Время от времени на Земле происходят ледниковые периоды, когда внешний вид нашей планеты сильно меняется. Значительные участки суши в эти периоды покрываются слоем льда, который не тает даже летом. Ученые точно не знают всех причин, стоящих за этим явлением, однако они уже давно узнали о его механизмах и имеют несколько хороших теорий, которые могли бы все объяснить.
Лед на Земле
Одной из главных особенностей Земли как планеты Солнечной системы является то, что во время вращения вокруг нашей звезды она заметно меняет свой вид. В регионах, где в определенный момент царит зима, вода превращается в снег и лед, которые покрывают огромные площади поверхности. Особенно заметно это в умеренной зоне Северного полушария, ведь именно здесь сосредоточены самые большие массивы суши.
Земля в этом плане не совсем уникальна, потому что на Марсе наблюдаются те же изменения, хотя и в меньших масштабах. Есть на Земле и участки суши, которые постоянно покрыты льдом независимо от сезона, но преимущественно это касается Антарктиды, Гренландии и некоторых высокогорных районов. Однако в прошлом было время, когда снег и лед покрывали круглый год значительно большую территорию.
Мы знаем их как ледниковый период. Обычно под этим названием понимают часть плейстоценового периода, которая началась 2,53 млн лет назад и продолжается до сих пор. Однако он не является ни единственным подобным событием в истории Земли, ни самым длительным, ни самым масштабным, но является самым известным широкой публике и наиболее изученным учеными.
При этом интересно, что представление о периоде в прошлом нашей планеты, когда даже в современной Центральной Европе климат был подобен нынешнему на севере Сибири, является относительно новым. Еще во времена Галилея и Коперника никто об этом не подозревал. Все началось в XVII веке, когда исследователи обратили внимание на так называемые эрратические камни — большие, грубо обкатанные глыбы, которые встречались вдали от коренных пород, иногда просто посреди леса.
Люди уже тогда знали, что подобные глыбы часто остаются весной у склонов Альп после того, как лед отступает далеко в горы. Но подобные камни находили даже в глубине долин, куда лед зимой не доходил.
Впоследствии такие окатанные глыбы начали находить не только в Альпах, но и в Скандинавии, и возникла идея, что когда-то вся она была покрыта льдом. Позже тот же вывод сделали и в отношении большей части Европы в целом. Во второй половине XIX века идея ледникового периода как части прошлого Земли получила широкое признание.
Какой была последняя ледниковая эпоха
При этом следует отметить, что представление о последней ледниковой эпохе как о периоде, когда Земля вся замерзла 2,5 млн лет назад, а затем 10 тыс. лет назад так же почти мгновенно растаяла, в принципе, неверное.
Да, климат действительно стал намного холоднее. Ледники покрывали Беларусь, Скандинавию и Шотландию, но уже южнее, на месте современных Лондона и Парижа, была тундра. То есть снег лежал большую часть года, однако на несколько летних месяцев он все же таял, и тогда земля покрывалась холодостойкой растительностью. А там, где климат был немного влажнее и теплее, была тайга — холодные хвойные леса. Примерно такая же картина наблюдалась и в Северной Америке.
Еще южнее, там, где сейчас простирается теплое Средиземноморье, царил умеренный климат, а дальше начинались теплые и даже жаркие страны. Да, средняя температура на планете была значительно ниже, чем сейчас, однако в тропических и экваториальных зонах этот эффект проявлялся не слишком сильно. Во многих регионах количество осадков было заметно больше, чем сегодня, хотя в целом их распределение оставалось примерно таким же, как и сейчас.
При этом вся вышеописанная картина касается пиков оледенения, а оно во время четвертичного периода не было постоянным, а разрывалось межледниковьем. Это были эпохи продолжительностью до нескольких десятков тысяч лет, во время которых климат был практически таким же, как и сейчас. Ледяные поля отступали к полюсам, бывшая тундра превращалась в смешанные леса и степи.
В целом следует отметить, что на самом деле четвертичное оледенение еще не завершилось. Климат, который сейчас царит на Земле, является лишь очередным межсезоньем. Вполне возможно, что через несколько десятков тысяч лет ледники снова начнут наступать.
Система с обратной связью
Но почему так происходит и почему ученые уверены, что это еще не конец ледникового периода, а лишь перерыв в нем? Ответ на этот вопрос достаточно сложен, и не в последнюю очередь потому, что четвертичное оледенение — не первое в истории Земли, о прошлых нам известно значительно меньше, и нет никакой уверенности, что у них были те же первопричины.
А вот относительно того, какие механизмы управляют ходом такого события, когда оно уже началось, ученые разобрались достаточно хорошо. В ней начинают действовать механизмы прямой и обратной связи.
Водяной лед — это материал с высокой теплоемкостью нагрева и плавления. Не зря ее используют для охлаждения напитков. Для того чтобы кубический километр льда растаял, он должен поглотить из окружающей земли, воды и воздуха гигантское количество энергии.
