Тайны будущего. Прогнозы на XXI век

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 оледенения («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 агрессивно-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 млн. 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 зон — 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 гг. 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 млн. 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 обоих 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 млрд. лет тому назад и закончилась 1,95 млрд. лет назад. Следующая, гнейсесская, эпоха оледенения имела место 950–900 млн. лет назад. Стертская эпоха оледенения продолжалась от 810 до 715 млн. лет назад. Последняя эпоха оледенения — варангская — длилась от 680 до 570 млн. лет назад. Это речь шла о первом зоне — докембрийском.

Во втором зоне — фанерозойском — первая эпоха оледенения продолжалась от 460 до 410 млн. лет назад. Ее называют ордовикской. После теплого перерыва последовало новое гондванское оледенение, эпоха которого длилась от 340 до 240 млн. 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 млн. 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. 22 показана схема чередования эпох оледенения, которое происходило в продолжение последнего миллиарда лет. Заштрихованы периоды (эпохи) оледенения. Весьма любопытно, что эпохи оледенения не только чередуются с теплыми эпохами, но за последние 2,5 млрд. 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 оледенения 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 млрд. 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 определяется 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 г. 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. 23). 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 млн. 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 млн. 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 млрд. 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 подверхностный 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—10¹⁵ грамм вещества. Это вещество и создало земную кору.

Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (CH₄), 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 — 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 млрд. 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 млрд. 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 млрд. 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 млн. 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 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. 24. 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 5,3^10²¹г. 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 км, 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 км 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 млрд. 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 млн. 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 продолжение 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 млн. 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. 25. 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 млн. 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. 25), 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. 26. 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 млн. лет назад. Ясно, что со временем и нынешняя картина изменится.

Былое расположение материков можно восстановить по геофизическим данным. Легче всего это сделать для фанерозойского зона. 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 КГС 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 двухъячеистой 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 двухъячеистой эта активность минимальна. В периоды, когда установится двухъячеистая 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 выступает 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. 27. 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 (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. 28. 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. 28. 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. 27 и 28. Как видно из рис. 28, изменения угла наклона оси Земли весьма ощутимые. В течение полупериода (20 тысяч лет) этот угол меняется примерно на 2,6°. 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 обоих 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, около-полярные 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. 29.

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. 30. 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. 31 показано изменение солнечной активности, начиная с 1755 года. Солнечная активность выражена в числах Вольфа. Из рисунка видно, что периоду «климатического оптимума» в Х-XIII вв. (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 (1450–1700), на Земле был малый ледниковый период. В пределах этого периода были два интервала с чрезмерно низкой солнечной активностью. Это 1460–1550 гг. и 1645–1715 гг. 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 гг. 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 гг. В горах Кебнекайсе в Северной Швейцарии ледники были наиболее активны в 1780 г. Ледники в Норвегии и Исландии максимально развились в 1740–1750 гг. В 1850–1860 гг. 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 г. глобальная приземная температура воздуха выявила отрицательную корреляционную связь с солнечной активностью. Но в последующие годы характер этой связи постепенно менялся и в 1974–1975 гг. связь стала положительной, то есть при увеличении солнечной активности температура растет. В 1880–1972 гг. 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 гг.

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

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

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 гг. 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 с помощью аппаратуры, установленной на космических кораблях (за пределами земной атмосферы). Все данные измерений были обработаны, и получилась официальная величина солнечной постоянной, которую используют во всех инженерных и космических расчетах. Она равна 1,940+0,03 кал/см² 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 окис-лов 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 обоих 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 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 обоих 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 меридиональном 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 г. 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 гг. н. э. он снова приблизился к Европе. Еще через 600 лет он передвинулся в Баренцево море и только между 1650 и 1850 гг. 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, то, 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 K. Оценено, что за всю историю Земли за счет радиоактивного распада U и Th было выделено огромное количество тепла — 1,6^10³⁸ 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. 32.

