнее. Но базальтовая кора нарастает и сверху. На ней отлагаются морские осадки. Их толщина в самых древних частых океана может достигать 1 км. У окраин континентов она во много раз больше.

Таким образом, со временем океаническая литосфера становится толще и тяжелее. Такая тяжелая плита при столкновении с другой плитой (более легкой) пододвигается под нее и исчезает в глубине. Поэтому неудивительно, что чем древнее дно океана, тем меньше его сохранилось. Здесь также действует закон старения и смерти. Поскольку вся литосфера (и океаническая также) находится в непрерывном движении, то через какое-то время океаническая литосфера доберется до берегов океана. Это время составляет не более 180 миллионов лет. Его легко рассчитать, если известна скорость движения и расстояние. Поэтому океаническая литосфера возраста, превышающего 180 миллионов лет (это юрский период), вся погибла, утонула в астеносфере. От нее остались только отдельные куски, клинья, которые оказались включенными в складчатые горные пояса на краях континентов. Таким образом, все дно океана очень молодо. Его возраст 180 миллионов лет и менее. По сравнению с возрастом Земли (4,6 миллиарда лет) это очень мало. Поэтому основная информация о геологических процессах хранится главным образом в континентальной земной коре.

Рассмотрим подробнее, что происходит, когда сталкиваются литосферные плиты. В том случае, когда сходятся океаническая и континентальная плиты, более тяжелая океаническая плита непременно уходит под континентальную. Если встречаются две океанические плиты, то вниз уходит более тяжелая, а это значит более древняя. Океаническая литосфера начинает погружаться в глубоководном желобе. В начале этого погружения литосферная плита уходит вниз полого. Но по мере погружения породы уплотняются под действием высокого давления. Становясь тяжелее, плита начинает быстро тонуть в астеносфере. При этом она перегибается и уходит вниз под крутым углом (почти вертикально). Когда она оказывается в более плотной мантии, то ее стремительное погружение замедляется и она постепенно переходит в режим горизонтального движения.

Уход в глубины астеносферы литосферной плиты сопровождается серией землетрясений. Первые очаги землетрясений появляются в океане под склоном желоба. В этом месте плита перегибается перед тем, как она уйдет в мантию. На внешней стороне изгиба плита растягивается и трескается. Но самое большое число землетрясений происходит там, где океаническая литосфера упирается в другую плиту. При этом океаническая плита уходит вниз под встречную плиту. На границе плит происходят землетрясения. В направлении пододвигания океанической плиты под встречную происходит скол пород. В тех местах, где океаническая плита уходит на глубину более 100 км, землетрясений становится меньше. При этом очаги землетрясений располагаются внутри опускающейся плиты. Причиной этого служит нагревание, а значит, и расширение горных пород. Опускаясь еще ниже, в область высокого давления, они сжимаются. В этих условиях минералы, из которых состоит порода, переходят в другое состояние, с более плотной структурой, при которой атомы упакованы более плотно. Постепенно погружающаяся плита становится неспособной вызывать землетрясения, поскольку она сильно разогревается и уже не может расколоться. Это происходит на разных глубинах, от нескольких десятков километров до 700 км. Описанный выше процесс позволяет правильно разобраться в порядке возникновения землетрясений.

Наклонные зоны, которые глубоко проникают в мантию Земли, связаны не только с землетрясениями. Над ними рядом с глубоководными желобами располагаются цепи действующих вулканов. Такие цепи вулканов простираются на многие тысячи километров вокруг Тихого океана. Они образуют «огненное кольцо». Происхождение этих вулканов таково. Когда океаническая плита погружается и попадает в область высокого давления и высокой температуры, то на глубинах 100–200 км из нее выделяются так называемые флюиды и определенное количество расплавленного вещества. Эти вещества направляются вверх. У нижней границы земной коры, а также внутри нее образуются очаги магмы. Эта магма и прорывается к земной поверхности в виде вулканической лавы. Такова физическая природа практически всех вулканов на островных дугах Земли. Такая же природа и вулканов на краю Южно-Американского континента, а также в цепях вулканов Анд, которые простираются на тысячи километров.

