Солнечная система приближается к нему со скоростью около 20 километров в секунду и может достичь краев облака примерно через 50 000 лет.
Но Солнце непосредственно или облака межзвездной пыли могут не быть истинным «спусковым крючком». Сама Земля или, скорее, ее атмосфера, может послужить таким механизмом. Солнечной радиации приходится преодолевать атмосферу, и это способно дать свой эффект.
Примем во внимание, что солнечная радиация достигает Земли главным образом в форме видимого света. Пик солнечной радиации приходится на длины волн видимого света, который легко проходит сквозь атмосферу. Другие формы радиации – ультрафиолет и рентгеновские лучи, которые Солнце производит не в таком изобилии, атмосферой задерживаются.
В отсутствие Солнца, ночью, поверхность Земли излучает тепло в открытый космос. Это происходит главным образом в виде длинных инфракрасных волн. Они тоже проходят сквозь атмосферу. При обычных условиях оба эти эффекта балансируются, и Земля теряет столько тепла со своей окутанной ночью поверхности, сколько получает на свою поверхность, залитую дневным светом. Средняя температура поверхности остается одной и той же из года в год.
Азот и кислород, которые фактически составляют всю атмосферу, пропускают как видимый свет, так и инфракрасное излучение. Двуокись углерода, или углекислый газ, и водяной пар пропускают видимый свет, а инфракрасное излучение не пропускают. Это впервые было отмечено ирландским физиком Джоном Тиндалом (1820–1893). Углекислый газ составляет только 0,03 процента земной атмосферы, а содержание водяного пара непостоянное и низкое. Следовательно, они не блокируют полностью инфракрасное излучение.
Тем не менее отчасти они его все-таки блокируют. Если бы в атмосфере Земли совершенно не было углекислого газа и водяного пара, то по ночам инфракрасное излучение исчезало бы интенсивнее, чем сейчас. Ночи были бы холоднее, чем сейчас, и дни, разогреваясь от холодного старта, тоже были бы холоднее. Средняя температура Земли была бы заметно ниже, чем сейчас.
Углекислый газ и водяной пар в нашей атмосфере, хотя они и присутствуют в ней в малых количествах, все же блокируют достаточное количество инфракрасного излучения, чтобы служить ощутимыми хранителями тепла. Их наличие способствует заметно более высокой средней температуре на Земле, чем была бы при их отсутствии. Это называется «парниковым эффектом», потому что стекло парника действует подобным же образом, пропуская видимый свет Солнца и удерживая внутри инфракрасное излучение.
Предположим, что по какой-то причине содержание углекислого газа в атмосфере немного повысилось. Допустим, оно удвоилось до 0,06 процента. Это не повлияет на возможность дышать атмосферным воздухом, и мы ничего не узнаем о самом изменении, но лишь о его последствиях. Атмосфера с таким содержанием углекислого газа будет все же менее прозрачна для инфракрасного излучения. Поскольку инфракрасное излучение будет задерживаться, средняя температура на Земле слегка поднимется. Немного более высокая температура увеличит испарение океанов, поднимет уровень водяного пара в воздухе, и это также будет способствовать усилению парникового эффекта.
Предположим, с другой стороны, что содержание углекислого газа в атмосфере слегка понизилось, с 0,03 процента до 0,015 процента. Теперь инфракрасное излучение исчезает легче и температура на Земле слегка понижается. При более низкой температуре уменьшается содержание водяного пара, добавляя свою долю к ослаблению парникового эффекта. Такие повышения или падения температуры тоже могут быть достаточными для того, чтобы начать или закончить период оледенения.
Но что может вызвать такие изменения концентрации углекислого газа в атмосфере? Животная жизнь производит углекислый газ в большом количестве, но жизнь растительная потребляет его в эквивалентном количестве, и эффект жизни в целом в том и состоит, что она поддерживает баланс (Это не вполне верно в отношении той части жизни, которая включает в себя человеческую деятельность. Я вернусь к этому позже). Существуют, однако, естественные процессы, которые производят или потребляют углекислый газ независимо от жизни, и они могут балансировать равновесие в достаточной степени для того, чтобы запустить этот механизм.
