Час від часу на Землі відбуваються льодовикові періоди, коли зовнішній вигляд нашої планети сильно змінюється. Значні ділянки суходолу в ці періоди вкриваються шаром криги, яка не тане навіть влітку. Науковці достеменно не знають усіх причин, які стоять за цим явищем, однак вони вже давно дізналися про його механізми й мають кілька гарних теорій, які могли б усе пояснити.
Крига на Землі
Однією з головних особливостей Землі як планети Сонячної системи є те, що під час обертання навколо нашої зорі вона відчутно змінює свій вигляд. У регіонах, де в певний момент панує зима, вода перетворюється на сніг і кригу, які вкривають велетенські площі поверхні. Особливо помітно це в помірній зоні Північної півкулі, адже саме тут зосереджені найбільші масиви суходолу.
Земля в цьому плані не зовсім унікальна, бо на Марсі спостерігаються ті ж самі зміни, хоча і в менших масштабах. Є на Землі й ділянки суходолу, які постійно вкриті кригою незалежно від сезону, але переважно це стосується Антарктиди, Гренландії та деяких високогірних районів. Проте в минулому були часи, коли сніг та крига вкривали цілий рік значно більшу територію.
Ми знаємо їх як льодовиковий період. Зазвичай під цією назвою розуміють частину плейстоценового періоду, яка розпочалася 2,53 млн років тому і триває досі. Проте вона не є ані єдиною подібною подією в історії Землі, ані найдовшою, ані наймасштабнішою, проте є найвідомішою широкій публіці та найкраще вивченою науковцями.
При цьому цікаво, що уявлення про період у минулому нашої планети, коли навіть у сучасній Центральній Європі клімат був подібний до нинішнього на півночі Сибіру, є відносно новим. Ще за часів Галілея й Коперника ніхто про таке не підозрював. Усе почалося у XVII столітті, коли дослідники звернули увагу на так звані ератичні камені — великі брили, що траплялися далеко від корінних порід, іноді просто посеред лісу.
Люди вже тоді знали, що подібні брили часто залишаються навесні біля схилів Альп після того, як крига відступить далеко у гори. Але подібні камені знаходили навіть у глибині долин, куди крига взимку не доходила.
Згодом такі окатані брили почали знаходити не лише в Альпах, а й у Скандинавії, і виникла ідея, що колись уся вона була вкрита кригою. Пізніше той самий висновок зробили й щодо більшої частини Європи загалом. У другій половині ХІХ століття ідея льодовикового періоду як частини минулого Землі набула широкого визнання.
Якою була остання льодовикова епоха
При цьому варто зазначити, що уявлення про останню льодовикову епоху як про період, коли Земля уся замерзла 2,5 млн років тому, а потім 10 тис. років тому так само майже миттєво розтанула, в принципі, неправильне.
Так, клімат справді став набагато холоднішим. Льодовики вкривали Білорусь, Скандинавію та Шотландію, але вже південніше на місці сучасних Лондона та Парижа була тундра. Тобто сніг лежав більшу частину року, однак на кілька літніх місяців він все ж танув, і тоді земля вкривалася холодостійкою рослинністю. А там, де клімат був трохи вологішим та теплішим, була тайга — холодні хвойні ліси. Приблизно та сама картина спостерігалася й у Північній Америці.
Ще південніше, там, де нині простягається тепле Середземномор’я, панував помірний клімат, а далі починалися теплі й навіть спекотні країни. Так, середня температура на планеті була значно нижчою, ніж тепер, однак у тропічних та екваторіальних зонах цей ефект проявлявся не надто сильно. У багатьох регіонах кількість опадів була помітно більшою, ніж сьогодні, хоча загалом їхній розподіл залишався приблизно таким самим, як і нині.
При цьому вся вищеописана картина стосується піків зледеніння, а воно під час четвертинного періоду не було постійним, а розривалося міжльодовиків’ями. Це були епохи тривалістю до кількох десятків тисяч років, під час яких клімат був практично таким самим, як і зараз. Крижані поля відступали до полюсів, колишня тундра перетворювалася на змішані ліси та степи.
