Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Атмосферные изменения: конец последнего ледникового периода

Над тем местом, где сегодня располагается мой офис, – это лаборатории Пупина в кампусе Колумбийского университета на Манхэттене, – двадцать тысяч лет назад была груда льда высотой свыше полутора километров. Это был кусок Лаврентийского ледникового щита, простиравшийся от канадской Арктики на юг до Нью-Йорка и Сент-Луиса и на запад до Скалистых гор (где он сливался с Кордильерским ледниковым щитом, занимавшим площадь 2,5 миллиона квадратных километров и накрывшим горы западной Канады до Сиэтла). Этот гигантский ледник начал формироваться 75 000 лет назад и наряду с крупными ледниками в Сибири и Северной Европе, а также меньшими в Патагонии и Гималаях содержал достаточно воды, чтобы понизить глобальный уровень моря более чем на 120 метров. В главе 11 мы уже говорили, что толчком и к этому событию, и к тем, которые ему предшествовали, стали изменения в нагреве Земли со стороны Солнца, вызванные сменой параметров земной орбиты. Впрочем, эти события не стали бы столь драматичными, если бы их не сопровождали сильные обратные эффекты

на поверхности планеты.

Потом лед начал таять. Наклон оси Земли перемещался к максимальной величине, а цикл прецессии подходил к фазе, когда летом Северное полушарие оказывалось максимально близко к Солнцу, а эллиптичность орбиты приближалась к локальному максимуму. Все три эффекта вели к тому, что солнечный свет более интенсивно падал на крайний север. Оптимальные условия были достигнуты чуть менее чем 12 000 лет назад, когда ледниковые щиты разрушались окончательно, хотя началось это еще на 6000 лет раньше.

Легко подсчитать, насколько изменилась солнечная энергия, достигающая северных ледниковых щитов. Ее слишком мало, чтобы растопить весь лед. Но, как мы видели в главе 11, вместе с повышением температуры в атмосфере быстро растет и уровень CO₂. За следующие 5000 лет температура в Гренландии выросла почти на 9 °C, а концентрация CO₂ в воздухе – со 180 ppm до 280 ppm. Весь этот дополнительный CO₂ еще больше нагрел Землю из-за парникового эффекта (глава 11), в то время как земная поверхность, еще недавно скрытая льдами, поглотила больше солнечной энергии, чем отражающий лед, что создало петлю положительной обратной связи, которая, в свою очередь, привела к постоянному ускорению нагрева. Но было ли этих эффектов достаточно?

Скорее всего, нет, и это предполагает, что потребовались дополнительные петли обратной связи. Десять лет назад Дж. Дентон и его коллеги опубликовали комплексную модель, призванную описать конец последнего ледникового периода, и попытались принять во внимание сложные взаимодействия льда, воздуха, океанов и солнечного света⁷. Для более четкого представления о невероятно важном периоде, охватившем время от 20 000 до 10 000 лет назад, они собрали впечатляющую коллекцию уже знакомых нам изотопных, атомных и молекулярных показателей. Это были и соотношения ¹⁸O/¹⁶O, измеренные в гренландском льду для установления температуры, а также в китайских спелеотемах и техасских пещерах, чтобы прояснить уровень осадков; и соотношения ²H/¹H из антарктического льда, ставшие показателем температуры и концентрации атмосферного CO₂; и липиды глицерол-диалкил-глицерол-тетраэфира (GDGT) из глубоководных кернов из Северной Атлантики и у берегов Австралии, позволявшие определить температуру поверхности моря. Исследователи добавили и нового «посредника»: им стало соотношение Протактиния-231 и Тория-230 из керна у Бермудских островов, благодаря которому можно было выявить изменения в схеме циркуляции океана. И ²³¹Pa, и ²³⁰Th с постоянной скоростью производятся в морской воде в ходе следующих распадов:

²³⁵U ->²³¹Th + ?
– > ²³¹Pa + e^— + ?_e***, а также ²³⁴U -> ²³⁰Th + ?;

