Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты

Dry Sarah

Долгое время происхождение этих ледниковых отложений (так называемой морены), а также эрратических валунов, рассеянных по обширным территориям, объясняли мощным наводнением или серией наводнений, перенесших массивные каменные глыбы на расстояние в сотни километров. Но Чарльзу Лайелю, выдающемуся геологу того времени, идея Всемирного потопа представлялась надуманной и неправдоподобной. В 1835 г. Лайель предложил объяснение в соответствии с разработанной им концепцией униформизма, согласно которой геологические процессы протекают постепенно под действием сил, остающихся неизменными во все времена. Он предположил, что необычные дрифтовые отложения могли быть объяснены существованием в прошлом огромного океана, образовавшегося в результате постепенного, но масштабного опускания континентов. Когда-то этот океан покрывал б'oльшую часть земного шара, а по нему плавало несметное количество айсбергов, в состав которых входили камни и грунт. Когда айсберги таяли, их каменистый груз оседал на дно, а поскольку двигались они хаотично, это объясняет беспорядочный разнос дрифта. Таким образом теория оправдывала неспособность геологов объяснить происхождение дрифтовых отложений, ведь механизм их образования, согласно ей, был фактически случайным. Другим ее «достоинством» было то, что она не предполагала существования в прошлом совершенно другого климата, ведь айсберги встречались в океане и во времена Лайеля с

их относительно теплым климатом. «Принятие этой теории ледового дрейфа, – писал Лайель, – не обязательно заставляет нас предполагать существование ранее более холодного климата, нежели тот, что ныне преобладает в Северной Америке» [15] . Лайелю не нравилась мысль, что в прошлом условия на Земле могли резко отличаться от современных ему.

15

Цит. в: Christopher Hamlin, "James Geikie, James Croll, and the Eventful Ice Age," Annals of Science 39 (1982): 569.

В юности Тиндаль много слышал о поисках легендарного Северо-Западного прохода, по которому британские корабли могли бы через узкие водные пути среди островов и ледяных морей близ северного побережья Канады попадать из Атлантического океана в Тихий. Участники экспедиций рассказывали о гигантских айсбергах, вдоль которых корабли могли плыть неделями. Поначалу эти истории вызывали недоверие, но подтвержденные многими свидетельствами стали идеальным доказательством теории Лайеля. На самом деле именно в рассказах об исполинских айсбергах и массивных ледяных щитах у берегов Канады и Гренландии Лайель черпал вдохновение, разрабатывая свою поразительную теорию о плавучих морских льдах, дрейфовавших по Мировому океану. То, что айсберги бывали замечены в теплых водах вплоть до 40° северной широты, позволяло предположить, что при чуть более прохладном климате в прошлом они вполне могли заплывать и в те широты, где ныне геологи находили загадочные дрифтовые отложения. В 1819 г. Уильям Пэрри красочно описал плавучие ледяные горы, по сравнению с которыми парусные корабли казались крошечными, – один из таких айсбергов достигал в высоту больше 260 м (включая подводную часть). Летом 1822 г. капитан Уильям Скорсби на своем китобойном судне первым из британцев совершил экспедицию к восточному побережью Гренландии. Перед мореплавателями предстал огромный остров, покрытый толстым ледяным панцирем. Аналогичные свидетельства поступали и с юга, из Антарктики, где кораблям приходилось прокладывать путь среди плавучих ледяных гор. Все эти рассказы – не подвергавшиеся сомнению благодаря авторитету источников – будоражили воображение писателей, поэтов и драматургов. Для Тиндаля и его современников лед стал частью картины мира, важным элементом массовой культуры. В 1816 г. молодая писательница Мэри Шелли обрамила свою захватывающую историю о сотворении ученым новой жизни повествованием об исследовании Арктики [16] . Для людей начала XIX в. лед был источником сенсаций, в равной мере притягивающим и пугающим.

16

Речь идет о романе «Франкенштейн, или Современный Прометей». – Прим. ред.

В 1840 г. Луи Агассис выдвинул смелое предположение, навсегда изменившее представление ученых и обычных людей о льде. Синтезировав идеи коллег, Агассис заявил, что эрратические валуны и глинистые отложения могли быть следами гигантского ледяного щита, который некогда покрывал значительную часть Европы и Северной Америки. Гипотеза о ледниковом периоде не только подняла множество вопросов (действительно ли шерстистые мамонты бродили по территории Англии в то время, когда ее уже населяли люди?), но и бросила вызов общепринятой версии истории Земли. Существование в прошлом огромных ледяных щитов казалось большинству людей того времени немыслимым, поскольку это означало, что раньше на Земле было намного холоднее [17] .

17

Crosbie Smith and Norton Wise, Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin (Cambridge: Cambridge University Press, 1989), 556.

