Знание-сила, 2006 № 08 (950)

Льды, зной и числа Миланковича

Климат Земли по-прежнему остается одной из научных загадок. За время существования нашей планеты он не раз претерпевал разительные изменения. Земля то покрывалась льдами и даже превращалась в снежный ком, то сбрасывала белые покровы. Нынешние ледники — лишь свидетели последнего оледенения, отступившего около 10 тысяч лет назад. Но что стало сигналом к продвижению льдов? В середине 1970-х годов американский географ Джеймс Хейс, подводя итоги обширных исследований, проведенных им и его коллегами из Колумбийского университета, писал: "Мы уверены, что причиной оледенений являются изменения параметров траектории Земли". Так блестяще подтвердилась гипотеза, высказанная в первой половине прошлого века великим сербским ученым Милутином Миланковичем. Лишь в последние годы — во многом благодаря деятельности СМИ — распространилось мнение о том, что главной причиной изменений климата на планете является человек, его промышленная деятельность. Мы забываем о том, что Земля, как и миллионы лет назад, остается игрушкой космических сил.

Около 11 тысяч лет назад окончился последний ледниковый период. Еще недавно пейзаж севера Евразии и Северной Америки был немыслим без обширных ледовых полей. Наши морозные зимы — лишь брезжащее несколько месяцев в году воспоминание о будущем, о неотвратимом будущем, о новом ледниковом периоде, который не за горами. Пройдет, может быть, несколько тысяч лет, и Земля вновь подчинится вековечному закону — уснет, а обжитая Европа обратится в ледяную могилу.

Понятие "парниковый эффект" знакомо почти всем. СМИ регулярно сообщают о "глобальном потеплении", вызванном этим эффектом, а политики, не доверяя власти слов, делают решительные выводы, облекая их в такую словесную форму, как Киотский протокол.

Фразы "Защитим климат Земли", "Спасем планету от потепления" давно вошли в наш обиход. Так ли велико — "убийственно велико", как говорят некоторые критики, — влияние человека на климат нашей планеты? Действительно ли нынешнее потепление уникально, или это — естественный процесс, и он обусловлен изменением солнечной активности, а может быть, колебаниями орбиты Земли?

Мнения ученых противоречивы. Так, по расчетам бельгийского геофизика и астронома Андре Бержера из Католического университета в городе Левене, нынешний межледниковый период продлится 50 тысяч лет благодаря сложившемуся сейчас уникальному соотношению параметров земной орбиты.

Ведь что до сих пор задавало такт периодам сна и бодрствования Природы? Что определяло длительность оледенений и межледниковых периодов на Земле, сменявших друг друга, как день и ночь? Уж, конечно, не человек — смену климатических эпох обусловливали космические факторы — влияние Солнца и планет Солнечной системы. Их взаимное расположение сказывалось на траектории Земли, то сближая ее со светилом, то отдаляя от него.

Если бы вокруг Солнца обращалась одна Земля, если бы она имела форму идеального шара, если бы ее ось вращения сохраняла одно и то же положение, то наша планета описывала бы, согласно законам Кеплера, идеальный эллипс, чья форма не менялась бы во веки веков. В таком случае любая область Земли в определенный день календарного года получала бы одно и то же количество солнечного тепла, в каком бы году мы ни вели наши наблюдения.

Перемены сводились бы к смене времен года. На полушарии, обращенном к Солнцу, царило бы лето, а на другой стороне Земли — зима. Лишь дрейф континентов вносил бы некоторое разнообразие в эти прописные истины климата. За миллионы лет все эти Пангеи и Гондваны переползали бы с одной стороны Земли на другую, то погружаясь во мрак, то восставая средь яркого света.

Но действительность лежит за рамками школьной геометрии. Земля — не шар, а эллипсоид, то бишь приплюснутый шар. Ее диаметр в районе экватора несколько больше расстояния между полюсами. Из-за этого под действием притяжения Луны и Солнца возникает особая сила, стремящаяся повернуть ось вращения Земли.

Ось покачивается, совершая один оборот примерно за 26 тысяч лет. Это явление называется прецессией.

Если бы Земля обращалась вокруг Солнца, двигаясь по идеальной круговой орбите, то прецессия не влияла бы на климат. Но наша планета движется по эллиптической орбите, и это вносит своеобразие. Например, лето в ближайшей к Солнцу точке эллипса — это совсем не то, что лето в самой дальней точке эллипса. Приближаясь к Солнцу, планета движется быстрее, чем находясь вдалеке от него. Сейчас, например, лето в Северном полушарии длится несколько дольше, чем в Южном полушарии. Так будет продолжаться десять с лишним тысяч лет, пока земная ось не повернется за счет прецессии.