(t _1/2 = 7 x 10⁸ лет) (t _1/2 = 25 лет) (t _1/2 = 2,5 x 10⁵ лет)

Их соотношение в морской воде ²³¹Pa/²³⁰Th = 0,093. Оба прикрепляются к частицам воды, которые оседают на дно, но Протактинию для этого требуется в десять раз больше времени, поэтому он легко уносится глубинными течениями Атлантики еще до осаждения, из-за чего соотношение Pa/Th в отложениях понижается. Если глубинные течения прекратятся, оно вернется к значению 0,093⁸.

Кроме того, исследователи также измеряли летнюю температуру в Патагонии на основе размеров ледников; изучали отложения мусора на дне океана, выпавшие из тающих айсбергов у побережья Португалии; и добывали опалы на морском дне неподалеку от Австралии. Опалы – это обычный кремнезем (Кремний и Кислород – SiO₂) с небольшим количеством воды (H₂O) (обычно от 6 до 10 %). Диатомеи, одноклеточные водоросли, при помощи ортокремниевой кислоты (H₄SiO₄), содержащейся в морской воде, создают крошечные опаловые раковины, которые, как и раковины фораминифер, накапливаются в океанских отложениях. Интенсивнее всего этот процесс идет в Южном океане, где имеет место сильный апвеллинг, переносящий питательные вещества (особенно Кремний) на поверхность, где их могут использовать водоросли. Поэтому содержание опалов в глубоководных кернах, как и соотношение Pa/Th, позволяет выявить схемы океанической циркуляции⁹.

Эти десять «посредников» демонстрируют сложную картину, которая раскрывает перед нами самые важные события, произошедшие от 20 000 до 10 000 лет назад, когда началось разрушение огромных ледниковых щитов. Было два периода, один из которых охватывал время от 18 000 до 14 500 лет назад, а второй, более короткий – от 12 800 до 11 500 лет назад, и на их протяжении температура в Северном полушарии на самом деле снизилась, а количество осадков сократилось, поскольку большие части Северной Атлантики замерзали зимой. Однако в южном полушарии и CO₂, и температура росли. У берегов Австралии температура поверхности моря повысилась с 11 °C до 16 °C в первый период и почти до 20 °C во второй, а уровень CO₂ к концу второго периода вырос со значения в 185 миллионных долей, соответствующего ледниковому периоду, примерно до значения, предшествующего индустриальной эпохе (280 ± 15 ppm). В это же время резко менялась циркуляция вод мирового океана, и многие течения просто останавливались. Более короткий и более поздний период, охватывающий 1300 лет, поздний дриас (продолжительность которого была недавно установлена с замечательной точностью благодаря радиоуглеродному датированию и дендрохронологии и составила 12 807 ± 12 лет до настоящего времени)¹⁰ показывает, что для одного из наших температурных «посредников», соотношения ¹⁸O/¹⁶O, было характерно внезапное снижение на 0,7 % в начале периода и настолько же резкий рост в конце, причем оба перехода заняли менее чем несколько десятилетий (отрезвляющая мысль – сегодня такое быстрое изменение климата будет иметь разрушительные последствия).

Исследователи интерпретируют все эти данные в контексте модели, основанной на изменениях в циркуляции вод океана. С началом таяния огромных северных ледяных щитов в океан между Исландией и Норвегией проникло огромное количество пресной воды. Именно там протекает Гольфстрим, теплое соленое течение, которому в наши дни наконец-то удалось достаточно остыть, чтобы эта вода ушла в глубины, что, в свою очередь, определяет циркуляцию вод мирового океана. Стремительное вливание пресной воды с Европейского и Лаврентийского ледниковых щитов сделало воду Гольфстрима не столь соленой и, следовательно, менее плотной, поэтому лед не мог затонуть, из-за чего циркуляция океанских вод прекратилась. Теплая вода перестала идти к Северной Атлантике, и зимой та замерзла, отчего в Северном полушарии резко похолодало. Однако в Южном океане таяние морского льда вокруг Антарктиды уже шло полным ходом, и потепление продолжалось быстрыми темпами. Сложные петли обратной связи, в том числе изменения в характере атмосферной циркуляции, в конечном итоге переносят тепло на север, прекращая похолодания и способствуя дальнейшему таянию льда.