Такая возможность опровергалась работами особой когорты ученых мужей. Эти люди не были геологами и не тратили время на лазание по горам с молотками в руках, не говоря уже о зимних экспедициях к альпийским ледникам. Одними из известнейших представителей этой когорты ученых были братья Уильям и Джеймс Томсоны. Вооруженные не качественными описаниями и полевыми наблюдениями, а математическими выкладками, они формулировали свои гипотезы, опираясь на лабораторные эксперименты, которые наделяли их теоретические построения впечатляющей точностью. В отличие от геологов, рассматривавших историю Земли как цепочку множества повлиявших друг на друга событий, они воспринимали ее как нечто неизменное – и работающее четко, как паровая машина. Избрав своим священным писанием «Математические начала натуральной философии» Ньютона, они мечтали сделать для физики Земли то же самое, что Ньютон сделал для физики небесной, – вывести уравнения, которые могли бы идеально объяснить «механизм» нашей планеты.

Эти ученые – сегодня мы назвали бы их физиками, но тогда этот термин только начинал входить в употребление, – были одержимы идеей энергии, и в частности преобразованием в нее тепла, чтобы использовать ее для выполнения различных работ. Они трудились в лабораториях вдали от угольных шахт и строящихся железных дорог, но, как и в случае с геологией, двигателями их научных изысканий были промышленность и коммерция. Промышленная революция в буквальном смысле слова питалась солнечной энергией, накопленной в залежах каменного угля. И над вопросами практического применения этой энергии работали ученые, проводя теоретические расчеты и лабораторные эксперименты. Они изучали поведение металлов под давлением (что было критически важно для производства безопасных паровых котлов) и процессы, приводящие к повышению температуры, а также трудились над созданием паровых двигателей с максимально высоким КПД. И вот, опираясь на накопленные таким образом знания, они решили предсказать действие тепла не только в паровых машинах, но и внутри самой Земли. Основанные на уравнениях, описывающих поведение энергии и материи, работы Томсона и его коллег обеспечили математическую базу не только для стремительно развивавшихся отраслей промышленности, но и для новых наук о Земле.

Одна из ключевых идей, которая проистекала из этой новой научной парадигмы, состояла в том, что Вселенная и все в ней, включая Землю, постепенно и неумолимо охлаждается. Так называемая тепловая смерть Вселенной была неизбежностью, предотвратить которую ничто (кроме самого ее Творца) было не в силах. Это также предполагало, что прошлое Земли представляло собой монотонный процесс устойчивого и равномерного охлаждения – как это происходит с забытой на столе чашкой горячего кофе. Другими словами, в прошлом Земля могла быть только теплее, но никак не холоднее, чем сегодня. Обнаружение на территории Северной Европы ископаемых останков коралловых рифов и раковин моллюсков, таких как наутилусы, ныне живущие в тропических морях, а также теплолюбивых растений, таких как пальмы и саговники, казалось, неопровержимо доказывало, что в относительно недавнем прошлом на Земле было гораздо теплее [18] . Таким образом, расчеты физиков и эти ископаемые находки не оставляли сомнений в том, что теория об остывающей Земле верна.

18

Rudwick, Earth's Deep History, 150.

Но

сама же Земля предоставляла и противоположные свидетельства. В железнодорожных откосах и туннелях угольных шахт геологи делали находки, подтверждавшие ледниковую теорию Агассиса. Возникал вопрос: как примирить эти кажущиеся несовместимыми данные о прошлом Земли? Одно из предложенных объяснений гласило, что в прошлом континенты были намного выше, чем сегодня, в результате чего на более холодных возвышенностях формировались ледяные щиты, тогда как на остальной части Земли преобладал теплый климат. Но по мере накопления геологических данных о том, насколько обширную площадь занимали такие ледяные щиты, становилась очевидной несостоятельность и этой гипотезы. Уильям Хопкинс – талантливый математик, взрастивший в Кембриджском университете целую плеяду выдающихся ученых, – рассчитал, что такое оледенение могло наступить только в том случае, если бы весь Европейский континент был поднят на 10 000 м по сравнению с нынешним уровнем. Однако, добавлял он, «весь геологический опыт убеждает нас в том, что это [обстоятельство] не могло не оставить многочисленные красноречивые следы, кои в настоящее время не существуют» [19] . Пытаясь дать новое объяснение противоречивым данным о более холодном и более теплом прошлом планеты, Хопкинс предложил математический ответ: его расчеты показали, что если внутренняя часть Земли действительно остывает, то она уже остыла до такой степени, что центральное или «первозданное» тепло Земли (оставшееся от ее огненного рождения) вносит ничтожно малый тепловой вклад в температуру земной поверхности – всего 1/20 градуса [20] . Если доля остаточного тепла в температуре поверхности Земли столь мала, это фактически устраняет «проблему» тепловой смерти как фактора, влияющего на земной климат. Следовательно, геологам больше не нужно пытаться связать изменения климата на Земле с медленным охлаждением ее некогда расплавленного ядра. Подводя итог своим выкладкам, Хопкинс решительно, хотя и несколько беспомощно, заявлял: «Очевидно, что нам следует искать другие причины для объяснения тех температурных изменений, которые происходили в более поздние геологические периоды» [21] . Другими словами, эффект остывающего ядра Земли не мог вызывать эти относительно недавние климатические скачки. Оставалось узнать: что же могло?

