Что двигает ледники?

Ледниковый период последнего миллиона лет, очевидно, не положил конец жизни на планете. Он не положил конец даже человеческой жизни. Homo sapiens и его человекообразные предки прожили весь ледниковый период последнего миллиона лет без какого‑либо заметного перерыва в эволюции и развитии.

Тем не менее мы вправе поинтересоваться, — не ждет ли нас впереди еще один ледниковый период, или мы живем еще в «хвосте» прошедшего? Даже если ледниковый период не означает конец жизни или хотя бы человечества и не катастрофичен в этом смысле, то мысль, что почти вся Канада и северная часть Соединенных Штатов покрыта ледником в милю толщиной (не говоря о покрытых льдом аналогичных частях Европы и Азии), представляется достаточно неприятной.

Чтобы ответить на вопрос, не могут ли ледники вернуться, сначала было бы полезно узнать, что вызывает такие ледниковые периоды. И перед тем, как попытаться это сделать, следует понять, что не так много и надо для того, чтобы привести в движение ледники, нет необходимости отыскивать большие и невозможные изменения.

Снег каждую зиму падает на большую часть Северной Америки и Евразии, и эти регионы остаются покрытыми замерзшей водой почти так, как если бы возвратился ледниковый период. Снежный покров, однако, составляет от нескольких сантиметров до пары метров, и за лето весь тает. В общем существует баланс, и в среднем летом тает столько снега, сколько выпало зимой. Это обычные изменения.

Но, предположим, что‑то случилось, и лета стали в среднем немного холоднее, совсем ненамного, может быть, на два‑три градуса. Этого будет недостаточно для того чтобы заметить. И, конечно, не будем считать это непрерывным изменением, то есть будут лета потеплее и лета похолоднее с обычным произвольным их распределением, но лета потеплее будут менее частыми, так что в среднем снег, который выпадает зимой, не совсем весь растает летом. Происходит суммарное увеличение из года в год снежного покрова. Это будет очень медленное увеличение, и оно будет заметно в северном полярном и приполярном регионах, а также в высокогорных местностях. Накапливающийся снег превратится в лед, и ледники, которые существуют в полярных регионах и в южных широтах на больших высотах, расширятся за зиму и меньше сократятся за лето. Они будут расти из года в год.

Изменение питало бы и само себя. Лед отражает свет более эффективно, чем обнаженный камень или почва. Собственно лед отражает порядка 90 процентов света, который падает на него, в то время как почва отражает менее 10 процентов. Это означает, что когда ледовый покров расширяется, больше солнечного света отражается и меньше поглощается. Средняя температура понизится немного больше, лета станут все же немного прохладнее, ледовое покрытие будет расширяться быстрее. И вот, в результате очень незначительного первоначального охлаждающего действия ледники станут расти, превращаться в толстые ледяные пласты, которые медленно, год за годом, станут продвигаться, пока наконец не покроют обширные пространства Земли.

И вот ледниковый период установился, ледники продвинулись далеко на юг; тем не менее достаточно очень маленького изменения в противоположную сторону, своеобразного «спускового крючка», и он может инициировать общее отступление. Если средняя температура лета вырастет на два‑три градуса и на продолжительный период, то снега летом растает больше, чем выпало зимой, и лед станет из года в год отступать. С его отступлением Земля будет отражать несколько меньше света, а поглощать — несколько больше. Это сделает лета еще теплее и отступление ледника будет ускорено.

Нам остается установить, что это за «спусковой крючок», который инициирует продвижение ледника, а потом и его отступление. Это сделать легко. Однако существует слишком много возможных «спусковых крючков», и трудность задачи состоит в том, чтобы сделать выбор. Например, причина изменения может быть связана с самим Солнцем. Ранее я упоминал о том, что минимум Мондера приходится на то время, когда погода на Земле была в общем прохладной. Это время и впрямь иногда называют «маленьким ледниковым периодом».

Если существует причинная связь, если минимумы Мондера охлаждают Землю, тогда, примерно каждые сто тысяч лет Солнце проходит по протяженному минимуму Мондера, который длится не несколько десятков лет, а несколько тысячелетий. Земля может быть тогда достаточно холодной, чтобы инициировать и поддерживать ледниковый период. Когда Солнце наконец начнет снова покрываться пятнами и испытывать только короткие минимумы Мондера, Земля слегка согреется, и начнется отступление ледников.

Возможно, так оно и есть, но у нас нет свидетельств. Может быть, дальнейшее изучение солнечных нейтрино, и вопроса почему их так мало, поможет нам достаточно узнать о том, что происходит внутри Солнца, и позволит понять запутанность цикла солнечных пятен. Мы могли бы тогда сочетать вариации солнечных пятен с периодами оледенения и были бы способны предсказать, наступит ли следующий период оледенения и когда.

