20.04.2007 | Наука

Ледниковая периодичность

Вопрос о причинах великих оледенений имеет разные ответы в зависимости от масштаба времени, в котором его рассматривать

Если пройти по залам любого музея, повествующего о развитии жизни на Земле, то можно заметить, что во всех них царит вечное лето. Все изображенные на поясняющих картинах древние пейзажи заполнены вечнозелеными зарослями и водами, никогда не знавшими льда. И только в самом конце экспозиции картина резко меняется: огромные мамонты и шерстистые носороги посреди заснеженных равнин, а рядом с ними – кое-как прикрытые звериными шкурами наши предки.

Это впечатление не совсем справедливо: самое раннее из известных геологам глобальных оледенений случилось около 2,5 миллиардов лет назад, на рубеже древнейшей геологической эры – архейской и сменившей ее протерозойской. Крупные оледенения неоднократно случались на протяжении всей протерозойской эры (благо длилась она почти 2 млрд лет – втрое дольше, чем все, что было после нее). Однако тогдашних обитателей Земли невозможно изобразить в заснеженном пейзаже: все они жили в море, самые крупные из них вряд ли превышали по размерам мелкую снежинку и облик подавляющего большинства их не сохранился в геологической летописи.

Только во время последнего протерозойского оледенения (оказавшегося самым мощным за всю историю планеты) на планете уже жили вендобионты – довольно странные, но несомненно многоклеточные организмы размером до полуметра. Но жили они опять-таки в морях и о ледовом панцире, накрывшем обширные области суши, ничего не знали.

Масштабные оледенения происходили и позднее – в начале и во второй половине палеозойской эры, когда уже существовали все ныне известные типы животных, и довольно многочисленные и крупные представители некоторых из них вовсю осваивали жизнь на суше. Однако все важнейшие эволюционные события происходили в тропиках, вдали от грозных ледников. А после случившегося ближе к концу палеозоя Гондванского оледенения планета забыла о материковых льдах почти на 300 млн лет.

Зато самый последний геологический период – четвертичный или антропоген, начавшийся около 2 млн лет назад – почти целиком занимает так называемая плейстоценовая эпоха, более известная как «ледниковый период». В ходе ее по крайней мере четыре раза льды покрывали обширные области Евразии и Северной Америки. Последний из плейстоценовых ледников распался около 10 тысяч лет назад, и этот краткий отрезок принято выделять в особую голоценовую эпоху. Но все понимают, что это условность: нынешний климат планеты вполне соответствует тому, который был в паузах, разделяющих приходы ледников – среди этих пауз были и более долгие, и более теплые, чем голоцен. Так что ледниковый период продолжается, и мы живем внутри него – свидетельством чему служат ледяные покровы Антарктиды и Гренландии.

Кажется странным, что на Земле вообще происходят столь масштабные изменения климата. В самом деле, тепло в атмосферу, океан и на поверхность планеты попадает только за счет солнечного излучения (вклад подземного тепла и созданных человеком искусственных источников в расчете на всю планету почти незаметен, как бы он ни был велик в непосредственной близости от вулкана или газового факела).

Солнце вроде бы все время одно и то же, движение Земли вокруг него и вокруг своей оси строго периодично – почему же в разные геологические эпохи это имеет столь разные последствия?

Ответ на этот вопрос зависит от того, какой масштаб времени мы выбираем. Миллиарды лет назад Солнце было еще молодой звездой, и его мощность была существенно ниже нынешней. Правда, тогда непонятно, почему ледник откуда-то пришел, а не покрывал недогретую Землю изначально. Согласно одной из гипотез, причина в том, что как раз в те времена на Земле развивалась (в течение сотен миллионов лет) «кислородная революция»: одна из групп тогдашних бактерий освоила реакцию фотосинтеза, и по мере того, как эти бактерии размножались и распространялись, в атмосферу поступало все больше кислорода. До того в ней преобладали совсем другие соединения: аммиак, сероводород, галогеноводороды и особенно метан – парниковый газ, чьи «утепляющие» свойства в 21 раз выше, чем у углекислоты. Пока он укутывал поверхность планеты, она оставалась довольно теплой, но по мере его окисления поступающим кислородом этот эффект ослабевал – что и привело в конце концов к первому крупному оледенению.

Однако «кислородная революция» произошла в истории Земли единственный раз, а оледенений, как мы помним, было несколько. Правда, парниковый эффект продолжал очень сильно влиять на температуру поверхности планеты, и перепады концентрации углекислого газа (сменившего метан в роли главного «парникового» агента) не могли не приводить к заметным изменениям климата. Но гораздо сильнее на них влиял «танец континентов».