Возникновение вулкана происходит в строго определенное время — когда плита окажется на некоторой определенной глубине. Правило таково: чем круче наклонена зона пододвигания одной плиты под другую, тем ближе к желобу располагается цепь вулканов.

Может произойти и столкновение континентов, когда сходятся литосферные плиты. Специалисты это явление называют коллизией. Это особый случай, при котором ни одна из плит не заталкивается внутрь, в мантию. Этому мешает легкая гранитная облицовка континентальных литосферных плит. Поэтому происходит отслаивание пород огромными пластинами. Этот «материал» нагромождается у поверхности в виде горных сооружений. Так произошло образование Гималаев и тибетского нагорья. Это произошло в ходе столкновения Индостана с южным краем Евроазиатского континента. Это столкновение продолжается до сих пор, хотя оно началось 45–50 миллионов лет назад. При этом легкие породы верхов континентальной литосферы скучиваются близ поверхности земли. При этом вся остальная тяжелая часть литосферы круто погружается в астеносферу. Горы Большого Кавказа также образовались в результате столкновения двух континентальных литосферных плит. Примерно 10–11 миллионов лет назад единый Африкано-Аравийский континент раскололся вдоль огромной трещины — рифта. С этого момента Аравия стала удаляться от Африки, направляясь на север. При этом движении она еще вращается против часовой стрелки. Так мощная Аравийская литосферная плита сдавливала более мягкие и податливые толщи пород, которые накопились в бывшем океане Тетис, а также в его окраинных морях. Эти сжатые породы и образовали ряд горных хребтов разной высоты и очень сложного внутреннего строения. При сжатии различные породы не только сжимаются в складки, но и наползают друг на друга. Так образуются тектонические покровы.

У северной окраины грандиозного Кавказского горного пояса (в Предкавказье) располагаются равнинные участки. Они принадлежат прочной Скифской плите. Южнее находятся вытянутые вдоль широты (с запада на восток) горы Большого Кавказа. Их высота достигает 5 км. Здесь же располагаются узкие впадины Закавказья. Рядом располагаются горные цепи Малого Кавказа (в Грузии, Армении, Восточной Турции и Западном Иране). Южнее от них находятся равнины Аравии. Они принадлежат Аравийской литосферной плите. Кавказские горы образовались в тисках двух прочных плит — Аравийской и Скифской. Самые высокие горы образовались там, где Аравийская плита твердым клином сильно сдавила податливые отложения. Восточнее и западнее этого места горы значительно ниже.

Образованный таким путем горный пояс находится под огромным давлением. Поэтому он расколот протяженными диагональными разломами. Это сдвиги, вдоль которых отдельные части горного пояса скользят друг по другу. Эти смещения и являются причиной сильнейших землетрясений. Последние из них произошли в Армении (1988 год) и в Турции (1991 год). Под горы Кавказа с юга пододвигается монолитная и прочная Закавказская литосферная плита. Поэтому южный склон Большого Кавказа узкий и очень крутой, а северный — широкий и пологий. На южном склоне отложения смяты в очень сложные складки. Они опрокинутые и надвинутые и как будто наползающие друг на друга и на массив. В результате пододвигания южной Закавказской плиты горы Большого Кавказа асимметричны. Их главный хребет располагается ближе к югу.

В результате столкновения континентальных литосферных плит образовались и высочайшие горы Европы — Альпы. Здесь «работали» две плиты — Адриатическая и Средне-Европейская. Они не только столкнулись, но и надвинулись друг на друга. Так же образовались и Карпаты. Величайший горный узел Памира, Каракорума, Гиндукуша, Гималаев и Тибетского плато возник в результате столкновения Индостанской плиты с Евроазиатской. Этот процесс начался 10–15 миллионов лет назад и продолжается и сейчас. Индостанская литосферная плита и сейчас продолжает перемещаться в северном направлении, оказывая огромное давление на горные породы.

