Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Сегодня в Висконсине крупные валуны гранита и гнейса являются неотъемлемым элементом элитного ландшафтного дизайна, которым любят украшать клумбы перед офисными зданиями и медицинскими учреждениями. Но в начале XIX в. эти камни, зачастую кардинально отличавшиеся по составу от местных коренных пород, были одной из самых мучительных головоломок для геологов в регионе Великих озер и в Северной Европе. Эти эрратические валуны (от лат. erraticus — «блуждающий»), рассеянные на территориях далеко от места своего происхождения, казалось, подтверждали библейскую историю о Всемирном потопе. По этой причине и сами валуны, и глинистые отложения, в которых их часто находили, ученые окрестили дилювием (от лат. diluvium — «потоп») или наносами (подразумевая, что нанести такое количество материала могла только сила воды). Последний анахронический термин сохраняется и сегодня, например в названии Безнаносной области ( Driftless Area ) — уникального региона глубоких долин, сложенных коренными породами, на юго-западе Висконсина, где нет ни эрратических валунов, ни других типов дилювия.

В учебниках по геологии утверждается, что революционным мыслителем, который в 1838 г. первым предположил, что эти огромные валуны могли быть перенесены на большие расстояния не наводнениями, а массивными пластами льда, был швейцарский геолог Луи Агассис (1807–1873). Однако пальма первенства в действительности принадлежит немецкому натуралисту Карлу Шимперу (придумавшему термин Eiszeit — «ледниковый период»), который первым пришел к этому выводу и поделился им с Агассисом во время совместного похода в Альпы [97] Berger, A., 2012. A brief history of the astronomical theories of paleoclimate. In Berger A., Mesinger, F., and Sijacki, D. (eds.), Climate Change . New York: Springer, 107–128. doi:10.1007/978–3- 7091–0973–1_8 . В свою очередь Шимпера на эту мысль навели швейцарские фермеры, которые хорошо знали поведение ледников и не сомневались в том, что огромные валуны, усеивавшие альпийские долины, были принесены сюда ледяными массами. Между тем Агассис не только присвоил чужое открытие, но и, что еще более возмутительно, впоследствии использовал свою научную репутацию и положение профессора Гарвардского университета для продвижения абсолютно ненаучной и отвратительной расистской теории происхождения человеческих рас. На мой взгляд, в анналах науки рядом с его именем следовало бы поставить звездочку — так помечают спортсменов, которых лишили медали за употребление допинга. К сожалению, его имя по-прежнему остается увековеченным в названии гигантского древнего ледникового озера Агассис, которое в позднем плейстоцене покрывало бо́льшую часть Северной Дакоты, Миннесоты и канадской провинции Манитоба (и наделило их таким замечательно ровным рельефом).

У Чарльза Лайеля пусть не совсем катастрофическая, но уж никак не униформистская гипотеза ледниковой эпохи, утверждавшая, что в результате резкого похолодания обширные районы Европы и Северной Америки были продолжительное время покрыты льдом, вызывала ничуть не меньшее неприятие, чем идея Всемирного потопа. Тем не менее, когда геологи начали картографировать так называемые «наносы», стало очевидно, что гипотеза «великого оледенения» была единственной, которая могла их объяснить. Более того, исследование дилювия в верховьях Великих озер показало, что оледенение не было однократным событием: ледники то наступали, то отступали, каждый раз оставляя после себя отчетливо выраженные отложения (и упорно обходя стороной вышеуказанную Безнаносную область в Висконсине). Но что могло вызвать такие циклы резкого потепления и похолодания?

Уже в середине XIX в. некоторые ученые начали разрабатывать гипотезу о том, что изменение параметров земной орбиты может влиять на характер инсоляции Земли (облучения поверхности планеты солнечным светом) и, как следствие, вызывать эпизодические периоды оледенения. Было установлено, что гравитационное влияние Луны и соседних планет вызывает циклические изменения трех параметров движения Земли в космосе: (1) эллиптическая форма орбиты Земли вокруг Солнца, характеризуемая эксцентриситетом, слегка растягивается и сжимается с цикличностью в 100 000 лет, (2) угол наклона земной оси меняется между примерно 21,5° и 24,5° каждые 41 000 лет и (3) ось вращения Земли раскачивается, как у крутящегося игрушечного волчка, и делает полный круг примерно за 23 000 лет — это явление называется прецессией Земли, и в результате него происходит постепенная смена полушарий, направленных к Солнцу в точке солнцестояния. Сегодня эти три переменные называются циклами Миланковича в честь сербского геофизика, создателя математической климатологии Милутина Миланковича (1879–1958), который, пережив две мировые войны в статусе перемещенного лица, тем не менее сумел рассчитать комбинированное воздействие этих циклов на освещенность Земли солнечным излучением.

Следует уточнить, что первые тщательные расчеты орбитальных циклов были выполнены еще за полвека до этого гениальным шотландским самоучкой Джеймсом Кроллом (1821–1890) — факт, который Миланкович полностью признавал. Кролл родился в очень бедной семье и, несмотря на интерес к учебе и явный математический талант, не мог посещать даже среднюю школу. Проработав несколько лет управляющим гостиницей и торговцем чаем, он устроился уборщиком в колледж Андерсона в Глазго, где допоздна засиживался в библиотеке, изучая научные труды (такая вот судьба, похожая на сюжет фильма «Умница Уилл Хантинг», вышедшего в 1997 г.).

В 1860-е гг. Кролл начал переписку с Чарльзом Лайелем, изложив тому свои расчеты вариаций орбитальных параметров Земли и их влияния на климат. Лайель, который к тому времени неохотно признал ледниковую теорию, был впечатлен его блестящим умом и помог получить место секретаря в Шотландской геологической службе. (Кролл также переписывался с Дарвином по вопросу о скорости эрозии.) Из расчетов Кролла следовало, что ледниковые периоды в Северном и Южном полушарии наступали не синхронно из-за противоположных эффектов прецессии. Этот результат понравился Лайелю, поскольку означал, что в среднем на Земле сохранялось устойчивое состояние — идея, от которой отец униформизма никак не мог отказаться. Но спустя полвека Миланкович подтвердил, что на самом деле из-за непропорциональной концентрации массы суши в Северном полушарии влияние прецессионного цикла на северные широты играло доминирующую роль в глобальной климатической системе.

Однако ни у Кролла, ни у Миланковича не было геологических данных высокого разрешения, чтобы проверить свои расчеты. К 1880-м гг. выдающийся геолог Томас Краудер Чемберлин (уроженец Висконсина, имя которого носит дорогая моему сердцу некогда покрытая ледниками долина на Шпицбергене) выделил четыре отдельных эпизода оледенения, названные им в честь штатов, где лучше всего сохранились соответствующие ледниковые отложения, — висконсинское (самое молодое), иллинойское, канзасское и небраскское. К сожалению, установить абсолютный возраст этих событий, а также узнать, не предшествовали ли им более ранние циклы оледенений, невозможно. Проблема с наземными гляциальными летописями заключается в том, что каждое новое продвижение ледникового щита стирает записи о предыдущих событиях и наносит поверх них новые, подобно тому как ледовый комбайн в перерывах хоккейного матча обновляет поверхность льда, срезая верхний слой и заливая сверху новый. Висконсин (кроме той самой Безнаносной области) был покрыт ледником в ходе всех четырех оледенений, однако распознать моренные следы трех более ранних событий в большинстве случаев почти невозможно.