Читать книгу: «Что случилось с климатом»

Зое и Нине

Обложка: © Zoonar.com/Khakimullin Aleksandr D9 / easy Fotostock / Фотобанк Лори

© Р. А. Алиев, 2022

© ООО «Паулсен», 2022

От автора

Прежде чем ступить в область окаменелостей, я представляю свои верительные грамоты геолога, упомянув для этой цели, что за годы моей разнообразной жизни был я и каменщиком, и отменным копальщиком канав, рвов и колодцев, винных погребов, подвалов и всевозможных водоемов¹.

Герман Мелвилл. Моби Дик, или Белый кит

Наверное, нужно рассказать, кто я и чем занимаюсь. И как случилось, что я написал эту книгу. Незнакомым людям я чаще всего представляюсь учителем химии, иначе слишком долго все объяснять. Отчасти это правда – несколько лет я преподавал радиохимию в МГУ. Главным плюсом преподавательской работы был длинный отпуск – я проводил его в горах с парапланом. В небе я пробыл несколько сотен часов – над береговыми скалами Восточного Крыма, над предгорьями Аннапурны, над Дауладаром и Атакамой.

Солнце, горы и преобладающий ветер создавали в небе невидимую сеть восходящих, нисходящих и горизонтальных воздушных течений. Своего рода воздушный замок с винтовыми лестницами и переходами, по которым можно было перемещаться на десятки километров без единой ложки керосина, на одной лишь энергии Солнца – энергии водорода, сгорающего в гелий. Встречались в этом замке и невидимые стены, и колодцы, в которые можно было ненароком угодить. Нашими проводниками в воздушном лабиринте были птицы – они помогали найти восходящие потоки. В Гималаях – грифы, в Македонии – аисты, над Донбассом – ласточки. Ласточек я встречал в двух километрах над землей, у самой нижней кромки облаков – они кормятся насекомыми, которых забрасывает наверх. Каждый день невидимый лабиринт выстраивался чуть по-иному: менялись сила и направление ветра, влажность воздуха, распределение температуры с высотой.

В горах восходящие потоки срываются с освещенных солнцем отрогов и почти всегда стоят над вершинами. Поднимаясь, воздух уносит стрекоз и бабочек, пух от растений и запахи земли: в Болгарии потоки пахли нагретой хвоей, в Икике, над чилийским побережьем – тухлой рыбой. По мере подъема воздух остывает и растут облака, порой нежные и воздушные, а иногда резко очерченные, похожие на гигантские башни. При конденсации влаги выделяется тепло, и от этого воздух поднимается еще быстрее.

Как-то раз меня засосало в облако. Появилось странное чувство: не было больше ни верха, ни низа; ни земли, ни неба; ни долины, ни гор, ничего не было. Был только я и безликая, потусторонняя сила, которая почти не ощущалась. Я бы и не знал, что меня продолжает тянуть вверх, если бы не звуковой сигнал и не мелькание цифр на экране прибора. Этот лифт шел без остановок, двери за мной захлопнулись. Все быстрее он уносил меня туда, где нет и не может быть жизни, потому что губы и ноздри покрываются иссиня-белой изморозью, а давление кислорода падает в пять раз. Я решил втянуть второй ряд строп, чтобы поскорее снизиться. Оказалось, это не так просто – руки быстро слабели и разжимались сами собой, крыло вырывалось. Я ждал, пока дома, поля и заводы не проступали из тумана, как на отпечатке в ванночке с проявителем, потом отпускал крыло, чтобы руки немного отдохнули. И картинка немедленно растворялась. И все повторялось заново. Кто кого перетянет – я облако или оно меня.

То, что мне удалось тогда сбросить высоту, – дело случая. Облако еще не достигло пика своего развития. Уйти от грозового облака было бы невозможно. После этого я стал читать все, что мне попадалось про облака. И вот что удалось узнать. В грозовом облаке средних размеров содержатся примерно 200 тыс. т воды. При ее конденсации выделяется такое же количество тепла, как и при взрыве шести атомных бомб вроде той, что сбросили на Хиросиму. Именно эта энергия и питает гигантский насос – вертикальная скорость потоков в облаке достигает десятков метров в секунду. Этого достаточно, чтобы оторвать крылья любому самолету. Эта же циклопическая сила приводит и к разделению положительных и отрицательных зарядов в облаке. Электрическая мощность облака достигает гигаватта – как у реактора чернобыльского типа. В грозовых разрядах могут происходить даже ядерные реакции.

Но больше всего меня поразило другое. Напряженность электрического поля в облаке недостаточна для возникновения молнии. Тут нужен особый пусковой механизм, резко понижающий электрическое сопротивление воздуха. По всей вероятности, эту роль играют галактические космические лучи – заряженные частицы сверхвысоких энергий. Они порождают в атмосфере множество элементарных частиц, ионизируя воздух и формируя канал, по которому проходит молния. Выходит, что наши земные грозы порождаются летящими в космосе частицами звезд, взорвавшихся миллионы лет назад.

Так благодаря облаку, давно растаявшему в небе над Сопотом, я попытался глубже вникнуть в суть процессов, протекающих в природе. И здесь мне очень помогли химическое образование и опыт полевой работы – как специалист в области радиоактивности окружающей среды я участвовал в одиннадцати морских экспедициях.

Так для меня постепенно приоткрывалась многоплановость мира, сложнейшая взаимосвязь и тонкая настройка процессов на всех уровнях – от атомного ядра и до человеческого общества. С тех пор я стараюсь не забывать, что мир устроен гармонично, и это знание, как ни странно, поддерживает меня уже немало лет.

Введение
Долгое странствие

Если дорогой ты путника встретишь и путник тот спросит:

«Что за лопату несешь на блестящем плече, иноземец?» –

В землю весло водрузи – ты окончил свое роковое,

Долгое странствие².

Гомер. Одиссея

Караван британской экспедиции Джеймса Ричардсона двигался вглубь Сахары уже около 80 дней. С руководителем экспедиции были еще двое европейцев – доцент Берлинского университета географ Генрих Барт и астроном из Бонна Адольф Овервег. Как и другие подобные предприятия, экспедиция Ричардсона помимо научных задач имела также политические и коммерческие цели. Путешественники должны были разведать торговые пути от оазисов Сахары до городов на южной ее границе. Чтобы не вызывать раздражения у французов, владевших Северной Африкой, было решено придать экспедиции международный характер. Так в ней оказались двое ученых из Германии. Путешественники готовились тщательно: в их поклаже была даже разборная лодка, вызывавшая неизменные расспросы у жителей пустыни, – ею надеялись воспользоваться на озере Чад.

6 июня 1850 г. Барт, выбирая место для лагеря, обнаружил на камнях искусно выполненные изображения. На одном из них была антропоморфная фигура с рогатой головой (рис. 1), на другом – стадо быков на водопое. Странно, но на рисунках не было верблюдов, без которых жизнь в пустыне представить невозможно. Барт сделал вывод, что изображения «свидетельствуют об образе жизни, весьма отличном от того, что мы привыкли видеть сейчас в этих регионах» (Barth, 1857).

Странствие Барта затянулось более чем на пять лет. Оба его товарища умерли от неизвестной болезни, и (небывалый случай!) Форин-офис уполномочил немца Барта руководить британской экспедицией. Он пересек Сахару с севера на юг и обратно, исследовал обширные территории к югу от озера Чад, пройдя в общей сложности 20 тыс. км. Барт стал третьим европейцем, посетившим таинственный город Тимбукту, и вторым, кто вернулся оттуда живым³. Он составил первые карты Сахары и Сахеля, исследовал культуру и языки местных жителей. Вестей от Барта не было так долго, что «Таймс» сообщила о его смерти (Prothero, 1958). Возвращение в Европу стало для него горьким разочарованием. Многочисленные открытия в географии и антропологии не принесли ему ни славы, ни богатства. Его «прокатили» на выборах в Прусскую академию наук, и он так и не дождался профессорской кафедры в Берлинском университете. Имя его почти забыто⁴.

Нехватка знаний о территориях, расположенных к западу от Нила, восполнялась слухами и легендами о затерянных в песках оазисах; часть из них восходит к «Истории» Геродота. Особое место среди этих историй занимала легенда об оазисе Зерзура, который упоминается в арабском руководстве для искателей сокровищ XV в., «Книге скрытых жемчужин». Зерзура предстает в ней как белый город в пустыне, с пальмовыми и оливковыми рощами, наполненный несметными богатствами. В начале 1930-х годов Зерзура становится постоянной темой «Географического журнала» – основного издания Королевского географического общества. В 1929 г. группа исследователей, в основном британских офицеров и колониальных чиновников, основала клуб «Зерзура» в пабе в Вади-Халфе, Судан. Это был закрытый джентельменский клуб, членов которого объединяли поиски таинственного оазиса.

В начале 1930-х годов к клубу искателей Зерзуры присоединился венгерский граф Ласло Алмаши (1895–1951), летчик-ас Первой мировой, путешественник и немецкий разведчик. Его бурная биография легла в основу романа Майкла Ондатже и одноименного фильма «Английский пациент». Алмаши учился на инженера в Лондоне. Автомобиль он водил с 10 лет, а в 17 получил лицензию пилота. В 1929 г. Алмаши путешествовал по Восточной Африке, Судану и Египту как представитель австрийской автомобильной фирмы. С появлением автомобилей и самолетов стало возможно исследовать территории, ранее недосягаемые для караванов. В 1932 г. участники экспедиции с воздуха заметили зеленую долину, которую приняли за Зерзуру. Через год, обследуя одну из долин на западной стороне плато Гильф-эль-Кебир, Алмаши нашел небольшую пещеру. На стенах ее были изображены антилопы, жирафы и, самое удивительное, фигуры плывущих (а может, тонущих?) людей. Этого меньше всего можно было ожидать в пустыне. Алмаши сделал тот же вывод, что и Барт: Сахара не всегда была безводной. Сейчас мы знаем, что около 7 тыс. лет назад, когда были изображены фигуры пловцов (Riemer et al., 2017), Сахара была саванной. Из гигантских озер той эпохи до наших дней сохранилось лишь озеро Чад, которое 7 тыс. лет назад было размером с Каспийское море. И недавно выявленное наскальное изображение пресноводной медузы в центральной Сахаре уже не кажется столь фантастическим (Dumont, 2017). Оно было известно на протяжении десятилетий и в 1981 г. даже попало на алжирскую почтовую марку (рис. 2). Но видели в нем что угодно, только не медузу. И действительно – откуда ей взяться в Сахаре?

Теперь известно, что с периодичностью в 22 тыс. лет, подчиняясь циклам прецессии земной оси⁵, в Сахаре устанавливается влажный климат. Около 10 тыс. лет назад летняя инсоляция Северной Африки была выше примерно на 7 %. Это приводило к большему контрасту температур между сушей и океаном и усиливало летний муссон.

Периоды «зеленой Сахары» сыграли важную роль в истории человечества. Биологический вид Homo sapiens возник в Восточной Африке примерно 200–150 тыс. лет назад. Однако расселению людей за пределы первоначального ареала препятствовали пески Сахары, Аравии и Леванта. Судя по археологическим находкам и генетическим исследованиям, люди мигрировали из Африки и расселялись по планете волнами (рис. 3). Сначала они заселили Аравию и Левант (120–90 тыс. л. н.), около 50 тыс. лет назад люди появились в Австралии, а примерно на 5 тыс. лет позже – в Западной Европе (De Menocal, Stringer, 2016). Реконструкция климатов прошлого (Timmermann, Friedrich, 2016) приводит к выводу, что несколько раз в течение последнего ледникового цикла открывался «зеленый коридор» через Аравию и Левант. Периоды, благоприятные для миграции, были 106–94, 89–73, 59–47 и 45–29 тыс. лет назад⁶. Так человеческие волны управлялись климатическими факторами, а они, в свою очередь, – влиянием тяготения небесных тел на движение Земли по орбите. Эти же астрономические факторы задавали темп оледенений, а значит, и колебаний уровня моря. Мелководный Берингов пролив в ледниковые эпохи превращался в сухопутный мост, по которому и люди, и животные свободно перемещались между Азией и Америкой. Так произошло заселение Америк около 15 тыс. лет назад – вскоре после максимума последнего оледенения (Goebel et al., 2008).

Исход из Африки – лишь один из примеров того, как климат задавал темп и направление развития цивилизации. Из сравнительно недавних примеров можно упомянуть становление испанской и португальской колониальных империй. Их успех во многом был предопределен удачным расположением, наличием удобных промежуточных баз – архипелагов в Северной Атлантике (Азоры, Канары, Кабо-Верде). Но главной составляющей успеха были пассаты, приводившие в движение корабли. Путешествия испанцев и португальцев начинались в субтропиках, ближе к пассатной зоне, где ветра дуют от берегов Европы к Америке. Напротив, в умеренных широтах господствует западный перенос, то есть ветра дуют преимущественно от Америки к Европе, что препятствовало плаваниям англичан и голландцев (Bankoff, 2017).

Длительность существования нашей цивилизации ничтожна в сравнении с возрастом Земли. Оно полностью укладывается в голоцен – последнее межледниковье, начавшееся 11,7 тыс. лет назад. По счастью, голоцен отличается относительной стабильностью условий, однако региональные изменения температуры и влажности были порой достаточно сильными, чтобы сыграть решающую роль в подъеме и упадке древних сообществ. Так, возможной причиной упадка цивилизации майя стала затяжная засуха в IX–XI вв. (Douglas et al., 2016а; Luzzadder-Beach et al., 2016). Другой хрестоматийный пример воздействия климатических факторов на ход истории – коллапс некогда процветавших поселений викингов в Гренландии (Barlow et al., 1997; Arneborg et al., 1999; Lynnerup, Nørby 2004; Dugmore et al., 2012), связанный с наступлением малого ледникового периода. В иных случаях причиной кризиса становились разного рода природные катастрофы. Извержения вулканов, землетрясения и цунами порой приводили к гибели городов и смене царствующих династий. Считается, что извержение вулкана Санторин около 1600 г. до н. э. (Friedrich, 2006) и последовавшее за ним цунами (Bruins et al., 2008) стали причиной упадка минойской цивилизации. Сильнейшее извержение вулкана Уайнапутина в Перу 19 февраля 1600 г. привело к уменьшению притока солнечной радиации к земной поверхности, так как ее задерживал вулканический аэрозоль. В результате заметно похолодало (De Silva, Zielinski, 1998; Verosub, Lippman, 2008; Fei et al., 2016). С этим извержением иногда связывают три неурожайных года в России (1601–1603), ставшие причиной Смутного времени (Verosub, Lippman, 2008).

Итак, история человечества неразрывно переплетена с историей климата. Чтобы заглянуть в будущее, нам необходимо понять механизмы, управляющие климатом. Это сделать невозможно, оставаясь в рамках современности, не разобравшись с историей развития нашей планеты. Чем глубже мы погружаемся в прошлое, тем меньше мы о нем знаем. В этой книге мы в основном ограничимся рамками нашей геологической эры – кайнозоя. Как правило, этого достаточно, чтобы кратко обрисовать основные факторы, воздействующие на климат. Некоторым из них – орбитальному влиянию, тектонике плит, солнечной активности, катастрофическим столкновениям с космическими телами – в книге посвящены отдельные главы.

Расселившись по планете, человечество вскоре перестало быть пассивной частью биосферы. Воздействие человека на природу началось еще с неолита – с переходом от кочевого образа жизни к оседлому. С тех пор человек активно преобразует планету, выжигая и вырубая леса, распахивая землю, все активнее потребляя водные и минеральные ресурсы, вмешиваясь в геохимические циклы. Не исключено, что наибольшую и при этом наименее осознаваемую угрозу несет именно антропогенное воздействие на климат, связанное с изменением состава атмосферы. Антропогенному влиянию на климат посвящена последняя глава книги. Куда нас оно приведет – сказать трудно, ибо воздействие человека на природную среду определяется не законами термодинамики или небесной механики, а развитием технологий, политических систем и общественного сознания.

Глава 1
Климат сегодня

Освежив горячее тело

Благовонной ночною тьмой,

Вновь берется земля за дело

Непонятное ей самой.

Николай Гумилев. Поэма начала

Земля получает энергию от Солнца. Климат формируется в результате взаимодействия атмосферы, океана, суши, льдов и живой природы. Он непрерывно меняется под влиянием множества факторов, действующих в разных масштабах времени – от десятилетий до миллиардов лет. Об изменениях климата мы можем судить по прямым наблюдениям, исследованиям исторических документов и природных объектов.

1.1. Климат и погода. Изменения климата

Разговоры о погоде станут интересными при первых признаках конца света.

Станислав Ежи Лец. Непричесанные мысли

В слово «погода» каждый из нас вкладывает свой смысл. Для городского жителя это в первую очередь температура воздуха и осадки. Его интерес к погоде сводится к вопросу, надеть ли шапку и брать ли зонтик. Прочные стены домов, городской транспорт, связь, надежное снабжение электричеством и водой – все это резко ослабляет нашу зависимость от природных факторов. Для человека, путешествующего пешком, для крестьянина или жителя гор погода – фактор, во многом определяющий его повседневность. А для рыбака из Пури в индийском штате Орисса или парапланериста в болгарском Сопоте погода – вопрос жизни и смерти. И пилота будут волновать такие ее особенности, как сила и направление ветра на разных высотах, форма облаков, высота слоя инверсии и нулевой изотермы. От этого зависит, ждать ли в воздухе сильной турбулентности и стоит ли опасаться грозы.

Однако для всех нас погода – нечто сиюминутное. Когда мы говорим о погоде, речь обычно идет о часах или об одном, максимум о нескольких днях. К тому же погода – понятие локальное, ограниченное в пространстве несколькими километрами вокруг наблюдателя.

Погоду мы воспринимаем эмоционально, она бывает «хорошая», «отличная», «славная», «превосходная», «ужасная», «скверная», «дурная», «злая» – таковы результаты поиска в Национальном корпусе русского языка.