Например, значительная часть углекислого газа, находящегося в атмосфере, может раствориться в океане, но углекислый газ, растворенный в океане, может быть легко снова отдан в атмосферу. Углекислый газ способен также реагировать с окислами коры Земли и образовывать карбонаты, из которых двуокись углерода скорее всего, никуда уже не денется.
Конечно, открытые воздуху части земной коры уже поглотили то количество двуокиси углерода, которое могли. Однако в периоды горообразования новые породы достигают поверхности, то есть породы, которые не были открыты для доступа углекислого газа, и они могут действовать как среда, поглощающая углекислый газ, снижая его концентрацию в атмосфере.
С другой стороны, большое количество углекислого газа извергают в атмосферу вулканы, поскольку высокая температура, расплавляющая камни в лаву, расщепляет карбонаты и освобождает двуокись углерода. В периоды необычно высокой вулканической активности содержание в атмосфере углекислого газа может повышаться.
Как вулканическая деятельность, так и горообразование являются, как я уже говорил, результатом движения тектонических плит, но существуют периоды, когда условия более благоприятны для вулканической активности, чем для горообразования, и наоборот, когда условия более благоприятны для горообразования.
Вполне возможно, что когда горообразование в истории Земли проявлялось более ярко, содержание углекислого газа в атмосфере понижалось, температура на поверхности Земли падала, и ледники начинали наступать. Когда же активизировалась вулканическая деятельность, содержание углекислого газа повышалось, поднималась температура поверхности Земли, и ледники, если они были, начинали отступать.
И, наконец, чтобы показать, что не все так просто, как порой кажется, еще одна возможность. Если вулканическое извержение оказывается особенно сильным, в стратосферу может быть поднято большое количество пыли, и это способно послужить причиной такого количества «лет без лета», как было в 1816 году, что в свою очередь может запустить механизм наступления ледникового периода.
По вулканическому пеплу в океанских отложениях можно заключить, что вулканическая деятельность в последние 2 миллиона лет была примерно в четыре раза интенсивнее, чем за предыдущие 18 миллионов лет. Может быть, как раз сейчас пыльная стратосфера и подвергает Землю своим периодическим оледенениям.
Орбитальные вариации
Пока возможные спусковые механизмы оледенения и деоледенения, которые я описал, не являются вполне достоверными факторами предсказания будущего.
Мы недостаточно хорошо знаем, каковы правила, управляющие слабыми изменениями в солнечной радиации. Мы не вполне осведомлены и о том, что нас ждет впереди, в отношении столкновений с космическими облаками. Мы, конечно, также не можем предсказывать характер вулканических извержений и горообразования.
Существует, однако, предположение, согласно которому наступление и уход ледниковых периодов столь же регулярны и столь же неизбежны, как смена времен года в годичном цикле.
В 1920 году югославский физик Милутин Миланкович предположил, что существует большой погодный цикл, связанный с небольшими периодическими изменениями орбиты Земли и наклонного положения ее оси. Он выдвинул идею «Великих зим», в течение которых имеют место ледниковые периоды, и «Великих лет», которые представляют собой межледниковые периоды. Между ними предполагались, соответственно, «Великая весна» и «Великая осень».
В то время теория Миланковича привлекла не больше внимания, чем теория Вегенера о дрейфе континентов, но дело в том, что изменения орбиты Земли существуют. Например, орбита Земли не абсолютно круглая, а слегка эллиптическая, с Солнцем в одном из фокусов эллипса. Это означает, что расстояние Земли от Солнца день ото дня слегка меняется. Существует время, когда Земля находится в «перигелии», то есть ближе всего к Солнцу, и существует время, когда Земля находится в «афелии», то есть дальше всего от Солнца.
Разница невелика. Орбита настолько слабо эллиптическая (эллипс малой эксцентричности), что если ее начертить в масштабе, то на глаз ее нельзя отличить от круга. Несмотря на это, малая эксцентричность в 0,01675 означает, что в перигелии Земля находится от Солнца на расстоянии 147 миллионов километров, а в афелии – в 152 миллионах километров. Разница в расстоянии составляет 5 миллионов километров.