Кордильеры Северной Америки и Анды Южной Америки образовались при столкновении океанической и континентальной плит. Мы уже говорили, что вначале мезозойской эры все материки составляли единый суперматерик — Пангею. Со временем начался распад Пангеи на отдельные крупные литосферные плиты. Так возник Атлантический океан. Он расширялся в обе стороны от протяженного срединно-океанического хребта. Такая же зона расширения имеется и на востоке Тихого океана. От нее материал океанической коры движется в обе стороны. Континенты Северной и Южной Америки с прилегающими участками дна Атлантического океана смещаются на запад, навстречу Тихоокеанской плите. Океаническая плита, как более тяжелая, пододвигается под континентальную. Это и привело к образованию гор, которые представляют собой не что иное, как нагромождение друг на друга горных пород. В результате в земной коре образуются складки, а по западной окраине Северной и Южной Америки растут горы.

Любопытно происхождение цепочек давно остывших вулканов, которые простираются на тысячи километров. Каждая такая цепочка (гряда) выстроена строго закономерно: чем дальше от начальной точки гряды, тем моложе вулкан. Такое впечатление, что некто «поджигал» эти вулканы в строгой последовательности. Как будто он двигался вдоль гряды с факелом и зажигал вулканы один за другим. Ученые показали, что так оно и было. Только этот «некто» двигался не рядом с вулканами, а под ними, под литосферой, в мантии. Этим «некто» была мантийная струя. Она и двигалась от одного места к следующему, и так создавалась длинная гряда вулканов. Новый вулкан зажигался тогда, когда предшествующие уже успели потухнуть. Уточним только, что двигалась не мантийная струя под литосферой и земной корой, а литосфера двигалась над струей. К тому же мантийная струя работала не всегда достаточно интенсивно. Так и образовались длинные цепи мертвых вулканов. Добавим только, что место выхода на поверхность Земли мантийной струи называют «горячей точкой». Кстати, зная возраст давно потухших вулканов и расстояние между ними, можно определить скорость движения мантийной струи, а точнее скорость смещения литосферной плиты по отношению к глубоким недрам Земли. Конечно, точность такого определения скорости невелика, но других возможностей пока что нет. А скорости смещения литосферных плит, определенные этим методом, очень правдоподобны. Так, по гряде вулканов Гавайского хребта получена скорость движения литосферной плиты, равная 10 см в год. По различным цепочкам мертвых вулканов специалисты прослеживают смещение литосферных плит за десятки миллионов лет. Особенно важно иметь информацию о движении разных литосферных плит в одно и то же время. Этот метод позволяет получить такую информацию. Определяют не только величину скорости, но и ее направление. Специалисты при этом наткнулись на моменты в геологической истории Земли, когда направление скорости смещения литосферных плит резко менялось. Такие явления (переломные моменты) наступали одновременно для разных плит. То есть происходили некие процессы глобального характера.

Анализ скоростей смещения литосферных плит показал, что плиты более охотно движутся на запад. Если вспомнить, что Земля вращается с запада на восток, то это станет понятным. В сущности, происходит небольшое общее проворачивание на запад всей литосферы Земли относительно нижней мантии и ядра. Почему же происходит отставание литосферы при вращении Земли вокруг своей оси (отставание относительно более глубоких оболочек)? Дело в том, что сила притяжения Луны вызывает приливные волны в атмосфере, гидросфере и литосфере. Конечно, эти волны в литосфере (земной коре) значительно слабее, нежели в океанах и в атмосфере. Но тем не менее, хотя они и явным образом незаметны, они отражаются на движениях литосферных плит. Когда приливная волна образуется в литосфере, то литосфера сопротивляется изгибу. Именно это порождает силы приливного торможения. Именно под действием этих сил при вращении Земли вокруг собственной оси литосфера несколько отстает от вращения более глубоких слоев Земли. Это замедление во вращении земной коры и всей литосферы проявляется и в дрейфе зон расхождения (спрединга). Зоны пододвигания литосферных плит (зоны субдукции) также дрейфуют на запад, хотя и с другими скоростями. Таким образом, те и другие зоны совершают сложные движения: на их расхождения и пододвигания накладывается западный дрейф. Если литосферная плита одним своим концом глубоко уходит вниз в мантию и оказывается в наклонном положении, то она оказывается достаточно хорошо застабилизированной. Она как будто находится на мантийном якоре. На движение такой плиты меньше сказывается западный дрейф, она старается прокручиваться вместе с нижележащей мантией. Примером таких устойчивых зон служат зоны субдукции (пододвигания) на западе Тихого океана (под островными дугами и желобами на востоке Азии и Австралии), которые круто уходят вниз. Поэтому они глубоко «заякорены» в мантии.