Циклически меняются и другие параметры орбиты. Наиболее ощутимы периоды продолжительностью примерно в 100 тысяч лет (изменение эксцентриситета) и 41 тысяча лет (изменение наклона земной оси). Каждые 400 тысяч лет орбита Земли принимает почти идеальную круговую форму.

Все эти разнообразные процессы не могут не сказываться на климате нашей планеты, вызывая его колебания. Ведь по их вине меняется количество тепла, получаемого различными областями Земли. Еще в XIX веке была высказана догадка, что оледенения наступают, когда отдельные регионы начинают получать меньше тепла, чем обычно.

Анализ кернов, взятых во льдах Гренландии, позволяет узнать, как менялся климат на нашей планете

В 1915 году сербский математик Милутин Миланкович задался целью вычислить, как меняется количество солнечного тепла, достигающего различных областей Земли, чтобы, может быть, понять причину наступления ледниковых периодов.

Сейчас подобную задачу можно сравнительно быстро решить на компьютере. Миланкович же потратил много лет на то, чтобы подсчитать, сколько солнечного тепла получали разные регионы планеты за последние 600 тысяч лет.

Составленные им графики были весьма выразительны. Так, анализируя график, на котором было показано количество тепла, получаемого в летнее время полярными областями Северного полушария, Миланкович обратил внимание на то, что в отдельные эпохи кривая солнечной радиации была необычайно низка. Он предположил, что именно тогда начинались новые ледниковые эпохи.

Если лето выдалось аномально холодным и пасмурным, если солнечные лучи не прогревали землю, то снег, выпавший зимой, мог пролежать до следующей зимы. Одно, другое лето, вот уже счет их мерится столетиями, и нарастает слой нерастаявшего снега, смиряя планету, стирая с ее чела признаки жизни. К тому же снег хорошо отражает солнечный свет, а потому эффект охлаждения планеты усиливается. Постепенно там, где ворошилась крупа снежинок, вырастала хрустальная плита льда. Ледник вытягивал тысячи языков, отравляя "морозным ядом" все, что жило вокруг него. Он полз на юг, покрывая все более обширную территорию. Начиналось новое оледенение Земли.

До Миланковича, кстати, считалось, что оледенения поочередно наступают то в Северном, то в Южном полушарии. Он же настаивал на том, что движитель "климатической машины" находится в Северном полушарии, ведь большая часть суши расположена здесь, а ледники образуются на суше.

Правота выводов Миланковича стала подтверждаться в 1950-е годы. Именно тогда итальянский геолог Чезаре Эмилиани, используя относительно новый метод анализа изотопов кислорода, определил, как менялась температура в далеком прошлом. По- видимому, он первым, анализируя кривые изменения солнечного излучения, подсчитал продолжительность так называемых циклов Миланковича. Во всяком случае, ни в одной из публикаций Миланковича эти циклы не вычислены, да и выбранный им метод не позволял непосредственно определить их.

И все же окончательное признание гипотеза Миланковича получила в 1970-е годы, когда географы из Колумбийского университета Джеймс Хейс, Джон Имбри и Николас Шекелтон, исследуя глубоководные керны, проникли в прошлое на миллион с лишним лет, точно датировав сроки оледенения и продолжительность климатических циклов. Они впервые вычислили сразу несколько подобных циклов в истории Земли, длящихся 100 тысяч лет, 41 тысячу лет, 23 тысячи лет и 19 тысяч лет, и назвали их "циклами Миланковича". Одновременно их продолжительность теоретически рассчитал Андре Бержер (в 1994 году он будет награжден медалью Милутина Миланковича, учрежденной годом ранее Европейским геофизическим обществом).

В последние годы теория Миланковича — одна из самых обсуждаемых научных теорий. Ниже приведен перечень наиболее интересных недавних работ, так или иначе посвященных ей. Авторы одних исследований находят новые подтверждения этой теории, тогда как их оппоненты подбирают любопытные возражения.

• Тосицугу Ямадзаки, Геологическое управление Японии, 2002 год.

Периодические изменения эксцентриситета (их цикл составляет 100 тысяч лет) влияют на магнитное поле Земли. Это доказывают исследования морских отложений, охватывающих последние 2,25 миллиона лет.

• Кристина Гэллап, Миннесотский университет, 2002год.