Этой картине соответствуют данные о двух кратких периодах повышения уровня моря, которое могло произойти только из-за таяния огромных ледников. Два выброса талой воды охватывают время от 14 700 до 13 500 лет назад и от 11 500 до 11 200 лет назад, и каждый из этих интервалов тесно связан с двумя периодами холода на севере. На протяжении первого периода уровень моря поднимался в среднем на 60 сантиметров за десятилетие, примерно в пятнадцать раз быстрее, чем в наши дни.

Даже несмотря на все эти ингредиенты, неясно, есть ли у нас полный рецепт, который освободит Землю от глобального ледникового периода. К счастью, новые ингредиенты (если так можно сказать) появляются и сейчас. На морском дне Баренцева моря к северу от Норвегии обнаружены кратеры диаметром до 1 км. Они образуются, когда рассеивающийся метан (CH₄), медленно поднимающийся вверх из глубоких (более 1 км) залежей нефти и/или газа, попадает в ледяные клатраты, образованные на глубине в несколько сотен метров ниже морской поверхности. Когда морская вода замерзла и стала частью глетчерного льда, его давление удерживало метан на месте. Но когда лед отступил, метан, освобожденный от гнета, вырвался, преодолел поверхность и через воду проник в атмосферу. Нам неизвестно, сколько метана выделилось в ходе этого процесса во всем мире, поскольку морское дно еще не столь подробно нанесено на карту и мы не можем увидеть все эти маленькие кратеры. Но измерения ледяных кернов показывают, что содержание метана в атмосфере увеличилось примерно вдвое с ледникового периода (350 ppm) до межледникового (700 ppm), и вполне возможно, что этот фактор, в числе прочих, способствовал потеплению, вызванному парниковым эффектом¹¹.

Будущее

Современный состав нашей атмосферы относительно стабилен. Очевидные исключения вызваны антропогенным воздействием, связанным с редкими, но важными газами – это углекислый газ (CO₂), закись Азота (N₂O), метан (CH₄) и хлорфторуглероды, которые усиливают парниковый эффект и нагреют планету на несколько градусов еще до конца века, если мы незамедлительно не примем меры по смягчению этих перемен. Легчайшие газы, которые могут достигать второй космической скорости, – Водород и Гелий – все равно улетучиваются, едва возникнув: Водород – в процессе диссоциации воды в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения (см. ниже), а Гелий – в ходе альфа-распада радиоактивных элементов в земной коре и океанах (напомним, что альфа-частицы – это всего лишь ядра Гелия). Скорость потерь Водорода составляет около 93 000 тонн в год, а утечка Гелия – 1600 тонн в год. Цифры могут показаться большими, но если учесть, что в океанах содержится 150 миллиардов триллионов тонн Водорода, это незначительный эффект… по крайней мере на данный момент¹².

В конце концов – через 7 миллиардов лет – Солнце расширится и станет красным гигантом, поглотив Меркурий и Венеру и опалив Землю. Однако нам не придется ждать так долго, чтобы увидеть еще одну масштабную трансформацию нашей планеты. Термоядерные реакции, происходящие в ядре, и сопутствующие изменения во внутренней структуре (глава 16) постепенно делают Солнце все ярче. Примерно через миллиард лет яркость нашей звезды повысится примерно на 10 %. Величина кажется скромной, но в десять раз превышает нагрев, вызванный парниковыми газами, которые мы добавили в атмосферу за двести лет. Более теплая поверхность Земли приведет к большему испарению H₂O из океанов. Но важнее всего то, как это отразится на высоте от 10 до 20 км над поверхностью Земли.