Когда мы говорим о климате какой-либо местности, мы имеем в виду средние значения основных погодных параметров, таких как температура и давление воздуха, влажность, сила и направление ветра. В конкретный год параметры могут существенно отличаться от средних. Жители Москвы хорошо помнят аномально жаркое лето 2010 г., когда воздух стал непрозрачным от лесных пожаров, или морозную зиму 2005/06 г. Кому-то запомнилось холодное лето 2019-го или почти бесснежная зима 2019/2020 г. Но такие вариации еще не свидетельствуют об изменениях климата. Для того чтобы выявить какую-либо закономерность, нужно задать время, за которое проводится усреднение погодных данных. Всемирная метеорологическая организация рекомендует период в 30 лет.

Пока речь идет о локальном климате, более или менее понятно, что мы имеем в виду. Когда мы рассматриваем планету в целом, эта ясность исчезает. Тут волей-неволей приходится жертвовать деталями и оперировать абстрактными, не измеряемыми непосредственно величинами, такими как средняя по планете среднегодовая температура приземного воздуха или средняя температура поверхности или глубинных вод океана.

Согласно независимым наблюдениям целого ряда вполне уважаемых организаций средняя температура⁷ нашей планеты выросла за последние сто лет примерно на 1 °C. Если эти цифры не убеждают или оставляют сомнения в том, как они получены, можно посмотреть на фотографии ледников, сделанные в разных частях Земли с одного и того же ракурса в начале XX в. и сейчас, – их легко в изобилии найти в Интернете. Глобальное потепление – реальность, в которой мы живем, по крайней мере, с конца 1970-х годов (рис. 1.1).

С ростом глобальной температуры тают ледники суши, а значит, растет уровень океана, со скоростью примерно 1,8 мм/год. Кроме того, примерно на 2,7 % за десятилетие сокращается площадь морских льдов в Арктике (рис. 1.2).

Рисунок 1.1 неизбежно вызывает ряд вопросов. Много это или мало – 1 °C за столетие? Менялся ли климат до 1880 г.? Каков был масштаб колебаний температуры в историческую эпоху? А за время существования вида Homo sapiens? А за время существования планеты? И главное: чего нам ждать в ближайшем будущем? Для ответа на любой из этих вопросов нам нужна информация о климате прошлого.

Первая попытка систематических метеонаблюдений была предпринята в 1654 г. великим герцогом Тосканским Фердинандо II Медичи, однако основанная им сеть из девяти станций просуществовала лишь 13 лет и полученные данные не были использованы. Интенсивное развитие синоптической⁸ метеорологии пришлось на середину XIX в. Отчасти этому способствовала Крымская война. 14 ноября 1854 г. сильнейший шторм разбил о скалы десятки британских и французских кораблей, стоявших на внешнем рейде Балаклавы. Тогда погиб и пароход «Принц» – по слухам, с грузом золота. Из 150 человек команды спаслось лишь шестеро. Впоследствии история этого корабля обросла легендами. Под именем «Черный Принц» он упоминается в «Листригонах» Куприна, стихотворении Бродского «Новый Жюль Верн» («Капитан, в этих местах затонул “Черный Принц” при невыясненных обстоятельствах»), ему посвящена одноименная поэма Николая Асеева. Впрочем, история корабля, груженного золотом, будоражила воображение не одних лишь поэтов. В 1923 г. по приказу Генриха Ягоды для подъема «Принца» была создана Экспедиция подводных работ особого назначения (ЭПРОН) при ГПУ; правда, найти «Принца» и мифическое золото так и не удалось.

В тот же шторм, когда погиб «Принц», французы потеряли «Генриха IV». После этого французское правительство обратилось к директору Парижской обсерватории Урбену Леверье (он еще появится на страницах этой книги) с просьбой прояснить обстоятельства развития балаклавского шторма. Для математика уровня Леверье это не было сложной задачей. Он запросил европейских метеорологов, выяснил, что шторм зародился за несколько дней до трагедии и, прежде чем дойти до Балаклавской бухты, пересек все Черное море. Стало ясно, что, будь в распоряжении моряков оперативные сводки погоды, беды бы не случилось. Леверье доложил французскому правительству о необходимости создать сеть метеорологических станций, данные с которых с помощью телеграфа должны были оперативно поступать в Париж. В 1856 г. план Леверье был реализован – во Франции появилась служба погоды. А после окончания Крымской войны в 1857 г. служба погоды стала международной.

Одной из первых национальных метеослужб стал британский метеорологический департамент, созданный в 1854 г. при Министерстве торговли. Его возглавил адмирал Роберт Фицрой (рис. 1.3). Толчком к развитию синоптической метеорологии стала трагедия. 26 октября 1859 г. клипер «Роял Чартер», завершавший двухмесячный рейс из Мельбурна в Ливерпуль, попал в двенадцатибалльный шторм и разбился о скалы неподалеку от порта назначения. Катастрофа унесла 459 жизней. Большую часть пассажиров составляли рабочие австралийских золотых приисков. Возможно, если бы не золото, жертв было бы меньше – у некоторых пассажиров тяжелые куски драгоценного металла были вшиты в одежду. На месте кораблекрушения дайверы до сих пор находят золотые самородки. Гибель одного из самых быстроходных судов, оснащенного, помимо парусного вооружения, паровыми двигателями, произвела мрачное впечатление на британское общество. Чтобы предотвратить подобные трагедии, Фицрой создал сеть наблюдательных станций на побережье, связанных телеграфом. Они должны были предупреждать моряков о надвигающейся буре (Burton, 1986).

В России в 1849 г. по указу царя Николая I была создана Главная физическая обсерватория. Ежедневный выпуск бюллетеней погоды она начала с 1872 г.

Итак, мы располагаем непрерывными метеонаблюдениями примерно за полтора века. Причем их трудно назвать исчерпывающими как по количеству параметров, так и по географическому охвату. Ситуация значительно улучшилась с началом космической эры, когда появилась возможность со спутников непрерывно контролировать площадь облаков, размеры ледников, температуру поверхности океана, содержание хлорофилла в морской воде и т. д. Как же узнать о том, что было 200, 300 и более лет тому назад? Ведь без этого невозможно оценить масштаб нынешних климатических изменений и выяснить их причины. Отчасти в этом нам могут помочь исторические документы. Информацию о климате более далекого прошлого можно получить по косвенным данным, исследуя осадочные породы, донные отложения, ледники. Подробнее об этом см. раздел «Элементы климатической науки» в данной главе.

1.2. Радиационный баланс Земли

Изучение климата планеты естественно начать с ее энергетического баланса. Земля получает энергию от Солнца. Тепловой поток из недр Земли невелик, от сотых до десятых долей ватта на квадратный метр. Составляя тепловой баланс, им можно пренебречь; это же касается и космического излучения.

Любое тело является источником электромагнитного теплового излучения. Оно возникает из-за движения атомов и молекул. Длина волны, при которой поток теплового излучения максимален, обратно пропорциональна температуре тела (так называемый закон смещения Вина). То есть чем горячее тело, тем выше энергия теплового излучения. Так, человеческое тело температурой 37 °C излучает в инфракрасном диапазоне с максимумом длины волны около 10 мкм. Именно это позволяет наблюдать людей с помощью приборов ночного видения. Тела с более высокой температурой, например раскаленная лава или лампочка накаливания, излучают в видимом диапазоне. Температура нити накаливания лампочки существенно ниже температуры фотосферы Солнца, потому излучение ее сдвинуто в красную область спектра в сравнении с дневным светом.

Солнечный спектр на границе атмосферы близок к спектру тела с температурой 5250 °C. Мощность солнечного излучения в пересчете на 1 м² на верхней границе атмосферы примерно соответствует мощности электрического чайника (1361 Вт/м²) (Kopp, Lean, 2011). Эту величину называют солнечной постоянной, хотя название вводит в заблуждение – поведение Солнца не столь уж постоянно (об этом – в главе 4). Площадь поперечного сечения планеты в четыре раза меньше площади ее поверхности (πR² и 4πR² соответственно). Если пересчитать энергию, приходящую от Солнца, на всю поверхность планеты, получится около 340 Вт/м².

Около 30 % солнечной энергии отражается облаками, поверхностью Земли и рассеивается атмосферой обратно в космос. Остальные 70 % передаются климатической системе планеты. Примерно треть этой величины поглощается озоном и водяным паром, капельками воды в облаках и частицами пыли, нагревая атмосферу (рис. 1.4), а две трети – поверхностью Земли. Эта энергия передается атмосфере путем конвекции, затрачивается на испарение воды (скрытое тепло) и испускается в виде теплового излучения в инфракрасном диапазоне. Упрощенная картина радиационного баланса поверхности Земли, ее атмосферы и планеты в целом представлена на рис. 1.4.

Мы знаем, сколько энергии Земля получает от Солнца (0,7 · 340 = 238 Вт/м²). Любой бюджет должен быть сбалансирован – это необходимо для поддержания постоянных условий, в нашем случае – для сохранения постоянной температуры. Значит, столько же энергии Земля отдает в космическое пространство в виде длинноволнового излучения. Зная поток излучения, можно рассчитать⁹ среднюю температуру земной поверхности. Расчет дает величину минус 19 °C. В действительности же температура гораздо выше, около +14 °C. Это происходит оттого, что атмосфера, подобно одеялу, задерживает тепло Земли. Она пропускает коротковолновое излучение Солнца внутрь и не выпускает длинноволновое излучение Земли наружу. Поглощая длинноволновое излучение, атмосфера, переизлучает его во всех направлениях, в том числе и в обратном. Это естественное явление называется парниковым эффектом. Поглощают инфракрасное излучение в основном водяной пар и углекислый газ, в меньшей степени – озон, метан, закись азота. Газы, молекулы которых состоят из двух одинаковых атомов, в том числе основные компоненты атмосферы (N₂, O₂), прозрачны для инфракрасного излучения. На Венере, где атмосфера в 93 раза плотнее земной и состоит почти полностью из углекислого газа, температура благодаря парниковому эффекту достигает почти 500 °С!

Рис. 1.4. Радиационный баланс Земли. Подробнее см. (Kiehl, Trenberth, 1997)

1.3. Состав и строение атмосферы

Газовая оболочка Земли – атмосфера – удерживается силой тяготения. Плотность и давление воздуха с высотой уменьшаются примерно по экспоненциальному закону. Четкой границы между атмосферой и космическим пространством нет, обычно за толщину атмосферы принимают высоту в 100 км.

Атмосфера нашей планеты состоит преимущественно из азота и кислорода. Третий по распространенности компонент – инертный газ аргон. В значительно меньших количествах содержатся углекислый газ, неон, гелий, метан, криптон, водород и закись азота, монооксид углерода (табл. 1.1). Кроме того, воздух может содержать до 5 % по объему паров воды¹⁰.

Газовый состав атмосферы сформировался в результате ее эволюции; об этом будет более подробно рассказано в главе 3. Состав воздуха в масштабах нашей жизни можно считать постоянным. Большинство компонентов находятся в динамическом равновесии – сколько убывает, столько же и пополняется за счет тех или иных процессов. Исключение составляют лишь те, количество которых быстро растет в результате хозяйственной деятельности человека; в первую очередь это углекислый газ и метан.

Основной источник метана – болота и тундра; образуется он при бактериальном разложении органического вещества в анаэробных условиях. Антропогенные источники атмосферного метана – это в основном сельское хозяйство и добыча нефти и газа. В морской воде метан практически не растворяется, а выводится из атмосферы за счет фотохимического окисления.

Основные компоненты атмосферы – азот и кислород – имеют биогенное происхождение. Кислород образуется при фотосинтезе, азот – в результате бактериального восстановления нитратов. Аргон образуется в основном в результате радиоактивного распада калия-40, гелий – при распаде урана и тория. Вулканы выбрасывают диоксиды углерода и серы, хлороводород, фтороводород и другие газы. Некоторые компоненты, например, озон, образуются in situ¹¹, то есть в результате процессов в самой атмосфере.

Помимо компонентов, перечисленных в таблице 1.1, в атмосфере присутствуют многие вещества в следовых количествах: углеводороды (помимо метана), перекись водорода (H₂O₂), формальдегид (HCOH), оксиды азота (NO_x), аммиак (NH₃), диметилсульфид (CH₃SCH₃), сероводород (H ₂S), сероуглерод (CS₂), гидроксильные (OH·) и супероксидные радикалы (HO₂·), пары ртути, радиоактивные инертные газы, в том числе радон, и многое другое. И хотя этих компонентов крайне мало в сравнении с основными, они могут существенно влиять на химические и физические процессы в атмосфере. Например, реакции с гидроксильными радикалами являются основным механизмом выведения из атмосферы большинства микрокомпонентов, того же метана. Радиоактивные инертные газы могут менять электропроводность атмосферы, влияя тем самым на количество гроз.

Таблица 1.1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СУХОГО ВОЗДУХА

¹ ppm – частей на миллион (part per million), ppb – частей на миллиард (part per billion).

² При изучении поведения различных веществ в природе геохимики часто используют понятие времени пребывания. Под временем пребывания некоего компонента в некоторой системе обычно понимают отношение общего количества компонента в системе к скорости его выведения, или, что то же самое – к скорости поступления, если условия можно считать стационарными. Для ясности приведем пример. На химическом факультете университета обучаются 1300 студентов. В этом году было выпущено 258 специалистов. Получаем время пребывания студента в университете 1300/258≈5 лет. При этом кто-то мог учиться восемь лет, а кого-то отчислили в первую сессию. Этот расчет справедлив для стационарных условий. Если проводится реформа образования и срок обучения неожиданно увеличивается до 6 лет, или меняется план приема, он даст неверный результат.

Кроме обычного кислорода, состоящего из двухатомных молекул, в воздухе есть озон – модификация кислорода, состоящая из трехатомных молекул (O₃). Его количество крайне невелико – до 0,1 ppm, но он имеет важнейшее значение для радиационного баланса планеты и стратификации атмосферы. Озоновым слоем называют слой стратосферы на высоте 15–30 км, содержащий наибольшее количество озона – до нескольких ppm. Если бы весь озон атмосферы можно было бы собрать в одном слое, то толщина его при нормальном давлении составила бы 3 мм. В реальности он, конечно, не образует отдельного слоя и смешан с другими газами.

В стратосфере озон образуется при воздействии ультрафиолетового излучения на двухатомные молекулы кислорода:

O₂ → 2O· (1)

O₂ + O· → O₃ (2)

Поглощая ультрафиолет в области спектра 200–300 нм, озон снова расщепляется на атом и молекулу кислорода:

O₃ → O₂ + O· (3)

Атом кислорода, образовавшийся в реакции (3), снова взаимодействует с молекулой O₂ по реакции (2). Тем самым баланс озона восстанавливается, а энергия ультрафиолета превращается в кинетическую энергию молекул газа, то есть в тепло.

Распадается озон в результате взаимодействия с атомарным кислородом:

O₃ + O· → 2O₂ (4)

Озон разрушают оксиды азота, а также соединения галогенов, в частности фреоны. Распад озона под действием фреона можно описать так:

CF₃Cl → CF₃· + Cl· (5)

Cl· + O₃ → ClO· + O₂ (6)

ClO· + O₃ → Cl· + 2O₂ (7)

Содержание озона в стратосфере меняется в зависимости от широты и сезона. Локальное снижение концентрации озона называют озоновой дырой. Считается, что ее появление связано с антропогенными загрязнителями, разрушающими озон, в частности, с фреонами (реакции 5–7). Самая большая из озоновых дыр расположена в высоких широтах в Южном полушарии.

Именно поглощение озоном ультрафиолета приводит к появлению максимума температуры на высотах около 50 км. Вертикальное распределение температуры в атмосфере позволяет выделить в ней несколько слоев – тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (рис. 1.5). Границу раздела тропосферы и стратосферы называют тропопаузой. Большая часть процессов, определяющих погоду на поверхности Земли, происходит в тропосфере, где сосредоточено 80 % всей массы атмосферы. Именно тропосфера является областью турбулентного перемешивания, и в ней происходит перенос тепла из тропических широт в полярные. В тропосфере температура с высотой быстро снижается, примерно на 6,5 °C на 1 км. Это происходит потому, что с высотой давление падает.

В стратосфере температура с высотой, наоборот, увеличивается. Поэтому грозовые облака, достигающие верхней границы тропосферы, преодолеть тропопаузу не могут и начинают расти в ширину, приобретая характерную форму наковальни. Нагрев стратосферы обусловлен поглощением озоном в ультрафиолетовой области; в термосфере температура снова растет, но уже из-за других процессов: в основном из-за поглощения экстремального ультрафиолета (Extreme Ultraviolet – XUV) и рентгеновского излучения. Эти виды излучения обладают достаточно высокой энергией для того, чтобы вызвать фотодиссоциацию (расщепление молекул на атомы) и фотоионизацию (выбивание электронов) основных компонентов воздуха.

1.4. Климатическая система

Когда мы говорим о климате, мы подразумеваем в первую очередь состояние атмосферы, точнее, ее нижнего слоя – тропосферы. Это неудивительно, поскольку воздух и есть наша среда обитания, а поверхности Земли мы касаемся лишь подошвами ног. Атмосфера постоянно обменивается энергией и веществом с гидросферой, сушей, криосферой и биосферой (рис. 1.6). Вместе они образуют климатическую систему. Атмосфера является самой динамичной составляющей климатической системы, поскольку обладает относительно небольшой массой и низкой теплоемкостью. Поэтому она реагирует на внешние изменения быстро – от нескольких часов до недель.

Изменения в океане происходят гораздо медленнее, чем в атмосфере. Это вполне объяснимо: его масса примерно в 250 раз больше, а теплоемкость воды в 4 раза больше теплоемкости воздуха. Время реакции поверхностного слоя океана на внешние воздействия составляет от нескольких дней до месяцев, изменения в глубинных водах требуют сотен лет. Океан хранит огромный запас тепла и служит своего рода буфером, смягчающим сезонные изменения температуры воздуха.