Как мы уже говорили, литосферные плиты плавают. Поэтому неизбежно плавают (перемещаются) и материки. Примерно 15–20 млн. лет тому назад 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) приходится 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 создаться 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 СО₂ 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 г. н. э. по наше время, то оказалось, что, действительно, в период малого ледникового периода в XV–XVI вв. н. э. и в начале XIX в. н. э. наблюдалась повышенная вулканическая деятельность. С 1912 г. до начала 40-х гг. 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 г. 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 СО₂, 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 СО₂, то цифры здесь такие. В атмосфере Земли в настоящее время содержится 0,033 % СО₂. Это соответствует примерно 2350–2570 млрд. тонн. В водах Мирового океана СО₂ в 50 раз больше. Между атмосферой и океаном, между атмосферой и биосферой происходит непрерывный обмен СО₂. На фотосинтез растений сейчас уходит за счет атмосферы около 100 млрд. тонн СО₂ в год. Такое же количество СО₂ атмосфера получает в результате дыхания живых организмов. СО₂ поступает и из недр Земли через вулканы. Но это почти в сто раз меньше, чем поступление СО₂ за счет деятельности человека. Источником СО₂ в недрах Земли является углерод, которого там не менее 2^10⁸ млрд. тонн. Основная его часть связана в карбонатных породах.

СО₂ приходит в атмосферу и уходит из нее в биосферу. Он совершает своего рода кругооборот, естественный цикл. Этот естественный цикл СО₂ 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. СО₂ совершает кругооборот и между атмосферой и океаном. Полный период обмена СО₂ 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 СО₂ из океана в атмосферу. Одновременно идет поступление СО₂ из атмосферы в воды Мирового океана. Из-за разницы в температурах в высоких широтах в условиях холодной воды поток СО₂ из воды в атмосферу мал. Здесь преобладает поток СО₂ из атмосферы в воду океана. В низких широтах все наоборот, поскольку там вода Мирового океана теплая. Поток СО₂ 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 СО₂ 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 СО₂ в атмосфере Земли за всю ее историю. В прошлом в истории Земли были такие периоды, когда содержание СО₂ в атмосфере было намного больше, чем в наше время. Примерно 250 млн. лет назад концентрация СО₂ в атмосфере составляла 7,5 %. Зато в фанерозое (570 млн. лет назад) СО₂ в атмосфере было не более 0,3 %. Примерно 1 млн. лет назад концентрация СО₂ в атмосфере была в два раза больше, чем сейчас. Рассматривая современное количество СО₂ 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 СО₂ бессмысленно, как бессмысленно без всестороннего анализа говорить о том, много СО₂ 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 СО₂ 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 гг., 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 в. 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 гг.), то в это время области высокого давления были значительно смещены к югу. При этом преобладали северные ветры. За период с конца XVIII в. по начало XX в. 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 гг. 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 гг.

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 гг. Для Англии она была самой холодной после 1740 г. Зима 1963–1964 гг. была очень сухой. Такой сухой зимы в Англии не было с 1743 г. В эту зиму морозы продвинулись вплоть до берега Персидского залива. Зима 1965–1966 гг. 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 гг. Зимы 1973–1975 гг. 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 (динамика) 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 СО₂, 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. 33 показано, как менялась средняя температура Земли за последние 4,5 млн. 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 млн. 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 м 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 (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 8 тысяч лет назад растаял ледник на Скандинавском полуострове. Спустя 1,5 тысячи лет растаял ледовый покров и на Североамериканском континенте. Еще через 2 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 Раджастхана 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 мм. 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. 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 Раджастхане примерно в три раза. Это вызвало упадок экономики района. Произошли неблагоприятные изменения климата 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 гг. до н. э. и в 1200 г. н. э. Довольно теплым климат в Китае был в 206 г. до н. э., а также в 220 г. н. э. и в 618–907 гг. н. э. В Западной Японии лето 1180 г. 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-востоке 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 г. 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 г. до н. э. Это скотоводческий период. Появились домашние животные. 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 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 г. 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 вв. 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 г. до н. э. и началом нашей эры. К этому периоду относятся найденные в Тассилин наскальные изображения колесниц. 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 г. 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 Людло-не, 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 г. 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 г. 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 гг. 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 г. 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 г. 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 (X 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 вв. н. э. резко увеличилось количество сосны и уменьшилось количество березы. Максимальное распространение дуба в Усманском бору за последние 2500 лет приходится на VIII в. н. э. А это однозначно свидетельствует о существенном потеплении.