Загалом треба зазначити, що насправді четвертинне зледеніння ще не завершилося. Клімат, який зараз панує на Землі, є лише черговим міжсезонням. Цілком можливо, що за кілька десятків тисяч років льодовики знову почнуть наступати.
Система зі зворотним зв’язком
Але чому так відбувається і чому науковці впевнені, що це ще не кінець льодовикового періоду, а лише перерва у ньому? Відповідь на це запитання достатньо складна, і не в останню чергу через те, що четвертинне зледеніння — не перше в історії Землі, про минулі нам відомо значно менше, і немає жодної впевненості, що у них були ті самі першопричини.
А ось щодо того, які механізми керують ходом такої події, коли вона вже розпочалася, вчені розібралися достатньо добре. У ній починають діяти механізми прямого і зворотного зв’язку.
Водяна крига — це матеріал з високою тепломісткістю нагрівання і плавлення. Недарма її використовують для охолодження напоїв. Для того, аби кубічний кілометр криги розтанув, він має поглинути з навколишньої землі, води та повітря гігантську кількість енергії.
До того ж крига має високе альбедо. Аби переконатися в цьому, достатньо вийти на вулицю в сонячний зимовий день. Тому збільшення площі льодовиків на нашій планеті навіть на долі відсотка достатньо, щоб суттєво підвищити кількість сонячної енергії, яка відбивається назад у космос. Водночас та її частина, що залишається в атмосфері й гідросфері, поглинається тією ж кригою.
Це створює умови для утворення ще більшої кількості криги. У результаті з року в рік площа льодовиків зростає: спочатку повільно, а згодом дедалі швидше, коли прискорюється сам процес їхнього розширення.
Чому тоді льодовики не вкривають усю Землю і, зрештою, холодна доба все ж закінчується? Бо, крім механізмів прямого зв’язку, вмикається ще й зворотний. В атмосфері Землі присутні парникові гази. Найсильніші з них — діоксид вуглецю (вуглекислий газ) і водяна пара. Перший постійно поповнюється за рахунок вулканів та лісових пожеж, друга — шляхом випаровування з поверхні океанів.
Вуглекислий газ поглинається рослинами й деякими гірськими породами, водяна пара перетворюється на опади. І на початкових стадіях зледеніння кількість першого не змінюється, а кількість другого навіть зменшується через загальне зниження температури на планеті.
Але в міру поширення льодовиків перепади температур в атмосфері зменшуються, вітри слабнуть, опадів стає менше. Холодний і сухий клімат не дає рослинам рости, вони починають все менше поглинати діоксид вуглецю. А вулкани свою діяльність припиняти й не думають.
У якийсь момент вміст вуглекислого газу, а за ним і водяної пари, в атмосфері починає зростати, при цьому тепер вже вони демонструють позитивний зв’язок. Чим більше їх стає, тим швидше вони накопичуються. Альбедо та теплоємність льодовиків стають слабшими за відносно тепле і вологе повітря, й вони починають танути швидше, ніж утворюватися. Тому достатньо швидко їхня площа скорочується, альбедо планети зменшується і настає міжльодовиків’я.
Ці припущення добре узгоджуються з даними геології. Температура та хімічний склад повітря залишають дуже багато слідів у гірських породах та скам’янілих деревах. Можна легко побудувати їхні графіки й побачити, як це працює.
Цикли Міланковича
Але що стає першопричиною змін, тим поштовхом, що змушує льодовики переступити межу, за якою розпочинаються вищеописані процеси? Точної відповіді щодо цього немає, але найбільш правдоподібним є спостереження, зроблене сербським астрономом Мілутіном Міланковичем у 1940-ві роки.