Океан, в отличие от атмосферы, греется с поверхности. Большая часть солнечного тепла поглощается несколькими сантиметрами воды. Волны и ветер перемешивают верхний слой воды примерно до сотни метров. В итоге на поверхности образуется более теплый слой с меньшей плотностью. Он накрывает океан своеобразной крышкой и затрудняет вертикальное перемешивание. Слой, разделяющий теплые поверхностные и глубинные холодные воды, называется термоклином. В нем с глубиной резко меняется температура воды (рис. 1.7). С температурой и соленостью связана плотность морской воды. Слой, в котором плотность резко меняется, называется пикноклином.

Кроме того, океан содержит колоссальные запасы растворенного углекислого газа. Поглощая CO₂ из атмосферы и выделяя его, океан также влияет на климат. Важнейшую роль в этом процессе играет биота океана, усваивающая углерод в процессе фотосинтеза.

Атмосфера и океан находятся в постоянном движении. Главная причина этого движения – различия в количестве энергии, получаемой Землей в районе экватора и в высоких широтах. Циркуляция атмосферы и океана играет роль отопительной системы, перенося тепло из низких широт к полюсам.

Суша греется и отдает тепло быстрее, чем океан, и запасает тепла гораздо меньше. Основная причина заключается в том, что в океане тепло быстро распределяется в пределах перемешанного слоя, в то время как суша прогревается вглубь на 1–2 м. Это приводит к разнице температуры воздуха над сушей и над океаном и влияет на циркуляцию атмосферы. Сезонные перепады температур в Северном полушарии выражены сильнее, чем в Южном, потому что площадь суши там значительно больше.

Облик нашей планеты – соотношение континентов и океанов, высота горных хребтов и их расположение, рельеф дна, глубина проливов – сильнейшим образом влияет на климат: на распределение тепла по поверхности планеты, циркуляцию вод океана, движение воздушных масс.

Суша, океан и биосфера могут воздействовать на климатическую систему через образование аэрозолей (рис. 1.8). Пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности океана, образуют мельчайшие капельки воды. Когда вода испаряется, в воздухе остаются частички соли. Другие источники аэрозолей – пылевые бури, лесные пожары и вулканы, а также транспорт и промышленность. Они влияют на радиационный баланс планеты, поскольку могут отражать, рассеивать и поглощать солнечный свет. Также аэрозоли играют важную роль в формировании облаков, поскольку аэрозольные частицы могут выступать в роли ядер конденсации.

Рис. 1.8. Миллионы тонн пыли из Сахары переносятся ежегодно ветром через Атлантику (Yu et al., 2015). Содержащийся в пыли фосфор – ценное удобрение для лесов Амазонки. Приведенный пример является прекрасной иллюстрацией того, что в климатической системе все взаимосвязано. Аэрозоли также поглощают и рассеивают солнечное излучение и служат ядрами конденсации водяных капель, способствуя образованию облаков. На фото – пыль из Сахары над Канарскими островами. Источник изображения: NASA

Важнейшую роль в климатической системе играют снег и лед – в первую очередь за счет высокой отражающей способности или, как говорят климатологи, высокого альбедо¹² (рис. 1.9). Ледяные шапки полярных широт медленно меняются в течение тысяч и десятков тысяч лет; горные ледники реагируют на внешние воздействия быстрее – от 10 до 100 лет. Площадь снежного покрова и морских льдов может существенно меняться за дни и недели. Снег, выпавший на сушу, может лежать всю зиму. В Северном полушарии площадь суши значительно больше, поэтому в целом на планете площадь снежного покрова удваивается от августа к декабрю (Bradley, 2015). Морские льды также влияют на климат, затрудняя перенос тепла из относительно теплого океана в атмосферу и сохраняя Арктику холодной.

Биосфера – также важнейший компонент климатической системы. Леса составляют около трети площади суши и существенно влияют на альбедо Земли и на скорость испарения влаги. И что для нас особенно важно – растения влияют на состав атмосферы, захватывая углекислый газ и выделяя кислород. Именно присутствие живых организмов создало кислородную атмосферу на планете, а не наоборот. Растительность реагирует на изменения влажности и температуры довольно быстро – от нескольких часов до столетий.

Предположим, что по каким-то причинам возник дисбаланс¹³ между приходом и расходом энергии в климатической системе. Например, энергии стало поступать больше или уходить чуть меньше. Казалось бы, Земля немного нагреется и станет излучать больше энергии в пространство. В итоге радиационный баланс восстановится, но уже на другой ступеньке. Однако простые ответы не всегда правильные. Может случиться так, что климатическая система отреагирует на воздействие более сложным, нелинейным образом.

Когда происходит какое-либо изменение в балансе энергии, в климатической машине включаются механизмы положительного или отрицательного отклика, или обратной связи (рис. 1.10). Так, повышение температуры приводит к сокращению ледяного и снежного покрова. Альбедо Земли уменьшается, энергии поглощается больше, от этого становится еще теплее. И наоборот – при похолодании льды в полярных областях наступают, Земля отражает больше света, и холодает еще сильнее. Это работает положительная обратная связь лед – альбедо. Потепление приводит к таянию многолетней мерзлоты. При этом высвобождаются парниковые газы – CO₂ и метан. Они, в свою очередь, усиливают потепление. Это еще один пример положительного отклика, хотя ничего хорошего в этом, безусловно, нет – положительные обратные связи раскачивают климатическую систему, усиливая первоначальное воздействие. Отрицательные обратные связи, напротив, стабилизируют ситуацию. Так, с ростом температуры вода океана испаряется сильнее, растет площадь облаков, а они отражают солнечные лучи, охлаждая планету. Еще один пример отрицательной обратной связи – рост содержания углекислого газа в атмосфере идет на пользу растениям, которые, в свою очередь, эффективнее его утилизируют, возвращая систему в исходное состояние. Подобных обратных связей в климатической системе множество: проще говоря, все связано со всем. Многие из них изучены недостаточно.

Рис. 1.10. Пример системы с обратной связью. Отрицательная обратная связь: в котелке вода. При слишком бурном кипении она перельется через край, и огонь станет слабее. Положительная обратная связь: в котелке масло или керосин. Положительные обратные связи в технике – кошмар любого инженера. Именно их наличие в конструкции атомного реактора стало причиной катастрофы на Чернобыльской АЭС

1.5. Циркуляция атмосферы

Не существует на нашей планете Северного и Южного ветров, играющих сколько-нибудь важную роль. Северные и Южные ветры – лишь маленькие принцы тех династий, которые делают погоду на море. Они никогда не претендуют на господство на обширных пространствах. Они зависят от местных условий – конфигурации берегов, формы проливов, опасных мест у неприступных мысов, где они разыгрывают свою второстепенную роль. В государстве ветров, как и среди народов земного шара, настоящая борьба происходит лишь между Востоком и Западом¹⁴.

Джозеф Конрад. Зеркало морей

Как уже было сказано, движение атмосферы возникает вследствие неравномерного нагрева земной поверхности. Из-за сферической формы Земли в тропиках на единицу площади приходится больше солнечной энергии, чем в высоких широтах. Кроме того, в районе полюсов солнечные лучи проходят больший путь в атмосфере, прежде чем достигнут поверхности планеты, а значит, рассеиваются сильнее. Неравномерный нагрев приводит к неравномерному распределению атмосферного давления. Разница давлений (барический градиент) заставляет двигаться воздушные массы. Однако вращение Земли существенно влияет на это движение. Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим простой пример.

Зоя и Нина катаются на карусели. Зоя стоит в центре, а Нина – на краю. Зоя бросает мяч в сторону Нины. Мяч летит прямо. Но Нина не поймает его. Пока мяч летел, карусель крутилась, и Нина сместилась (рис. 1.11). Никакая дополнительная сила на мяч не действовала, он просто летел прямо, своей дорогой. Это площадка карусели уходила из-под него. Но с точки зрения Нины, вращающейся вместе с каруселью, траектория мяча оказалась искривленной.

Живя на поверхности вращающейся планеты, мы не сильно отличаемся от девочек на карусели; разница лишь в том, что мы привыкли к этому движению и не осознаем его.

Эффект искривления траектории движения тел с точки зрения наблюдателя, находящегося во вращающейся системе отсчета, называется эффектом Кориолиса. Иногда для удобства считают, что система неподвижна, и вводят дополнительную фиктивную силу, называемую силой Кориолиса. Сила фиктивна, но ее проявления в нашем вращающемся мире вполне реальны. Эффект и сила названы в честь французского математика Гюстава Гаспара де Кориолиса (1792–1843).

Если объект движется в Северном полушарии с севера на юг, он отклоняется к западу. Это происходит потому, что Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток. Очевидно, что точки на экваторе вращаются быстрее, чем точки, расположенные ближе к полюсам. Если движение происходит с юга на север, то отклонение происходит на восток, то есть в любом случае вправо.

Отклоняются объекты, движущиеся не только в меридиональном, но и в любом другом направлении. Не отклоняются лишь те, что движутся вдоль экватора. Действует универсальное правило: в Северном полушарии движущиеся объекты отклоняются вправо, в Южном – влево.

Атмосфера нагревается снизу, тепло она получает главным образом от поверхности суши или океана. В районе экватора, где поток солнечной энергии наибольший, воздух нагревается наиболее сильно, становится менее плотным и поднимается вверх. Так формируется зона пониженного давления в районе экватора, называемая внутритропической зоной конвергенции. Поднявшись до границы тропосферы, воздух не может преодолеть ее и движется в направлении полюсов, причем сила Кориолиса отклоняет его в восточном направлении. Воздух постепенно теряет тепло, излучая его в пространство. Остыв, он тяжелеет и опускается вниз, образуя зоны высокого давления по обе стороны от экватора в субтропиках, примерно на 30-м градусе широты. Так в атмосфере образуется тропическая ячейка циркуляции, или ячейка Хэдли (рис. 1.12), названная в честь английского ученого Джорджа Хэдли (1685–1768), искавшего причину пассатных ветров. Восходящей ветви ячейки Хэдли соответствует зона влажных экваториальных лесов, в нисходящей расположена большая часть пустынь (Сахара, Намиб, Австралийская пустыня, пустыни юга США). Это происходит потому, что в районе экватора влажный воздух поднимается, влага конденсируется и проливается дождями. Затем уже утративший влагу воздух движется от экватора. Когда воздух опускается, он нагревается и становится еще более сухим.

Рис. 1.12. Упрощенная схема крупномасштабной циркуляции атмосферы. Вращение Земли вокруг оси приводит к формированию трех ячеек циркуляции в каждом полушарии. Это затрудняет эффективный перенос тепла от экватора к полюсам. В реальности картина существенно сложнее, в частности из-за неравномерного нагрева суши и океана

У поверхности Земли тропическая циркуляция образует постоянную систему ветров, дующих из области высокого давления в субтропиках в зону низкого давления в районе экватора и благодаря эффекту Кориолиса отклоняющихся на запад. Эти ветра называются пассатами. Они дуют постоянно между 15 и 10 градусами с северо-востока в Северном полушарии, и с юго-востока – в Южном. Вблизи 30-го градуса широты в районе нисходящей ветви ячейки Хэдли над океаном формируются зоны высокого давления – здесь преобладают субтропические антициклоны. В центрах антициклонов, как правило, наблюдается безветренная погода. В эпоху парусных кораблей моряки называли эти широты конскими, потому что корабли, перевозившие лошадей через Атлантику, часто попадали в штиль в этих широтах и из-за нехватки воды и корма были вынуждены выбрасывать лошадей за борт. Штилевой пояс также располагается в районе экватора во внутритропической зоне конвергенции.

В высоких широтах формируется полярная ячейка циркуляции с нисходящей частью у полюсов и восходящей – в субполярных широтах около 60°. Между ней и ячейкой Хэдли иногда изображают ячейку с обратным направлением циркуляции – ячейку Ферреля, но она значительно менее выражена, чем тропическая и полярная ячейки. В умеренных широтах преобладают западные ветра, не столь устойчивые по силе и направлению, как пассаты.

1.6. Океан в движении

Движение вод в океане вызвано тремя причинами: силами тяготения Луны и Солнца; ветрами; различиями в плотности вод, которая зависит от солености и температуры.

Когда ветер дует над поверхностью океана, он приводит в движение и поверхностный слой воды. Вода движется медленнее, чем ветер. Если бы Земля при этом не вращалась, то движение воды по направлению совпадало бы с ветром. Но сила Кориолиса отклоняет воду вправо от направления ветра в Северном полушарии и влево – в Южном.

Это явление обнаружил норвежский полярный исследователь Нансен во время знаменитого дрейфа «Фрама». Он заметил, что движение корабля, вмерзшего в дрейфующий лед, отклоняется вправо на 20–40° от направления ветра. Объяснение этому явлению дал шведский океанолог Вагн Экман (1874–1954). Поверхностный слой воды приводится в движение ветром. Движется он медленнее, чем ветер, а значит, отклоняется силой Кориолиса сильнее. Верхний слой воды приводит в движение слой нижележащий, тот – следующий, благодаря чему отклонение от первоначального направления с глубиной усиливается (рис. 1.13).

До глубины 100–150 м спираль Экмана делает примерно пол-оборота. Здесь направление движения воды противоположно направлению на поверхности, но скорость уже слишком мала – около 4 % от поверхностной. Результирующий перенос воды происходит под углом 90° к первоначальному направлению ветра.

Энергия ветра передается лишь верхним 100–200 м воды. Однако экмановский перенос приводит к тому, что в некоторых зонах океана происходит подъем уровня поверхности, в других, напротив – понижение (рис. 1.14). Разность уровней приводит к перепаду давлений и, как следствие, к движению воды. Градиент давления уравновешивается силой Кориолиса, и движение воды происходит вдоль линий, соединяющих точки с равной высотой, – такое течение называется геострофическим. К геострофическим близки по природе основные течения Мирового океана, такие как Гольфстрим, Куросио, Агульяс, Антарктическое циркумполярное и другие. Геострофические течения достигают глубин до 2 км.

Экмановский перенос в сочетании с влиянием континентов приводит к образованию замкнутых систем циркуляции в океанах (рис. 1.15). В центре океанических круговоротов уровень поверхности повышается примерно на 1 м относительно среднего уровня. Вода движется по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой – в Южном. Западная часть системы круговоротов, называемая западными пограничными течениями, переносит теплую воду от экватора в более высокие широты. К ним относятся упомянутые выше Гольфстрим, Куросио, Агульяс. Западные пограничные течения более быстрые, узкие и глубокие, чем восточные. Асимметрия возникает из-за вращения Земли. Средняя скорость Гольфстрима 6,4 км/ч, ширина около 100 км. Гольфстрим переносит в 100 раз больше воды, чем все реки планеты. В действительности схема океанских течений выглядит существенно сложнее, чем показано на рис. 1.15, так как движение океана – процесс хаотический, в нем возникают меандры и вихри (рис. 1.16). Иногда они могут достигать сотен километров в диаметре и существовать до нескольких лет.

В центрах основных круговоротов Мирового океана скапливается дрейфующий мусор, поступающий с континентов. На акватории в 1,6 млн км² (это примерно 1/10 часть площади России) плавает около 100 тыс. т пластика. Почти наполовину этот мусор состоит из рыбацких сетей. Большая часть выловленных пластиковых объектов имеет маркировку на японском (30 %) и китайском (30 %) языках.

В апреле 2011 г. после землетрясения Тохоку, цунами и взрыва на Фукусиме автор этой книги в составе экспедиции на научно-исследовательском судне «Павел Гордиенко» на Дальнем Востоке изучал радиоактивное загрязнение акватории и атмосферы. За сотню миль за Сангарским проливом море было покрыто следами недавней трагедии: плавали куски пенопласта, покрышки, сколоченные между собой доски, резиновые мячики, ящики от шкафов. Скорее всего, часть этого мусора плавает и сейчас, пополнив Большое Тихоокеанское мусорное пятно – крупнейшее из скоплений мусора в Мировом океане. Землетрясение Тохоку вызвало увеличение площади пятна на 10–20 % от общего ее прироста с 2011 г. (Lebreton et al., 2018).

Рис. 1.16. Антициклонический вихрь (ринг) в океане размером примерно 150 км хорошо виден благодаря цветению фитопланктона. Он находится примерно в 800 км к югу от Южной Африки. По-видимому, вихрь отделился от течения Агульяс, направленного на юг вдоль восточного побережья Южной Африки. Вихри Агульяс – важная составляющая в переносе энергии и вещества из Индийского океана в Южный. Фото: NASA

Скопления мусора есть и в других круговоротах – в субтропической части Южной Атлантики (Ryan, 2014) и в южной части Тихого океана (Eriksen et al., 2013).

Течения, вызванные ветрами, затрагивают поверхностный слой океана и зону пикноклина (примерно до 1 км в глубину) и приводят в движение лишь небольшую часть (примерно 10 %) вод океана. Помимо ветров и приливных сил, существует еще один важнейший механизм, приводящий в движение весь океан. Это так называемая термохалинная циркуляция, которая связана с различиями в плотности воды из-за перепадов температуры и солености. В этот относительно медленный процесс вовлечена большая часть вод океана. Ключевым регионом, в котором запускается термохалинная циркуляция, является Северная Атлантика. Теплые воды Гольфстрима и его продолжения – Северо-Атлантического течения – движутся на север. Они передают тепло атмосфере, по мере испарения становятся все более холодными и солеными, постепенно тяжелеют и опускаются на глубину.

Почему именно в Северной Атлантике образуются глубинные воды? Это связано с неравномерным распределением соли в водах Мирового океана. Самые соленые поверхностные воды находятся в тропиках (15–30 градусов широты), где испарение превышает выпадение осадков. Оказывается, поверхностные воды в Атлантике существенно солонее, чем в Тихом океане. На одной и той же широте это различие составляет 1–2 г/л! Это результат взаимодействия преобладающих ветров с горными цепями Америки. В умеренных и субтропических широтах естественным барьером на пути западного переноса являются Кордильеры, тянущиеся от Аляски до Огненной Земли. Они не пускают влагу из Тихого океана вглубь континентов. Напротив, влага из Атлантики может проникать в Тихий океан с пассатами, дующими с востока на запад в тропиках, через понижение в центральной части Кордильер в районе Панамского перешейка. В результате влага, испаряющаяся в тропической Атлантике, проливается дождями в тропической части Тихого океана. Поскольку обратный перенос влаги затруднен, формируется разница в солености между Тихим и Атлантическим океанами. Эта разница и служит тем мотором, что приводит в движение глубинные воды Мирового океана. Работа его возможна лишь благодаря относительно небольшому разрыву в горной системе Кордильер.