Это большая величина по масштабам Земли, но вместе с тем это разница только на 3,3 процента. Солнце в перигелии появляется по размеру чуть больше, чем в афелии, но недостаточно для того, чтобы это заметил кто-либо, кроме астрономов. Также и сила гравитации в перигелии немного сильнее, чем в афелии, так что в перигелиевой половине орбиты Земля движется быстрее, чем в афелиевой Головине, и времена года тоже не точно равны по длительности, и это тоже остается не замеченным обычным человеком.
И, наконец, это означает, что в перигелии мы получаем от Солнца больше радиации, чем в афелии. Радиация, которую мы получаем, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, так что, оказывается, Земля получает в перигелии на 7 процентов больше радиации, чем в афелии. Земля достигает своего перигелия 2 января каждого года и афелия – 2 июля. Так случилось, что 2 января – это меньше чем две недели после зимнего солнцестояния, в то время как 2 июля – меньше двух недель после летнего солнцестояния. Это означает, что, когда Земля в перигелии или близко к нему и получает больше тепла, чем обычно, в северном полушарии глубокая зима, а в южном полушарии самый разгар лета. Дополнительное тепло означает, что северная зима мягче, чем она была бы, будь орбита Земли круглой, в то время, как южное лето жарче. Когда Земля находится в афелии или близко к нему и получает меньше тепла, чем обычно, в северном полушарии разгар лета, а южное полушарие в глубокой зиме. Недостаток тепла означает, что северное лето холоднее, чем оно было бы, будь орбита Земли круглой, в то время как южная зима холоднее.
Отсюда мы видим, что эллиптичность орбиты Земли дает северному полушарию, кроме тропиков, менее экстремальные колебания между летом и зимой, чем южному полушарию, кроме тропиков.
Может показаться, что северное полушарие не предрасположено к ледниковому периоду, в то время как южное – предрасположено, но это неверно. На самом деле именно мягкая зима и прохладное лето – менее экстремальные колебания – предрасполагают полушарие к ледниковому периоду.
В конце концов, зимой идет снег, поскольку температура ниже точки замерзания воды и при условии, что в воздухе имеется избыточная влага. Температура опускается ниже точки замерзания, но снега выпадет меньше, потому что чем ниже температура, тем меньше влаги может содержать воздух. Максимальное количество выпавшего снега приходится на более мягкие зимы, когда температура не слишком часто опускается ниже точки замерзания.
Количество снега, тающего летом, зависит, конечно, от температуры. Чем жарче лето, тем больше тает снега, и чем прохладнее лето, тем меньше тает снега. Отсюда следует, что раз у нас мягкие зимы и прохладные лета, то у нас много снега и его меньше тает, а это как раз то, что нужно для начала ледникового периода.
И все же ледникового периода сейчас в северном полушарии нет, хотя у нас мягкие зимы и прохладные лета. Возможно, что перепады все-таки еще слишком экстремальны, и что существуют другие факторы, которые могут действовать так, что делают зимы еще более мягкими, а лета более прохладными. Например, в настоящий момент ось Земли отклонена от вертикали примерно на 23,5°. При летнем солнцестоянии 21 июня северный конец оси наклонен в направлении Солнца. При зимнем солнцестоянии 21 декабря северный конец оси наклонен в направлении от Солнца.
Ось Земли, однако, не остается наклоненной в том же самом направлении постоянно. Из-за влияния Луны на экваториальную выпуклость Земли ось Земли медленно колеблется. Она остается наклоненной, но направление наклона совершает круг каждые 25 780 лет. Это называется «предварение равноденствия».
Примерно через 12 890 лет от нашего времени ось Земли будет смещена в противоположном направлении, так что, если это будет единственным изменением, летнее солнцестояние наступит у нас 21 декабря, а зимнее солнцестояние – 21 июня. Летнее солнцестояние окажется тогда в перигелии, и северное лето станет жарче, чем сейчас. Зимнее солнцестояние окажется в афелии, и северная зима станет холоднее, чем сейчас.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67
Но Солнце непосредственно или облака межзвездной пыли могут не быть истинным «спусковым крючком». Сама Земля или, скорее, ее атмосфера, может послужить таким механизмом. Солнечной радиации приходится преодолевать атмосферу, и это способно дать свой эффект.
