Карл Саган - Мозг Брока. О науке, космосе и человеке

Существует множество методов определения изменений климата в прошлом. Некоторые из них позволяют заглянуть далеко в прошлое, другие имеют только ограниченное применение. Надежность этих методов также различна. Один из подходов, который применим к периоду времени, относящемуся к миллиону лет назад, основан на определении соотношения изотопов кислорода O18 и O16 в карбонатах раковин ископаемых фораминифер. В этих раковинах, которые принадлежат к виду, очень похожему на те, что можно изучать сегодня, соотношение O18 / O16 меняется в зависимости от температуры воды, в которой они росли. Схож с изотопно-кислородным методом другой метод, основанный на определении соотношении изотопов серы S34 и S32. Существуют и другие, более прямые палеонтологические индикаторы климата: например, повсеместное распространение кораллов, фиговых деревьев и пальм указывает на высокие температуры, а многочисленные остатки крупных покрытых шерстью зверей, таких как мамонты, указывают на низкие температуры. Геологические записи изобилуют многочисленными свидетельствами оледенения – больших перемещающихся пластов льда, которые оставляют характерные валуны и следы эрозии. Также ясными геологическими свидетельствами служат отложения эвапоритов [130] Эвапориты – продукты испарения воды путем ее постепенного сгущения в замкнутых и полузамкнутых водоемах за счет солнечной радиации. – Прим. ред. – участки, где соленая вода испарилась и осталась соль. Такое испарение происходит преимущественно в теплом климате.

Если обобщить всю эту климатическую информацию, можно построить замысловатый график колебания температуры. Например, никогда не было, чтобы средняя температура Земли опускалась ниже точки замерзания воды или приближалась к точке кипения воды. Но колебания на несколько градусов более распространены, и даже колебания на 20 или 30° могли происходить, по крайней мере местами. Колебания на несколько градусов по шкале Цельсия происходят с периодичностью раз в десятки тысяч лет, и последняя смена ледникового и межледникового периодов имела эту периодичность и амплитуду температур. Но изменения климата могут происходить и в течение гораздо более долгих периодов времени – самый долгий порядка несколько сотен миллионов лет. Теплые периоды, по всей видимости, наблюдались около 650 млн лет назад и 270 млн лет назад. По стандартам прошлых изменений климата мы сейчас живем в середине ледникового периода. За всю историю Земли на ней не было «постоянных» ледниковых покровов, как в Арктике и в Антарктиде сегодня. За последние несколько сотен лет мы отчасти вышли из нашего ледникового периода вследствие небольших изменений климата, объяснения которым пока еще не найдено, и есть некоторые признаки, что мы можем погрузиться обратно в глобальные холодные температуры, характерные для нашей эпохи, если посмотреть с перспективы огромного промежутка геологического времени. Страшно подумать, что 2 млн лет назад город Чикаго был погребен под километровым слоем льда.

Что определяет температуру Земли? Как видно из космоса, это вращающийся голубой шар, испещренный изменчивыми пятнами облаков, красновато-коричневыми пустынями и ярко-белыми полярными шапками. Энергия для нагревания на Землю поступает почти исключительно из солнечного света; энергия, которая поднимается вверх из горячих недр Земли, составляет менее одной тысячной процента той энергии, что приходит в форме видимого света от Солнца. Но не весь солнечный свет поглощается Землей. Некоторое его количество отражается обратно в космос от полярного льда, облаков, скал и воды на поверхности Земли. Средняя отражательная способность, или альбедо Земли, измеренное непосредственно со спутников и косвенно – по так называемому пепельному свету, возникающему в результате освещения темной стороны Луны отраженными от Земли солнечными лучами, – составляет около 35 %. Те 65 % солнечного света, которые поглощает Земля, нагревают ее до температуры, которую можно вычислить. Эта температура составляет около –18 °C, что ниже температуры замерзания морской воды и на 30 °C холоднее средней температуры Земли.

Причина этой разницы заключается в том, что в этих вычислениях не учитывается так называемый парниковый эффект. Видимый свет от Солнца проникает в прозрачную атмосферу Земли и достигает поверхности планеты. Поверхность, однако, пытается отразить его обратно в космос, но ограничена законами физики и не может сделать этого в инфракрасном диапазоне. Атмосфера не столь прозрачна в инфракрасном диапазоне, и при некоторых длинах волн инфракрасного диапазона – например, при длине волны 6,2 мкм или 15 мкм – излучение, пройдя в атмосфере лишь несколько сантиметров, будет поглощено атмосферными газами. Поскольку атмосфера Земли плотная и поглощает инфракрасное излучение при многих длинах волн, тепловое излучение, которое исходит от поверхности Земли, задерживается, прежде чем уйти в космос. Чтобы излучение, получаемое Землей от Солнца, и излучение, которое Земля отдает в космос, были уравновешены, температура поверхности Земли должна повышаться. Парниковый эффект возникает не благодаря главным компонентам атмосферы Земли, таким как кислород и азот, а почти исключительно из-за второстепенных, особенно углекислого газа и водяного пара.

Как мы знаем, планета Венера, вероятно, представляет собой тот случай, когда поступление большого количества углекислого газа и в меньшей степени водяного пара в атмосферу планеты привело к такому значительному парниковому эффекту, что вода не может находиться на поверхности в жидком состоянии; поэтому температура планеты поднимается до чрезвычайно высокой отметки – в случае Венеры до 480 °С.

Пока что мы говорили о средней температуре. Температура Земли меняется в зависимости от места. Она холоднее на полюсах, чем на экваторе, потому что в основном солнечные лучи попадают на экватор под прямым углом, а на полюса – по касательной. Разница температур на Земле между экватором и полюсами сглаживается атмосферной циркуляцией. Горячий воздух поднимается на экваторе и перемещается на большой высоте к полюсам, где он опускается и возвращается на поверхность; затем он перемещается в обратном направлении, от полюса к экватору, но на небольших высотах. Это общее движение – усложненное вращением Земли, ее топографией и фазовыми переходами воды – отвечает за погоду.

Сегодняшнюю среднюю температуру на Земле – около 15 °C – можно объяснить наблюдаемой интенсивностью солнечного света, глобальным альбедо, наклоном оси вращения и парниковым эффектом. Но все эти параметры могут, в принципе, меняться; климатические изменения и в прошлом, и в будущем можно приписать изменению любого из них. На самом деле существует почти сотня разных теорий климатических изменений на Земле, и даже сегодня на этот счет нет единого мнения. Не потому что климатологи по своей природе невежественны или любят поспорить, а потому что эта тема чрезвычайно сложная.