Изменение уровня Каспийского моря служит наглядным доказательством изменения влажности климата. На рис. 34 показано изменение уровня Каспийского моря за последние 2000 лет. В V в. 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 в. 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 г. 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 г. 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 г. 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 г. н. э. Колонизация ее началась в 870 г. 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 г. 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 г. 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 г. 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 гг. 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 г. 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 г. 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 Х — ХI вв.

Период сухого и теплого климата длился примерно шесть веков, от V до XII вв. н. э. Затем началось похолодание. Климат становится холодным и влажным. На Гренландию надвигаются льды. Уже в середине XIV в. население Гренландии перестало заниматься земледелием и скотоводством. Льды отделили колонистов от их родины — Скандинавии. Последний корабль в Гренландию прибыл в 1377 г., а из Гренландии последний корабль отправился в Скандинавию в 1410 г. Спустя более чем сто лет, в 1542 г., 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 в. 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 м. 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 вв. н. э. Именно во времена значительного охлаждения в XIV–XVI вв. 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 в. 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 г. 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 г. ледник Фернагтфернер в Рофнерской долине несколько раз создавал запруды. Высота их достигала 140 м. Так возникло Рофнерское озеро. Все это в 1848 г. закончилось страшной катастрофой. Озеро длиною в 1 км и глубиною 80 м, содержащее около 3 млн. 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 г. 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 г. 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 г. 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 г. 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 г. ледяной обвал с ледника Росбоден уничтожил деревню Эгген на южной стороне перевала Симилон.

Многовековые колебания влажности за последние шесть тысяч лет показаны на рис. 35. 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 вв. 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 в. 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 вв. 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. 36, 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 неразгаданным. 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 меловой 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 при-атлантическим 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 обоих 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 млн. лет назад Южная Америка отделилась от Антарктиды. Образовался пролив Дрейка. Для климата это имело очень принципиальное значение. Создалась возможность образования вокруг южно-полярного 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 млн. 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 млн. лет назад появились ледники в горах Аляски. Гренландский ледниковый покров возник значительно позднее, не ранее 3,5 млн. лет назад. В Исландии ледники возникли не менее 10 млн. лет назад.

Образование постоянного ледяного покрова в Северном Ледовитом океане очень важно для климата. Он сформировался примерно 4–5 млн. 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. 37. Здесь изображено изменение средней температуры у поверхности Земли в течение кайнозойской эры. Видно, что около 2–3 млн. 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 (288 К — 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, тем 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, 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 перенесет 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 5 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 с 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 5 тысяч лет количество льда сократилось примерно вдвое, а 8 тысяч лет назад Скандинавский ледниковый покров исчез полностью. Спустя 2 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 взаимосвязано. 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 млн. км. 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 Раджастхане 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 когда характеристики климата еще не измерялись с помощью инструментов, называются историческими. 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 вв.). 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 в., 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 г.

Климатические условия в Исландии также резко ухудшались. В XVI–XVII вв. для нее наступили времена тяжелых испытаний. И это не могло не сказаться на населении страны. С начала похолодания до 1800 г. 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 вв. 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 г. 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 г. в Новгородской земле в течение четырех месяцев не прекращались дожди. В XV в. 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 в. 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. 38 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 г. н. э., в Исландии — с 1000 г. н. э., в Северной Америке — с 1500 г. н. э., в Южной Америке — с 1550 г. н. э., в Австралии — с 1800 г. н. э. В русских летописях описания изменения климата содержатся начиная с Х столетия.

