О пользе прошлогоднего снега

Откуда мы знаем о тех событиях, которые происходили на Земле в далёком прошлом? Как уже было сказано, об отдельных событиях есть письменные или устные свидетельства. Пролить свет на некоторые загадки прошлого могут археологические находки. Всё это – архивы нашей цивилизации, но они простираются очень недалеко в прошлое, если мерить время масштабом геологических событий. Астрономические наблюдения проводятся в течение нескольких тысячелетий, регулярные наблюдения за погодой – сотни лет. Самая длинная запись температур ведётся в Центральной Англии – с 1659 года, а в России регулярные наблюдения начались при Петре I. Наблюдения за многими важнейшими параметрами, например за облачностью, стали возможны лишь с появлением спутников и покрывают лишь несколько десятилетий.

К счастью, существуют архивы, созданные самой природой, которые могут помочь нам узнать далёкую историю Земли и Космоса. Таким архивом может служить любая система, растущая постепенно, захватывая вещество из окружающей среды. При изменениях в природе состав «строительного материала» тоже будет меняться. Другими словами, естественные архивы несут закодированную информацию о прошлом нашей планеты. Один из наиболее информативных архивов – это ледник. Ледники образуются в горах, есть также полярные шапки в Антарктиде и в Гренландии. Они формируются из снега, который ложится год за годом, трансформируется, постепенно уплотняется до состояния льда. Ледники подпитываются снегом сверху и находятся в постоянном движении. Снег и лёд захватывают твёрдые частицы, соли, пузырьки воздуха, пыльцу растений и др. Таким образом, состав каждого слоя льда несёт информацию о множестве природных факторов в период его формирования, в том числе и о средней температуре. Пузырьки воздуха содержат двуокись углерода и метан: по ним можно понять, как изменялась концентрация парниковых газов в атмосфере. По содержанию сульфатов и золы можно сделать выводы об извержениях вулканов, по содержанию хлорида натрия, основного компонента морской соли, – о частоте и силе штормов, по нитратам – о частоте гроз. Но самое важное – ледники также содержат в себе информацию о температурах прошлого. Вода содержит кроме обычного кислорода (¹⁶O) и водорода (¹H) тяжёлые атомы этих элементов – ¹⁸O и ²H. Тяжёлая вода конденсируется легче, поэтому при охлаждении воздушной массы она сначала теряет тяжёлую воду. Чем ниже температура образования осадков, тем меньше в них тяжёлой воды. Значит, тяжёлые атомы водорода и кислорода, ²H и ¹⁸O, можно использовать как палеотермометр – по их содержанию в определённом слое ледника можно судить о средней температуре в тот период, когда слой образовался.

Другой важнейший архив – это донные отложения, которые накапливаются, слой за слоем, в озёрах, морях и океанах. Они тоже весьма информативны, потому что всё, что попадает в окружающую среду, рано или поздно поступает в океан, и каждое событие оставляет свой след в донных отложениях. Анализируя отложения послойно, можно увидеть, например, извержение вулкана Кракатау, чернобыльскую катастрофу или изменения магнитного поля Земли.

Ещё один всем знакомый архив – годичные кольца деревьев. Толщина годичного слоя определяется климатическими факторами, поэтому последовательность чередования толстых и тонких колец будет одинакова у всех деревьев, растущих в одно и то же время в одной местности. Можно протянуть вглубь на несколько тысячелетий дендрохронологическую шкалу, объединяя срезы разных деревьев, ныне живущих и давно спиленных, часть времени жизни которых совпадала. Таким образом, рисунок годичных колец отражает изменения климата. Состав древесины также может служить источником информации о природных факторах, которые влияли на дерево в период его роста.

Также к естественным архивам можно отнести карбонатные скелеты моллюсков, кораллы, сталагмиты, железомарганцевые конкреции, торфяники – словом всё то, что растёт постепенно и захватывает вещество из окружающей среды, фиксируя информацию о её составе.

Изменение температуры в прошлом можно реконструировать многими способами, и что важно – эти способы взаимно независимы. Помимо упоминавшегося изотопного палеотермометра (¹⁸O и ²H), индикаторами изменений климата могут служить, например, площадь ледников, ширина годичных колец деревьев, толщина ежегодного слоя осадка, формирующегося на дне озёр, и многое другое^[25].

Перед оледенением всегда теплело

Изменение климата определяется воздействием ряда факторов космической, планетарной и антропогенной природы. Эти факторы имеют различные протяжённость во времени и периодичность, могут накладываться, усиливая или ослабляя друг друга.

Если мерить время масштабами сотен тысяч лет, то основным фактором, определяющим климат, будут изменения параметров движения Земли вокруг Солнца под влиянием других планет. Вращение Земли вокруг Солнца существенно сложнее, чем большинство из нас привыкло себе представлять. Сейчас орбита близка к круговой, но так было не всегда. Её эксцентриситет (отклонение от формы круга) меняется с периодичностью около 100 тысяч лет. Наклон оси также меняется – не сильно, в пределах пары градусов – с периодичностью около 41 тысячи лет. Кроме того, она прецессирует^[26] с периодичностью около 20 тысяч лет. Казалось бы, какое нам дело до таких тонкостей. Однако ещё в 1920-е годы сербский инженер Милутин Миланкович (1879–1958) выдвинул гипотезу о том, что изменение параметров орбиты приводит к изменениям потока солнечной энергии, достигающего Земли, и является первопричиной периодических оледенений. И действительно, анализ ледников Антарктиды и Гренландии, а также донных отложений океанов показывает циклическое изменение температур прошлого в хорошем соответствии с 100-тысячелетней периодичностью (рис. 1–4). Теория Миланковича сегодня вошла в учебники, однако поначалу была принята научным сообществом в штыки. В те времена подтвердить или опровергнуть её было практически невозможно. Да и сейчас вокруг теории Миланковича идёт активная полемика. Хотя цикличность оледенений очевидна, механизм влияния орбитальных параметров Земли в деталях не ясен и по сей день^[27]. Популяризаторами теории Миланковича выступили русско-немецкий климатолог Владимир Кёппен и немецкий учёный Альфред Вегенер. Вообще, теории, выдвинутые неспециалистами, с трудом принимаются научным сообществом. В некотором смысле история повторилась и с самим Вегенером: метеоролог, воздухоплаватель и астроном, он выдвинул теорию, полностью изменившую геологию – теорию дрейфа континентов. Эта концепция была воспринята современниками как очевидный вздор, но стала общепринятой спустя много лет после трагической гибели Вегенера во льдах Гренландии в 1930 году. Сейчас имя Альфреда Вегенера носит институт полярных исследований в Бремерхафене, один из ведущих в мире.