Форма орбіти Землі з часом може змінюватися від майже ідеально кругової до трохи еліптичної. Причиною цього є вплив інших планет, який описується складними залежностями. Водночас відбувається прецесія осі обертання нашої планети, тобто дуже повільна зміна її орієнтації й орбіти, тобто того, в який бік від Сонця вона витягнута.
У результаті протягом десятків тисяч років змінюється взаємне розташування моментів проходження Землею афелію — найвіддаленішої точки її орбіти — та моменту максимального нахилу одного з полюсів до світила. Останнє явище ми називаємо сонцестоянням і залежно від того, в якій півкулі ми перебуваємо, воно може бути зимовим чи літнім.
Але змінюється не лише цей час, а й відстань, на якій Земля перебуває від Сонця в момент афелію. І Міланкович звернув увагу на те, наскільки невеликим стає кут, під яким сонячні промені падають на приполярні області нашої планети. Чи може бути так, що в якийсь момент він стає настільки малим, що більшість їх просто відбивається від атмосфери й кількість тепла, яке отримують полярні льодовики, стає мінімальною, через що виникають умови для стрибкоподібного зростання його кількості.
Міланкович порівняв графіки зміни кута падіння променів і температури на Землі за останні два мільйони років і побачив, що вони надзвичайно схожі. Ми досі не знаємо, чи виступають цикли, названі на честь сербського науковця, тільки «спусковим гачком» зледенінь, чи керують ними весь час, але в тому, що вони відігравали важливу роль у цьому процесі, ніхто не сумнівається. І саме на повторюваності циклів Міланковича базується впевненість, що останнє зледеніння насправді останнім не було.
Минулі льодовикові епохи
Комбінація циклів Міланковича та механізмів прямого і зворотного зв’язків криги та атмосфери є гарним поясненням останнього льодовикового періоду. Однак якщо подивитися на всю історію нашої планети, то питань виникає значно більше.
А все тому, що коливання, які можна більш-менш впевнено пояснити ними, виникли приблизно 35 млн років тому. І всередині цих останніх мільйонів років зміна епох відбувалася не завжди. А до того сотні мільйонів років взагалі на Землі був теплий і рівний клімат.
І якщо вам це все здається не достатньо дивним, то ще до того були інші льодовикові епохи, які змінювалися не менш довгими теплими ерами. А найсуворіше зледеніння в історії Землі, відоме як Земля-сніжка, взагалі було у протерозойському еоні. Точніше їх було аж два: стертське 717–660 млн років тому і маріонське 650–635 млн років тому.
Про те, що всередині них існували якісь короткочасні міжльодовиків’я, ми, на превеликий жаль, нічого не знаємо через давність подій. Але те, що льодовики тоді сягнули екватора, вже наводить на думку, що тоді прості та зрозумілі механізми, описані вище, не працювали або працювали не так.
І це дуже дивно, бо теплоємність і альбедо криги за цей час змінитися не могли. Та й переконливих доказів, що орбіта нашої планети теж змінювалася, небагато.
Рух материків
Ідей щодо можливих додаткових механізмів зледеніння існує чимало. Найпереконливішою серед них є гіпотеза про те, що ступінь впливу циклів Міланковича та кліматичних механізмів зворотного зв’язку значною мірою визначається розташуванням континентів.
Річ у тім, що континенти відіграють роль концентраторів тепла та холоду. Крига на морі тане швидше, ніж на суходолі. Достатньо подивитися на Гренландію та Антарктиду, де зосереджена більша кількість її запасів. Водночас найспекотніші пустелі — всередині континентальних мас Євразії та Африки.
Самі материки при цьому дуже повільно рухаються разом із континентальними плитами, стискаються, і між ними утворюються мости. Тобто, якби весь суходіл був зібраний в одну масу, що простягалася б від полюса до полюса і перекривала всі морські течії, — це був би ідеальний момент для настання льодовикової епохи. З іншого боку, якщо існує кілька невеликих материків, розкиданих по тропічній та помірній зонах обох півкуль, а обидва полюси й екватор залишаються вільними, океанські течії вирівнюють клімат по всій планеті.