К тому же лед имеет высокое альбедо. Чтобы убедиться в этом, достаточно выйти на улицу в солнечный зимний день. Поэтому увеличение площади ледников на нашей планете даже на доли процента достаточно, чтобы существенно повысить количество солнечной энергии, которая отражается обратно в космос. В то же время та ее часть, которая остается в атмосфере и гидросфере, поглощается тем же льдом.
Это создает условия для образования еще большего количества льда. В результате из года в год площадь ледников увеличивается: сначала медленно, а затем все быстрее, когда ускоряется сам процесс их расширения.
Почему же тогда ледники не покрывают всю Землю и, в конце концов, холодный период все же заканчивается? Потому что, кроме механизмов прямой связи, включается еще и обратный. В атмосфере Земли присутствуют парниковые газы. Самые сильные из них — диоксид углерода (углекислый газ) и водяной пар. Первый постоянно пополняется за счет вулканов и лесных пожаров, второй — путем испарения с поверхности океанов.
Углекислый газ поглощается растениями и некоторыми горными породами, водяной пар превращается в осадки. И на начальных стадиях оледенения количество первого не меняется, а количество второго даже уменьшается из-за общего понижения температуры на планете.
Но по мере распространения ледников перепады температур в атмосфере уменьшаются, ветры слабеют, осадков становится меньше. Холодный и сухой климат не дает растениям расти, они начинают все меньше поглощать диоксид углерода. А вулканы свою деятельность прекращать и не думают.
В какой-то момент содержание углекислого газа, а за ним и водяного пара, в атмосфере начинает расти, при этом теперь уже они демонстрируют положительную связь. Чем больше их становится, тем быстрее они накапливаются. Альбедо и теплоемкость ледников становятся слабее относительно теплого и влажного воздуха, и они начинают таять быстрее, чем образовываться. Поэтому достаточно быстро их площадь сокращается, альбедо планеты уменьшается и наступает межледниковье.
Эти предположения хорошо согласуются с данными геологии. Температура и химический состав воздуха оставляют очень много следов в горных породах и окаменелых деревьях. Можно легко построить их графики и увидеть, как это работает.
Циклы Миланковича
Но что становится первопричиной изменений, тем толчком, который заставляет ледники переступить границу, где начинаются вышеописанные процессы? Точного ответа на этот вопрос нет, но наиболее правдоподобным является наблюдение, сделанное сербским астрономом Милутином Миланковичем в 1940-е годы.
Форма орбиты Земли с течением времени может изменяться от почти идеально круговой до несколько эллиптической. Причиной этого является влияние других планет, описываемых сложными зависимостями. В то же время происходит прецессия оси вращения нашей планеты, то есть очень медленное изменение ее ориентации и ее орбиты, то есть того, в какую сторону от Солнца она вытянута.
В результате в течение десятков тысяч лет меняется взаимное расположение моментов прохождения Землей афелия — самой удаленной точки ее орбиты — и момента максимального наклона одного из полюсов к светилу. Последнее явление мы называем солнцестоянием и в зависимости от того, в каком полушарии мы находимся, оно может быть зимним или летним.
Но меняется не только это время, но и расстояние, на котором Земля находится от Солнца в момент афелия. И Миланкович обратил внимание на то, насколько небольшим становится угол, под которым солнечные лучи падают на приполярные области нашей планеты. Может ли быть так, что в какой-то момент он становится настолько малым, что большая часть лучей просто отражается от атмосферы, и количество тепла, получаемое полярными ледниками, становится минимальным, из-за чего возникают условия для скачкообразного роста его количества.
Миланкович сравнил графики изменения угла падения лучей и температуры на Земле за последние два миллиона лет и увидел, что они чрезвычайно похожи. Мы до сих пор не знаем, являются ли циклы, названные в честь сербского ученого, только «спусковым крючком» оледенений, или управляют ими все время, но в том, что они играли важную роль в этом процессе, никто не сомневается. И именно на повторяемости циклов Миланковича основана уверенность, что последнее оледенение на самом деле последним не было.
Прошлые ледниковые эпохи
Комбинация циклов Миланковича и механизмов прямой и обратной связи льда и атмосферы является хорошим объяснением последнего ледникового периода. Однако если посмотреть на всю историю нашей планеты, то вопросов возникает гораздо больше.
А все потому, что колебания, которые можно более или менее уверенно объяснить ими, возникли примерно 35 млн лет назад. И в течение этих последних миллионов лет смена эпох происходила не всегда. А до того сотни миллионов лет на Земле вообще был теплый и ровный климат.
И если вам все это кажется недостаточно удивительным, то еще до этого были другие ледниковые эпохи, которые сменялись не менее длительными теплыми эрами. А самое суровое оледенение в истории Земли, известное как Земля-снежинка, вообще было в протерозойском эоне. Точнее, их было целых два: стертское 717–660 млн лет назад и марионское 650–635 млн лет назад.
О том, что внутри них существовали какие-то кратковременные межледниковые периоды, мы, к большому сожалению, ничего не знаем из-за древности событий. Но то, что ледники тогда достигли экватора, уже наводит на мысль, что тогда простые и понятные механизмы, описанные выше, не работали или работали не так.