Но причиной может бы быть вовсе не Солнце, которое будет сиять с прежним постоянством. Причиной может быть природа пространства между Землей и Солнцем.

Я объяснял ранее, что существует лишь невероятно малый шанс столкновения со звездой или любым другим небольшим объектом из межзвездного пространства как самого Солнца, так и Земли. Существуют, однако, блуждающие облака пыли и газа между звездами в нашей Галактике (также и в других галактиках, подобных ей), и Солнце, двигаясь по своей орбите вокруг галактического центра, вполне может пройти через некоторые из этих облаков.

Облака не густые по обычным стандартам. Они не отравят ни нашей атмосферы, ни нас. Сами по себе они даже не были бы особенно заметны обычному наблюдателю, не говоря уже о том, что не были бы, конечно, катастрофическими. Ученый НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства в Соединенных Штатах) Диксон М. Батлер даже предположил в 1978 году, что наша Солнечная система прошла за время своего существования по крайней мере дюжину довольно обширных облаков, и, если уж на то пошло, он мог ошибиться в меньшую сторону.

Почти все подобные облака состоят из водорода и гелия, которые никак не воздействуют на нас. Однако около 1 процента массы таких облаков составляют пыль, зерна льда и камня. Каждое из этих зерен отражает, поглощает и вновь излучает солнечный свет, так что меньше солнечного света пробивает себе путь мимо зерен, меньше его попадает и на поверхность Земли.

Зерна могут не так уж сильно загораживать направленный на Землю солнечный свет. Солнце может для нас выглядеть так же ярко, даже звезды могут не выглядеть по‑иному. Тем не менее особенно плотное облако могло бы задержать некоторое количество света, вполне достаточное, чтобы запустить механизм наступления ледникового периода. Смещаясь в сторону, облако способно послужить причиной отступления ледника.

Возможно, в последний миллион лет Солнечная система пересекала регион облаков Галактики, и всякий раз, когда мы проходили через особенно густое облако, которое задерживало достаточное количество света, начинался ледниковый период, и, когда мы оставляли облако позади, ледники отступали. Перед последним ледниковым периодом в миллион лет был период 250 миллионов лет, во время которого не было ледниковых периодов, и, по‑видимому, Солнечная система в течение этого периода проходила через чистые регионы Галактики. Перед этим был 1‑й ледниковый период, наводящий на мысль о Пангее.

Возможно, каждые 200 или 250 миллионов лет существуют серии ледниковых периодов. Поскольку это не очень отличается от периода полного оборота Солнечной системы вокруг галактического центра, может быть, каждый оборот мы проходим через тот же самый облачный регион. Если мы теперь прошли через этот регион полностью, тогда, возможно, периодов оледенения не будет четверть миллиарда лет. Если же нет, тогда еще один — или целая серия их — должен наступить гораздо раньше этого срока.

Например, группа французских астрономов в 1978 году представила свидетельство о возможности еще одного межзвездного облака, и как раз впереди. Солнечная система приближается к нему со скоростью около 20 километров в секунду и может достичь краев облака примерно через 50 000 лет.

Но Солнце непосредственно или облака межзвездной пыли могут не быть истинным «спусковым крючком». Сама Земля или, скорее, ее атмосфера, может послужить таким механизмом. Солнечной радиации приходится преодолевать атмосферу, и это способно дать свой эффект.

Примем во внимание, что солнечная радиация достигает Земли главным образом в форме видимого света. Пик солнечной радиации приходится на длины волн видимого света, который легко проходит сквозь атмосферу. Другие формы радиации — ультрафиолет и рентгеновские лучи, которые Солнце производит не в таком изобилии, атмосферой задерживаются.

В отсутствие Солнца, ночью, поверхность Земли излучает тепло в открытый космос. Это происходит главным образом в виде длинных инфракрасных волн. Они тоже проходят сквозь атмосферу. При обычных условиях оба эти эффекта балансируются, и Земля теряет столько тепла со своей окутанной ночью поверхности, сколько получает на свою поверхность, залитую дневным светом. Средняя температура поверхности остается одной и той же из года в год.

Азот и кислород, которые фактически составляют всю атмосферу, пропускают как видимый свет, так и инфракрасное излучение. Двуокись углерода, или углекислый газ, и водяной пар пропускают видимый свет, а инфракрасное излучение не пропускают. Это впервые было отмечено ирландским физиком Джоном Тиндалом (1820‑1893). Углекислый газ составляет только 0,03 процента земной атмосферы, а содержание водяного пара непостоянное и низкое. Следовательно, они не блокируют полностью инфракрасное излучение.