В северной части Тихого океана глубинные воды не образуются – поверхностные воды здесь слишком распресненные, чтобы опуститься на дно. В Индийском океане они слишком теплые.

Важнейшую роль в циркуляции вод играет Южный океан. Через него глубинные воды Атлантики достигают Тихого океана. В Южном океане также происходит образование глубинных вод: в море Уэдделла в атлантическом секторе Антарктики и в море Росса (Rahmstorf, 2006). Механизм образования глубинных вод здесь иной. Когда море замерзает, растворенная соль большей частью вытесняется изо льда в воду. Это было хорошо известно полярным путешественникам прошлого, которые использовали многолетние морские льды как источник пресной воды. Поэтому при образовании морских льдов формируются тяжелые, обогащенные солью массы воды. Они опускаются вниз и заменяются менее плотными, тем самым внося вклад в циркуляцию океана (Kuhlbrodt et al., 2007). Важную роль в формировании глубинных вод в Южном океане играют полыньи, образующиеся под действием ветра, – через них происходит интенсивная потеря тепла. В Южном океане образуется примерно половина глубинных вод.

Термохалинная циркуляция – физический механизм, а не реально наблюдаемый процесс. Ее нельзя считать отдельным видом движения океана. Именно сочетание термохалинной циркуляции с поверхностными течениями и подъемом глубинных вод, так называемым апвеллингом¹⁵, приводит к запуску Большого океанического конвейера, то есть к вентилированию всей водной толщи Мирового океана (рис. 1.17). Определение радиоуглерода в морской воде (подробнее см. главу 2) показало, что время жизни глубинных вод достигает 1 тыс. лет. Это среднее время, которое каждая частичка воды проводит в толще, прежде чем апвеллинг поднимет ее на поверхность.

1.7. Хаос в климатической системе: бабочка Лоренца против демона Лапласа

Она упала на пол – изящное маленькое создание, способное нарушить равновесие, повалились маленькие костяшки домино… большие костяшки… огромные костяшки, соединенные цепью неисчислимых лет, составляющих Время¹⁶.

Рэй Брэдбери. И грянул гром

Эдвард Лоренц (рис. 1.18) составлял прогнозы погоды для авиации США. После Второй мировой войны он продолжал работать по заказам военного ведомства и одним из первых начал использовать математические модели для прогнозирования погоды. В его распоряжении был компьютер LGP-30. Это была новинка, она весила более 300 кг и стоила целое состояние – почти полмиллиона долларов на нынешние деньги. Начинку компьютера составляли сто с лишним радиоламп.

Лоренц описывал состояние атмосферы системой дифференциальных уравнений. Он задавал начальные условия, и компьютер рассчитывал, как будут меняться параметры системы со временем. Однажды он решил повторить расчеты погоды на два месяца вперед и ради экономии времени сделал это не с текущей, а с другой даты и ввел в качестве исходных данных цифры из распечатки, сделанной ранее компьютером. Лоренц с удивлением обнаружил, что машина при повторном вычислении выдала уже другой результат. Причем в первые четыре дня старый и новый график шли одинаково, затем они полностью разошлись. Лоренц не сразу догадался, в чем дело. Результаты выводились на печать с тремя цифрами после запятой, тогда как компьютер оперировал шестью знаками. Округлив число до третьего знака, Лоренц задал системе новые начальные условия, пусть незначительно, но отличающиеся от прежних. И это мельчайшее различие со временем полностью изменило результат.

Компьютер преподал исследователю урок: если состояние атмосферы описывается подобной системой уравнений, то долгосрочный прогноз в принципе невозможен. И не важно, сколько станций наблюдает за погодой, какие суперкомпьютеры применяются для обработки данных.

Из эксперимента следовали и более общие выводы. Выходило, что система, пусть даже однозначно заданная несколькими уравнениями, может вести себя хаотически. Согласно Лоренцу, хаосом называется нерегулярное, случайное поведение систем, в то же время детерминированных по сути. Сам он сформулировал это так (Lorenz, n. d.):

«Хаос – это когда настоящее определяет будущее, но приблизительное настоящее не определяет будущего даже приблизительно».

Коллеги к открытию Лоренца отнеслись скептически (Lorenz, 1963):

«Один метеоролог сказал мне, что если бы теория была верна, то одного взмаха крыльев чайки было бы достаточно, чтобы изменить погоду навсегда. Спор не решен окончательно, но самые последние данные, похоже, говорят в пользу чаек».

Позже Лоренц назвал одно из своих выступлений «Предсказуемость: может ли взмах крыльев бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?». Лоренц не дает прямого ответа на этот вопрос. Метафора же бабочки, сменившей чайку, восходит к рассказу Рэя Брэдбери «И грянул гром». В мезозое гибнет бабочка – и вот уже в современном мире вместо президента-либерала к власти приходит диктатор. Выражение «эффект бабочки» принадлежит популяризатору теории хаоса Джеймсу Глейку, автору бестселлера «Хаос. Создание новой науки».

Лоренц в публичных выступлениях любил цитировать стихотворение:

 
Не было гвоздя —
Подкова
Пропала.
 
 
Не было подковы —
Лошадь
Захромала.
 
 
Лошадь захромала —
Командир
Убит.
 
 
Конница разбита —
Армия
Бежит.
 
 
Враг вступает в город,
Пленных не щадя,
Оттого, что в кузнице
Не было гвоздя¹⁷.
 

Всякий раз Лоренц делал оговорку – в мире хаоса пропавший гвоздь мог бы равновероятно привести и к трагическим, и к счастливым последствиям.

Это стихотворение куда старше теории хаоса – ему несколько столетий. Множество книг и фильмов обыгрывают ситуации, в которых, казалось бы, незначительные события приводят к грандиозным последствиям. Здесь можно вспомнить, например, Аннушку, разлившую подсолнечное масло. Она выступает как проводник хаоса. В то же время сам Булгаков является приверженцем детерминизма, и случайности у него – часть высшего замысла: «Меркурий во втором доме, Луна ушла…», «Кирпич ни с того ни с сего <…> никому и никогда на голову не свалится». И даже если большинство из нас придерживается иной точки зрения и принимает как должное проявления хаоса в повседневности, то в мире физических явлений мы все же не готовы с этим мириться. Еще со школьных задач, в которых поезд идет из пункта А в пункт Б, мы привыкли считать, что строгие, не знающие исключений законы определяют траектории объектов физического мира. Одним из апологетов детерминизма был маркиз де Лаплас. В работе «Аналитическая теория вероятностей» он писал:

«Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие его прошлого и причину его будущего. Разум, которому в каждый определенный момент времени были бы известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел, из которых она состоит, будь он также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайшего атома; для такого разума ничего не было бы неясного, и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое».

Позже этот гипотетический разум назвали демоном Лапласа. Возможно, к своим взглядам Лаплас пришел, исследуя движение планет в Солнечной системе, казавшееся ему образцом гармонии. Маркиз бы, наверное, расстроился, узнав, что и движение планет хаотично.

Теория хаоса положила конец детерминизму. Оказалось, что значительная часть явлений нашего мира в принципе не может быть просчитана наперед. Главный вывод Лоренца в целом неутешителен (Lorenz, 1991):

«К сожалению, признавая систему хаотической, мы не узнаем того, чего хотели. И не можем предвидеть будущего поведения системы. Но этот факт говорит нам о том, что существует граница нашего предвидения, хотя и не известно, где именно она находится. Пожалуй, лучший совет, который может дать нам “теория” хаоса, – не делать поспешных выводов; неожиданности могут быть частью совершенно нормального поведения».

В качестве примера Лоренц рассмотрел (Lorenz, 1963) систему дифференциальных уравнений, упрощенно описывающих конвекцию в атмосфере:

Здесь x, y, z – переменные, описывающие состояние системы; t – время, независимая переменная; σ, ρ, β – числовые параметры. Каждому состоянию системы для определенного набора параметров σ, ρ, β соответствует набор значений (x, y, z) – точка в трехмерном пространстве. Изменение системы будет описываться трехмерной кривой, известной как аттрактор Лоренца (рис. 1.19). Аттрактор Лоренца наглядно демонстрирует поведение лоренцевской системы. В течение длительного времени система ведет себя квазипериодическим образом, а затем без видимой причины неожиданно переходит в другое состояние. В реальном мире подобной модели могут соответствовать два различных состояния климата, переход между которыми происходит резко и непредсказуемо.

Рис. 1.19. Так выглядит детерминированный хаос. Аттрактор Лоренца – решение приведенных выше уравнений. Система может существовать в двух состояниях, соответствующих двум спиралям, лежащим в разных плоскостях в трехмерном фазовом пространстве. Переход между состояниями происходит относительно нечасто. По форме аттрактор Лоренца напоминает крылья бабочки

«Порой существуют два разных набора состояний, к которым состояние системы в конечном счете сходится, и возмущения, кажущиеся незначительными, как потеря гвоздя, могут быть достаточными, чтобы направить систему по тому или иному пути» (Lorenz, n. d.).

Открытие Лоренца поставило перед климатологами вопрос о соотношении детерминизма и хаоса в климатической системе. Лоренц построил климатическую модель с 27 переменными и рассчитал изменения средней поверхностной температуры за 400 лет. Расчет показал, что в системе возникали непериодические колебания температуры длительностью в десятилетия и размахом в 2 °С. Результаты моделирования во многом напоминали усредненные глобальные температуры, полученные по результатам измерений (Lorenz, 1991).

В климатической системе мы видим множество проявлений динамического хаоса (рис. 1.20). Колебания могут возникать в ней самопроизвольно, без какого-либо периодически действующего фактора. По-видимому, такова природа колебаний в системе океан – атмосфера с характерными интервалами в несколько лет, среди которых наиболее известный феномен – Эль-Ниньо (Vallis, 1986).

Анализ климата разных эпох приводит к парадоксальному выводу. При одном и том же количестве приходящей энергии климатическая машина может работать в разных режимах, и эти режимы порой могут быть весьма устойчивы. Классический пример – климат плейстоцена (см. главу 2), в котором чередовались ледниковые эпохи и межледниковья. Общее количество солнечной энергии, поступающей на Землю и в ледниковые эпохи, и в межледниковья, было практически одинаковым. Но энергия по-разному перераспределялась по поверхности планеты в течение года, и климатическая система начинала функционировать по-другому. Можно сказать, что она переходила в другое состояние подобно тому, как в разных квантовых состояниях могут существовать объекты микромира. Если же вернуться к бухгалтерским аналогиям, то разные климатические состояния системы будут соответствовать разному распределению расходов между статьями бюджета. На рис. 1.4 это отразится в толщине стрелок и в цифрах над ними. Небольшие внешние воздействия могут сыграть роль спускового крючка, или триггера, толкающего климатическую систему из одного устойчивого состояния в другое; остальное довершат обратные связи.

1.8. Почему климат меняется

Одни и те же области Земли не остаются постоянно либо влажными, либо сухими, но меняют свои свойства в зависимости от появления и иссякания рек. Поэтому и суша, и моря меняются местами, и земля не остается на все времена землей, а море морем, но там, где была суша, возникает море, а где ныне море, там снова будет земля. Однако эти перемены следует представлять себе происходящими в определенном порядке и через определенные промежутки времени. Начало и причина этих перемен в том, что недра земли созревают и старятся, подобно телам растений и животных¹⁸.

Аристотель. Метеорологика. Гл. 14

Многочисленные факты свидетельствуют о том, что климат Земли меняется во всех временных масштабах – от десятков до миллиардов лет (рис. 1.21). Причины этих изменений могут иметь различную природу. К ним можно отнести факторы астрономические, среди которых важнейшим, хотя и наименее для нас заметным, является эволюция Солнца. Как и все звезды, оно проходит свой жизненный цикл и сейчас находится примерно в его середине. За время существования Земли яркость Солнца выросла примерно на 30 %. Другой космический фактор, влияющий на климат, – изменения параметров орбиты Земли под действием силы тяготения тел Солнечной системы. Именно они определяют долгопериодические (от десятков до сотен тысяч лет) колебания климата. О них уже упоминалось во Введении, и подробнее они будут рассмотрены в главе 2. Катастрофические последствия для климата и для жизни на планете имели столкновения с крупными небесными телами – астероидами и кометами, которые неоднократно происходили в истории Земли. Самое крупное из таких столкновений привело к появлению Луны, другое убило динозавров (см. главу 3). До конца еще не ясен механизм и масштаб влияния на климат изменений солнечной активности. Возможно, именно они определяют изменчивость климата в масштабе столетий (см. главу 4). Вполне вероятно, что на климат влияют изменения потока галактических космических лучей, которые, как предполагают, происходят с периодичностью в сотни миллионов лет при движении Солнечной системы сквозь спиральные рукава Галактики.

Рис. 1.21. Характерное время воздействия внешних факторов на климат. Звездная эволюция Солнца происходит медленно, изменения заметны за время, соизмеримое с периодом существования Солнечной системы. Тектоника плит является определяющим фактором для изменений климата в течение миллионов лет и более. Орбитальные параметры Земли меняются циклически с периодичностью в десятки и сотни тысяч лет. Активность Солнца меняется квазипериодически. Помимо 11-летних циклов можно выделить изменения с периодом около одного и двух веков, а также более длительный цикл с периодом около 2000–2500 лет (Usoskin, 2005). Влияние крупных извержений вулканов на климатическую систему может продолжаться несколько лет

В другую группу можно выделить факторы тектонические: дрейф континентов и вертикальные движения земной коры (см. главу 3). Эти процессы постепенно меняют облик планеты: соотношение площадей суши и океана, расположение и размеры континентов, ледников, хребтов и проливов, а значит, и циркуляцию атмосферы и океана. Дегазация недр изменяет состав атмосферы, что неизбежно сказывается на ее температуре. Извержения крупных вулканов приводят к похолоданию за счет выброса аэрозолей, поглощающих и отражающих солнечный свет. Последствия их, как правило, ощущаются в течение нескольких лет. Иногда излияния магмы продолжались миллионы лет и более и могли приводить к длительным изменениям климата.

Тектонические факторы могут зависеть от астрономических. Наиболее наглядным примером здесь служит не Земля, а спутник Юпитера Ио. Это самое вулканически активное небесное тело в Солнечной системе. Недра Ио получают энергию за счет приливных сил – разности в силе притяжения на ближней и дальней от Юпитера сторонах. Чудовищная гравитация деформирует Ио, разогревая ее, подобно тому, как греется кусок пластилина, если его размять руками. На Земле приливные силы практически не влияют на тектоническую активность, но опосредованное влияние астрономических факторов на внутреннюю жизнь Земли более чем вероятно. Уже упоминавшиеся изменения орбитальных параметров управляют ростом ледников и уровнем океана. А значит, синхронно меняется давление на верхний слой мантии, что может влиять на количество магмы, извергающейся в районах срединно-океанических хребтов (Tolstoy, 2015; Crowley et al., 2015; Lund, Asimow, 2011). Есть и более экзотическая гипотеза, что космические лучи провоцируют взрывные извержения вулканов. Ионизация вызывает вскипание перегретой магмы (Ebisuzaki et al., 2011) подобно тому, как заряженные частицы оставляют след в пузырьковой камере¹⁹.

Жизнь на Земле существует, по-видимому, не меньше 3,7 млрд лет. Все это время живые организмы адаптировались к меняющейся внешней среде и в то же время на нее активно воздействовали. Таким образом, историю планеты можно представить как коэволюцию – одновременный процесс трансформации жизни и окружающей среды. В этом контексте надо рассматривать и принципиальные эволюционные изменения (появление фотосинтеза, многоклеточной жизни, «выход» растений на сушу), и массовые вымирания.

Один из частных вопросов, неизбежно возникающих при этом, – влияние живых организмов на климат. Биота традиционно рассматривается как одна из составляющих климатической системы, связанных с другими компонентами многочисленными обратными связями. Однако на длительных временных интервалах эволюцию живых организмов можно рассматривать как независимый фактор, влияющий на климат планеты. Из относительно недавних примеров можно вспомнить появление в результате эволюции растений нового, более эффективного пути фотосинтеза, позволяющего растениям более продуктивно использовать воду и питательные вещества. Этот вид фотосинтеза – C₄-фотосинтез – появился в олигоцене, 35–24 млн лет назад, когда климат стал суше и содержание углекислого газа в атмосфере уменьшилось. Эволюционное преимущество позволило C₄-растениям освоить недоступные другим видам территории, которые иначе превратились бы в пустыни (Sage, 2004). Однако наиболее значительные изменения природной среды под воздействием живых организмов происходили на ранних этапах истории Земли, и реализовывались они через перестройку биогеохимических циклов.

Углерод – основа всего живого. Но в то же время соединения, содержащие углерод (углекислый газ и метан), – парниковые газы, и они являются важнейшим фактором, регулирующим климат (см. главу 2). Совокупность биологически обусловленных процессов – фотосинтеза, дыхания, захоронения органического углерода, осаждения карбонатов – формирует биогеохимический цикл углерода и тем самым контролирует климат планеты. Эти процессы по-разному протекали в разные периоды развития Земли. Эволюция жизни на планете неизбежно означает изменение ее климата. Самой радикальной перестройкой биогеохимических циклов за всю историю Земли стал переход от бескислородных к кислородным условиям. Кислород в атмосфере появился около 2,3 млрд лет назад благодаря фотосинтезирующим цианобактериям. Сам по себе кислородный фотосинтез, по-видимому, возник раньше, время появления его не установлено даже приблизительно. Но поначалу весь образующийся кислород расходовался на окисление восстановительной среды и лишь после этого стал накапливаться в атмосфере. Это событие получило название Великой кислородной революции. Оно стало самым серьезным на планете за всю историю ее существования и имело прямые климатические последствия – на триста миллионов лет Земля покрылась ледяным панцирем (так называемая Земля-снежок; подробнее см. главу 3).