Около 140 тысяч лет назад количество солнечного тепла, получаемого полярными областями планеты в летний период, достигло минимума, а затем стало увеличиваться. Началось таяние ледников. По теории Миланковича, это привело к заметному повышению уровня моря около 134 тысяч лет назад. Однако исследования ископаемых кораллов показали, что еще за две тысячи лет до этого большая часть льдов на планете растаяла. Может быть, дело в следующем. Под тяжестью ледников земная кора немного прогнулась. А поскольку температура воздуха зависит от высоты над уровнем моря — чем высота меньше, тем сильнее прогревается воздух, — то ледники в конце концов начали таять раньше, чем изменилась орбита Земли и "сработали" циклы Миланковича.

• Муку л Шарма, Дартмутский колледж (США), 2002 год.

Возможно, все дело в изменении солнечной активности. Судя по колебаниям содержания изотопа бериллия-10 в образцах отложений (этот изотоп образуется на Земле при бомбардировке ее атмосферы космическими лучами), активность Солнца меняется с периодичностью в 100 тысяч лет, и сейчас ее показатель достиг максимума. Колебания солнечной активности совпадают с периодическими колебаниями климата Земли. По словам Мукула Шармы, "удивительно, что ледниковые и межледниковые периоды за последние 200 тысяч лет тесно связаны с солнечной активностью". Впрочем, оппоненты сочли этот вывод поспешным, ведь он сделан на основании данных лишь за указанный период. Быть может, продолжительность цикла солнечной активности иная.

• Роберт Деконто, Массачусетсский университет (США), 2003год.

Около 34 миллионов лет назад началось оледенение Антарктиды. Компьютерная модель показала, что на протяжении многих миллионов лет количество льда на шестом континенте менялось в соответствии с циклами Миланковича. Лишь когда Антарктида полностью скрылась подо льдом, астрономические факторы, то есть параметры земной орбиты, перестали влиять на мощность ледяного покрова.

Нынешние ледника — лишь свидетели последнего оледенения, отступившего около 10 тысяч лет назад

• Чжунхуа Лю и Тимоти Херберт, университет Брауна (США), 2004год.

Анализ изотопов кислорода в известковых раковинах ископаемых морских животных показывает, что 1,8 миллиона лет назад температура в тропиках начала меняться с периодичностью в 41 тысячу лет, то есть в точности следовала изменению наклона земной оси. Чем сильнее ось Земли наклонена, тем больше солнечного тепла достается полярным областям, а вот тропические районы хуже прогреваются Солнцем. В принципе изменения не так велики. На экваторе количество получаемого планетой тепла меняется на 0,8%, на 65-м градусе северной широты — на три процента.

Однако, как выяснили Лю и Херберт, в подобном ритме меняется температура не только воздуха, но и воды. Если, например, полярные области получают особенно мало тепла, то аномально остужаются и воды океана близ экватора. Эта зависимость была особенно отчетливо видна 1,8—1,2 миллиона лет назад, ну а после того, как температура воды близ экватора достигла рекордно низкой отметки, мощность ледяного покрова в Северном полушарии достигла максимума. По мнению исследователей, мы по- прежнему плохо понимаем, как связаны друг с другом процессы, протекающие в атмосфере Земли и Мировом океане.

• Питер Хьюберс, Океанографический институт (США), 2005 год.

Автор работы сравнил три десятка теорий, о&ьясняюших причины оледенений на нашей планете. В большинстве случаев их создатели апеллируют к циклам Миланковича, но были и теории, объяснявшие все естественными — земными — причинами. По мнению Хьюберса, главную роль играет цикл изменения наклона земной оси. Чем слабее она наклонена, тем меньше заметна разница между временами года в северных областях планеты. Начинается ледниковый период. Когда же наклон земной оси увеличивается, лето становится жарче, льды тают, настает межледниковая эпоха. Еще миллион лет назад продолжительность подобных циклов составляла 41 тысячу лет. Однако из-за понижения доли углекислого газа в атмосфере Земля стала остывать и "выбилась из ритма": на протяжении одного или даже двух циклов межледниковая эпоха так и не наступала. Отныне периодичность оледенений и потеплений составляла 100 тысяч лет.

Итак, цикличность климатических процессов, протекающих на нашей планете, доказана в последние десятилетия и теоретически, и практически. "Мы уверены, что причиной оледенений являются изменения параметров траектории Земли, — писал Джеймс Хейс в 1976 году. — Доказательства настолько очевидны, что какие-либо иные объяснения излишни".