Западный дрейф литосферы можно наблюдать воочию. Вернее не сам дрейф, а его последствия. Одно из таких последствий — асимметрия Тихого океана. Он с одной стороны обрамляется гирляндами островных дуг, а с другой — берегами континентов.

В результате западного дрейфа произошло и надвигание Северной Америки на Восточно-Тихоокеанское поднятие. Именно это оказало сильное влияние на горообразование и вулканизм в Кордильерах.

В заключение скажем несколько слов о последствиях смещения литосферных плит. Если океаническая плита подползает под континентальную, то это может означать конец континента. Под японские острова с востока, со стороны Тихого океана подползают две океанические литосферные плиты. Обе они находятся очень близко к островам. Это навело на мысль создателей фильма «Гибель Японии» проиллюстрировать то, что неизбежно когда-то произойдет. К счастью, плиты смещаются со скоростью 10 см в год. Поэтому это произойдет через многие миллионы лет. Но произойдет.

КАЛЕНДАРЬ

Основными единицами времени являются день (сутки) и год. Сутки равны 24 часам. Это тот промежуток времени, за который Земля совершает в точности один оборот вокруг своей оси. Год же — это тот промежуток времени, за который Земля совершает один обход вокруг Солнца при своем движении по своей эллиптической орбите. За это время, то есть в течение одного года, Земля совершает не целое число оборотов вокруг своей оси. Она совершает 365 оборотов и примерно четверть оборота (5 часов 48 минут 46 секунд). Значит, год равен 365 дням 5 часам 48 минутам и 46 секундам. На практике таким годом пользоваться было бы крайне неудобно. Поэтому этот физический год заменили условным, который равен целому числу дней (суток). Этот условный год стали называть гражданским или календарным годом, поскольку на его основе был составлен календарь.

Календарь представляет собой некую систему счета длительных промежутков времени. В ней установлен определенный порядок счета дней в году. При этом обязательно указывается момент, эпоха, эра, от которого ведется счет лет. В связи с тем, что нецелые сутки, входящие в физический год (0,2422 суток), были отброшены, календарный год меньше реального, физического. С каждым годом эта разница будет расти, и наш отсчет времени по календарю через какое-то время перестанет отражать реальные изменения в природе. Например, зимний месяц январь (для северного полушария) может со временем стать летним месяцем. Поэтому главная задача составителей и корректировщиков календарей состояла в том, чтобы не дать этой разнице между физическим и календарным годом сильно вырасти.

Разные цивилизации в разные эпохи решали эту проблему по-разному. Не решать ее было просто невозможно — вся жизнь общества и человека проверяется временем. Установлено, что за известную нам историю человечества люди составили (и пользовались ими) примерно двести календарей. Все эти календари отличались друг от друга как счетом времени внутри года, так и началом отсчета лет.

Самые первые календари были привязаны к движениям Луны. В качестве примера лунного календаря приводят календарь Мухаммеда. В нем год был поделен на 12 месяцев, месяцы состояли из определенного количества дней. Длительность месяца исчислялась от одного новолуния до другого. Но и здесь возникла та же проблема — в один лунный месяц укладывалось не целое число дней (суток). В физический (реальный) лунный месяц укладывается приблизительно 29 суток и половина суток. Выход был найден такой: один месяц (календарный, а не физический) равнялся 29 суткам, а следующий месяц — 30 суткам. В этом календаре все было привязано к движению Луны. Поэтому год не был связан со временем оборота Земли вокруг Солнца. Это был лунный год, равный двенадцати лунным месяцам. В продолжение лунного года Земля не успевала совершить полный оборот вокруг Солнца. Ей для этого не хватало 11 дней. Как мы уже говорили, эту разницу между календарным (лунным) годом и физическим годом надо было как-то убирать. На самом деле она от года к году накапливалась. Легко подсчитать, что по прошествии 33 солнечных физических лет эта разница составляла уже ровно один лунный год. Значит, каждому 33-летнему циклу тропических лет соответствуют 34 лунных года мусульманских, соответствующих календарю Мухаммеда. Совершенно очевидно, к чему приводит то, что разницу между календарным и физическим годом не устраняют. С физическим годом связана повторяемость, цикличность явлений в природе, в частности сезоны. Одну весну от другой отделяет физический год. Если календарный год будет отличаться от физического, то весна будет начинаться в разные месяцы года. Прежде всего этим неудобен лунный календарь.