19

William Hopkins, "On the Causes which may have produced changes in the Earth's superficial temperature," Quarterly Journal of the Geological Society 8 (1 February 1852): 88.

20

В 1851 г. Хопкинс зачитал в Геологическом обществе статью, в которой привел оценку Пуассона, согласно которой вклад так называемого первобытного тепла в среднюю температуру Земли составлял не более 1/20 градуса. Этот вклад был не только незначительным, но и уменьшался такими медленными темпами, что потребовалось бы «сто тысяч миллионов лет», чтобы сократить его вдвое. Это было огромным временем даже по меркам тех геологов, которые были убеждены в длительности истории Земли. См.: Rosbie Smith, "William Hopkins and the Shaping of Dynamical Geology: 1830–1860," British Journal for the History of Science 22, no. 1 (March 1989): 41.

21

Hopkins, "On the Causes," 59. Хопкинс отметил, что, тогда как ранее геологи представляли «изменения климатических условий» только как переход «от более высокой к более низкой общей температуре на поверхности Земли», более «точные геологические исследования» показали, что «эти изменения в значительной степени носили колебательный характер» и, «будучи охарактеризованными как таковые, разумеется, не могут быть объяснены внутренним теплом Земли».

Итак, Хопкинс опроверг утверждение, что в недавнем прошлом климат на Земле не мог быть холоднее, чем сегодня. К 1859 г., когда Тиндаль и его помощники сражались с метелью на Мер-де-Глас, ледниковая теория Агассиса была в целом принята научным сообществом, но два ключевых вопроса все еще требовали ответа. Во-первых, нужно было объяснить, каким образом перемещались ледяные щиты, которые, как утверждал Агассис, покрывали значительную часть Северного полушария. А во-вторых, ученые не понимали, что именно могло привести к столь резкому похолоданию в прошлом. Чтобы ответить на первый вопрос, необходимо было изучить движение существующих ледников, чем и занимался Тиндаль. Ответ же на второй вопрос, как оказалось, следовало искать за пределами Земли – в космосе.

* * *

В конце 1850-х – начале 1860-х гг. шотландец по имени Джеймс Кролл работал скромным смотрителем в университетском музее в Глазго. В отличие от своего современника Тиндаля, который к 30 годам стал профессором и получил определенное признание в научных кругах, Кролл был неизвестен. Он родился в бедной семье, которая не могла дать ему образование, однако еще в детстве открыл для себя книги, и его страстью стали естественные науки. Все последующие годы он отдавался этой страсти, зарабатывая на жизнь чем придется – плотничал, работал в чайной лавке, хотя для торговца был слишком уж молчалив… Почти три десятилетия Кролл занимался самообразованием, много читая и развивая интерес к теоретическим, а не эмпирическим исследованиям. Факты как таковые интересовали его мало: он мечтал разработать фундаментальную теорию, которая объяснила бы их все – весь мир. В начале 1860-х гг., поскольку обязанности смотрителя были не слишком обременительны, он с головой погрузился в изучение «современного на тот момент принципа преобразования и сохранения энергии и динамической теории тепла», читая труды Тиндаля, Фарадея, Джоуля и Уильяма Томсона, посвященные тепловой энергии, электричеству и магнетизму. Он также пристально следил за жаркими дебатами по «вопросу о причинах наступления ледникового периода» [22] .

22

James Campbell Irons, Autobiographical Sketch of James Croll, with Memoir of his Life and Work (London: Edward Stanford, 1896), 32. Более подробно о Кролле см.: James Fleming, "James Croll in Context: The Encounter between Climate Dynamics and Geology in the Second Half of the Nineteenth Century," History of Meteorology 3 (2006): 43–54.

Самоучка с неординарным складом ума, не имевший формального образования и никак не связанный с научным сообществом, Кролл мог наблюдать за этими дебатами лишь со стороны. Но возможно, именно это дало ему необходимую широту взгляда – и свободу, – чтобы совершить величайший научный прорыв. В 1864 г. он опубликовал статью, в которой утверждал, что причины изменений климата – и, следовательно, ледниковых периодов – нужно искать не на Земле. По его мнению, все дело было в прихотливом танце Земли вокруг Солнца. Причем он настаивал на существовании в прошлом не одного, а именно множества ледниковых периодов, чередовавшихся с потеплениями (свидетельство чего в виде пластов органических веществ в гляциальных отложениях не так давно было обнаружено Арчибальдом Гейки). До Кролла некоторые именитые ученые, включая Александра фон Гумбольдта, Чарльза Лайеля и авторитетного астронома Джона Гершеля, уже рассматривали возможность влияния астрономических факторов. Гершель показал, что под действием гравитационных сил орбита Земли с определенной долгосрочной цикличностью меняет свой эксцентриситет, становясь чуть более эллиптической (сплюснутой), что приводит к более долгой зиме и короткому лету. Однако этот факт, по его мнению, не мог объяснить наступление ледниковых периодов, поскольку общее количество солнечного излучения, попадавшего на Землю, всегда оставалось одинаковым – проще говоря, более долгие зимы компенсировались более жаркими летними сезонами.