Множество архивных источников содержат информацию о том, что в XVI– XVIII веках Европа пережила так называемый малый ледниковый период. В Лондоне зимой замерзала Темза, в Центральной Европе значительно увеличились горные ледники, а в России отмечались особенно суровые зимы. Эти сведения получили более надежное подтверждение, когда во Франции были обработаны записи о датах начала сбора винограда. Записи охватывают период с середины XIV века, и по ним можно с хорошей точностью определить среднюю температуру летом. Более универсальный метод, позволяющий заглянуть в прошлое на столетия, а в некоторых случаях и на тысячелетия, основан на анализе годовых колец, которые в теплые годы у деревьев толще, чем в холодные.
На масштабах до 20 тысяч лет, охватывающих последнее оледенение, определить климат отдельных территорий можно по пыльце растений, которую находят в осадочных породах на мелководье. Конечно, таким способом численные значения температуры не вычислишь, но зато можно проследить за процессами изменения климата на большой территории и за долгое время. И уже совсем в далекое прошлое позволяют заглянуть ледовые керны, которые добывают в ледниках Антарктиды и Гренландии. Например, из скважины, пройденной на Земле Королевы Мод и на антарктическом куполе Конкордия, удалось добыть лед возрастом около 900 тысяч лет. Главную ценность для климатологов представляют вмороженные в лед крошечные пузырьки воздуха. По соотношению изотопов кислорода 16O и 18O в древнем воздухе можно определить среднюю температуру в соответствующую эпоху. Эта методика основана на том факте, что молекулы, в состав которых входит менее тяжелый изотоп 16O, легче улетают с поверхности океанов в атмосферу, а значит, изотопный состав воздуха зависит от температуры верхних слоев воды. Кроме того, пузырьки несут информацию о химическом составе атмосферы.
За миллионнолетним рубежом ледники уже не могут помочь палеоклиматологам. На помощь приходят морские осадочные породы. По содержащимся в них окаменелым остаткам, а также по изотопному составу можно судить о средней температуре воды на поверхности океана, отодвинув тем самым известный климатический горизонт на десятки миллионов лет в прошлое.
А дальше исследования становятся неотделимыми от палеонтологических работ. Фактически климат угадывают по данным о животных, обитавших в те далекие времена. Точность таких реконструкций невысокая, но все же некоторые факты определяются довольно уверенно. Например, известно, что кораллы погибают, если температура воды надолго опускается ниже 18°С. А динозавры, будучи хладнокровными животными, обитали только в зоне положительных температур. И если их скелеты находят в Антарктиде, значит, там был в свое время достаточно мягкий климат. (Правда, и сама Антарктида не находилась тогда на Южном полюсе.) Опираясь на подобные факты, палеонтологи пришли к заключению, что на протяжении последних 2,5 миллиарда лет теплые и холодные эпохи чередовались, причем на долю теплых приходится более 80% времени.
Таким образом, сами по себе смены климата – для Земли естественны. Причем в некоторых случаях такие пертурбации происходят довольно быстро. Например, выход из последнего ледникового периода длился порядка тысячи лет (но на отступление ледников ушло в несколько раз больше времени). И все же нынешнее потепление определенно ставит рекорды скорости. Чтобы температура менялась на градус всего за столетие, это беспрецедентный случай. По крайней мере, в ледниковых «летописях» ничего подобного не обнаруживается.