За пять с половиной тысяч лет до Мухаммеда эта задача была оптимально решена в Древнем Египте. У них год состоял из 12 месяцев, но каждый месяц не был привязан к новолуниям. Он просто равнялся 30 дням. Так получался год длительностью в 360 дней. Но уже примерно три тысячи лет до новой эры египтяне уточнили, что год содержит не 360, а 365 дней. Эти дополнительные 5 дней они добавляли к концу каждого года с тем, чтобы приблизить свой календарный год к физическому. Но четверть суток, о которых мы говорили вначале, оставались лишними. Каждый год четверть суток, или точнее 5 часов 48 минут 46 секунд. За четыре года набегают сутки. Если эти дополнительные сутки в четыре года не устранять, то за 365 × 4 = 1460 лет они дадут целый год. Это будет ошибка, равная одному году. Поскольку эту ошибку древние египтяне не устраняли, то их календарный год блуждал. По этой причине календарные даты начала разлива Нила стали постепенно сдвигаться от года к году. Поэтому этот календарь получил название «блуждающего года». Проблему разрешил египетский царь Птолемей Эвергет. По его приказу стали добавлять к концу каждого из последних четырех лет не пять, а шесть дней. Поэтому средняя продолжительность календарного (александрийского) года стала равна 365,25 суток, что и требовалось для того, чтобы максимально приблизиться к физическому году. Этот четвертый удлиненный на одни сутки год сейчас называется високосным. Древнеегипетским календарем и сейчас пользуются потомки древних египтян — абиссинцы и копты.

Что же касается нашего календаря, то он происходит от лунного календаря Древнего Рима. Древние римляне пользовались четырехгодичным календарным циклом. Они нашли решение проблемы в том, что два года этого четырехгодичного цикла у них считались по 355 дней, один год состоял из 377 дней и еще один год состоял из 378 дней. Короткие годы (355 дней) состояли из 12 месяцев. Из них 7 месяцев были по 29 дней, четыре — по 31 дню, а один месяц (февраль) состоял из 28 дней. Кстати, у римлян этот самый короткий месяц февраль был последним месяцем года. Новый год у них начинался 1 марта. В годы длинные (по 377 и 378 дней) после 28 февраля добавлялось еще 22 или 23 дня. Вставка этого дополнительного месяца назначалась верховным жрецом. Она объявлялась глашатаями, которые «выкликивали» эту новость. По-латыни «выкликать» значит caleo. Отсюда и происходит слово «календарь».

С первого взгляда ясно, что такой календарь не был совершенным. Тем более, что законодательство этому не способствовало, поскольку сохранялся произвол в назначении этого дополнительного месяца в 22 или 23 дня. Правители областей в Риме назначались сроком на один год. Поэтому для них было не безразлично, насколько длинным был этот год. И если они могли его удлинить, они его удлиняли. Чиновник везде и во все времена чиновник и блюдет прежде всего свою выгоду. Историки утверждают, что римская знать этой возможностью удлинять или сокращать год широко пользовалась. Ее мало беспокоило то, что этим произволом с длиной года вносилась большая путаница в счет времени и вообще в гражданскую жизнь. Римский император Юлий Цезарь разрубил гордиев узел. Он ввел новый календарь — юлианский. Это и есть хорошо известный нам старый стиль, который в России был заменен новым стилем только после Октябрьской революции. Что же сделал Юлий Цезарь? Он принял предложение египетского астронома Созингена, и в 46 году до н. э. был принят календарь, в котором год состоял из 12 месяцев и продолжался 365 дней. Плюс к этому каждый четвертый год удлинялся на один день с тем, чтобы регулярно устранять разницу между физическим и календарным годом. Таким образом, каждый четвертый год состоял из 366 дней. Это и есть високосный год. Этот дополнительный день добавлялся в конце года, который кончался 28 февраля. Так раз в четыре года появлялось 29 февраля.

