Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Малоун Джон

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

многое предстоит объяснить, а это всегда открывает дорогу самым разным теориям и соответственно различным аргументам.

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

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

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

Однако уравнения Миланковича оставались лишь теоретическими выкладками. Наконец в 1976 г. появилось некоторое доказательство его теории. Исследователи установили, что осадочные отложения морского дна могут служить надежным индикатором температуры воды в прошедшие тысячелетия. В этих породах присутствовали раковины крошечных животных, фораминифер, и химический состав ископаемых раковин был различным в зависимости от температуры воды в разные эпохи земной истории. Соотношение между содержащимися в них изотопом кислорода 160 и более тяжелым, но менее распространенным изотопом 180 изменялось в зависимости от температуры воды. В океанах и, следовательно, раковинах фораминифер содержание более легкого изотопа уменьшалось, когда климат Земли становился более холодным, так как большая часть этого изотопа попадала в ледники,

образующиеся на поверхности в холодные периоды. Как извлечение осадков с морского дна, так и последующие лабораторные анализы — исключительно трудоемкая работа, но она оказалась в высшей степени плодотворной. Образцы осадочных пород из самых глубоких слоев, поднятые на поверхность благодаря глубоководному бурению, показали, что в течение мелового периода, когда жили динозавры, температура воды в океанских глубинах была почти на 20° выше, чем сейчас. Это громадная разница. Были выявлены менее радикальные, но весьма красноречивые изменения температуры, совпадавшие с постепенным похолоданием, которое началось 115 000 лет назад (когда в Англии царил почти тропический климат) и продолжалось вплоть до максимума последнего оледенения порядка 15 000 лет назад, когда в южной части штата Нью-Йорк ледяной покров достигал полуторакилометровой толщины, а его окончательное исчезновение привело к образованию Лонг-Айленда благодаря перемещению суши в море.

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

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

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

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

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