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

Мы уже говорили о норманнах, которые колонизировали в VIII–XIV вв. 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 гг. В отдельных районах это период с 1265 по 1312 г. Необычайно засушливым было время с 1272 по 1291 г. Зато необычайно влажно было между 1313 и 1322 гг. Внутрисезонная изменчивость климата очень увеличилась в 1270–1350 гг.

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 гг. 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 гг.) средняя температура поверхности Земли резко снизилась на 1,3–1,4 °C. Линия деревьев в горах в Центральной Европе понизилась почти на 200 м. Вегетационный период роста растений сократился почти на три недели. В это время полярные льды блокировали Исландию и Гренландию. Наиболее холодным был период 1675–1704 гг. Самым холодным был 1695 г. 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 гг. зимние температуры были значительно ниже, чем в последующие 250 лет. Но были и исключения. Теплые зимы были в 1665–1686 и 1718–1719 гг.

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 гг. почти вымерзли апельсиновые деревья. В 1782–1787, 1883–1839, 1866–1869 гг. в Японии были очень низкие урожаи, характерные для холодной влажной погоды летом.

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

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

После 1560 г. 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 гг. и неурожаи винограда в 1588, 1628, 1692, 3698 и 1816 гг. С 1680 по 1718 г. во Франции был очень холодный климат с катастрофическим выпадением осадков. В 1782–1785 гг. в Европе наступили жестокие засухи. Особенно холодными и с избыточным увлажнением были 1812–1821 гг. Очень холодная зима наступила в 1657–1658 гг. При этом средняя температура в районе между Данией и Швецией была примерно на 4 °C ниже, чем за период 1931–1960 гг. 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 гг.

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 гг.). Ледовые условия на Руси были в это время весьма благоприятными. Так, в Х в. новгородцы вышли на берег Русской Арктики, а в 1132 г. они ходили к Карским воротам. Тогда они назывались Железными воротами. Морозы были особенно суровыми в 1230 г. Но с 1232 по 1250 г. 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 гг. 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 г. охватила и Западную Европу.

Шестнадцатое столетие было не лучше. 26 раз наблюдались сильные дожди летом и осенью. 16 раз за сто лет наступили засухи. 4 из них (1508, 1525, 1533 и 1534 гг.) нанесли огромный ущерб экономике России. В XVII столетии непогоды продолжались — имели место 24 дождливых года и 8 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 в. увеличивается ледовитость арктических морей и климат становится еще более суровым. Показательно, что в 1696 г. недалеко от Архангельска вмерзло в лед 35 кораблей.

Не смягчился климат и в XVIII в. За сто лет наблюдалось 18 жестоких зим. Особенно суровыми из них были зимы 1709 и 1740 гг. Время от времени (1702, 1709, 1716, 1718, 1765 гг.) происходили большие наводнения. От них пострадали Москва и ряд других городов России. Засухи повторялись столь же часто (19 засух на столетие). Только в XIX в. началось выравнивание климата. Так, в первой четверти XIX в. 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 вв. в России были очень неблагоприятные условия для жизни. Конечно, похолодание коснулось не только России. Исторические хроники Исландии сообщают, что с 975 по 1500 г. в стране было 12 голодных лет. За 1600–1804 гг. 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 в. климат постепенно теплел. Наиболее ярко это проявилось в высоких широтах северного полушария. Потепление достигло максимума в 30—40-е гг. нашего столетия. Это видно из рис. 39, 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 г. происходит незначительное похолодание климата.

Из рис. 39 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 г. площадь льдов в восточном секторе Арктики уменьшалась почти на один миллион квадратных километров. Горные ледники в Альпах с 1866 г. 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 г. площадь ледников уменьшилась на 8,5 %. Уменьшились размеры ледников на Алтае, Памире и в Турции. С начала XV в. 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 гг. 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 гг. охватило не только северное, но и южное полушарие. Почему в 1940-х гг. потепление климата сменилось его похолоданием — остается невыясненным.