Казалось бы, все проблемы с календарем решены. Но не совсем. Дело в том, что за четыре года набегает не точно одни сутки (один оборот Земли вокруг своей оси), а чуть-чуть меньше (на 11 минут 41 секунду). За 127 лет уже набегает день. Примерно за 400 лет набегает три дня. Их надо как-то убирать. Этот календарь (старый стиль) был введен Юлием Цезарем в 46 году до н. э. Прошло полторы тысячи лет, и набежала нехватка в 10 дней. Соответственно сдвинулись религиозные праздники. На этот раз инициативу взял в свои руки римский папа Георгий XV. В 1582 году он ввел соответствующую корректуру календаря. Корректура была простой — сдвинули начало года на эти 10 дней. Сдвинули и обязали своих наследников не запускать это дело на полтора тысячелетия, а сдвигать начало года каждые 400 лет, когда накопится избыток в 3 дня. Был разработан алгоритм, как именно производить сдвиг: раз в 400 лет три удлиненных на один день високосных года укорачивать на этот день, то есть делать их простыми. Какие годы укорачивать? Договорились укорачивать все годы столетий, кроме тех, которые по отнятии двух нулей делятся на четыре без остатка (например, годы 1600, 2000).

Православная Россия не приняла нововведение католического папы. Церковные дрязги преобладали над здравым смыслом и интересами общества, и мы почти пять столетий шагали не в ногу со всем цивилизованным миром. Естественно, разрыв между старым и новым стилем закономерно увеличивался. Если в XVI и XVII веках он составлял 10 дней, то в 1700 году он увеличился на 11 дней. Это произошло потому, что по старому стилю в этот високосный год февраль состоял из 29 дней, а по новому стилю год 1700 подлежал урезанию на один день, то есть на 29-й день февраля. Еще через столетие, в 1800 году, разница увеличилась на день и составила 12 дней. В 1900 году она составила 13 дней. 1 февраля 1918 года этот рост разрыва был прекращен — старый стиль в России был отменен, и государство перешло на летосчисление по новому стилю, то есть по европейскому (григорианскому) календарю. Так была устранена разница в 13 дней, и 1 февраля 1918 года стали считать 14 февраля 1918 года.

Но исчерпывается ли этим проблема календаря? К сожалению, нет. Мы уже говорили, что три дня набегают не за 400 лет, а за 384 года. А эта разница означает, что календарный год по новому стилю (григорианскому календарю) за 400 лет станет отличаться от физического года на 2 часа 53 минуты. За 3300 лет набегут целые сутки. Но это уже не страшно. Для практической деятельности человека такая точность календаря вполне достаточна.

До сих пор мы говорили только об одной стороне календаря — о длине и структуре года или ряда лет (цикла). Но есть еще и другая сторона — от какого момента отсчитывать годы. Специалисты считают, что в древнем мире это начало отсчета было достаточно произвольным. За начало отсчета принималось правление того или иного монарха или какое-либо естественное явление, событие. У арабов до Мухаммеда отсчитывали годы от «года слона». В этом календаре за начало отсчета было принято время нападения на Мекку правителя Йемена, в составе войск которого были боевые слоны. В Древней Греции начало отсчета (эра) трижды обновлялось. Вначале оно связывалось с Пелопоннесскими войнами, затем с падением Трои и т. д. Очередная эра в той или иной стране начиналась с момента воцарения нового правителя. Например, в Индии в 1550 году нашей эры была принята эра «Великого Могола» Акбара (естественно, по его приказу). Эра начиналась в момент вступления его на престол. Римляне поступали в этом случае наиболее естественно — они отсчитывали свою эру от момента основания Рима. В данном случае не столь важно, насколько точно известен этот момент. Важно выбрать единую точку отсчета. Римская империя распалась, а эта точка отсчета оставалась неизменной вплоть до 1287 года. Переломил ситуацию почти рядовой римский Монах Дионисий Малый. Он предложил год 1285 от основания Рима считать 533 годом от Рождества Христова. Эта эра (новая, наша, христианская) вместе с христианством распространилась по всему миру. В VIII веке она была принята во Франции, а 29 февраля 1699 года указом Петра I она была введена в России. Кстати, в России до указа Петра I счет лет велся от «сотворения мира». Считалось, что оно состоялось в 5508 году до н. э. Во всех христианских странах к концу XIX века была принята новая (наша) эра — отсчет времени от Рождества Христова. Наглядно система летосчислений показана на рис. 24.

