Чтение онлайн

В этом рисунке есть несколько интересных особенностей. Первой из них является закономерность: содержание изотопов кислорода в воде в последние полмиллиона лет повторяется удивительно систематическим образом, отражая существование циклов наступания и отступания льдов. Здесь показано только пять ледниковых периодов, но если этот график продлить в прошлое до почти трех миллионов лет, то оказывается, что характер графика сохраняется. Он указывает на существование периодического чередования холодных и теплых периодов. Длина (продолжительность) циклов, показанных на рис. 12.4, составляет по грубой оценке 100 000 лет. Для более древних частей графика эти циклы оказываются несколько короче, но несмотря на это, очевидно, что какой-то фактор очень регулярно влияет на климат Земли. Есть определенный ритм в последовательности ледниковых периодов, который должен управляться влиянием какого-то фактора, который изменяется сходным образом. Насколько сейчас известно науке, единственное объяснение, которое кажется приемлемым, состоит в том, что эта причина находится вне Земли и, вероятно, связана с колебаниями количества энергии, получаемой Землей от Солнца.

Рис. 12.4. Регулярные изменения изотопного состава кислорода в раковинах донных организмов отражают изменения температуры океана и объема льда за последние 600 000 лет. Положительные значения на этом графике соответствуют холодным, ледниковым периодам, а отрицательные — межледниковым эпохам. Фактические данные, полученные из кернов глубоководных скважин, позволяют продлить график влево гораздо дальше, чем показано здесь, и свидетельствуют о существовании в прошлом многочисленных дополнительных ледниково-межледниковых флуктуации.

Второе важное наблюдение, которое можно сделать, рассматривая рис. 12.4, состоит в том, что последние пять похолодании были значительно длиннее по своей продолжительности, чем межледниковые эпохи, и что начало теплых периодов обычно очень резко следовало за временем наибольшего распространения льда. Если современный нам межледниковый промежуток следует закономерности последних нескольких таких интервалов, нам не придется долго ждать следующего ухудшения климата, несмотря на тот факт, что Висконсинский ледниковый максимум произошел всего лишь 20 000 лет назад. Причины внезапного начала и короткой продолжительности межледниковых эпох неизвестны.

Вплоть до этого момента в нашем обсуждении проблем чередования оледенений и потеплений принималось, что изменения содержания изотопов кислорода надежно документируют изменения средней мировой температуры и величины площади ледников. Но так ли это? Есть ли какой-нибудь способ независимой проверки этого утверждения? Один из самых убедительных примеров подтверждающих данных происходит из, казалось бы, невероятного источника — тропических кораллов. Коралловые рифы растут очень близко к поверхности моря. Если уровень моря поднимется на несколько метров, то кораллы умрут — но поверх них, ближе к поверхности воды, растут все новые и новые. Путем непрерывного нарастания все выше и выше рост рифов идет в ногу с подъемом уровня моря, поэтому кораллы являются хорошим индикатором прошлых уровней моря. В некоторых местах, например в Карибском море, такие коралловые рифы были разбурены скважинами и их керн изучен. С помощью радиоуглеродного и ряда других методов был определен возраст разных частей керна. Кораллы, жившие близ поверхности моря тысячи лет назад, сейчас находятся на глубине в десятки метров, погребенные в рифе под толщей своих потомков. Измеряя их возраст и глубину, на которой они сейчас находятся, можно построить график зависимости их возраста от глубины (рис. 12.5). Он показывает, что самый последний момент низкого уровня моря совпадает со временем ледникового максимума, определяемого по данным изотопно-кислородного анализа, что соответствует возрасту около 20 000 лет. Он также показывает, что за последние 20 000 лет было два или три раза, когда уровень моря поднимался очень резко, почти мгновенно в геологическом масштабе, вероятно, в ответ на особенно быстрое таяние ледяных щитов. За последние 20 000 лет океаны поднялись более чем на 110 метров, покрыв очень обширные области, бывшие сушей в периоды максимальных похолоданий.