Новые данные о связи космических лучей с климатом были получены в конце 90-х годов Хенриком Свенсмарком (Henrik Svensmark) и его коллегами. Эти исследователи обнаружили связь потока галактических космических лучей с облачным покровом Земли. Чем сильнее поток лучей, тем, оказывается, больше облачность. Поскольку высокая облачность приводит к росту коэффициента отражения солнечного света, то глобальная температура в такие периоды падает. Обнаружилась еще одна возможная причина обледенения – увеличение потока космических лучей. Причин для этого изменения может быть несколько. Одна состоит в том, что Солнце, совершая свой путь вокруг центра Галактики, периодически проходит сквозь ее спиральные рукава, где плотность космических лучей максимальна из-за взрывов массивных сверхновых. Вторая причина связана с возможностью возрастания темпа вспышек сверхновых в окрестности Солнца. Более того, даже при неизменном галактическом потоке космических лучей вариации солнечной активности могут приводить к существенным колебаниям числа быстрых заряженных частиц вблизи Земли. Дело в том, что солнечный ветер как бы несет с собой магнитное поле. Оно, в свою очередь, препятствует проникновению космических лучей в центральную часть планетной системы. Активное Солнце, влияя на поток космических лучей, приводит к увеличению температуры на Земле, и, напротив, наблюдается некоторое падение температуры во время одиннадцатилетних минимумов солнечной активности. Причем эти колебания нельзя объяснить теми микроскопическими изменениями яркости Солнца (на уровне долей процента), которые связаны с изменением числа пятен и протуберанцев. Магнитное поле Земли тоже препятствует проникновению космических лучей в ту область атмосферы, где формируются облака. Скорее всего, все перечисленные выше причины работают. В итоге получается очень сложная совокупность эффектов, приводящих к вариации потока галактических космических лучей в тропосфере. Некоторые исследователи полагают, что большая часть так называемого глобального потепления может быть связана именно с наблюдающимся сегодня уменьшением потока космических лучей.
Итак, в дальнейшем будем исходить из гипотезы, что глобальное потепление действительно имеет место. В таком случае резонно поставить вопрос о его причинах. Сказать, что современная наука не может объяснить это явление, было бы не совсем верно. Скорее, загвоздка в том, что она может истолковать его слишком большим числом способов, и на сегодняшний день совершенно непонятно, какому из них следует отдать предпочтение. Самая ходовая гипотеза, объясняющая все происходящее, связывает изменение климата с так называемым парниковым эффектом, то есть различной степенью прозрачности земной атмосферы для видимого и инфракрасного излучения.
Максимум спектра солнечного излучения, как известно, приходится на видимый диапазон. Это излучение почти беспрепятственно проходит через земную атмосферу, если только в ней нет облаков. Попав на земную поверхность или в воду, фотоны частично поглощаются, отдавая свою энергию, и частично рассеиваются – отражаются в произвольном направлении.
Рассеянное излучение с высокой вероятностью уходит обратно в космос, и его энергия для Земли оказывается потерянной. То же самое происходит со светом, рассеянным облаками. Причем они отражают гораздо больше фотонов, чем почва или вода. Именно поэтому увеличение глобальной облачности понижает среднюю температуру. То же самое можно сказать про снег и лед на поверхности Земли.
В целом долю света, которая теряется за счет рассеяния, характеризуют параметром под названием «альбедо». Первоначально им пользовались в основном астрономы, но теперь заинтересовались и климатологи. Альбедо Земли составляет 35-37%. Это значит, что 63-65% солнечной энергии поглощается нашей планетой. А раз энергия непрерывно поступает, значит, должна расти температура. Но она миллиарды лет остается почти постоянной, испытывая лишь небольшие колебания относительно среднего значения. Вывод: должен существовать канал для оттока энергии обратно в космос.
И такой канал действительно существует – это тепловое излучение самой Земли. Как известно, любое нагретое тело испускает кванты, соответствующие его абсолютной температуре. Средняя температура поверхности Земли – около 15° Цельсия, или около 300 по Кельвину. Этой температуре соответствует середина инфракрасного участка спектра. Вся поверхность нашей планеты, включая дневную и ночную стороны, моря и горы, пустыни и ледники, постоянно светит в этом диапазоне длин волн. Однако именно в ИК-области находятся линии поглощения ряда газов, входящих в земную атмосферу. В их числе углекислый газ, метан и водяной пар – так называемые парниковые газы. Хотя этих газов в атмосфере относительно мало – углекислого газа, например, менее 0,04%, – различных линий поглощения так много, что они сливаются в сплошные полосы. Инфракрасный квант, излученный земной поверхностью, будет неоднократно переизлучаться, пока не доберется до высоты 4-5 км. Только оттуда у него есть шанс уйти в космос. Но температура на этой высоте примерно на 35° ниже, чем на поверхности Земли. Поэтому мощность излучения тоже заметно меньше (примерно на 40%), и это делает процесс охлаждения менее интенсивным.