С недавнего времени появился и еще один фактор, влияющий на климат, – хозяйственная деятельность человека. Она приводит к росту содержания углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере (см. главу 5) и, как следствие, к потеплению. Антропогенное преобразование ландшафтов и вмешательство в круговорот воды также существенно влияет на климат.

Истории про климат

Украденный вельбот

На третьем году плавания капитан «Бигля» Прингл Стокс впал в тяжелую депрессию. Его подкосило последнее задание – съемка пустынного и мрачного западного побережья Огненной Земли. «Бигль» проводил все больше времени на якоре, а Стокс фактически устранился от командования кораблем и неделями сидел взаперти в капитанской каюте.

Британская экспедиция под началом Филиппа Паркера Кинга на кораблях «Адвенчер» («Приключение») и «Бигль» («Гончая») занималась съемкой побережья от Монтевидео до острова Чилоэ у берегов Чили. На карту предстояло нанести никак не меньше четырех тысяч миль.

Страны Южной Америки лишь недавно обрели независимость, и англичане стремились усилить влияние на континенте. «Адвенчер» и «Бигль» должны были обеспечивать военное присутствие Британии в неспокойном регионе. Кроме того, воды Южного океана все активнее посещались китобоями, которые нуждались в надежных морских картах. Но дела экспедиции складывались скверно: огнеземельцы украли вельбот, а без него выполнить работу было немыслимо; среди членов экипажа началась цинга. Большую часть времени корабли работали поодиночке и встретились в Порт-Фэмине («порт Голода») в Магеллановом проливе 27 июля 1828 г. Видимо, перспектива продолжения однообразных и изнурительных гидрографических работ была для Стокса совершенно непереносима. 1 августа, запершись в каюте, он выстрелил себе в голову. Как и многие моряки, он оказался неважным стрелком – во всяком случае, пуля застряла в голове, и умер он лишь через 12 дней, до конца оставаясь в сознании.

Начальник экспедиции Кинг хотел передать командование «Биглем» старшему помощнику Стокса Сайрингу, но адмирал Отуэй, командир британской эскадры в Южной Америке, решил иначе. Он назначил на место покойного Стокса Роберта Фицроя – лейтенанта со своего корабля. Можно представить, что чувствовал молодой человек 23 лет, назначенный капитаном при таких обстоятельствах.

Фицрой происходил из аристократического семейства, дед его был премьер-министром, отец – членом парламента. Фицрой окончил Королевский морской колледж в Портсмуте, что было по тем временам делом необычным. Как правило, подготовка офицеров Королевского флота начиналась не в аудитории, а на палубе, нередко в возрасте 8–10 лет. К новому поколению моряков, вступившему в строй уже после наполеоновских войн, на флоте относились предвзято. И теперь Фицрою предстояло наладить отношения с начальником экспедиции, но для начала успокоить команду «Бигля», поскольку моряки верили, что по судну ходит призрак покойного капитана.

Фицрой приступил к съемке побережья Огненной Земли. «Бигль» (242 тонны, около 100 футов в длину, две мачты плюс третья рудиментарная) использовался как база, а большую часть работ выполняли небольшие группы на вельботах. Штурману Марри с матросами была поручена съемка берегов близ мыса Десолейшен (Отчаяния). В срок он не вернулся. Через неделю до «Бигля» добрались трое моряков и сообщили, что вельбот украден туземцами. Без него вернуться на корабль было невозможно; кроме того, с ним исчезли все припасы – мыс вполне оправдал свое название. Моряки все же соорудили подобие лодки из ивовых прутьев и парусины, чтобы вернуться за подмогой. Именно с украденного на мысе Отчаяния вельбота начинается цепь событий, которая определила не только дальнейшую судьбу Роберта Фицроя, но и привела в итоге к появлению теории эволюции – фундамента современного научного мировоззрения.

Фицрой решил во чтобы то ни стало вернуть вельбот. Но после нескольких недель поисков ему удалось найти лишь часть украденных предметов и установить место жительства похитителей. Тогда он решил использовать старый добрый способ, опробованный еще Джеймсом Куком. Вооруженные моряки окружили деревню, но встретили яростное сопротивление огнеземельцев. В жестокой схватке один из туземцев был убит, одиннадцать взяты в заложники. Впрочем, вернуть вельбот все равно не удалось – огнеземельцев ничуть не волновала судьба заложников. Взяв с собой двух пленниц в качестве проводников, Фицрой отправился на берег на поиски вельбота. Он думал, что женщины не убегут – ведь на «Бигле» оставались их дети. Но они убежали. Убежали и мужчины – вплавь с корабля на берег. Фицрой остался без вельбота, но с тремя малолетними огнеземельцами на борту. Молодой капитан был вынужден признать неудачу. Он приказал плотнику строить новый вельбот взамен украденного, а штурману Марри поручил вернуть детей на место. Но 10-летняя девочка не захотела покидать «Бигль», где она была всеобщей любимицей, и ее решили оставить на корабле. Фицрой, конечно, не мог догадываться, что это решение станет для него судьбоносным. Девочка получила имя Фуэгия, в честь своей родины – Тьерра-дель-Фуэго, и фамилию – Баскет (Корзинка) в память о лодке из ивовых прутьев. Фицрой стал учить ее английскому языку.

К этому времени у Фицроя созрел план – вывезти несколько туземцев в Англию, обратить в христианство, дать начальное образование, обучить азам сельского хозяйства и работе с инструментами, а затем вернуть домой. Они передадут навыки соплеменникам, и на Огненной Земле наступит совсем другая жизнь. Фицрой надеялся, что его план поможет в будущем установить контакты с коренными жителями, что облегчило бы англичанам исследование архипелага.

Любой современный антрополог лишь грустно усмехнулся бы, узнай он о планах Фицроя. Но Фицрой был человеком своей эпохи, с иным культурным багажом. Вскоре еще трое молодых туземцев появились на «Бигле». Юношу 14 лет выменяли на перламутровую пуговицу. Он получил имя Джемми Баттон («Пуговица»). Еще двое – 26-летний Йорк Минстер, названный в честь близлежащего мыса, и Боут Мемори («Память О Лодке») – попали на борт практически добровольно, во всяком случае не при столь драматических обстоятельствах, как Корзинка.

Кинг не вмешивался в дела Фицроя, Адмиралтейство также не возражало, поскольку он взял на себя расходы, связанные с пребыванием огнеземельцев в Англии. Более того, Адмиралтейство пообещало в будущем способствовать возвращению их на родину.

«Бигль» пришел в Англию 14 октября 1830 г. Один из туземцев, Боут Мемори, умер после прививки оспы, остальные были переданы на попечение священника и учителя приходской школы. Их обучали английскому языку и основам христианства, а также элементам садоводства и земледелия. Огнеземельцы стали знаменитостями и даже были представлены королю. Королева подарила Фуэгии кольцо, шляпку и кошелек с деньгами на платье.

Поначалу Фицрой планировал, что индейцы пробудут в Англии два-три года, однако уже следующей весной он решил ускорить их возвращение: возможной причиной была связь Йорка Минстера с несовершеннолетней Фуэгией Баскет – Фицрой опасался скандала. Фицрой обратился в Адмиралтейство, напомнив о данных ему обещаниях, но Адмиралтейство решило свернуть исследования в Южной Америке. Тогда он попросил отпуск за свой счет, чтобы самому организовать экспедицию по возвращению огнеземельцев на родину – ведь он дал им слово и не мог его нарушить. Отпуск предоставили. Фицрой за свои деньги зафрахтовал судно и стал готовиться к плаванию. Но судно не понадобилось, так как влиятельные родственники Фицроя надавили на Адмиралтейство, и «Бигль» был снаряжен во второе плавание, а Фицрой вновь назначен капитаном. Ему все же пришлось заплатить больше половины фрахта в качестве неустойки. Кроме того, немало личных средств он вложил в реконструкцию «Бигля», чтобы сделать судно более остойчивым – в первом плавании бриг едва не пошел ко дну.

Присутствие натуралистов на кораблях Королевского флота не было обычной практикой. Основной целью британских экспедиций было составление карт Мирового океана и описание берегов, и морские офицеры вполне с этим справлялись. Иногда, если судовой врач был сведущ в естественных науках, ему поручали собирать гербарии и коллекции минералов (Van Wyhe, 2013). Однако Фицрой, человек прогрессивный и наблюдательный, прекрасно понимал, сколь уникальную возможность для науки дает плавание в неисследованных водах, и поэтому решил взять с собой натуралиста. Он одобрил и согласовал с Адмиралтейством, хотя и не без колебаний, кандидатуру 22-летнего выпускника богословского факультета Кембриджа Чарлза Дарвина. Статус Дарвина был в значительной мере неформальным: Адмиралтейство оплачивало его пребывание на борту, но при этом он не получал жалования, не имел каких-либо обязательств и был волен сойти на берег в любой точке маршрута. В официальных инструкциях, данных Фицрою королевским гидрографом Френсисом Бофортом, не упоминалось о каких-либо естественно-научных изысканиях. Таким образом, Дарвин скорее был капитанским гостем, нежели гражданским специалистом, работающим за еду. Особое положение Дарвина на корабле подтверждается еще и тем, что на протяжении пятилетнего плавания Фицрой и Дарвин обедали вдвоем в капитанской каюте. Столь близкое соседство в условиях замкнутого пространства неизбежно приводило к трениям. На протяжении плавания они демонстрировали взаимное уважение, хотя их отношения были омрачены несколькими серьезными ссорами. Многие отмечают непростой характер Фицроя, но при этом он не считал зазорным первым пойти навстречу, если осознавал свою неправоту (Меллерш, 1975).

27 декабря 1831 «Бигль» отправился в свое второе плавание. Вряд ли Фицрой догадывался, что оно станет в один ряд с плаваниями Одиссея, Колумба и Кука. Первой его задачей было вернуть домой огнеземельцев, которые провели с англичанами около трех лет. Возвращение стало для них шоком. Фуэгия лежала на дне вельбота и боялась взглянуть на соотечественников. Джемми забыл родной язык и пытался изъясняться с собратьями на смеси английского и испанского. Но Фицрой не думал отказываться от своего плана сделать огнеземельцев проводниками прогресса. Он высадил их на берег вместе с миссионером Мэтьюзом. Несколько дней вся команда «Бигля» помогала им обустроиться. Но как только корабль скрылся из виду, туземцы начали глумиться над чужаками. Они разграбили их имущество, вытоптали огород, который те успели посадить. Миссионера пришлось спешно эвакуировать, а огнеземельцы в конце концов вернулись к своим соплеменникам.

Плавание на «Бигле», продлившееся пять лет (1831–1836) вместо двух, стало центральным событием жизни и для Дарвина, и для Фицроя и во многом определило их дальнейшую судьбу. Молодой прогрессивный капитан с годами превратился в ультраконсерватора, верившего в Писание буквально, тогда как Дарвин, изучавший богословие в Кембридже и изначально выбравший карьеру священнослужителя, впоследствии не только отошел от христианства, но и стал воплощением атеизма. Со временем Дарвин и Фицрой рассорились окончательно. Спустя много лет после плавания, в 1860 г., во время дебатов о книге Дарвина «Происхождение видов», проходивших в Оксфорде, Фицрой сказал: «Знай я, что случится, я ни за что не взял бы его на “Бигль”».

В 1843 г. Фицрой был назначен губернатором Новой Зеландии. Должность была не из простых – взаимоотношения белых колонистов с коренными жителями складывались скверно. Маори были настроены воинственно по отношению к белым – на небольших островах им было некуда отступать. Фицрой в конфликтах встал на сторону маори, добиваясь того, чтобы колонисты давали за землю справедливую цену. Понятное дело, поддержки среди колонистов ему это не прибавило. В то же время активно влиять на ситуацию он не мог, так как серьезной военной силы за ним не было, финансовой поддержки от властей тоже – ему предлагалось самому искать средства для наполнения казны. Губернатором он пробыл недолго – в 1845 г. его отозвали в Англию. В вину ему ставились нарушение инструкций и чрезмерная самостоятельность в принятии решений. Впрочем, современные историки оценивают губернаторство Фицроя скорее позитивно (Paul et al., 2013).

Фицрой возглавил метеорологический департамент с момента его основания. Ему полагалось собирать статистику о погоде и предоставлять измерительные приборы флоту. Но его волновал другой вопрос: как предсказать погоду. Фицрой, как никто иной, знал, что точный прогноз погоды – это вопрос жизни и смерти. В юности, едва вступив в командование «Биглем», он попал в первую жестокую переделку. Тяжелейший шторм чуть не погубил судно, ветром сдуло за борт двух человек. Впоследствии Фицрой отнес это несчастье на счет своего невнимания к показаниям барометра. Теперь он снабжал барометрами рыбацкие деревни. Он создал сеть наблюдательных станций на берегу, связав их телеграфом с Лондоном. Расходы департамента стали быстро расти, деятельность Фицроя вскоре вышла за узкие рамки, установленные начальством, а его работа стала предметом разбирательства в парламенте. Судовладельцы также были им недовольны – они теряли прибыль, когда капитаны, получив неблагоприятный прогноз, отказывались выйти в море.

Именно Фицрой ввел понятие прогноза погоды. Прогнозы – дело всегда неблагодарное. Даже в наше время они не всегда воспринимаются адекватно. Так, после урагана 1998 г. московские власти обвинили синоптиков в непрофессионализме и организовали собственную службу погоды. Можно представить вал насмешек, который обрушился на Фицроя с тех пор, как его прогнозы стали ежедневно публиковаться в лондонской «Таймс».

Фицрой возлагал большие надежды на «Книгу погоды», в которой стремился доступно изложить свой многолетний опыт. Он обладал выдающейся интуицией, но знаний ему не хватало, а продвигаемые им теории были далеки от научной строгости. Не удивительно, что академическое сообщество встретило книгу прохладно. У Фицроя начались проблемы со здоровьем и денежные неурядицы. Значительную часть своих средств он еще в молодости потратил на экспедиции. Но Адмиралтейство отказалось компенсировать ему несогласованные траты. Фицрой был подавлен, тяжело переживал неудачное губернаторство в Новой Зеландии и провал своей миссии на Огненной Земле. Сложно сказать, что именно оказалось последней каплей, но 30 апреля 1865 г. он покончил с собой. Возможно, Фицрой вспоминал при этом первого капитана «Бигля» Стокса, в каюте которого он прожил пять лет.

Именем Фицроя назван неприступный и необычайно живописный горный пик – одна из основных достопримечательностей Патагонии.

Умереть за селитру

Течение Гумбольдта – часть круговорота в южной части Тихого океана. Оно несет холодные воды из Антарктики вдоль побережья Чили и Перу. Купаться здесь холодно, несмотря на близость экватора. Но ехать сюда все равно стоит – мало где в мире столь разнообразная и недорогая рыбная кухня. И вот почему. Когда ветер дует вдоль берега (рис. 1.22), он вызывает отток поверхностных вод от берега за счет экмановского переноса. Например, когда южные ветра дуют вдоль побережья Чили и Перу, поверхностная вода уходит от южноамериканских берегов. На смену ей поднимаются глубинные воды (апвеллинг).

В поверхностных водах океана, куда проникает солнечный свет, происходит образование нового органического вещества за счет фотосинтеза. Продукты жизнедеятельности и останки организмов под действием силы тяжести опускаются на глубину, там окисляются до минерального состояния (биологический насос). На глубине, в отсутствие солнечного света, питательные вещества остаются невостребованными. В зонах апвеллинга, где к поверхности поднимаются глубинные воды, богатые азотом, фосфором и другими минеральными веществами, обычно кипит жизнь. Здесь активно растет фитопланктон, который служит основой пищевых цепочек в океане. До половины мирового вылова рыбы приходится на зоны апвеллинга.

Район перуанского апвеллинга – один из основных промысловых районов в океане. Побережье, напротив, безжизненно – это Атакама, самая безводная пустыня на Земле. С востока она находится в дождевой тени Анд, с запада холодное течение Гумбольдта препятствует образованию мощной облачности и выпадению осадков. Море здесь богато рыбой, ею питаются морские птицы, поэтому здесь сформировались огромные запасы гуано – результат все того же апвеллинга. Еще одним ценным ресурсом региона являются залежи чилийской селитры – нитрата натрия NaNO₃. Ее происхождение до конца не ясно, но, по-видимому, связано с засушливым климатом Атакамы.

В конце XIX в. часть Атакамы, богатая природными ресурсами, в первую очередь гуано и селитрой, стала причиной раздоров между Чили, Боливией и Перу. Это было самое богатое месторождение на Земле, а селитра нужна была всем – из нее делали черный порох. Ресурсы на спорной территории в основном разрабатывали чилийские компании – от основной территории Боливии Атакама отделена высокими горами. Но с началом очередного экономического кризиса боливийское правительство, вопреки соглашению, обложило данью чилийские добывающие компании, а когда те отказались платить, реквизировало их собственность.

14 февраля 1879 г. чилийский десант высадился в Антофагасте, тогда принадлежавшей Боливии. Захватить порт было несложно – город населяли преимущественно чилийцы.

Вести военные действия в пустыне, где дождь выпадает пару раз в столетие, было возможно лишь при поддержке с моря. Боливия не обладала флотом, но ее союзником в войне выступило Перу. Армада Перу насчитывала шесть кораблей. Чилийцы располагали восемью кораблями.

5 апреля три чилийских корабля начали блокаду перуанского порта Икике. 21 мая состоялось морское сражение при Икике, в котором участвовали перуанский броненосец «Уаскар» под началом командора Мигуэля Грау и чилийский деревянный корвет «Эсмеральда» под командованием капитана Артуро Прата. Силы были неравны – старый деревянный корабль уступал броненосцу и в маневренности, и в вооружении. Кроме того, в бой вступила береговая батарея генерала Буэндиа – начальника гарнизона Икике. «Эсмеральда» почти потеряла ход и была обречена, так как корвет был очень старым, и один из котлов взорвался, не выдержав давления. Сражение длилось около четырех часов, когда Грау направил броненосец на таран. В момент столкновения раздался залп из орудий «Уаскара», убивший несколько десятков человек на «Эсмеральде».