Условия на Земле меняются в зависимости от того, какое место она занимает в космосе и как она расположена относительно потоков космической энергии. Основным источником энергии для Земли является Солнце. Поэтому, как мы уже видели, климат зависит от положения Земли относительно Солнца: от вытянутости земной орбиты, от наклона земной оси и т. д. Но для Земли космос Солнцем не заканчивается. Вместе с Солнцем и всей Солнечной системой Земля движется вокруг центра Галактики (Галактика вращается вокруг своего центра). И это движение Земли вокруг центра Галактики нельзя не учитывать. Продолжительность одного оборота естественно назвать годом, галактическим годом. Продолжительность галактического года составляет 215 миллионов солнечных лет. При прохождении Земли по орбите вокруг центра Галактики она попадает в разные космические условия. Поэтому и на самой Земле, и в ее недрах происходят соответствующие изменения. Поэтому если уж говорить об истинном календаре, то следовало бы перейти от астрономических (на самом деле солнечных) лет к галактическим годам. Формально, надо сделать то же самое, что сделали при переходе от лунного календаря к солнечному (астрономическому).

То, что все крупнейшие события синхронно повторяются, было известно еще древним. Более того, они знали, что этот период составляет 215 миллионов лет. А это и есть продолжительность галактического года. Учеными убедительно доказано (и путем математического анализа и из эмпирических данных), что наибольшие воздействия земная кора, мантия и внешние оболочки Земли испытывают в то время, когда один галактический год кончается, а другой начинается, то есть на стыке двух галактических годов. Почему именно на стыке годов, а не в середине года? Начало галактического года (как и астрономического) мы вправе выбрать как угодно. Так с астрономическим годом и делалось. Но дальше, выбрав начальную точку отсчета, все повторяется. Начало галактического года и было выбрано по самым резким рельефам, самым заметным событиям в геологической истории всех оболочек Земли. Но и внутри галактического года происходят на Земле изменения, хотя и меньшие по масштабу, но весьма существенные. Их можно назвать сезонными. Ясно, что эти изменения связаны с тем, что Земля входит в космическое пространство, где условия отличаются от тех, что были до этого. На основании данных астрофизики можно полагать, что Земля периодически входит в мощные струйные потоки космического вещества, которые и оказывают воздействие на планету и окружающую ее оболочку.

За начало одного из галактических годов на основании анализа геологических изменений специалисты выбрали момент стыка двух геологических периодов — рифея и венда. Это было 650 миллионов астрономических лет тому назад. Таким образом, фанерозой длился три галактических года. Согласно геохронологической шкале их называют вендско-ордовикским, силурийско-пермским и мезозойско-кайнозойским. Последний из этих трех галактических лет закончился совсем недавно — около 5 миллионов лет назад. Таким образом, мы живем в самом начале нового галактического года. На стыке галактических годов происходят интенсивные тектонические движения (складчатость и горообразование, активные глобальные вулканические явления), крупные климатические и биотические изменения, смена природной среды, глобальные повышения и понижения уровня Мирового океана. Все указанные изменения по своим масштабам являются катастрофическими.

Мы знаем, когда родилась Земля, знаем продолжительность ее оборота вокруг центра Галактики (продолжительность галактического года), поэтому можем определить, сколько прошло галактических лет за все время существования Земли. Поделив одно на другое, получим 21 галактический год. Мы с вами живем в самом начале 22-го галактического года. Он закончится через 210 миллионов астрономических лет. За это время Земле снова предстоит пережить все: на ней возникнут и исчезнут целые континенты, моря и океаны, много раз будет меняться климат и кардинально изменится состав органического мира.