Циклы миланковича

Найдется немало людей в нашей стране, у которых слова «ледниковый период» ассоциируются исключительно с некогда популярной передачей на одном из центральных телеканалов или одноименным мультфильмом. Мы же, естественно, будем вести речь о ледниковых периодах, случавшихся в истории Земли. Чтобы «добраться» до них, придется совершить виртуальное путешествие в глубь даже не веков, но десятков тысячелетий. А вот доказательства того, что такие периоды действительно существовали, в буквальном смысле лежат на поверхности: становление «большого льда» и, главным образом, его сход оставляли отметины на «теле» планеты в виде цепей холмов (ледниковых морен), гигантских валунов, возникших на ранее сухих местах болот и мохового покрова и пр. (геологи легко «расширят и углубят» этот перечень). «Ну, существовали… – и ладно! Что нам сегодня до этого?» – пробурчит прагматичный читатель. Но кое‑какой интерес у нас имеется. Уже само название «ледниковый период» справедливо подразумевает наличие в ту пору очень холодного климатического режима. А с чего бы вдруг, спрашивается, ему установиться? Какие такие могущественные силы, отличные от современных, довлели при его формировании? И что сводило на нет их действие ближе к окончанию каждого из ледниковых периодов? Очевидно, другие не менее могущественные природные силы (человек, конечно же, тут непричастен). Какие? Хотелось бы знать, желательно – поименно. Проявляются ли они сейчас или «затаились на время», чтобы в самый неподходящий момент восстать, как птица Феникс из пепла? Не удружат ли они нам очередным витком всемирного обледенения и не окажутся ли на его фоне наши треволнения о глобальном потеплении никчемной суетой?

Ледниковые периоды стали возникать в четвертичный период истории Земли, около двух миллионов лет назад. За это время масштабное оледенение наступало, по крайней мере, четырежды, а последний ледниковый период случился около 18 тыс. лет назад. На рис. 6 цв. вклейки показаны зоны обледенения поверхности Земли в течение последнего ледникового периода. Обращает на себя внимание тот факт, что в Северном полушарии область, покрытая льдом, много больше своего южного антипода. Различно и распределение льдов в Западном и Восточном полушариях: главный ледниковый щит Западного полушария – Лаврентийский – охватывал пространство Аляски, Канады и Гренландии, а в Восточном подо льдом оказывались Скандинавия, Таймыр, небольшие площади севера европейской России. В то же время Северная Азия и Чукотский «хвост» были почти безледными с замерзшей почвой – той, что сегодня именуется вечной мерзлотой. В Северном полушарии медленное наступление ледников каждый раз начиналось на суше с севера на юг, с вершин гор к их подножиям, также с севера на юг смещались морские границы льда. В Антарктиде первый ледниковый щит появился примерно 20 миллионов лет назад. Тогда же между Антарктидой и Южной Америкой образовался пролив, много позже названный именем Дрейка, и круговое течение, блокировавшее приток теплых вод из тропиков к самому южному континенту.

Чем объясняется такая неравномерность ледяного покрова? Недавние исследования с применением климатических моделей помогли установить две основные причины. Первая – лед может расширять свои «владения» только на суше. В море от «языка» ледника откалываются айсберги, которые дрейфуют в более теплые воды (больше некуда!), где и прекращают свое существование, и, как следствие, общая площадь морского льда почти не увеличивается. Таким образом, в богатом морями Южном полушарии (площадь суши – 49 млн км²) рост материкового льда ограничивается Антарктидой, и его площадь не увеличивается при понижении температуры. В Северном полушарии (площадь суши – 100 млн км²) таких сдерживающих факторов нет, и материковый лед может беспрепятственно распространяться на юг.

Вторая причина обусловлена обратной связью между отражательной способностью поверхности и температурой. Как, вероятно, знает читатель, белый снег наиболее эффективно отражает солнечную радиацию, достигшую земной поверхности. При снижении температуры усиливаются как выпадение снега, так и образование ледяного покрова, и отражательная способность поверхности возрастает. Далее ослабляется поглощение ею солнечной энергии, а следовательно, ее температура падает еще больше, что благоприятствует появлению все новых масс снега и льда. Но, как было сказано выше, площадь ледника может заметно возрастать лишь в Северном полушарии, поэтому именно здесь взаимосвязь отражательной способности поверхности и температуры действует наиболее продуктивно.

А различие между Западным и Восточным полушариями? Здесь опять «виноваты» размеры площади суши, а также ее сезонный нагрев летом и охлаждение зимой. В климатологии хорошо известен так называемый континентальный эффект сезонного хода температуры и осадков. В середине материка, вдали от морских берегов, зима холоднее, лето теплее, осадков (дождя, снега) выпадает меньше, чем в прибрежных зонах или на островах в океане. В Сибири и вообще в Северной Азии лето, хотя и короткое, но обычно сухое и жаркое. Ледники в большой Евразии тают быстрее, чем в меньшей по площади Северной Америке, а прирастают медленнее из‑за меньшего количества осадков, которых в Восточной Сибири выпадает немного. Таким образом, в Восточном полушарии – в Азии – затруднено образование ледниковых щитов и «облегчено» их относительно быстрое таяние по сравнению с Северной Америкой и Гренландией.