Примем во внимание, что солнечная радиация достигает Земли главным образом в форме видимого света. Пик солнечной радиации приходится на длины волн видимого света, который легко проходит сквозь атмосферу. Другие формы радиации – ультрафиолет и рентгеновские лучи, которые Солнце производит не в таком изобилии, атмосферой задерживаются.
В отсутствие Солнца, ночью, поверхность Земли излучает тепло в открытый космос. Это происходит главным образом в виде длинных инфракрасных волн. Они тоже проходят сквозь атмосферу. При обычных условиях оба эти эффекта балансируются, и Земля теряет столько тепла со своей окутанной ночью поверхности, сколько получает на свою поверхность, залитую дневным светом. Средняя температура поверхности остается одной и той же из года в год.
Азот и кислород, которые фактически составляют всю атмосферу, пропускают как видимый свет, так и инфракрасное излучение. Двуокись углерода, или углекислый газ, и водяной пар пропускают видимый свет, а инфракрасное излучение не пропускают. Это впервые было отмечено ирландским физиком Джоном Тиндалом (1820–1893). Углекислый газ составляет только 0,03 процента земной атмосферы, а содержание водяного пара непостоянное и низкое. Следовательно, они не блокируют полностью инфракрасное излучение.
Тем не менее отчасти они его все-таки блокируют. Если бы в атмосфере Земли совершенно не было углекислого газа и водяного пара, то по ночам инфракрасное излучение исчезало бы интенсивнее, чем сейчас. Ночи были бы холоднее, чем сейчас, и дни, разогреваясь от холодного старта, тоже были бы холоднее. Средняя температура Земли была бы заметно ниже, чем сейчас.
Углекислый газ и водяной пар в нашей атмосфере, хотя они и присутствуют в ней в малых количествах, все же блокируют достаточное количество инфракрасного излучения, чтобы служить ощутимыми хранителями тепла. Их наличие способствует заметно более высокой средней температуре на Земле, чем была бы при их отсутствии. Это называется «парниковым эффектом», потому что стекло парника действует подобным же образом, пропуская видимый свет Солнца и удерживая внутри инфракрасное излучение.
Предположим, что по какой-то причине содержание углекислого газа в атмосфере немного повысилось. Допустим, оно удвоилось до 0,06 процента. Это не повлияет на возможность дышать атмосферным воздухом, и мы ничего не узнаем о самом изменении, но лишь о его последствиях. Атмосфера с таким содержанием углекислого газа будет все же менее прозрачна для инфракрасного излучения. Поскольку инфракрасное излучение будет задерживаться, средняя температура на Земле слегка поднимется. Немного более высокая температура увеличит испарение океанов, поднимет уровень водяного пара в воздухе, и это также будет способствовать усилению парникового эффекта.
Предположим, с другой стороны, что содержание углекислого газа в атмосфере слегка понизилось, с 0,03 процента до 0,015 процента. Теперь инфракрасное излучение исчезает легче и температура на Земле слегка понижается. При более низкой температуре уменьшается содержание водяного пара, добавляя свою долю к ослаблению парникового эффекта. Такие повышения или падения температуры тоже могут быть достаточными для того, чтобы начать или закончить период оледенения.
Но что может вызвать такие изменения концентрации углекислого газа в атмосфере? Животная жизнь производит углекислый газ в большом количестве, но жизнь растительная потребляет его в эквивалентном количестве, и эффект жизни в целом в том и состоит, что она поддерживает баланс (Это не вполне верно в отношении той части жизни, которая включает в себя человеческую деятельность. Я вернусь к этому позже). Существуют, однако, естественные процессы, которые производят или потребляют углекислый газ независимо от жизни, и они могут балансировать равновесие в достаточной степени для того, чтобы запустить этот механизм.