Артуро Прат дал приказ идти на абордаж и, обнажив шпагу, перепрыгнул на палубу «Уаскара». Но его примеру последовало только два члена команды – остальные, видимо, не расслышали приказ за громом канонады. Два спутника Прата были сразу же убиты, он остался один со шпагой и пистолетом против команды броненосца и также был смертельно ранен. Во избежание лишнего кровопролития Грау предложил чилийцам сдаться, но те демонстративно прибили флаг к мачте гвоздями.

«Уаскар» снова пошел на таран и расстрелял в упор «Эсмеральду». Вторую абордажную атаку возглавил младший лейтенант Игнасио Серрано. С ним на «Уаскар» перебралось 11 человек. Но, вооруженные мачете и ружьями, они были бессильны против пулеметов системы Гатлинга, установленных на броненосце.

Последний выстрел «Эсмеральды» был сделан, когда главная палуба уже ушла под воду. Из 198 членов команды «Эсмеральды» выжили только 58, они были спасены командой «Уаскара».

Командор Грау переслал обручальное кольцо и шпагу Прата его вдове, Кармелии Карвахаль, вместе с письмом, в котором отдавал дань уважения мужеству и моральным качествам своего противника. В ответном письме Кармелия в изысканных выражениях поблагодарила командора Грау за моральную поддержку.

Грау ненадолго пережил Прата: он погиб 8 октября в сражении при Ангамосе, неподалеку от Антофагасты, когда чилийский снаряд взорвался на мостике «Уаскара». Сам корабль цел и по сей день – он стал музеем в чилийском порту Талькауано. В результате войны, вошедшей в историю как Вторая тихоокеанская война, или война за гуано и селитру, Боливия лишилась выхода к морю, а Перу потеряло Арику и Икике.

А вскоре пришел конец и разработкам селитры. В начале XX в. Фриц Габер, о котором еще будет рассказано подробнее, и Карл Бош разработали метод синтеза аммиака из элементов, и азотные соединения стали производить массово.

О героическом прошлом Икике теперь напоминают лишь города-призраки в пустыне, где жили рабочие селитряных месторождений, да реплика корвета «Эсмеральда», стоящая в порту Икике. Недалеко от порта находится рыбный рынок. На берег возле него выползают морские львы – им достаются отходы от разделки рыбы.

Раз в 3–7 лет и для морских львов, и для местных рыбаков приходят скверные времена. Привычный режим циркуляции атмосферы и океана меняется. Слабеет юго-восточный пассат, вслед за ним ослабевает апвеллинг, и холодные воды перестают подниматься к поверхности. Зона теплой воды смещается из западной части Тихого океана от берегов Австралии и Индонезии в центр и к берегам Южной Америки. Вода у побережья Перу и Эквадора теплеет на несколько градусов. Для местных жителей это беда – уходит рыба, гибнут морские птицы, начинаются проливные дожди. Такое потепление, только меньших масштабов, происходит ежегодно в канун Рождества, поэтому рыбаки назвали это явление Эль-Ниньо, что означает «малыш», имея в виду младенца Христа. Позже это же название распространилось и на крупномасштабные потепления, которые наблюдаются раз в несколько лет и могут продолжаться больше года. Аномальные по силе Эль-Ниньо происходили в 1982/83, 1997/98 и 2015/16 гг.

Под Эль-Ниньо обычно понимают аномалии температуры в верхнем слое океана. Соответствующие изменения в атмосфере называют Южным колебанием. Интенсивность южного колебания оценивается по разности атмосферного давления над Таити и над городом Дарвин в Австралии. Во время Эль-Ниньо давление над Австралией растет, а над Таити падает, разность давления между западом и востоком Тихого океана уменьшается и сила пассата ослабевает. При противоположных условиях, названных Ла-Нинья («малышка»), давление над Австралией ниже, чем обычно, а над Таити, наоборот, выше нормы, пассат и апвеллинг усиливаются, а на востоке Тихого океана температура понижается. Вместе Эль-Ниньо и Ла-Нинья образуют цикл Эль-Ниньо / Южное Колебание, который влияет на погоду не только в тихоокеанском регионе, его воздействие распространяется на тропические и умеренные широты в обоих полушариях.

Механизмы формирования Эль-Ниньо / Южного Колебания довольно сложны. В них играют важную роль пассаты, апвеллинг, положение термоклина и температура поверхности Тихого океана. Положительные и отрицательные обратные связи между ними приводят к возникновению циклических колебаний. Эль-Ниньо / Южное Колебание можно рассматривать как собственное колебание климатической системы, связь его с какими-либо внешними факторами не установлена.

Элементы климатической науки

Фенологические ряды и исторические документы

Самым ранним историческим документом, содержащим сведения о климате, считается Палермский камень – плита из черного базальта, хранящаяся в археологическом музее в Палермо. На ней иероглифическим письмом высечен перечень правителей первых пяти египетских династий и их основных деяний. Помимо списка фараонов, плита хранит записи уровня Нила в половодье начиная примерно с 3000 г. до н. э., то есть с середины голоцена (Bell, 1970). В различных древних документах часто содержатся сведения об урожае, количестве собранных налогов и т. д. – все это может помочь реконструировать климатическую картину прошлого.

Иногда исторические источники содержат подробную фенологическую информацию. Этим словом обозначают сезонную цикличность природных явлений, таких как появление первых листьев, цветов и бабочек, миграция перелетных птиц и морских животных. Наблюдения за фенологическими рядами показывают, как меняются условия природной среды на протяжении десятилетий и веков (Parmesan, 2006). Например, в Японии принято устраивать праздники во время цветения сакуры. Частные дневники, хроники и даже стихи донесли до нас точные даты вечеринок в Киото, по ним можно судить, насколько теплой была весна (Aono, Saito, 2010) в течение последних 1200 лет (рис. 1.23). В Европе самыми длинными фенологическими рядами являются даты сбора винограда сорта пино нуар в Бургундии. По ним можно восстановить летние температуры с 1370 г. (Chuine et al., 2004). Так, анализ сроков сбора винограда в Европе показал, что лето 2003 г. было самым жарким за последние 500 лет (Menzel, 2005).

Ценным источником климатической информации являются морские архивы, в частности, вахтенные журналы старинных кораблей. С 1575 г. по указу короля Филиппа II ведение судовых журналов стало обязательным для всех капитанов испанского флота. Один из важнейших торговых путей пролегал между Мексикой и Филиппинами, соединяя тихоокеанские владения испанской короны с Америкой, и через нее – с метрополией. Этот путь проложил Андрес де Урданета, испанский монах и мореплаватель. Он прославился тем, что совершил второе кругосветное путешествие после Магеллана; правда, половину его он проделал в роли пленника на португальском корабле. По пути, проложенному Урданетой, манильские галеоны ежегодно на протяжении 250 лет (с 1565 по 1815 г.) отправлялись в Акапулько с грузом шелка, фарфора, слоновой кости и пряностей (рис. 1.24). Попасть в Мексику им было непросто. Сначала они поднимались к северу от Филиппин, с тем чтобы в тридцатых – сороковых широтах захватить течение Куросио и воспользоваться западными ветрами. Обычно рейс начинался в июле и длился примерно полгода. Из Акапулько грузы по суше доставляли в Веракрус на Атлантическом побережье, а оттуда – в Испанию. Обратный рейс на Филиппины с грузом серебра для расчетов с торговцами и выплаты жалования солдатам, миссионерам и чиновникам, был существенно короче. Корабли выходили из Акапулько в конце марта, после ежегодной ярмарки, и шли с пассатом вдоль двенадцатого градуса. К концу июня галеоны приходили в Манилу.

Рис. 1.23. Сроки цветения сакуры в Киото за последние 1200 лет (Aono, Saito, 2010). По вертикальной шкале – порядковый номер дня в году, когда сакура расцвела полностью. Шкала перевернута для удобства восприятия: теплее – выше, холоднее – ниже. Линия соединяет средние значения. Рост графика в течение XX в. связан не только с общим потеплением климата, но и с эффектом городского острова тепла – повышением температуры в городе относительно окружающего пространства. Источник данных http://atmenv.envi.osakafu-u.ac.jp/aono/kyophenotemp4/

Анализ судовых журналов показывает, что в период 1640–1670 гг. маршрут из Акапулько до Филиппин сильно замедлился (рис. 1.24) и занимал около 120 суток против 80 в более ранний период (Garcia et al., 2001). Причем замедлялась именно конечная часть маршрута, что говорит об изменении режима циркуляции атмосферы над западной частью Тихого океана в середине XVII в.

Палеоклиматические архивы

Нашей Земле около 4,55 млрд лет. Чтобы лучше представить масштаб этой величины, мысленно заменим ее одним земным годом. Тогда создание Палермского камня соответствует 23 ч 59 мин 25 с 31 декабря – вся наша цивилизация умещается примерно в полминуты. Как видим, исторические документы не сильно раздвинули границы наших знаний о климате прошлого. Ситуация может показаться безнадежной. Но к счастью, естественными архивами климатических данных могут служить ледники, донные отложения океанов и озер, годичные кольца деревьев, сталагмиты, кораллы, железомарганцевые конкреции и даже окаменевшее гуано летучих мышей (Wurster et al., 2010). Все эти объекты растут постепенно, слой за слоем, и материал для роста поступает из окружающей среды. Состав и физические свойства каждого слоя реагируют на изменения условий.

Ледники представляют собой снег, накопившийся за многие тысячи лет и с течением времени уплотнившийся и превратившийся в лед. Мощность гренландских льдов местами превышает 3 км, а антарктических – 4 км. В средних и низких широтах ледники встречаются в горах – например в Гималаях, в Андах, в Альпах, на Кавказе. Лед – сложная система, и состав ее не исчерпывается химической формулой H₂O. В природе существуют два стабильных изотопа водорода (¹H и ²H) и три изотопа кислорода (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O) – а значит, мы имеем девять различных по изотопному составу форм воды. Соотношение изотопов и водорода, и кислорода в атмосферных осадках зависит от температуры, при которой эти осадки образовались (об этом подробнее см. главу 2). А значит, из ледника можно извлечь информацию о палеотемпературе. Лед захватывает частички вулканического пепла, пыльцу, пузырьки воздуха, пыль, принесенную из пустынь, и морские аэрозоли. Исследуя пузырьки воздуха, можно узнать, как менялось содержание углекислого газа и метана в атмосфере, по изотопному составу азота и аргона можно реконструировать температуру воздуха в прошлом. Сульфаты и пепел свидетельствуют о вулканической активности; по хлоридам, происходящим из морских аэрозолей, можно судить о площади морских льдов и интенсивности штормов, по количеству пыли – о силе ветров, а по составу ее – о месте происхождения. Пыльца несет информацию об изменении растительного покрова на прилегающих территориях, органические соединения серы – о продуктивности океана, нитраты – об интенсивности гроз. И это далеко не полный список.

Другой важнейший естественный архив – донные отложения озер, морей и океанов. Если становится теплее или холоднее, меняются состав атмосферы и морской воды, циркуляция атмосферы и океана, солнечная активность и магнитное поле Земли – значит, неизбежно меняются также химический и изотопный состав и физические свойства осадочного материала.

Морские донные отложения, как правило, не позволяют получить климатический сигнал с хорошим временны́м разрешением, так как осадок накапливается относительно медленно, верхний слой его перемешивается донными организмами, поэтому сигнал усредняется примерно за тысячу лет и более. То есть быстрые изменения (в масштабе лет, десятилетий и веков) обычно не выявляются, кроме тех случаев, когда бескислородные условия препятствуют жизнедеятельности донных организмов.

Детальные записи температуры поверхностной воды в тропиках можно получить, исследуя кораллы. По соотношению изотопов кислорода и по соотношению кальция и стронция получают информацию о температуре воды с годичным разрешением. Это особенно ценно, поскольку дополняет картину, полученную в Арктике и Антарктике с помощью ледовых кернов.

Ледники Антарктиды позволяют восстановить историю климата примерно за 800 тыс. лет, Гренландии – примерно за 130 тыс. лет, донные отложения океанов – до 180 млн лет (рис. 1.25). Осадочные породы на суше позволяют заглянуть в еще более отдаленное прошлое Земли.

Важнейший естественный архив для палеоклиматологов – годичные кольца деревьев. Весной и в начале лета образуется более светлый и менее плотный слой, в конце вегетационного сезона – плотный и темный. Более широкие кольца соответствуют тем годам, когда климат благоприятен для роста дерева. Таким образом, последовательность годичных колец несет в себе информацию об изменениях температуры и влажности. Чтобы получить климатический сигнал, нужно выбрать тот регион, где рост деревьев сильнее всего зависит от климата. Скорость роста в холодных регионах определяется длительностью вегетационного сезона, то есть связана с температурой. В засушливом климате ширина колец зависит в большей степени от влажности. На рост деревьев могут влиять и другие факторы: например, вредители и болезни могут замедлять рост. Увеличение концентрации CO₂ в атмосфере, напротив, стимулирует фотосинтез. Так что интерпретация дендроклиматологических данных может оказаться не столь однозначной. Достоинство дендроклиматологии – высокое временное разрешение. Мы можем увидеть ежегодные изменения, тогда как большинство других методов усредняет климатическую информацию за более длительное время.

Чтобы получить надежную информацию о палеоклимате, нужно привязать палеоклиматические данные, полученные из естественных архивов, к абсолютной временной шкале. В некоторых случаях, например для годичных колец, возраст можно определить с точностью до года путем прямого подсчета. Рисунок колец совпадает для различных деревьев, росших в одно и то же время. Это позволяет продлить в прошлое информацию, полученную на современных деревьях, используя ископаемые образцы дерева. В иных случаях, например для морских донных отложений, применяют методы определения возраста, основанные на радиоактивности, намагниченности и другие.

Информацию о палеоклимате также несет биологический материал прошлого – помимо уже упоминавшихся годичных колец и кораллов это пыльца, ископаемые насекомые, растения, морские микроорганизмы. Например, жесткокрылые могут осваивать или покидать территории, быстро реагируя на климатические изменения. Датируя ископаемые деревья, можно определить положение границы леса в Арктике или в горах (Bradley, 2015). На Земле Франца-Иосифа находят оленьи рога – при том что олени там давно не водятся. Большая часть рогов имеет возраст 4500–2500 лет, то есть этот период отличался благоприятным климатом на архипелаге (Романенко, 2019).

Подводим итоги

Земля получает энергию от Солнца в виде коротковолнового излучения. В то же время и сама она испускает энергию в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Температура земной поверхности определяется балансом приходящего и уходящего излучения. Важнейшую роль в формировании радиационного баланса играют снег и лед – они отражают солнечный свет. Водяной пар и углекислый газ задерживают длинноволновое излучение, что повышает температуру Земли. Если возникает дисбаланс между приходом и расходом энергии, то в климатической системе активизируются многочисленные обратные связи, которые могут как гасить этот дисбаланс, так и усиливать его.

Солнце греет Землю неравномерно – это приводит в движение атмосферу; ветра, в свою очередь, заставляют перемещаться воды океана. Циркуляция океана и атмосферы переносит тепло из тропических широт в полярные области, тем самым играя роль отопительной системы.

В формировании климата Земли участвуют атмосфера, океан, поверхность суши, льды и биосфера. Океан выступает буфером, запасающим тепло, поскольку имеет огромную теплоемкость в сравнении с атмосферой и сушей. Также он хранит в себе запасы углекислого газа, тем самым влияя на газовый состав атмосферы и ее радиационный баланс. Растительный и животный мир – важнейшие части климатической системы. Растительный покров удерживает влагу, влияет на отражающую способность земной поверхности. Растения и микроорганизмы формируют газовый состав атмосферы.

Наша планета все время меняется, меняется и ее климат. Прямые наблюдения позволяют нам судить об изменении температуры примерно за полтора века. По сравнению с доиндустриальным периодом потеплело приблизительно на 1 °С. Анализируя исторические документы, мы получаем возможность реконструировать климат прошлого в отдельных регионах в пределах нескольких веков. Информацию о более давнем прошлом можно получить только из косвенных данных – донных отложений озер, морей и океанов, осадочных пород, ледников, годичных колец деревьев и др.

На климат планеты влияют: внешние факторы космической природы (эволюция Солнца, изменение его активности, изменение параметров орбиты Земли, столкновения с небесными телами, изменение потока галактических космических лучей); внутренние факторы (движение континентов, горообразование, выветривание, извержения вулканов); эволюция живой природы; хозяйственная деятельность человека. У каждого из этих факторов есть характерное время, в котором проявляется его воздействие на климат. Например, последствия извержений вулканов длятся обычно несколько лет, а для заметного изменения светимости Солнца нужны сотни миллионов лет. Некоторые из этих факторов меняются циклически (орбитальные параметры, солнечная активность), другие не имеют выраженной периодичности.

Основные понятия

Обратные связи – внутренние процессы в климатической системе, которые могут усиливать или ослаблять первоначальное воздействие на нее. Например, потепление вызывает таяние льда, в результате альбедо уменьшается, то есть Земля поглощает еще больше энергии и становится еще теплее. Лед тает еще сильнее и т. д. Это так называемая положительная обратная связь лед – альбедо.

Парниковый эффект – нагрев земной поверхности и тропосферы за счет поглощения и переизлучения инфракрасного излучения некоторыми компонентами атмосферы, такими как водяной пар, углекислый газ, метан и др.

Солнечная постоянная – количество энергии Солнца, проходящей за единицу времени через единичную площадь на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца. Ее среднее значение 1361 Вт/м².

Термохалинная циркуляция – движение вод, вызванное неоднородным распределением плотности воды в океане. Основной причиной термохалинной циркуляции является большая соленость вод Атлантики в сравнении с Тихим океаном. Это различие возникает из-за преобладающих ветров и расположения горных хребтов Америки. Термохалинная циркуляция в сочетании с апвеллингом и поверхностными течениями образует Большой океанический конвейер – единую циркуляционную ячейку, приводящую к вентилированию всей толщи океана примерно за 1 тыс. лет.