Разумеется, подобное было сказано в полемическом пылу. Теория Миланковича по-прежнему подвергается критике. Она не учитывает роль тропиков в Южном полушарии, сложное взаимодействие морских и воздушных течений, а также промышленную деятельность человека.

По-видимому, механизм смены климата сложнее, чем предполагалось несколько десятилетий назад. Тут играет роль количество солнечного тепла, получаемого всей планетой, а не только отдельной ее областью, которую считали чем-то вроде кнопки спускового механизма или переключателя с "горячо" на "холодно".

Много неясного и с самими климатическими циклами. Ни один параметр орбиты не меняется со строгой периодичностью. В действительности мы имеем дело с несколькими квазипериодическими процессами. Вот упомянутый 100000-летний цикл эксцентриситета. Собственно говоря, его не существует — есть комбинация двух циклов, один из которых длится 125 тысяч лет, а другой — 95 тысяч лет. Поэтому в отдельные эпохи действие одного цикла лишь усиливается действием другого, а в иные времена, наоборот, ослабляется. Так, 400 тысяч лет назад их действие взаимно компенсировалось. Однако чаще всего влияние этих циклов так или иначе сказывалось на климате Земли.

Последователи Миланковича, как и сам сербский математик, проигнорировали также один из астрономических циклов, полагая, что он никак не влияет на климат Земли. Речь идет об изменении наклона плоскости орбиты Земли по отношению к так называемой инвариантной плоскости Солнечной системы — последняя практически совпадает с плоскостью орбиты Юпитера, самой массивной планеты нашей системы. Подобное изменение наклона никак не сказывается на количестве солнечного тепла, получаемого Землей.

Однако, как предположил географ Ричард Маллер из Калифорнийского университета, при периодическом "покачивании" плоскости орбиты Земли наша планета регулярно пересекает полосы пыли, образовавшиеся, например, при распаде комет. Поэтому солнечные лучи, прежде чем достичь поверхности Земли, немного рассеиваются. По словам Маллера, во льдах Гренландии пока не удалось найти подтверждений этой гипотезы, то есть следов космической пыли, осевшей на нашу планету, — "но мы исследовали керны лишь на небольшой глубине".

Гипотеза Маллера любопытна, соглашаются его оппоненты. "Впрочем, я полагаю, что циклы оледенений можно вполне нормально объяснить в рамках классической теории Миланковича", — говорит немецкий географ Андрей Ганопольский.

По его расчетам, катастрофическое изменение морских течений, последовавшее 2,7 миллиона лет назад, привело к оледенению полярных областей Северного полушария. Именно с этого времени климат Земли резко реагирует на изменения параметров орбиты, и это приводит то к очередному оледенению, то к межледниковой эпохе.

По словам Андре Бержера, компьютерные расчеты показывают, что есть критическая величина содержания углекислого газа в атмосфере — она составляет 350 миллионных долей объема. Чем ниже этот показатель (например, в лоиндустриальную эпоху он составлял около 280 единиц, а сейчас равен 370), тем активнее климат реагирует на астрономические факторы.

Сейчас модель, созданная Бержером, довольно точно отражает изменения климата за последние три миллиона лет, в том числе показывает периоды максимального оледенения и точку перехода от циклов продолжительностью 41 тысяча лет к стотысячелетним циклам — этот переход свершился около миллиона лет назад.

Но если эта модель так точно совпадает с прошлым нашей планеты, то,может быть, и будущее всецело с ней совпадет? Подчинится ее внутреннему закону? Что же сказано здесь о будущем?

В ближайшую эпоху минимум стотысячелетнего цикла эксцентриситета наложится на минимум четырестатысячелетнего цикла. Вследствие этого орбита Земли через 27 тысяч лет станет практически идеально круговой. Количество солнечного тепла, получаемого полярными областями планеты в летнее время года, будет почти неизменным.

Нынешний межледниковый период продлится еще почти 50 тысяч лет — и человек здесь ни при чем. В последний раз такое было около 400 тысяч лет назад. Если же содержание углерода в атмосфере в течение нескольких столетий будет превышать 700 миллионных долей объема, — а это прогнозируется, к такому может привести промышленная деятельность человека, — тогда новое оледенение вообще не наступит. Наша межледниковая эпоха не кончится никогда.

Что это принесет Земле? Вы ждете ответа? Но статьи о глобальном изменении климата пока не могут заканчиваться простым, четким резюме. Возможно, в задаче со многими неизвестными, которую решают ученые, дольше всего неизвестным останется ответ.