Как известно, материки (точнее, тектонические плиты, на которых они лежат) непрерывно движутся по лику планеты, толкаемые восходящими потоками расплавленного вещества литосферы. Движения эти причудливы и труднопредсказуемы, как траектории пельменей, плавающих на поверхности кипящей кастрюльки.

В какие-то моменты почти вся суша оказывается собрана в один или два суперконтинента, в другие – разбросана по разным концам мира. Но еще важнее то, как она располагается в широтном измерении – по отношению к экватору и полюсам. «Чтобы возникло оледенение, нужно, чтобы хотя бы один континент располагался поблизости от полюса», – говорит палеонтолог Андрей Журавлев. Речь, разумеется, не только о том, что оледенение почти никогда не доходило до тропиков и уж точно никогда с них не начиналось. Дело в том, что высокоширотные континенты нарушают глобальную циркуляцию морской воды. Строго говоря, лучше всего она работает, когда вся суша сосредоточена в средних широтах, оставляя свободными экваториальный пояс и приполярные области. Тогда основной поток идет вдоль экватора (с востока на запад – против направления вращения Земли), а вдоль восточных побережий материков от него отходят рукава, несущие теплую воду в высокие широты. По другую сторону континентов охлажденная вода возвращается к экватору. Вся система циркуляции в целом работает как радиатор: на полюсах не слишком холодно, на экваторе не слишком жарко, а на всей суше – ровный субтропический климат, где дневные температуры мало отличаются от ночных, а январские – от июльских.

Примерно так оно и происходило в мезозойскую эру – время полюбившихся человечеству динозавров, которым именно в таком климате оказались выгодны гигантские размеры.

Но затем калейдоскоп материков принял иные очертания: в начале кайнозойской эры обломки южного суперконтинента Гондваны – сначала Индия, затем Африка с Аравией – врезались в Евразию. Срединный океан Тетис, по которому шло магистральное кругосветное течение, закрылся (его остатки – Средиземное, Черное и Каспийское моря). А всего 7 – 8 млн лет назад замкнулся и Панамский перешеек, окончательно разрушив систему глобальной циркуляции воды. После этого наступления ледников осталось ждать недолго.

Эта модель (которая на самом деле гораздо сложнее и включает в себя не только горизонтальную, но и вертикальную циркуляцию вод, а также аналогичные процессы в атмосфере) прекрасно работает, когда речь идет о десятках и сотнях миллионов лет. Но при укрупнении масштаба она становится бесполезной. Как мы помним, гигантские ледники неоднократно приходили и уходили в течение двух последних миллионов лет. Между тем расположение континентов все это время было практически таким же, как сейчас. Значит, помимо описанного есть какой-то более специальный механизм, приводящий их в движение.

Кроме того, еще в XIX веке ученые обратили внимание, что ледовый покров увеличивает альбедо (отражающую способность) Земли и, следовательно, уменьшает количество достающейся ей лучистой энергии. Получалось, что обширные ледники, однажды возникнув, начинали сами охлаждать планету, а это, как полагали, приводило к дальнейшему оледенению. Но тогда оставалось непонятным, что же могло остановить этот процесс, а тем более обратить его вспять. Явно требовался какой-то циклический механизм, способный работать в обе стороны.

Некоторые гипотезы постулировали периодические изменения светимости Солнца, однако по мере развития астрофизики от них пришлось отказаться: ни теоретические расчеты, ни результаты наблюдений не давали оснований для таких предположений. Хотя совсем недавно американский физик Роберт Эрлих создал компьютерную модель поведения солнечной плазмы на основе гипотезы венгерского теоретика Аттилы Грандпьера, предположившего существование внутри Солнца «резонансных диффузионных волн» – своеобразного механизма самоусиления флуктуаций, приводящего к заметным изменениям температуры плазмы, а следовательно – и светимости Солнца. В модели Эрлиха получалось, что такие колебания имеют выраженную периодичность, хорошо совпадающую с периодичностью наступления-отступления ледников.

Пока, однако, наиболее популярной из «астрономических» гипотез остается выдвинутая еще в 1924 году теория югославского математика Милутина Миланковича. В основе ее лежат циклические изменения трех характеристик движения Земли:

прецессии ее собственной оси (ось вращения нашей планеты не остается параллельной самой себе, а движется по узкому конусу с периодом в 26 тысяч лет), наклона ее орбиты к экваториальной плоскости Солнца (период – около 40 тысяч лет) и эксцентриситета орбиты, т. е. меры ее отличия от круговой (периоды – 100 и 400 тысяч лет). Трудолюбиво посчитав (напомним, что дело было задолго до появления компьютеров), как эти циклы, накладываясь друг на друга, изменяют количество солнечного излучения в приполярных областях, и взяв поправку на меняющееся альбедо, Миланкович получил циклическую функцию, минимумы которой при наложении на временную шкалу довольно точно совпали с максимумами оледенений. Позднее совпадение циклов Миланковича с динамикой плейстоценового климата было неоднократно показано для самых разных областей Северного полушария. Однако расчеты показывают, что изменения инсоляции могут повысить или понизить среднюю температуру планеты максимум на доли градуса – в то время как для возникновения или распада ледника нужен сдвиг на градусы. Факторы Миланковича могут сыграть роль спускового крючка при зарождении ледника, но совершенно непонятно, как они могут его остановить.

