К счастью, существуют архивы, созданные самой природой, которые могут помочь нам узнать далёкую историю Земли и Космоса. Таким архивом может служить любая система, растущая постепенно, захватывая вещество из окружающей среды. При изменениях в природе состав «строительного материала» тоже будет меняться. Другими словами, естественные архивы несут закодированную информацию о прошлом нашей планеты. Один из наиболее информативных архивов – это ледник. Ледники образуются в горах, есть также полярные шапки в Антарктиде и в Гренландии. Они формируются из снега, который ложится год за годом, трансформируется, постепенно уплотняется до состояния льда. Ледники подпитываются снегом сверху и находятся в постоянном движении. Снег и лёд захватывают твёрдые частицы, соли, пузырьки воздуха, пыльцу растений и др. Таким образом, состав каждого слоя льда несёт информацию о множестве природных факторов в период его формирования, в том числе и о средней температуре. Пузырьки воздуха содержат двуокись углерода и метан: по ним можно понять, как изменялась концентрация парниковых газов в атмосфере. По содержанию сульфатов и золы можно сделать выводы об извержениях вулканов, по содержанию хлорида натрия, основного компонента морской соли, – о частоте и силе штормов, по нитратам – о частоте гроз. Но самое важное – ледники также содержат в себе информацию о температурах прошлого. Вода содержит кроме обычного кислорода (16O) и водорода (1H) тяжёлые атомы этих элементов – 18O и 2H. Тяжёлая вода конденсируется легче, поэтому при охлаждении воздушной массы она сначала теряет тяжёлую воду. Чем ниже температура образования осадков, тем меньше в них тяжёлой воды. Значит, тяжёлые атомы водорода и кислорода, 2H и 18O, можно использовать как палеотермометр – по их содержанию в определённом слое ледника можно судить о средней температуре в тот период, когда слой образовался.
Другой важнейший архив – это донные отложения, которые накапливаются, слой за слоем, в озёрах, морях и океанах. Они тоже весьма информативны, потому что всё, что попадает в окружающую среду, рано или поздно поступает в океан, и каждое событие оставляет свой след в донных отложениях. Анализируя отложения послойно, можно увидеть, например, извержение вулкана Кракатау, чернобыльскую катастрофу или изменения магнитного поля Земли.
Ещё один всем знакомый архив – годичные кольца деревьев. Толщина годичного слоя определяется климатическими факторами, поэтому последовательность чередования толстых и тонких колец будет одинакова у всех деревьев, растущих в одно и то же время в одной местности. Можно протянуть вглубь на несколько тысячелетий дендрохронологическую шкалу, объединяя срезы разных деревьев, ныне живущих и давно спиленных, часть времени жизни которых совпадала. Таким образом, рисунок годичных колец отражает изменения климата. Состав древесины также может служить источником информации о природных факторах, которые влияли на дерево в период его роста.
Также к естественным архивам можно отнести карбонатные скелеты моллюсков, кораллы, сталагмиты, железомарганцевые конкреции, торфяники – словом всё то, что растёт постепенно и захватывает вещество из окружающей среды, фиксируя информацию о её составе.
Изменение температуры в прошлом можно реконструировать многими способами, и что важно – эти способы взаимно независимы. Помимо упоминавшегося изотопного палеотермометра (18O и 2H), индикаторами изменений климата могут служить, например, площадь ледников, ширина годичных колец деревьев, толщина ежегодного слоя осадка, формирующегося на дне озёр, и многое другое[25].
Перед оледенением всегда теплело
Изменение климата определяется воздействием ряда факторов космической, планетарной и антропогенной природы. Эти факторы имеют различные протяжённость во времени и периодичность, могут накладываться, усиливая или ослабляя друг друга.
Если мерить время масштабами сотен тысяч лет, то основным фактором, определяющим климат, будут изменения параметров движения Земли вокруг Солнца под влиянием других планет. Вращение Земли вокруг Солнца существенно сложнее, чем большинство из нас привыкло себе представлять. Сейчас орбита близка к круговой, но так было не всегда. Её эксцентриситет (отклонение от формы круга) меняется с периодичностью около 100 тысяч лет. Наклон оси также меняется – не сильно, в пределах пары градусов – с периодичностью около 41 тысячи лет. Кроме того, она прецессирует[26] с периодичностью около 20 тысяч лет. Казалось бы, какое нам дело до таких тонкостей. Однако ещё в 1920-е годы сербский инженер Милутин Миланкович (1879–1958) выдвинул гипотезу о том, что изменение параметров орбиты приводит к изменениям потока солнечной энергии, достигающего Земли, и является первопричиной периодических оледенений. И действительно, анализ ледников Антарктиды и Гренландии, а также донных отложений океанов показывает циклическое изменение температур прошлого в хорошем соответствии с 100-тысячелетней периодичностью (рис. 1–4). Теория Миланковича сегодня вошла в учебники, однако поначалу была принята научным сообществом в штыки. В те времена подтвердить или опровергнуть её было практически невозможно. Да и сейчас вокруг теории Миланковича идёт активная полемика. Хотя цикличность оледенений очевидна, механизм влияния орбитальных параметров Земли в деталях не ясен и по сей день[27]. Популяризаторами теории Миланковича выступили русско-немецкий климатолог Владимир Кёппен и немецкий учёный Альфред Вегенер. Вообще, теории, выдвинутые неспециалистами, с трудом принимаются научным сообществом. В некотором смысле история повторилась и с самим Вегенером: метеоролог, воздухоплаватель и астроном, он выдвинул теорию, полностью изменившую геологию – теорию дрейфа континентов. Эта концепция была воспринята современниками как очевидный вздор, но стала общепринятой спустя много лет после трагической гибели Вегенера во льдах Гренландии в 1930 году. Сейчас имя Альфреда Вегенера носит институт полярных исследований в Бремерхафене, один из ведущих в мире.
25
Ознакомиться с обширными материалами по палеоклимату можно на сайте Национальной администрации по океану и атмосфере США http://www.ncdc.noaa.gov/paleoclimate-data. На этом же сайте размещены результаты анализа ледовых кернов http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/icecore/current.html.
26
Прецессия – движение оси вращения по конической траектории. Каждый наблюдал прецессию, запуская в детстве юлу.