Рис. 12.5. За последние 20 000 лет за счет таяния континентальных льдов уровень моря поднялся почти на 120 метров. Этот график, построенный на основе изучения ныне находящихся под водой кораллов, показывает, что во время подъема уровня моря было по крайней мере три периода времени, когда подъем происходил очень быстро — около 14 000 лет назад, 11 500 лет назад и снова около 7600 лет назад. Таяние ледяных шапок Гренландии и Антарктиды подняло бы уровень моря еще на 65 или 70 метров. Приводится с изменениями по рисунку 3 из статьи П. Бланшона и Дж. Шоу в журнале «Джиолоджи», том 23, стр. 5. Геологическое общество Америки, 1995.

Хотя изменение содержания изотопов кислорода в морской воде в прошлом дали, вероятно, самую подробную информацию о смене ледниковых циклов, чем любой другой ряд фактов, они все же не являются единственным указателем, содержащимся в океанических осадках. Ископаемая летопись планктона, например, показывает, что — как и следовало ожидать — интервал времени, в течение которого существовали тепловодные виды, во время наступания ледников сокращался, а в межледниковые эпохи расширялся. Некоторые виды, менее выносливые по отношению к низким температурам, во время ледниковых периодов вымирали. Зерна пыльцы растений, приносимые в океаны реками и ветром и сохранившиеся в осадках, также содержат богатую информацию о климатических условиях во время ледниковых циклов. Изучение пыльцы, сохранившейся в керне из отложений вдоль западных берегов Северной Америки и в других местах, показывает, что состав растительности в каждой конкретной местности изменялся в ногу с циклами, определяемыми по изотопам кислорода. Взятые в совокупности, эти различные количественные признаки, характеризующие морские осадки, дали гораздо более ясную картину колебаний климата в течение Великого Ледяного века, чем можно было представить из данных, полученных только на суше. А совсем недавно к арсеналу средств исследования оледенений добавился новый источник данных — сам лед. Как в Антарктиде, так и в Гренландии в самой ледниковой шапке были пробурены глубокие скважины. Даже в очень холодной Антарктиде резкие колебания температуры между зимой и летом достаточны, чтобы в накапливающемся льду возникали годичные слои, так что керн, взятый с разных глубин, может быть датирован очень точно, путем мучительно-занудного подсчитывания этих слойков. Самые глубокие скважины, пробуренные во льду, охватывают два цикла оледенения до времени около 250 000 тысяч лет назад. Определение содержания изотопов кислорода в керне является дополнительным методом по отношению к замерам в морской воде. Кроме того, ледяной керн содержит и другую информацию, которую нельзя получить по данным отложениям. Мы уже упоминали данные о «запыленности» атмосферы, но, возможно, самый ценный метод состоит в прямом определении состава атмосферы. При нарастании слоев льда последний захватывает крошечные пузырьки воздуха и путем тщательного извлечения его из образцов керна скважин геохимики могут реконструировать колебания состава атмосферы в прошлом. Одним из особенно интересных результатов этих исследований является наблюдение, показывающее, что в прошлом происходили флуктуации концентраций двух парниковых газов — углекислого газа и метана, которые, возможно, влияли на флуктуации температуры. Концентрация этих газов систематически колебалась в соответствии с циклами вариаций содержания изотопов кислорода, причем их концентрация в атмосфере была гораздо ниже средней в холодные периоды и выше во время межледниковых. Являются ли они причиной или следствием — об этом все еще горячо спорят.

ЧТО ВЫЗЫВАЕТ ГЛОБАЛЬНЫЕ ОЛЕДЕНЕНИЯ?