Пожалуй, наиболее изящно и убедительно на этот вопрос отвечает модель, предложенная в 1956 году американскими геофизиками Морисом Юингом и Уильямом Донном. Главной причиной наступления ледника в ней выступают не низкие температуры, а обилие осадков.

Время роста ледников – это время максимального прогрева Северного Ледовитого океана. Освобождаясь ото льдов, он начинает отправлять в атмосферу огромное количество воды, основная часть которой выпадает в виде снега на приполярные области суши. Из этого снега и рождается ледник.

Дальше до поры до времени все идет по уже известной схеме: растущий ледник повышает альбедо Земли, над ним и в прилегающих к нему областях становится все холоднее, все больше влаги переходит из воздуха в ледник, и он растет дальше. Но высасывая влагу из Мирового океана, ледник понижает его уровень, что в конце концов приводит к тому, что Гольфстрим уже не может прорваться из Атлантики в полярные моря. Лишенный теплой подпитки и окруженный огромным ледяным полем (которое, как мы помним, отражает солнечное тепло обратно в космос), Северный Ледовитый океан в какой-то момент покрывается сплошными, нетающими льдами. И ледник начинает сжиматься: замерзший океан уже не питает его снегом, а над ним самим – именно из-за его высокого альбедо – к этому времени уже устанавливается постоянный антициклон. По мере таяния (точнее, сублимации, сухого испарения) ледника уровень Мирового океана повышается, Гольфстрим проникает в Арктику, полярные воды освобождаются ото льда – и цикл начинается сначала. Получается что-то вроде глобальной морозилки с авторегулятором, время срабатывания которого измерялось многими десятками тысяч лет.

Остроумная и изобретательная гипотеза, согласно которой потепление глобального климата вызывает наступление ледника, а похолодание – его распад, обсуждается уже полвека.

Исследования донных отложений Атлантики показали, что Гольфстрим в самом деле то усиливался, то исчезал, причем эти максимумы и минимумы приходятся именно на те периоды ледникового цикла, где им полагается быть по теории Юинга – Донна. К тому же эта теория, наконец, объяснила давно известный парадокс: самые мощные и продвинутые к югу ледники имели место в окруженной морями Европе, в то время как в куда более холодной (но и сухой) Восточной Сибири сплошного ледяного панциря не возникало вовсе.

По мнению Андрея Журавлева, механизм может быть и противоположным: крупные оледенения, увеличивая контраст между экваториальными и приполярными областями, усиливают перемещение водных и воздушных масс – а это усиливает прогрев полярных областей. К тому же связывание огромных масс воды в виде материковых льдов приводит к падению уровня Мирового океана и обнажению континентальных шельфов – откуда в атмосферу возвращается огромное количество метана, запасенного в глубинных водах и осадках в виде газогидрата. Метан резко усиливает парниковый эффект, и ледник начинает таять.

Можно назвать и немало других теорий о причинах крупных оледенений – включая весьма экзотические, вроде изменения потока космических лучей при движении Солнечной системы сквозь разные области галактики. Но на рубеже XX – XXI веков вопрос о глобальном климате неожиданно перестал быть чисто академическим. От любой теории ждут, что в ней найдется место глобальному потеплению, которое мы наблюдаем сегодня непосредственно.

Между тем, этот феномен, каковы бы ни были его причины, не имеет ни малейшего отношения к вышеописанным механизмам – опять-таки потому, что он происходит совсем в ином временном масштабе. Изменения климата под влиянием движения материков занимают десятки и сотни миллионов лет. Время срабатывания факторов Миланковича, Юинга – Донна и других гипотетических механизмов оледенений – десятки и сотни тысяч лет. Ни те, ни другие неприложимы к изменению средней глобальной температуры на полградуса за 50 лет – что следует из прямых наблюдений современных климатологов. С таким же успехом от теории, описывающей изменения уровня моря, можно требовать объяснений, почему сегодняшние волны выше вчерашних.

С этой точки зрения звучащие иногда предложения усилить выброс парниковых газов, чтобы остановить новое надвигающееся оледенение, столь же разумны, как идея предотвратить наступление зимы путем поджога собственного дома. Впрочем, это уже совсем другая история.

Источник: «Что нового в науке и технике», № 4, 2007,