Например, значительная часть углекислого газа, находящегося в атмосфере, может раствориться в океане, но углекислый газ, растворенный в океане, может быть легко снова отдан в атмосферу. Углекислый газ способен также реагировать с окислами коры Земли и образовывать карбонаты, из которых двуокись углерода скорее всего, никуда уже не денется.
Конечно, открытые воздуху части земной коры уже поглотили то количество двуокиси углерода, которое могли. Однако в периоды горообразования новые породы достигают поверхности, то есть породы, которые не были открыты для доступа углекислого газа, и они могут действовать как среда, поглощающая углекислый газ, снижая его концентрацию в атмосфере.
С другой стороны, большое количество углекислого газа извергают в атмосферу вулканы, поскольку высокая температура, расплавляющая камни в лаву, расщепляет карбонаты и освобождает двуокись углерода. В периоды необычно высокой вулканической активности содержание в атмосфере углекислого газа может повышаться.
Как вулканическая деятельность, так и горообразование являются, как я уже говорил, результатом движения тектонических плит, но существуют периоды, когда условия более благоприятны для вулканической активности, чем для горообразования, и наоборот, когда условия более благоприятны для горообразования.
Вполне возможно, что когда горообразование в истории Земли проявлялось более ярко, содержание углекислого газа в атмосфере понижалось, температура на поверхности Земли падала, и ледники начинали наступать. Когда же активизировалась вулканическая деятельность, содержание углекислого газа повышалось, поднималась температура поверхности Земли, и ледники, если они были, начинали отступать.
И, наконец, чтобы показать, что не все так просто, как порой кажется, еще одна возможность. Если вулканическое извержение оказывается особенно сильным, в стратосферу может быть поднято большое количество пыли, и это способно послужить причиной такого количества «лет без лета», как было в 1816 году, что в свою очередь может запустить механизм наступления ледникового периода.
По вулканическому пеплу в океанских отложениях можно заключить, что вулканическая деятельность в последние 2 миллиона лет была примерно в четыре раза интенсивнее, чем за предыдущие 18 миллионов лет. Может быть, как раз сейчас пыльная стратосфера и подвергает Землю своим периодическим оледенениям.
Орбитальные вариации
Пока возможные спусковые механизмы оледенения и деоледенения, которые я описал, не являются вполне достоверными факторами предсказания будущего.
Мы недостаточно хорошо знаем, каковы правила, управляющие слабыми изменениями в солнечной радиации. Мы не вполне осведомлены и о том, что нас ждет впереди, в отношении столкновений с космическими облаками. Мы, конечно, также не можем предсказывать характер вулканических извержений и горообразования.
Существует, однако, предположение, согласно которому наступление и уход ледниковых периодов столь же регулярны и столь же неизбежны, как смена времен года в годичном цикле.
В 1920 году югославский физик Милутин Миланкович предположил, что существует большой погодный цикл, связанный с небольшими периодическими изменениями орбиты Земли и наклонного положения ее оси. Он выдвинул идею «Великих зим», в течение которых имеют место ледниковые периоды, и «Великих лет», которые представляют собой межледниковые периоды. Между ними предполагались, соответственно, «Великая весна» и «Великая осень».
В то время теория Миланковича привлекла не больше внимания, чем теория Вегенера о дрейфе континентов, но дело в том, что изменения орбиты Земли существуют. Например, орбита Земли не абсолютно круглая, а слегка эллиптическая, с Солнцем в одном из фокусов эллипса. Это означает, что расстояние Земли от Солнца день ото дня слегка меняется. Существует время, когда Земля находится в «перигелии», то есть ближе всего к Солнцу, и существует время, когда Земля находится в «афелии», то есть дальше всего от Солнца.
Разница невелика. Орбита настолько слабо эллиптическая (эллипс малой эксцентричности), что если ее начертить в масштабе, то на глаз ее нельзя отличить от круга. Несмотря на это, малая эксцентричность в 0,01675 означает, что в перигелии Земля находится от Солнца на расстоянии 147 миллионов километров, а в афелии – в 152 миллионах километров. Разница в расстоянии составляет 5 миллионов километров.