Знай мы ответ на этот вопрос хоть сколько-нибудь точно, многим ученым, работающим сейчас над его разрешением, пришлось бы сосредоточить свою творческую энергию на других проблемах. Говоря откровенно, в настоящее время достигнуто довольно хорошее понимание относительно общего комплекса условий, которые необходимы или, по крайней мере, достаточны, чтобы ввергнуть Землю в новое оледенение. Что менее ясно, так это природа явления, которое играло роль спускового крючка, заставлявшего Землю с такой регулярностью метаться между теплыми и холодными периодами на протяжении последних нескольких миллионов лет. Нет недостатка в идеях по этому вопросу, но ни один единый механизм так и не появился в качестве общего фаворита. Но что представляется очевидным в результате накапливающихся данных, так это то, что должен существовать ряд сложных взаимодействий и обратных связей среди нескольких различных факторов, каждый из которых в отдельности не в состоянии запустить наблюдаемые явления, работая же в согласии, весь этот комплекс факторов может. Не так уж много вариаций факторов требуется, чтобы нарушить равновесие. В глобальном масштабе различия между температурами ледниковых и неледниковых эпох могут составлять только несколько градусов Цельсия, самое большее — десять.

Одной из особенностей оледенения, которую давно поняли, но которая после открытия тектоники плит приобрела большое значение, является тот факт, что полярные ледяные шапки не могут образоваться в открытом море. Даже если другие факторы вызывают охлаждение планеты, все же крупномасштабное оледенение может начаться только при наличии какой-нибудь суши в высоких широтах. То обстоятельство, что крупный Антарктический континент располагается как раз вокруг южного полюса, является, без сомнения, причиной того, что нынешняя ледяная шапка вокруг Южного полюса образовалась раньше, чем аналогичная шапка северного полушария, и сохраняется в качестве крупной географической структуры даже в течение теплых межледниковых эпох вроде современной. Для всех других эпох прошлого всякий раз, когда обнаруживаются признаки обширного оледенения, реконструкции расположения континентов неизменно показывают наличие больших массивов суши близ полюсов. Например, все южные континенты, которые были когда-то частями Гондваны — Индия, Австралия, Антарктида и Южная Америка, — содержат отложения ледникового тиля (валунной глины), в них найдены ледниковые шрамы в коренных породах и другие признаки ледяного покрова, относящегося к позднему палеозою, то есть между 250 и 300 миллионами лет. Именно в это время Гондвана располагалась над Южным полюсом. Таким образом, для начала Ледникового века необходимо наличие континента в высоких широтах, но столь же необходимы еще два фактора — обильные снегопады и низкая температура, особенно летом. Парадоксально, но первое из этих условий требует умеренно теплых океанских вод, по крайней мере в средних широтах, чтобы обеспечить испарение и поступление атмосферной влаги для осаждения в полярных районах. Как уже упоминалось в главе 11, одна из гипотез, выдвинутых для объяснения начала оледенения в северном полушарии, утверждает, что образование Панамского перешейка около трех миллионов лет назад отвело теплые воды Атлантического океана к северу и увеличило осадки в восточной Канаде, Гренландии и Скандинавии — трех из числа главнейших центров мощных накоплений льда. Но даже участившиеся снегопады не смогли бы запустить механизм глобального оледенения, если бы весь накапливающийся лед стаивал бы летом. Температура должна была быть достаточно низкой, чтобы происходило накопление ледовой массы.