И это очень странно, потому что теплоемкость и альбедо льда за это время измениться не могли. Да и убедительных доказательств того, что орбита нашей планеты тоже менялась, немного.
Движение материков
Идей относительно возможных дополнительных механизмов оледенения существует немало. Наиболее убедительной из них является гипотеза о том, что степень влияния циклов Миланковича и климатических механизмов обратной связи в значительной мере определяется расположением континентов.
Дело в том, что континенты играют роль концентраторов тепла и холода. Лед на море тает быстрее, чем на суше. Достаточно посмотреть на Гренландию и Антарктиду, где сосредоточено большее количество ее запасов. В то же время самые жаркие пустыни — внутри континентальных масс Евразии и Африки.
Сами материки при этом очень медленно движутся вместе с континентальными плитами, сжимаются, и между ними образуются мосты. То есть, если бы вся суша была собрана в одну массу, простирающуюся от полюса до полюса и перекрывающую все морские течения, — это был бы идеальный момент для наступления ледниковой эпохи. С другой стороны, если существует несколько небольших материков, разбросанных по тропической и умеренной зонам обоих полушарий, а оба полюса и экватор остаются свободными, океанские течения выравнивают климат по всей планете.
Конечно, это два крайних идеальных варианта, которые при хаотическом движении литосферных плит получить крайне трудно. Но чем ближе реальное положение плит континентов к одному или другому варианту, тем больше шанса, что влияние циклов Миланковича будет или не будет ощущаться. По крайней мере, данные о последних нескольких миллионах лет истории нашей планеты хорошо объясняются этой закономерностью, включая последние 35 млн лет, в течение которых мы имеем гигантский холодильник на южном полюсе в виде Антарктиды.
Образование гор
Есть и другой момент, связанный с движением тектонических плит, который может повлиять на вероятность начала ледниковой эпохи. Когда куски литосферы сталкиваются, это может происходить относительно тихо, а может сопровождаться образованием мощных горных массивов. И последние 65 млн лет, которые мы называем кайнозойской эрой, — именно такая эпоха.
Дело в том, что при столкновении литосферных плит на поверхность выходят горные породы, которые ранее были скрыты под землей и не контактировали с атмосферой. А наиболее химически активными компонентами последней как раз и являются углекислый газ и водяной пар.
То есть, когда происходит активное горообразование, это должно приводить к поглощению парниковых газов. По крайней мере, так должно происходить теоретически, но до сих пор не ясно, действительно ли объема освобожденных из-под Земли пород достаточно для того, чтобы существенно повлиять на состав атмосферы.
Астрономические причины
Наконец, если говорить о первопричинах, которые могут запускать процессы оледенения, нельзя не упомянуть чисто астрономические причины. И первая, которая приходит на ум, — это изменение орбиты Земли на больших периодах времени. Идея максимально логична и способна объяснить все без введения дополнительных понятий.
Проблема лишь в том, что все общепризнанные модели показывают, что орбиты планет, за исключением короткого периода сразу после их образования, оставались стабильными. Некоторые исследования свидетельствуют, что орбита Земли под влиянием Юпитера и Сатурна действительно могла изменяться сильнее, чем обычно считается, но эти предположения так и остаются неподтвержденными.
А вот событие, которое действительно могло повлиять на оледенение, — это то, что Солнце в первые миллиарды лет своего существования могло быть на несколько десятков процентов менее ярким, чем сейчас. Для звезд, похожих на него, это вполне обычная ситуация.
И слабое Солнце прекрасно подходит для объяснения того, почему оледенение у протерозоя было столь масштабным. Но единственным и исчерпывающим объяснением всех схожих действий оно быть не может.
Есть и другие, гораздо более экзотические предположения о причинах оледенений, связанные с космосом. Например, то, что на своем пути Солнце встретило ударную волну от сверхновой, и газ и пыль каким-то образом повлияли на количество тепла, которое получала наша планета. Однако подобные предположения до сих пор остаются маргинальными.
Глобальное потепление
Понятно, что наступление ледникового периода обуславливает сразу несколько очень разнородных факторов. И здесь возникает закономерный вопрос: а как на эти процессы влияет хозяйственная деятельность человека? И в первую очередь это касается выбрасывания большого количества парниковых газов нашей промышленностью и транспортом.
Обычно этот факт подают в негативном ключе. Но возможно ли, что на самом деле этот процесс в будущем может отсрочить наступление нового ледникового периода? Тогда его нужно рассматривать как положительный.
На самом деле, на этот вопрос определенного ответа нет. Так же, как и на вопрос о том, какую роль в глобальном потеплении играют еще не завершившиеся естественные процессы перехода от оледенения к межледниковью.
Ученые могут только предполагать, что увеличение парниковых газов в атмосфере может снизить влияние циклов Миланковича на климат, подобно тому, как это происходило в теплые эры. Однако узнаем мы об этом всего за несколько тысяч лет.