Экмановский перенос – перенос воды в направлении, перпендикулярном направлению ветра, дующего над поверхностью, вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. Происходит потому, что вода движется медленнее ветра, а значит, сильнее отклоняется силой Кориолиса, причем это отклонение усиливается с глубиной (спираль Экмана).

Эффект бабочки – особенность хаотических систем, связанная с тем, что небольшие внешние воздействия могут приводить к значительным и непредсказуемым последствиям. Название восходит к рассказу Рэя Брэдбери «И грянул гром».

Глава 2
Климат в масштабе сотен тысяч лет

Понял теперь я: наша свобода

Только оттуда бьющий свет,

Люди и тени стоят у входа

В зоологический сад планет.

Николай Гумилев. Заблудившийся трамвай

Человек разумный как биологический вид возник по крайней мере 300 тыс. лет назад, в среднем плейстоцене. Основной чертой климата во время нашего существования на планете является чередование долгих оледенений и относительно коротких межледниковий. Причина этих изменений – периодические колебания параметров вращения Земли.

2.1. Всемирный потоп или ледниковый период?

Мы живем в ледниковый период. Холодать на Земле стало давно – около 50 млн лет назад²⁰. Сначала лед сковал Антарктиду – это случилось 34 млн лет назад. В Северном полушарии ледники появились гораздо позже – в плиоцене, то есть 10–6 млн лет назад, и достигли наибольших размеров в плейстоцене, примерно 2,75–2,54 млн лет назад (Maslin, Ridgwell, 2005). С тех пор льды много раз отступали, но затем неизменно возвращались на прежние позиции. Нам посчастливилось родиться во время межледниковья – недолгого промежутка между двумя ледниковыми эпохами. Вся история нашей цивилизации с запасом укладывается в этот недолгий – всего лишь 11,7 тыс. лет – теплый период, называемый голоценом.

О том, что мир холодает, было известно давно. На Шпицбергене в пластах каменного угля встречаются отпечатки тропических растений²¹. В Сибири в многолетней мерзлоте находят бивни и целые туши мамонтов. Поскольку современные сородичи мамонтов обитают в Африке и в Южной Азии, ученые XVIII–XIX вв. считали, что климат Сибири раньше тоже был теплым.

Идея о том, что совсем недавно значительная часть Европы и Северной Америки была покрыта многокилометровой толщей льда и напоминала современную Гренландию или Антарктиду, ученым начала XIX столетия показалась бы дикой, несмотря на то что доказательства ее буквально валялись вокруг. Практически повсеместно – и в предгорьях Альп, и в Скандинавии, и в Шотландии, и в России можно встретить так называемые блуждающие, или эрратические, валуны, которые по своей природе отличаются от подстилающих горных пород. Жителям гор Юра в Швейцарии было очевидно, что это результат движения ледников, прежде занимавших значительно большую площадь, чем теперь. Одним из первых эту идею сформулировал и донес в 1815 г. до научного сообщества охотник и альпинист Жан-Пьер Перроден. Его идеи поддержали инженер Игнац Венец и натуралист Жан Шарпантье. Но официальная наука считала огромные валуны следами библейского потопа. Чтобы осознать то, что было очевидно жителям гор, ученым понадобилось почти полвека – благодаря стараниям Луи Агассиса, которого, хотя и не вполне заслуженно, называют первооткрывателем ледникового периода и отцом современной гляциологии (рис. 2.1). Научную карьеру он начал с исследования ископаемых рыб под руководством одного из самых заслуженных ученых эпохи – Жоржа Кювье, основателя палеонтологии. Кювье отмечал, что в геологической летописи слои с одними ископаемыми сменяются другими, и объяснял эти резкие смены фауны, населявшей планету, катастрофическими потопами. Сейчас эту концепцию называют катастрофизмом. Идеи Агассиса во многом перекликались с взглядами Кювье – только теперь вымирание животных и растений (в частности мамонтов) он увязал с резким наступлением ледников. Лучшим тому подтверждением служили туши мамонтов, вмерзшие в лед. Но здесь Агассис ошибся. Мамонты, пещерные медведи, саблезубые тигры и другие представители мегафауны не были жертвами оледенения – напротив, они были порождениями ледникового периода.

Пройдет еще столетие – и на новом витке развития науки снова начнутся дебаты сторонников и противников катастрофизма, которые продолжаются и сейчас. Предметом научных баталий станет массовое вымирание динозавров на рубеже мела и палеогена. Не успел этот научный спор завершиться – как разгорелся новый. И мы можем наблюдать очередную схватку, в этот раз между сторонниками и противниками астероидной теории позднего дриаса (см. главу 3).

Возможно, интерес Агассиса к ледникам был связан с его швейцарским происхождением, также на его идеи повлияло знакомство с Шарпантье. Свои взгляды Агассис изложил в докладе, сделанном 24 июля 1837 г. на конференции Швейцарского общества естествоиспытателей в Невшателе. Он утверждал, что ледники прежде занимали существенно большую площадь, что свидетельствует о более холодном климате прошлого. Однако доклад не впечатлил слушателей. Большинство ученых не поверили Агассису, их не убедила даже экскурсия в горы, организованная докладчиком. Авторитетнейший современник Агассиса – Александр Гумбольдт – из самых добрых побуждений посоветовал ему вернуться к изучению ископаемых рыб.

Научное сообщество неохотно расставалось с представлениями о Всемирном потопе. Это неудивительно, ведь за ними стояла многовековая религиозная традиция – основа мировоззрения большинства ученых начала XIX в. Агассис и сам был убежденным креационистом и, как и его учитель Кювье, ярым противником эволюционной теории, которую представляли его современники Чарлз Дарвин и Чарлз Лайель. Они были последовательными критиками катастрофизма и не признавали теорию Агассиса. Существование эрратических валунов они объясняли переносом их с айсбергами. Дарвин во время путешествия на «Бигле» в южных морях наблюдал айсберги, включавшие в себя камни. Ледниковая теория окончательно победила лишь к середине 1860-х годов. Сам же Агассис утратил к ней интерес и вернулся к изучению ископаемых рыб.

Рис. 2.1. Жан Луи Агассис (1807–1873). Фото 1870 г. Источник: Wikipedia. Ученик Гумбольдта и Кювье, Агассис начинал свою карьеру как ихтиолог. Однако он вошел в историю как отец одной из революционных концепций в геологии. Его теория ледниковых эпох была принята далеко не сразу. Именем его названо существовавшее около 13–8 тыс. лет назад гигантское озеро в Северной Америке, которое образовалось на границе Лаврентийского ледникового щита, покрывавшего территорию современной Канады и север США

С появлением ледниковой теории стало ясно, что климат прошлого нельзя свести лишь к постепенному охлаждению первоначально разогретой планеты. Получалось, что некоторые геологические эпохи были существенно холоднее нынешней. Эти факты требовали объяснений.

И эти объяснения вскоре появились в немалом количестве. Все они были разумны и правдоподобны²². Так, оледенения могли быть вызваны изменениями светимости Солнца, колебаниями содержания углекислого газа в атмосфере, катастрофическими извержениями вулканов, вертикальными движениями земной коры. Беда в том, что ни одна из этих теорий не могла быть подтверждена или опровергнута в рамках научных представлений XIX столетия. Не удивительно, что наиболее популярны были астрономические теории – небесная механика в своем развитии сильно опережала науки о Земле. Идею о том, что оледенения могут быть связаны с движением Земли по орбите, первым в 1842 г. высказал французский математик Жозеф Адемар.

2.2. Астрономическая теория оледенений

Всем известно, что Земля вращается вокруг Солнца. Возможно, многие помнят, что орбита не круговая, а представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Такое движение является частным решением задачи о гравитационном взаимодействии двух тел. В настоящее время эллипс лишь слегка отличается от круга. Его эксцентриситет (е) составляет 1,67 %. Кратчайшее расстояние от Земли до Солнца (в перигелии) – около 147 млн км, наибольшее (в афелии) – 152 млн км. Хотя орбита близка к круговой, планета получает около 351 Вт/м² в перигелии и 329 Вт/м² в афелии. Различия столь велики (более 6 %), потому что поток энергии уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Как известно, наклон земной оси определяет смену времен года. Эксцентриситет орбиты является дополнительным фактором, влияющим на сезонные изменения. Сейчас Земля проходит перигелий в начале января. Это несколько смягчает суровость зим и летнюю жару в Северном полушарии. То есть два фактора сезонности в Северном полушарии работают друг против друга. В Южном полушарии, напротив, сезонность, связанная с наклоном оси и с эксцентриситетом орбиты, усиливаются.

Эксцентриситет влияет и на продолжительность времен года. Согласно второму закону Кеплера Земля движется по орбите быстрее, когда находится ближе к Солнцу, то есть в январе быстрее, чем в июле. Поэтому лето в Северном полушарии на 4,66 дня длиннее зимы, а весна на 2,9 дня длиннее осени²³.

Под действием тяготения планет Солнечной системы, в первую очередь Юпитера и Сатурна, орбита Земли постоянно меняется – от почти круговой (e = 0,34 %) до изрядно вытянутой (e = 5,8 %). В изменениях эксцентриситета можно выделить две составляющие с периодами колебаний 100 тыс. и 400 тыс. лет. Эти изменения существенно не влияют на общее количество энергии, приходящей от Солнца за год, но сильно меняют ее сезонное распределение. В периоды максимального эксцентриситета различия в инсоляции в афелии и перигелии могут достигать 30 %.

Угол наклона земной оси составляет 23,4°. Однако возмущения со стороны Луны и Солнца приводят к его колебаниям в пределах от 22,1 до 24,5° с периодичностью в 41 тыс. лет. В настоящее время угол наклона оси уменьшается. Из этого следует, что Северный и Южный тропики²⁴ сдвигаются к экватору со скоростью 14,4 м/год, а Северный и Южный полярные круги – к полюсам. Умеренный пояс ежегодно прирастает на 1550 км². Чем больше наклон оси, тем сильнее выражены различия между зимой и летом.

Есть и еще одна особенность вращения Земли вокруг оси. Кто в детстве запускал юлу, наверняка заметил, что она вращается не строго вертикально. Верхняя точка оси юлы движется по окружности, а сама ось описывает конус. Этот тип движения называется прецессией. Прецессия оси – важная составляющая движения Земли. Причина ее – притяжение Луны и Солнца, периодичность – один оборот примерно за 26 тыс. лет. Сейчас земная ось смотрит на Полярную звезду, но со временем она будет указывать на Вегу.

Прецессия приводит к смещению точек равноденствия и солнцестояния по орбите по отношению к перигелию и афелию (рис. 2.2). Другими словами, она определяет, как взаимодействуют сезонность, связанная с наклоном оси, и сезонность, связанная с эксцентриситетом. Прецессия оси влияет на сезонность в те периоды, когда орбита имеет заметный эксцентриситет.

Прецессия оси не единственный фактор, определяющий смещение точек равноденствия по орбите. Сама орбита тоже изменяет свое положение в пространстве, этот процесс называется апсидальной прецессией, или прецессией перигелия. Сочетание двух составляющих движения приводит к среднему времени оборота точек равноденствия, равному 22 тыс. лет.

Рис. 2.2. Прецессия оси, прецессия перигелия, изменения эксцентриситета орбиты и наклона земной оси (Maslin, Ridgwell, 2005). Показаны изменения эксцентриситета, наклона оси, индекса прецессии за последний миллион лет (Berger, Loutre, 1991). Влияние прецессии характеризуется индексом esinΩ. Функция sinΩ описывает прецессию и меняется циклически от минус 1 до 1, e – эксцентриситет орбиты, определяет амплитуду индекса прецессии

Благодаря прецессии примерно через 11 тыс. лет Земля будет ближе всего к Солнцу в июле, а не в январе, как сейчас. Два фактора сезонности в Северном полушарии будут усиливать друг друга, а в Южном – ослаблять. Тогда в Северном полушарии сезонные различия будут более контрастными, а в Южном, напротив, более сглажены в сравнении с тем, что мы имеем сегодня.

Итак, эксцентриситет орбиты, наклон оси и ее направление меняются в разном ритме, их сочетание приводит к перераспределению солнечного тепла между широтами и сезонами. Общее количество солнечной энергии, поступающей на Землю за год, при этом существенно не меняется.

Адемар предположил, что причиной оледенения является прецессия равноденствий, то есть смещение точек равноденствия по орбите, вызванное прецессией земной оси. Он считал, что льды накапливаются в том полушарии, в котором зима длиннее. Значит, Северное и Южное полушария должны обледеневать поочередно, меняясь через 11 тыс. лет. Подтверждением теории служил ледяной покров Антарктиды – по Адемару, современная конфигурация орбитальных параметров способствовала его росту. Свои взгляды Адемар изложил в книге «Революции моря», опубликованной в 1842 г. Однако против теории Адемара выступили маститые ученые – Джон Гершель и Александр Гумбольдт. Они считали, что длительность сезонов не должна приводить к оледенениям, поскольку за год оба полушария получают одинаковое количество солнечной энергии. Причем оно одинаковое и сейчас, и 11 тыс. лет назад.

Дальнейшее развитие орбитальной теории связано с именем шотландца Джеймса Кролла (рис. 2.3). Судьба была к нему не слишком благосклонна. Кролл начинал свою деятельность как мастер по ремонту мельниц, потом работал столяром, продавцом в чайной лавке, управляющим отелем, страховым агентом. Все эти годы он занимался самообразованием, изучая теологию, механику, электрические и тепловые явления. К 38 годам он нашел себе место по душе – уборщиком в Андерсоновском университете в Глазго. Денег едва хватало, чтобы свести концы с концами, но зато Кролл получил доступ к университетской библиотеке. Именно там он познакомился с работой Адемара.

В отличие от Адемара, Кролл располагал расчетами французского математика Урбена Леверье. Леверье прославился тем, что, анализируя аномалии в движении Урана по орбите, на основании своих расчетов предсказал наличие неизвестной планеты, возмущающей ее траекторию, и указал ее местоположение. Поначалу коллеги отнеслись к расчетам Леверье скептически, и ему самому пришлось упрашивать их выполнить наблюдения. В итоге 23 сентября 1846 г. немец Иоганн Галле, согласившийся на предложение Леверье, открыл новую планету – Нептун. Помимо движения Урана по орбите, Леверье детально рассчитал изменения орбитальных параметров Земли и открыл, что наклон оси и эксцентриситет орбиты меняются периодически.

Кролл, основываясь на расчетах Леверье, предположил, что фактором, определяющим периодичность оледенений, является эксцентриситет орбиты. Именно его колебания модулируют изменения инсоляции, связанные с прецессией равноденствий. Другими словами, раз в 100 тыс. лет, когда орбита сильно вытянута и при этом точка зимнего солнцестояния совпадает с афелием, зимы в одном полушарии сильно холоднее, чем в другом. По Кроллу, оледенения наступают поочередно то в одном, то в другом полушарии и продолжаются примерно по 10 тыс. лет. Когда эксцентриситет уменьшается, наступает межледниковье (рис. 2.4). Теория Кролла близка современным представлениям об орбитальном влиянии на климат. Но еще более важно, что Кролл первым обратил внимание на роль внутренних факторов в установлении ледникового периода, в частности на обратную связь лед – альбедо и на изменение системы ветров и течений. По Кроллу, как и по современным представлениям, орбитальные изменения играли роль не причины оледенений, а скорее спускового крючка, или триггера.

Научное сообщество оценило по достоинству работу Кролла; он получил место в Геологической службе Шотландии, где мог продолжить свои научные исследования и поддерживать контакты с видными учеными. В 1876 г. он был удостоен членства в Королевском обществе – британском аналоге Академии наук и получил степень почетного доктора в том самом университете, где не так давно натирал полы.

Рис. 2.4. Ледниковая теория Адамара (1842), Кролла (1875) и Миланковича (1941) (Paillard, 2001). Адемар учитывал в своей теории только прецессию равноденствий и считал, что критическим фактором является длительность сезонов. Кролл, в отличие от него, учел влияние эксцентриситета орбиты. Согласно Кроллу, критическим параметром является расстояние от Земли до Солнца во время зимнего солнцестояния (21 декабря). Если оно превышает критический порог, начинается наступление льдов в Северном полушарии. Если оно становится ниже минимального критического значения, то обледеневает Южное полушарие. То есть в периоды, когда орбита сильно вытянута, оледенения должны наблюдаться поочередно то в Северном, то в Южном полушарии. Если же эксцентриситет небольшой, наступает межледниковье. Миланкович учел влияние всех астрономических параметров и предположил, что лето, а не зима является критическим сезоном

Но по мере накопления фактов теория Кролла была отвергнута. Слабым ее местом оказалась хронология – по Кроллу, последнее оледенение должно было закончиться 80 тыс. лет назад, когда эксцентриситет орбиты уменьшился. Геологи в своих оценках, хоть и весьма ненадежных в ту пору, сходились на временно́м промежутке в 10 тыс. лет. Как впоследствии выяснилось, Кролл был очень близок к разгадке тайны периодических оледенений. Но его прозрения слишком сильно опередили развитие геологической науки. И когда астрономическая теория спустя столетие наконец получила убедительные подтверждения, о Кролле мало кто помнил. И теория, возможно не вполне справедливо, получила имя другого ученого – сербского инженера Милутина Миланковича (рис. 2.5).

Миланкович получил в 1904 г. докторскую степень в Технологическом институте в Вене, после этого пять лет работал инженером-строителем. Но интересы его были столь же далеки от строительства, как и интересы Кролла – от водяных мельниц. Миланковича влекло другое: он хотел объяснить климатическое прошлое и предсказать будущее Земли и других планет. И когда ему предложили место профессора прикладной математики в университете в родном Белграде, Миланкович согласился. В сравнении с Веной, одним из центров европейской научной мысли, Белград был провинцией, но здесь Миланкович получил возможность заняться тем, что его интересовало, – изучать орбитальное движение Земли, Марса и Венеры. Блестящее владение математикой и настойчивость в достижении цели позволили Миланковичу продвинуться дальше предшественников – Адемара и Кролла. Кроме того, Миланкович располагал новыми расчетами орбитальных параметров Земли за последний миллион лет, сделанными немецким математиком Людвигом Пильгримом (в то время как вычисления Леверье покрывали лишь 100 тыс. лет). И теперь Миланковичу нужно было рассчитать инсоляцию на каждой широте для разных сезонов. Он взялся за решение задачи, которое потребовало 30 лет напряженных трудов.