Звичайно, це — два крайніх ідеальних варіанти, які за хаотичного руху літосферних плит отримати вкрай важко. Але чим ближче реальне положення плит континентів до одного чи іншого варіантів, тим більше шансів, що вплив циклів Міланковича буде чи не буде відчуватися. Принаймні дані про останні кілька мільйонів років історії нашої планети добре пояснюються цією закономірністю, включно з останніми 35 млн років, протягом яких ми маємо гігантський холодильник на південному полюсі у вигляді Антарктиди.
Утворення гір
Є й інший момент, пов’язаний із рухом тектонічних плит, який може вплинути на ймовірність початку льодовикової епохи. Коли шматки літосфери стикаються, це може відбуватися відносно тихо, а може супроводжуватися утворенням потужних гірських масивів. І останні 65 млн років, які ми називаємо кайнозойською ерою, — саме така епоха.
Річ у тім, що під час зіткнення літосферних плит на поверхню виходять гірські породи, які раніше були приховані під землею і не контактували з атмосферою. А найбільш хімічно активними компонентами останньої саме і є вуглекислий газ та водяна пара.
Тобто коли відбувається активне гороутворення, це має призводити до поглинання парникових газів. Принаймні так має відбуватися теоретично, але досі не зрозуміло, чи дійсно обсягу вивільнених з-під Землі порід достатньо для того, аби суттєво вплинути на склад атмосфери.
Астрономічні причини
Нарешті, якщо говорити про першопричини, які можуть запускати процеси зледеніння, не можна не згадати чисто астрономічні причини. І перша, яка спадає на думку, — це зміна орбіти Землі на великих періодах часу. Ідея максимально логічна і здатна пояснити все без введення додаткових сутностей.
Проблема лише в тому, що всі загальновизнані моделі показують, що орбіти планет, за винятком короткого періоду, одразу після їхнього утворення залишалися стабільними. Деякі дослідження свідчать, що орбіта Землі під впливом Юпітера та Сатурна справді могла змінюватися сильніше, ніж зазвичай вважається, але ці припущення так і залишаються непідтвердженими.
А ось подія, яка справді могла вплинути на зледеніння, — це те, що Сонце в перші мільярди років свого існування могло бути на кілька десятків відсотків менш яскравим, ніж зараз. Для зір, схожих на нього, це цілком звичайна ситуація.
І слабке Сонце чудово підходить для пояснення того, чому зледеніння у протерозої було настільки масштабним. Але єдиним і вичерпним поясненням усіх подібних процесів воно бути не може.
Є й інші, значно екзотичніші припущення про причини зледенінь, пов’язані з космосом. Наприклад, те, що на своєму шляху Сонце зустріло ударну хвилю від наднової й газ та пил якось вплинули на кількість тепла, яке отримувала наша планета. Однак подібні припущення досі залишаються маргінальними.
Глобальне потепління
Зрозуміло, що настання льодовикового періоду зумовлюють одразу кілька дуже різнорідних факторів. І тут виникає закономірне запитання: а як на ці процеси впливає господарська діяльність людини? Насамперед це стосується викидання великої кількості парникових газів нашою промисловістю та транспортом.
Зазвичай цей факт подають у негативному ключі. Але чи можливо, що насправді цей процес у майбутньому може відстрочити настання нового льодовикового періоду? Тоді його треба розглядати як позитивний.
Насправді на це запитання певної відповіді немає. Так само, як і на запитання про те, яку роль у глобальному потеплінні відіграють природні процеси переходу від зледеніння до міжльодовиків’я, які ще не завершилися.
Науковці можуть тільки припускати, що збільшення парникових газів в атмосфері може зменшити вплив циклів Міланковича на клімат, на кшталт того, як це відбувалося у теплі ери. Однак дізнаємося ми про це лише за кілька тисяч років.