Рис. 1–4. Палеотемпературы, реконструированные по результатам бурения льда в районе станции Восток за 422 тысячи лет [170]. Мы видим, что примерно каждые 100 тысяч лет происходило резкое потепление. Историю климата Земли, по крайней мере в течение нашего геологического периода, можно рассматривать как последовательность длительных оледенений, перемежающихся короткими потеплениями. Нам повезло жить во время одного из таких потеплений. Изменения климата, связанные с параметрами орбиты Земли, носят долгопериодический характер и не определяют колебания температур в историческую эпоху

Перу близко

Другим важнейшим фактором, влияющим на климат планеты, являются извержения вулканов. Самые сильные извержения могут иметь глобальные последствия, хотя влияние их продолжается относительно недолго – не более нескольких лет. Этого, однако, может быть достаточно, чтобы изменить ход исторических событий. В качестве примера приведем цитату из «Истории Государства Российского» Н. М. Карамзина о том, как климатические изменения спровоцировали голод 1601–1603 годов в России и начало «смутного времени» [57]: «…пала на миллионы людей казнь страшная: весною, в 1601 году, небо омрачилось густою тьмою, и дожди лили в течение десяти недель непрестанно так, что жители сельские пришли в ужас: не могли ничем заниматься, ни косить, ни жать; а 15 августа жестокий мороз повредил как зелёному хлебу, так и всем плодам незрелым. Ещё в житницах и в гумнах находилось немало старого хлеба; но земледельцы, к несчастию, засеяли поля новым, гнилым, тощим, и не видали всходов ни осенью, ни весною: всё истлело и смешалось с землёю. Между тем запасы изошли, и поля уже остались незасеянными. Тогда началося бедствие, и вопль голодных встревожил Царя. Не только гумна в сёлах, но и рынки в столице опустели, и четверть ржи возвысилась ценою от 12 и 15 денег до трёх (пятнадцати нынешних серебряных) рублей. Борис велел отворить Царские житницы в Москве и в других городах; убедил Духовенство и Вельмож продавать хлебные свои запасы также низкою ценою; отворил и казну: в четырёх оградах, сделанных близ деревянной стены Московской, лежали кучи серебра для бедных, ежедневно, в час утра, каждому давали две морковки, деньгу или копейку – но голод свирепствовал: ибо хитрые корыстолюбцы обманом скупали дешёвый хлеб в житницах казенных, Святительских, Боярских, чтобы возвышать его цену и торговать им с прибытком бессовестным; бедные, получая в день копейку серебряную, не могли питаться. Самое благодеяние обратилось во зло для столицы; из всех ближних и дальних мест земледельцы с жёнами и детьми стремились толпами в Москву за Царскою милостынею, умножая тем число нищих. Казна раздавала в день несколько тысяч рублей, и бесполезно: голод усиливался и наконец достиг крайности столь ужасной, что нельзя без трепета читать её достоверного описания в преданиях современников. «Свидетельствуюсь истиною и Богом, – пишет один из них, – что я собственными глазами видел в Москве людей, которые, лёжа на улицах, подобно скоту щипали траву и питались ею; у мёртвых находили во рту сено». Мясо лошадиное казалось лакомством: ели собак, кошек, стерво, всякую нечистоту. Люди сделались хуже зверей: оставляли семейства и жён, чтобы не делиться с ними куском последним. Не только грабили, убивали за ломоть хлеба, но и пожирали друг друга. Путешественники боялись хозяев, и гостиницы стали вертепами душегубства: давили, резали сонных для ужасной пищи! Мясо человеческое продавалось в пирогах на рынках! Матери глодали трупы своих младенцев!.. Злодеев казнили, жгли, кидали в воду; но преступления не уменьшались… И в сие время другие изверги копили, берегли хлеб в надежде продать его ещё дороже!.. Гибло множество в неизъяснимых муках голода. Везде шатались полумёртвые, падали, издыхали на площадях. Москва заразилась бы смрадом гниющих тел, если бы Царь не велел, на своё иждивение, хоронить их, истощая казну и для мёртвых. Приставы ездили в Москве из улицы в улицу, подбирали мертвецов, обмывали, завёртывали в белые саваны, обували в красные башмаки или коты и сотнями возили за город в три скудельницы, где в два года и четыре месяца было схоронено 127000 трупов, кроме погребённых людьми христолюбивыми у церквей приходских. Пишут, что в одной Москве умерло тогда 500000 человек, а в сёлах и в других областях ещё несравненно более, от голода и холода: ибо зимою нищие толпами замерзали на дорогах».