Однако пора уже рассказать о причинах таких ледовых «напастей». В разгар Второй мировой войны в Европе, в 1941 г., была опубликована книга сербского астрофизика М. Миланковича (1879–1958), содержавшая объяснение интересующего нас феномена. Впрочем, неудивительно, что в то «горячее» время она осталась практически незамеченной. И только позже, в 1960‑х, в свете произведенных тогда измерений содержания изотопов кислорода в ледовых кернах и в донных отложениях древних озер и океанов, гипотеза Миланковича нашла свое подтверждение. «Корень зла» заключается в колебаниях количества достигающей Земли солнечной радиации (в пределах от 5 до 10 %) на протяжении больших промежутков времени. Но чтобы понять причины таких колебаний, нам придется мысленно совершить визит в планетарий (см. рис. 8 цв. вклейки).

Траектории планет Солнечной системы, согласно первому закону Кеплера, представляют собой эллипсы (овалы). Орбита обращения Земли вокруг Солнца (происходящего, кстати, со скоростью 29,8 км/сек.) – эллипс, мало отличающийся от круга, а степень этого отличия – эксцентриситет – изменяется в пределах от 1 до 5 % (в настоящее время – 1,67 %) с главным периодом около 100 тыс. лет, который совпадает с периодом наступления и отступления ледников. Одновременно Земля вращается вокруг своей оси, причем направление этой оси в пространстве, в соответствии с законом сохранения момента импульса, должно быть всегда одним и тем же. Однако присутствие других планет, а также спутника Земли Луны приводит к тому, что возникают некоторые периодические отклонения, сказывающиеся и на орбите Земли, и на ее вращении.

Всего насчитывается 14 различных движений орбитальных процессов, совершаемых нашей планетой в космосе. Миланкович рассмотрел три из них. Помимо упомянутого вращения Земли вокруг Солнца, это прецессия и нутация.

Земная ось, которая «должна» была бы иметь всегда неизменную ориентацию, в реальности движется по круговому конусу с вершиной в центре Земли (период полного оборота равен 25 750 лет), это движение называется прецессией. Следствием прецессии является то, что в январе, когда расстояние между Землей и Солнцем минимально (и, значит, наша планета получает наибольшее количество солнечной энергии), Северное полушарие отвернуто от Солнца, а Южное, напротив, к нему повернуто. Такие отдаленность и приближенность полушарий к светилу обусловливают времена года: в январе в Северном полушарии – середина зимы, в Южном – разгар лета. По истечении половины периода (т. е. примерно через 13 тыс. лет) ситуация переменится на противоположную – тогда в Северном полушарии январь и июль поменяются ролями, и январь окажется летним месяцем. «По совместительству» и угол наклона земной оси к плоскости орбиты также подвержен небольшим колебаниям (рамки их изменений от 21,5° до 24,5° с периодом 41 тыс. лет, современное значение – 23,5°) вследствие влияния Луны и Юпитера. Такие колебания и есть нутация.

Согласно Миланковичу, ледниковые периоды возникают только тогда, когда все три орбитальных процесса действуют в одном направлении и их эффекты накладываются один на другой, усиливая друг друга. Поскольку эти астрономические факторы имеют разные периоды, то время от времени такие «оптимальные» условия возникают (рис. 9 цв. вклейки).

Современные исследования в основном подтверждают выводы Миланковича, но накоплено и немало данных, не вписывающихся в его теорию (справедливости ради отметим, что то же самое можно сказать о любой из бытующих сегодня теорий). Поэтому, вероятно, есть основания говорить о статистической справедливости теории Миланковича (т. е. признать существование колебаний климата с периодами 41 тыс. и 100 тыс. лет). Однако комплексное совместное воздействие на нашу планету иных планет и особо приближенной к ней Луны значительно усложняет картину и вносит в нее заметные коррективы, не учтенные ни автором теории, ни даже его последователями. И что же дальше?

Согласно расчетам Миланковича, следующий ледниковый период на Земле должен начаться приблизительно через 50 тыс. лет. Однако можно с большой долей вероятности предположить что современное беспрецедентно быстрое потепление глобального климата ставит под сомнение его наступление. В свете ускоренного роста концентрации углекислого газа и достижения ею не имевших в прошлом аналогов значений (см. далее раздел «Первый парень на деревне») парниковый эффект в состоянии нейтрализовать попытки орбитальных факторов в очередной раз установить на Земле «господство Снежной королевы». Такой спурт концентрации СО₂ не позволит океану достигнуть нового равновесного состояния, что влечет за собой неустойчивость климата и резкое увеличение числа природных катастроф (землетрясений, цунами, наводнений и пр.).

Поэтому, наверное, не стоит загадывать, что произойдет через столь долгий промежуток времени (тем более что проверить качество такого прогноза нам не удастся…). Резоннее сосредоточиться на решении текущих проблем изменений климата в ближайшем будущем.

И тут снова возникает вопрос о причинах его современных изменений. Как было сказано выше, поток солнечной энергии (солнечная постоянная) оставался практически неизменным. Астрономические факторы (движение планет) не могли так существенно сказаться на столь коротком (всего лишь – столетие) временном отрезке. Продолжим наши поиски.