Тем не менее отчасти они его все‑таки блокируют. Если бы в атмосфере Земли совершенно не было углекислого газа и водяного пара, то по ночам инфракрасное излучение исчезало бы интенсивнее, чем сейчас. Ночи были бы холоднее, чем сейчас, и дни, разогреваясь от холодного старта, тоже были бы холоднее. Средняя температура Земли была бы заметно ниже, чем сейчас.

Углекислый газ и водяной пар в нашей атмосфере, хотя они и присутствуют в ней в малых количествах, все же блокируют достаточное количество инфракрасного излучения, чтобы служить ощутимыми хранителями тепла. Их наличие способствует заметно более высокой средней температуре на Земле, чем была бы при их отсутствии. Это называется «парниковым эффектом», потому что стекло парника действует подобным же образом, пропуская видимый свет Солнца и удерживая внутри инфракрасное излучение.

Предположим, что по какой‑то причине содержание углекислого газа в атмосфере немного повысилось. Допустим, оно удвоилось до 0,06 процента. Это не повлияет на возможность дышать атмосферным воздухом, и мы ничего не узнаем о самом изменении, но лишь о его последствиях. Атмосфера с таким содержанием углекислого газа будет все же менее прозрачна для инфракрасного излучения. Поскольку инфракрасное излучение будет задерживаться, средняя температура на Земле слегка поднимется. Немного более высокая температура увеличит испарение океанов, поднимет уровень водяного пара в воздухе, и это также будет способствовать усилению парникового эффекта.

Предположим, с другой стороны, что содержание углекислого газа в атмосфере слегка понизилось, с 0,03 процента до 0,015 процента. Теперь инфракрасное излучение исчезает легче и температура на Земле слегка понижается. При более низкой температуре уменьшается содержание водяного пара, добавляя свою долю к ослаблению парникового эффекта. Такие повышения или падения температуры тоже могут быть достаточными для того, чтобы начать или закончить период оледенения.

Но что может вызвать такие изменения концентрации углекислого газа в атмосфере? Животная жизнь производит углекислый газ в большом количестве, но жизнь растительная потребляет его в эквивалентном количестве, и эффект жизни в целом в том и состоит, что она поддерживает баланс (Это не вполне верно в отношении той части жизни, которая включает в себя человеческую деятельность. Я вернусь к этому позже). Существуют, однако, естественные процессы, которые производят или потребляют углекислый газ независимо от жизни, и они могут балансировать равновесие в достаточной степени для того, чтобы запустить этот механизм.

Например, значительная часть углекислого газа, находящегося в атмосфере, может раствориться в океане, но углекислый газ, растворенный в океане, может быть легко снова отдан в атмосферу. Углекислый газ способен также реагировать с окислами коры Земли и образовывать карбонаты, из которых двуокись углерода скорее всего, никуда уже не денется.

Конечно, открытые воздуху части земной коры уже поглотили то количество двуокиси углерода, которое могли. Однако в периоды горообразования новые породы достигают поверхности, то есть породы, которые не были открыты для доступа углекислого газа, и они могут действовать как среда, поглощающая углекислый газ, снижая его концентрацию в атмосфере.

С другой стороны, большое количество углекислого газа извергают в атмосферу вулканы, поскольку высокая температура, расплавляющая камни в лаву, расщепляет карбонаты и освобождает двуокись углерода. В периоды необычно высокой вулканической активности содержание в атмосфере углекислого газа может повышаться.

Как вулканическая деятельность, так и горообразование являются, как я уже говорил, результатом движения тектонических плит, но существуют периоды, когда условия более благоприятны для вулканической активности, чем для горообразования, и наоборот, когда условия более благоприятны для горообразования.

Вполне возможно, что когда горообразование в истории Земли проявлялось более ярко, содержание углекислого газа в атмосфере понижалось, температура на поверхности Земли падала, и ледники начинали наступать. Когда же активизировалась вулканическая деятельность, содержание углекислого газа повышалось, поднималась температура поверхности Земли, и ледники, если они были, начинали отступать.

И, наконец, чтобы показать, что не все так просто, как порой кажется, еще одна возможность. Если вулканическое извержение оказывается особенно сильным, в стратосферу может быть поднято большое количество пыли, и это способно послужить причиной такого количества «лет без лета», как было в 1816 году, что в свою очередь может запустить механизм наступления ледникового периода.

По вулканическому пеплу в океанских отложениях можно заключить, что вулканическая деятельность в последние 2 миллиона лет была примерно в четыре раза интенсивнее, чем за предыдущие 18 миллионов лет. Может быть, как раз сейчас пыльная стратосфера и подвергает Землю своим периодическим оледенениям.