Убийство эрцгерцога Фердинанда застало Миланковича в родном городке Даль, где он проводил медовый месяц. Сейчас этот город находится в Хорватии, тогда же он принадлежал Австро-Венгрии. Миланкович как сербский гражданин был арестован и заключен в крепость Эссег. Но и в камере он продолжил работу: «Я пролистал страницы рукописи … затем вынул из кармана свою верную авторучку и начал писать и делать расчеты … Когда после полуночи я поднял голову, то не сразу понял, где нахожусь. Камера показалась временным приютом на долгом пути сквозь вселенную»²⁵. К счастью, венгерские коллеги заступились за узника, и через полгода Миланковича выпустили и разрешили работать в Будапеште, с обязательством раз в неделю отмечаться в полиции. Четыре года войны он провел в читальном зале библиотеки Венгерской академии наук, продолжая свои расчеты.

В 1920 г. Миланкович опубликовал книгу «Математическая теория тепловых явлений, обусловленных солнечной радиацией». Геологи не обратили на нее внимания, но ее оценил по достоинству Владимир Кёппен, один из наиболее авторитетных климатологов того времени. Главное, что показал Миланкович, – колебания инсоляции были достаточно велики, чтобы вызвать масштабные климатические изменения. Миланковичу не хватало знаний в климатологии, поэтому сотрудничество с Кёппеном оказалось для него весьма плодотворным.

Кёппен высказал идею, что именно прохладное лето в высоких широтах Северного полушария, примерно на широте Архангельска (65° с. ш.), имеет критическое значение для роста ледников. Зима в этих широтах и так достаточно холодная, и не столь важно, сколько в зимний период выпадает снега. Если летом будет тепло – он все равно растает. Но если лето холодное, то выпавший за зиму снег не успевает растаять, и льды наступают. В Южном полушарии ледникам некуда расти за пределы Антарктиды, тогда как в Северном площадь ледников может существенно меняться. Предшественники Миланковича, Адемар и Кролл, считали зиму критическим сезоном для формирования льдов и из-за этого приходили к неверным выводам.

Миланкович полагал, что для роста ледников в Северном полушарии благоприятны периоды, когда наклон оси небольшой, летнее солнцестояние приходится на афелий и все это совпадает с большим эксцентриситетом орбиты (рис. 2.6). Согласно его теории оледенение происходит синхронно в обоих полушариях – в этом она принципиально отличалась от теорий Кролла и Адамара.

Кёппен вместе со своим зятем Альфредом Вегенером, о котором будет подробно рассказано в главе 4, в 1924 г. опубликовал книгу «Климаты прошлого» и включил в нее кривые инсоляции, построенные Миланковичем. Казалось, они удовлетворительно описывают историю оледенения Европы. Изменения параметров орбиты и инсоляции на 65° с. ш. приведены на рис. 2.7.

Но в работу Миланковича вновь вмешалась мировая война. Его итоговый труд «Канон инсоляции и проблема ледниковых эпох» был закончен в 1941 г. и отправлен в печать за четыре дня до вторжения нацистов в Югославию. Типографию разбомбили, и книга вышла только после войны. Миланкович больше не брался за новые научные задачи, считая свою миссию завершенной. В полемику с оппонентами он не вступал, а вместо этого занялся собственным жизнеописанием и популяризацией своей теории. Причем в весьма своеобразной форме – в виде переписки с неизвестной особой. Собрание этих писем вышло под заголовком «Путешествие через далекие миры и века». Помимо изложения климатической теории книга содержала элементы фантастики и автобиографические подробности. Личность корреспондентки автора осталась неразъясненной, как и многое в трудах Миланковича. Впрочем, жена ученого отрицала ее существование.

Судьба теории Миланковича во многом напомнила историю Кролла – поначалу ее приняли восторженно, но геологическая наука не нашла ей прямых подтверждений. С течением времени скептиков становилось все больше, и к середине 1950-х годов она была отвергнута большинством ученых (Imbrie, 1982).

2.3. Доказательства астрономической теории

Проблема теории Миланковича (а до нее – теории Кролла) состояла в том, что она слишком опередила время. Для ее проверки нужно было располагать знанием о масштабе климатических изменений прошлого и об их хронологии. Проще говоря, ученым нужны были машина времени, часы и термометр. Возможность заглянуть на миллионы лет назад появилась лишь к середине XX в. благодаря развитию морской геологии. Отложения глубоководной части океанов представляют собой непрерывную летопись событий прошлого. Они состоят большей частью из карбонатных скелетов планктонных (поверхностных) или бентосных (донных) фораминифер – одноклеточных морских организмов. После экспедиции фрегата «Челленджер» (1872–1876) стало ясно, что в холодной и в теплой воде обитают разные виды морской микрофауны. Это означает, что реконструировать климатические изменения прошлого можно по видовому составу фораминифер.

Профессор Чикагского университета лауреат Нобелевской премии по химии 1934 г. Гарольд Юри выдвинул идею, что количественные данные о палеотемпературах можно получить из соотношения изотопов кислорода в донных отложениях. Многие морские организмы строят свои скелеты из карбоната кальция, который находится в равновесии с морской водой; при этом происходит обмен изотопов кислорода между водой и карбонатами. Используя законы квантовой механики, Юри показал, что положение равновесия в реакции изотопного обмена зависит от температуры. Юри сформулировал концепцию изотопного палеотермометра предельно просто: «Точный анализ содержания ¹⁸O в карбонатных породах может быть использован для определения температуры, при которой они сформировались». Из расчетов Юри, которые были подтверждены лабораторными экспериментами, следовало, что чем ниже температура, тем больше в карбонатах тяжелого кислорода ¹⁸O. А значит, измерив отношение ¹⁸O/¹⁶O в планктонных организмах в том или ином слое донного осадка, можно рассчитать температуру поверхностного слоя морской воды в прошлом, поскольку легкий и тяжелый кислород по-разному усваивается при разной температуре.

В действительности ситуация оказалась сложнее. Юри предполагал, что Мировой океан большой и вряд ли подвержен существенным изменениям изотопного состава. Но он ошибался.

Обычная «легкая» вода H₂¹⁶O легче испаряется, чем тяжелая H₂¹⁸O. Наиболее интенсивно испарение океанских вод происходит в тропических широтах. Поначалу изотопный состав пара не слишком отличается от состава морской воды. Но по мере движения в высокие широты атмосферная влага все больше обогащается легкой водой, так как тяжелая вода конденсируется легче и первой выпадает на поверхность (рис. 2.8). Чем ближе к полюсу, тем меньше в осадках тяжелого кислорода. А значит, ледовые шапки Гренландии и Антарктиды запасают в себе «легкую» воду. Образование ледяных шапок, покрывавших во время максимума оледенения значительную часть Европы и Северной Америки, требовало огромных объемов воды. Источником ее, естественно, служил океан. Во время максимума оледенения уровень моря падал более чем на 100 метров. Естественно, морская вода при этом заметно «тяжелела».

Таким образом, изотопный состав карбонатных скелетов в каждом слое донных отложений несет информацию и о температуре окружающей воды, и об объеме ледяных шапок в то время, когда эти осадки образовались. Однако, чтобы получить и прочитать летопись климатических событий, нужно для начала извлечь донные отложения на поверхность, не нарушив последовательность осадочных слоев. Важным шагом на этом пути стала шведская кругосветная экспедиция на судне «Альбатрос» (1947–1948) под началом радиохимика Ханса Петтерсона. В экспедиции «Альбатроса» было впервые применено оборудование, позволившее отобрать колонки донных отложений длиной 10–20 м. До этого не удавалось получить колонки длиной более метра. Во время кругосветного плавания «Альбатроса» в глубоководной части океана было отобрано более 200 длинных колонок. Обработку материалов проводил участник экспедиции Густав Аррениус – внук Сванте Аррениуса, нобелевского лауреата, обогатившего химию теорией электролитической диссоциации, а науку о климате – понятием парникового эффекта.

Ученик Гарольда Юри Чезаре Эмилиани (Emiliani, 1955) проанализировал колонки осадков из экспедиции «Альбатроса» и первым реконструировал палеотемпературы плейстоценового океана. Он обнаружил периодические колебания температуры и связал их с орбитальными циклами Миланковича. Позже выяснилось, что Эмилиани несколько преувеличил размах температурных колебаний, так как недооценил влияние ледяных шапок на изотопный состав воды океана. Согласно Эмилиани, температура поверхностных вод океана в тропических широтах менялась в пределах 7 °C во время ледникового цикла. Эти выводы поставил под сомнение Николас Шеклтон, племянник знаменитого исследователя Антарктиды Эрнеста Шеклтона. Чтобы проверить, чем же именно определяется изотопное отношение кислорода в карбонатах – температурой воды или объемом ледяных шапок, – Шеклтон проанализировал скелеты донных организмов. Придонные воды океана в течение всего плейстоцена находились вблизи точки замерзания, и колебаниями их температуры можно пренебречь. Поэтому изменения изотопного состава кислорода в донных фораминиферах должны отражать в основном изменение изотопного состава самой воды. Когда климат становится холоднее, растут ледяные шапки, уровень моря падает, а значит, и морская вода, и карбонатные скелеты обогащаются тяжелым кислородом. Когда теплеет, полярные льды тают и большое количество «легкой» воды высвобождается в океан.

В итоге удалось установить, что изменение изотопного состава кислорода в планктонных фораминиферах на 60 % обусловлено колебаниями объема ледяных шапок, а еще на 40 % – температурными эффектами (Broecker, 2010). Естественно, это касается тех периодов истории Земли, когда ее полярные области были покрыты льдом. Это означало, что колебания температуры поверхностных вод в тропиках составляли примерно 2,5 °C.

Итак, отношение изотопов кислорода в донных фораминиферах позволяет понять, как в прошлом менялся объем ледников суши. Однако для решения вопроса о причинах ледниковых периодов необходимо знать точную хронологию оледенений. К счастью, практически одновременно с экспедицией «Альбатроса», в 1946 г., коллега Юри по Чикагскому университету профессор Уиллард Либби разработал радиоуглеродный метод датирования, основанный на радиоактивном распаде углерода-14 – изотопа, образующегося при воздействии космических лучей на атмосферный азот. Теперь появилась возможность привязать события прошлого к абсолютной временной шкале. За свое открытие Либби получил в 1960 г. Нобелевскую премию по химии.

Радиоуглеродный метод позволял определить возраст лишь сравнительно молодых (до 50 тыс. лет) донных отложений. Для того чтобы привязать ко времени наблюдаемые изменения ¹⁸O в фораминиферах в течение плейстоцена, нужен был другой метод. Здесь на помощь пришла палеомагнитная шкала времени.

О существовании магнитного поля Земли известно давно, и на протяжении столетий моряки используют его для навигации. Некоторые виды живых организмов обладают встроенным компасом – так, в 1975 г. были обнаружены магнитотактические бактерии, содержащие кристаллики оксида железа – магнетита или сульфида – грейгита, ориентирующие бактерий по силовым линиям поля Земли. Считается, что это помогает им находить благоприятные для жизни места (Faivre, Schüler, 2008).

Природа магнитного поля Земли до сих пор не вполне ясна. Согласно современным представлениям геофизиков, оно возникает в результате конвективных движений в расплавленном металлическом ядре планеты (Earle, n. d.). Магнитное поле есть у большинства планет Солнечной системы. Его нет на Марсе, но намагниченность горных пород свидетельствует о его наличии в прошлом. Видимо, оно угасло после того, как ядро этой планеты застыло. У Юпитера нет железного ядра, его магнитное поле, возможно, возникает благодаря наличию жидкого металлического водорода.

Если кусок железа нагреть до высокой температуры, он перестает притягиваться к магниту. Переход происходит резко, при температуре 770 °C. Эта температура называется точкой Кюри, в честь Пьера Кюри, описавшего это явление. В 1906 г. французский физик Бернар Брюнес исследовал намагниченность вулканических пород в Центральной Франции. Когда лава затвердевает и остывает ниже точки Кюри, содержащиеся в ней кристаллы магнетита – оксида железа – намагничиваются под действием магнитного поля Земли, превращаясь в своего рода застывшие стрелки компаса. Самое удивительное, что Брюнес обнаружил образцы, имевшие обратную по направлению намагниченность. А значит, магнитное поле Земли меняло свое направление. Примерно через 20 лет после Брюнеса японский геофизик Мотонори Матуяма показал, что смены полярности, или инверсии, случались неоднократно в истории Земли.

Открытие Брюнеса и Матуямы позволило выделить длительные временны́е периоды, когда магнитное поле Земли имело близкое к современному или обратное направление, и выявить переходы между ними. Нынешняя эпоха прямой полярности началась 0,78 млн лет назад. Она носит название эпохи Брюнеса (Brunhes), до нее была эпоха обратной полярности – эпоха Матуямы. Но и в пределах одной эпохи магнитное поле могло ненадолго менять полярность. Такие события называются геомагнитными эпизодами, или экскурсами. Последняя кратковременная смена полярности – экскурс Лашамп – произошла сравнительно недавно, в последнюю ледниковую эпоху – около 41 тыс. лет назад. Тогда обратная полярность сохранялась в течение примерно 440 лет.

С течением времени горные породы разрушаются, и магнитные частички поступают с речным стоком в океан. Оседая на дно, они вновь ориентируются по магнитному полю Земли. Таким образом, донные отложения и осадочные породы также приобретают намагниченность. Поэтому их тоже можно датировать по инверсиям магнитного поля. Абсолютную хронологию инверсий определяют с помощью радиоизотопных методов, в частности, калий-аргоновым методом (Channell et al., 2010).

Благодаря исследованиям палеомагнетизма появилась возможность привязать колебания изотопного состава кислорода в донных отложениях плейстоцена к временной шкале. Одним из реперов стала граница палеомагнитных эпох Брюнеса – Матуямы; в качестве другого репера можно было использовать радиоуглеродные датировки.

В 1976 г. Хейс, Имбри и Шеклтон опубликовали в журнале Science работу (Hays et al., 1976), в которой экспериментально проверили гипотезу Миланковича об орбитальном влиянии на климат плейстоцена. Они исследовали изотопный состав кислорода в донных отложениях Индийского океана и провели частотный анализ колебаний климата за последние 500 тыс. лет. Увы, палеоклиматическая реконструкция Хейса с соавторами лишь отдаленно напоминала инсоляционную кривую Миланковича: доминировали колебания с периодом около 100 тыс. лет, близкие к периодичности эксцентриситета. Однако по Миланковичу темп оледенений должна задавать прецессия равноденствий (22 тыс. лет). Эти циклы, а также циклы длительностью 41 тыс. лет, связанные с наклоном оси, в донных отложениях тоже проявлялись, но не были основными. Это означало, что по крайней мере в последние полмиллиона лет не было прямой связи между изменением инсоляции на 65° с. ш. и сменой ледниковых эпох. С одной стороны, работа Хейса подтвердила взаимосвязь оледенений и орбитальных параметров и тем самым обеспечила официальное признание теории Миланковича. Но в то же время возникла новая загадка, так называемая проблема ста тысяч лет, решение которой ищут до сих пор. Хейс с соавторами связывали наличие 100-тысячелетних циклов с влиянием эксцентриситета, но не предложили никакого объяснения этому.

Со временем удалось получить более длинную летопись климата, и выяснилось, что близкую к 100 тыс. лет цикличность имеют лишь несколько последних циклов (рис. 2.9). До этого цикличность в точности соответствовала 41-тысячелетним изменениям наклона оси, но опять-таки не циклам прецессии равноденствий, как предсказывала теория Миланковича²⁶. 41-тысячелетний цикл был стабилен на протяжении 2 млн лет. Но около 1,25–0,70 млн лет назад циклы стали удлиняться, их размах – увеличиваться. Кроме того, они приняли отчетливую асимметричную пилообразную форму – оледенение наступало постепенно, а переход к межледниковью – быстро. Эта трансформация в климатической системе получила название среднеплейстоценового перехода.

Так возникли еще две загадки, связанные со сменой ледниковых эпох, – среднеплейстоценовый переход и природа 41-тысячелетних циклов. Переход от 100-тысячелетнего мира к 41-тысячелетнему происходил на фоне постепенного похолодания. Достоверно известно, что периодичность орбитальных параметров в это время не изменялась. Стало быть, среднеплейстоценовый переход вызван внутренними изменениями в климатической системе, детали которых еще предстоит выяснить. Среднеплейстоценовый переход можно рассматривать как смену лайт-версии ледниковых эпох полномасштабной. С установлением 100-тысячелетнего цикла объем льдов увеличивался столь сильно, что снижение уровня океана достигало 120 м, что примерно вдвое превышало колебания в раннем плейстоцене.

Климатические колебания плейстоцена могли существенно повлиять на расселение наших далеких предков по планете. Первые люди появились на территории Италии, Франции и Испании около 0,99–0,78 млн лет назад, что скорее всего соответствует первой из ледниковых эпох, имевших выраженный среднеплейстоценовый характер (0,87 млн л. н.) (Muttoni et al., 2010). Разумеется, это не были представители рода Homo sapiens; в то же время среднеплейстоценовые люди значительно отличались от своих более ранних сородичей – Homo erectus. Часто первых европейцев относят к виду Homo heidelbergensis – человек гейдельбергский. В это же время в Южной Европе появляются мигранты из Африки – слоны Elephas antiquus. Климат Африки стал засушливым, и крупные млекопитающие отправились на поиски лучшей жизни (рис. 2.10). Вслед за ними шли и наши предки, для которых эти животные служили пищей. Наиболее вероятными путями миграции представляются пути через Синайский коридор и далее вдоль Кавказского побережья или через Босфор, который в это время пересох. Пути через Баб-эль-Мандебский пролив, Гибралтар, Сицилийский пролив маловероятны.