Это большая величина по масштабам Земли, но вместе с тем это разница только на 3,3 процента. Солнце в перигелии появляется по размеру чуть больше, чем в афелии, но недостаточно для того, чтобы это заметил кто-либо, кроме астрономов. Также и сила гравитации в перигелии немного сильнее, чем в афелии, так что в перигелиевой половине орбиты Земля движется быстрее, чем в афелиевой Головине, и времена года тоже не точно равны по длительности, и это тоже остается не замеченным обычным человеком.
И, наконец, это означает, что в перигелии мы получаем от Солнца больше радиации, чем в афелии. Радиация, которую мы получаем, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, так что, оказывается, Земля получает в перигелии на 7 процентов больше радиации, чем в афелии. Земля достигает своего перигелия 2 января каждого года и афелия – 2 июля. Так случилось, что 2 января – это меньше чем две недели после зимнего солнцестояния, в то время как 2 июля – меньше двух недель после летнего солнцестояния. Это означает, что, когда Земля в перигелии или близко к нему и получает больше тепла, чем обычно, в северном полушарии глубокая зима, а в южном полушарии самый разгар лета. Дополнительное тепло означает, что северная зима мягче, чем она была бы, будь орбита Земли круглой, в то время, как южное лето жарче. Когда Земля находится в афелии или близко к нему и получает меньше тепла, чем обычно, в северном полушарии разгар лета, а южное полушарие в глубокой зиме. Недостаток тепла означает, что северное лето холоднее, чем оно было бы, будь орбита Земли круглой, в то время как южная зима холоднее.
Отсюда мы видим, что эллиптичность орбиты Земли дает северному полушарию, кроме тропиков, менее экстремальные колебания между летом и зимой, чем южному полушарию, кроме тропиков.
Может показаться, что северное полушарие не предрасположено к ледниковому периоду, в то время как южное – предрасположено, но это неверно. На самом деле именно мягкая зима и прохладное лето – менее экстремальные колебания – предрасполагают полушарие к ледниковому периоду.
В конце концов, зимой идет снег, поскольку температура ниже точки замерзания воды и при условии, что в воздухе имеется избыточная влага. Температура опускается ниже точки замерзания, но снега выпадет меньше, потому что чем ниже температура, тем меньше влаги может содержать воздух. Максимальное количество выпавшего снега приходится на более мягкие зимы, когда температура не слишком часто опускается ниже точки замерзания.
Количество снега, тающего летом, зависит, конечно, от температуры. Чем жарче лето, тем больше тает снега, и чем прохладнее лето, тем меньше тает снега. Отсюда следует, что раз у нас мягкие зимы и прохладные лета, то у нас много снега и его меньше тает, а это как раз то, что нужно для начала ледникового периода.
И все же ледникового периода сейчас в северном полушарии нет, хотя у нас мягкие зимы и прохладные лета. Возможно, что перепады все-таки еще слишком экстремальны, и что существуют другие факторы, которые могут действовать так, что делают зимы еще более мягкими, а лета более прохладными. Например, в настоящий момент ось Земли отклонена от вертикали примерно на 23,5°. При летнем солнцестоянии 21 июня северный конец оси наклонен в направлении Солнца. При зимнем солнцестоянии 21 декабря северный конец оси наклонен в направлении от Солнца.
Ось Земли, однако, не остается наклоненной в том же самом направлении постоянно. Из-за влияния Луны на экваториальную выпуклость Земли ось Земли медленно колеблется. Она остается наклоненной, но направление наклона совершает круг каждые 25 780 лет. Это называется «предварение равноденствия».
Примерно через 12 890 лет от нашего времени ось Земли будет смещена в противоположном направлении, так что, если это будет единственным изменением, летнее солнцестояние наступит у нас 21 декабря, а зимнее солнцестояние – 21 июня. Летнее солнцестояние окажется тогда в перигелии, и северное лето станет жарче, чем сейчас. Зимнее солнцестояние окажется в афелии, и северная зима станет холоднее, чем сейчас.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67