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

В последние годы XIX в. Чемберлин и многие другие исследователи размышляли о причинах ледниковых эпох, рассматривая не только орбитальные циклы, но и вулканизм, горообразование и циркуляцию океана. В 1896 г. шведский химик Сванте Аррениус доказал, что некоторые газы, присутствующие в небольших количествах в атмосфере, особенно угольная кислота (H 2CO 3, соединение углекислого газа с водяным паром), могут влиять на климат из-за того, что беспрепятственно пропускают на Землю коротковолновое солнечное излучение (свет), но блокируют длинноволновое излучение (тепло), исходящее от поверхности Земли [98] Arrhenius, S., 1896. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. Philosophical Magazine and Journal of Science , ser. 5, vol. 41, 237–276. . (Он даже высказал идею, что выбросы от сжигания угля в будущем могут «улучшить» климат Швеции.) Все эти гипотезы в конечном итоге окажутся потом хотя бы частично верными, но в то время их невозможно было проверить, так как отсутствовала высокоразрешающая информация об изменении климата с течением времени. На протяжении многих десятилетий вина ни одного из этих подозреваемых во влиянии на климат не могла быть доказана наверняка: имевшиеся улики были слишком скудными и косвенными.

Наконец в 1970-е гг. были открыты два новых богатейших архива климатических данных, которые произвели революцию в климатологии, что равносильно тому, как если бы ученые, прежде перебивавшиеся случайными брошюрами в букинистической лавке, вдруг получили доступ к Библиотеке Конгресса. Этими архивами были: (1) керны глубоководных отложений, полученные благодаря океанографическим исследовательским судам нового поколения, и (2) керны полярного льда, добытые в рамках проектов глубокого бурения, осуществленных благодаря героическим усилиям международного научного сообщества в Антарктиде и Гренландии. Глубоководные районы морского дна и полярные ледяные шапки похожи тем, что в этих местах происходит медленное и постоянное накопление осадков без перерывов и помех, подобно тому как пыль постепенно покрывает мебель в закрытой комнате. Сегодня глубоководные керны из многочисленных районов Мирового океана обеспечивают нас данными о глобальном изменении климата за последние 160 млн лет (не только на протяжении ледникового периода, но и задолго до него), которые зашифрованы в вариациях геохимического состава и микроскопических окаменелостей с разрешением в тысячи лет. Ледяные керны, в свою очередь, содержат летопись атмосферных изменений за последние 700 000 лет с разрешением вплоть до года, по крайней мере в молодом льду. Разумеется, чтобы получить доступ к этой бесценной климатической информации из морских глубин и древнего льда, требуется сначала взломать их изотопный код.

Кислород, как и углерод, имеет два основных устойчивых изотопа, и, подобно тому как легкий углерод 12C усваивается фотосинтезирующими организмами гораздо охотнее тяжелого 13C, молекулы воды, включающие легкий кислород 16O, испаряются гораздо быстрее, чем содержащие тяжелый изотоп 18O. Это означает, что в любой момент времени осадки, в том числе полярные снега, содержат больше легкого 16O и меньше тяжелого 18O, чем океанская вода, и такая изотопная сортировка еще больше увеличивается в периоды оледенения. В ледниковые эпохи, когда значительная часть воды на Земле была заблокирована в ледниках и ледяных шапках, океаны и морские организмы, строящие свои раковины из растворенных в морской воде элементов, имели особенно высокие соотношения 18O/ 16O. И наоборот, в слоях льда, образовавшихся в эти периоды, это соотношение было низким. Так же меняются соотношения обычного водорода ( 1H) и дейтерия ( 2H), благодаря чему ледниковый лед (который представляет собой воду, H 2O, в твердой форме) также фиксирует состояние окружающей среды. Таким образом, изотопные соотношения в глубинных морских отложениях и ледниках обеспечивают нас надежными данными об изменении температурных условий и общего объема льда на планете на протяжении длительного времени.

Анализ кернов полярного льда и кернов глубоководных отложений с их гораздо более длительной историей «записей» позволил установить, что четыре выделенных Чемберлином оледенения были всего лишь самыми последними из 30 аналогичных событий, произошедших за 2,6 млн лет плейстоценовой эпохи. В них четко просматривался пульсирующий сигнал циклов Кролла — Миланковича: мощный регулярный ритм, поверх которого были наложены другие высокочастотные колебания [99] Hays, J., Imbrie, J., and Shackleton, N., 1976. Variations in the Earth's orbit: Pacemaker of the ice ages. Science , 194, 1121–1132. . В течение первых 1,5 млн лет плейстоцена колебания климата резонансно откликались на 41 000-летние вариации наклона земной оси. Но примерно 1,2 млн лет назад этот пульс замедлился и стал соответствовать более медленной, 100 000-летней периодичности изменения эксцентриситета, подобно тому как замедляется электрокардиограмма у заснувшего человека. Этот феномен был назван среднеплейстоценовым переходом, и его причины пока не совсем понятны. Дело в том, что из трех орбитальных переменных эксцентриситет оказывает наименьшее влияние на инсоляцию Земли, но этот 100 000-летний цикл значительно усиливался геологическими процессами. Кроме того, в климатической летописи присутствуют высокочастотные «гармоники», не коррелирующие с орбитальными вариациями. Например, периодические температурные колебания частотой около 1500 лет — так называемые осцилляции Дансгора — Эшгера — предположительно совпадают с характерным внутренним ритмом, присущим глобальным океаническим течениям. Это говорит о том, что наша планета не просто марионетка, послушно танцующая под ритмы астрономических циклов, но и сама задает ритм и темп.

Есть и еще одно, более важное расхождение между предсказанными комбинированными эффектами орбитальных циклов и наблюдаемыми климатическими данными, которое также подтверждает способность Земли импровизировать на темы циклов Миланковича. Эти циклы, по сути, представляют собой синусоиды — симметричные, палиндромические горбы и впадины. При наложении они создают более сложные функции, но в целом в них нет систематической направленности — при взгляде на них неясно, в каком направлении течет время. В отличие от этого, реальные климатические данные из морских отложений и льда дают асимметричные пилообразные графики, где длительные периоды похолодания, когда Земля медленно соскальзывала в ледниковые эпохи, перемежаются с короткими интервалами резкого потепления. Это можно объяснить только тем, что в каждом цикле небольшой орбитальный импульс к более теплым условиям усиливался какими-то процессами в земной системе и превращался в относительно короткую, но мощную волну разогревания климата, словно у Земли ломался термостат. Причина такого усиления тоже сохранилась в ледяной летописи: парниковые газы, особенно углекислый газ и метан (CH 4), известный также как болотный газ.