Средние температуры любой местности на поверхности Земли контролируются множеством факторов, но в глобальном масштабе важными факторами являются, во-первых, сколько энергии Земля получает от Солнца, а во-вторых, сколько ее задерживается океанами и атмосферой и не излучается обратно в космос. Задолго до того, как стало известно, что Земля переживала регулярно повторяющиеся периоды наступления и отступления ледников, математики и астрономы показали, что количество энергии, получаемой от Солнца в каждой конкретной местности, должно было в прошлом колебаться закономерным образом в результате воздействия некоторых особенностей вращения Земли по орбите. Разработку астрономической теории оледенения принято приписывать Милутину Миланковичу, югославскому математику, жившему в 1879-1958 годах. И действительно, он детально развил эти идеи и изложил их в современной форме. Но еще до работ Миланковича другие исследователи высказывали предположение, что оледенения могли быть результатом орбитальных изменений, вызывавшим уменьшение количества падающей на Землю солнечной энергии. Вероятно, самым выдающимся из них был шотландский интеллектуал Джеймс Кролл, который впервые опубликовал свои идеи в 1864 году. О Кролле рассказывают интересную историю: когда появилась в печати его статья об оледенении, этот человек-самоучка работал швейцаром. Это была одна из его нескольких профессий, которые он использовал, когда работал или писал по ряду тем. В конце концов его талант был признан и он был направлен на работу в Геологическую службу Шотландии, но по мере того как шло время, его идеи о Великом Ледниковом веке пользовались все меньшим и меньшим доверием. Против него выдвигались разнообразные возражения, в первую очередь тот факт, что изменения получаемой Землей солнечной энергии, вызванные орбитальными вариациями, казались слишком малыми, чтобы объяснить значительные климатические изменения.

Спустя долгое время после смерти Кролла, когда его идеи были почти забыты, Миланкович начал свои математические исследования орбитальных вариаций Земли и их влияния на климат. Его первая работа была опубликована в 1920-х годах, причем все его вычисления были проделаны вручную — жуткая работа. Миланкович кропотливо рассчитал вариации количества солнечной энергии, получаемой Землей в северном полушарии за последние 650 000 лет. В своих вычислениях он (а после него и другие исследователи) принимал, что мощность солнечного излучения в течение этого периода оставалась постоянной. Этот аспект теории Миланковича стал предметом споров, поскольку даже малые изменения солнечного энергопроизводства могли бы иметь значительные последствия для Земли. Но даже при постоянной мощности солнечного излучения Миланковичу пришлось рассмотреть три различных механизма, благодаря которым количество падающей на Землю энергии могло колебаться: во-первых, мелкие регулярные изменения угла наклона земной оси относительно плоскости орбиты; во-вторых, незначительные изменения формы земной орбиты, которые приближают или удаляют Землю от Солнца в крайних точках орбиты; и в-третьих, медленное вращение земной орбиты, которое постепенно сдвигает время нашего наибольшего приближения к Солнцу с зимы на лето и обратно. Все эти вариации действуют в разных масштабах времени, то усиливая, то ослабляя друг друга, но главное — это то, что они действуют регулярно. Как и более ранняя работа Кролла, вычисления Миланковича вызвали сильное волнение при своей первой публикации, после чего последовал шквал работ, пытающихся связать известные ледниковые отложения с циклами Миланковича. Однако, следуя судьбе идей Кролла, работа Миланковича несколько потускнела по мере выдвижения против нее ряда возражений. Но эта ситуация резко изменилась, когда геологи получили возможность собирать и исследовать керны глубоких скважин, пробуренных в дне океанов. Как мы видели выше, осадки, отложившиеся в море за несколько миллионов лет, содержат удивительно регулярные вариации целого ряда характеристик, которые оказались связанными с циклами оледенения.

В последние годы вычисления Миланковича были повторно выполнены с помощью компьютера. Это позволило внести в них ряд уточнений, но главные его результаты остаются теми же. И хотя остается возражение, что изменения получаемой от Солнца энергии, обусловленные этими циклами, сами по себе недостаточно велики, чтобы запустить или привести к концу периоды оледенения, тот факт, что математическое моделирование климатов прошлого, которое включает вычисленные Миланковичем вариации, довольно хорошо согласуется с реальными фактическими данными, убедило большинство ученых, работающих в этой области, что астрономические факторы каким-то образом все же работают, может быть, действуя в качестве спускового механизма, могущественной соломинки, которая ломает верблюду спину, когда все остальные факторы действуют совместно в одном направлении.