по 1910 г. первоначальная теория Агассиса была опровергнута, однако массовое наступление ледников в прошлом подтвердилось, и самый поздний из ледниковых периодов, как выяснилось, закончился 10 000 лет назад. Причины их возникновения тогда оставались неизвестными, однако к 1920-м гг. Миланкович доказал, что с большой долей вероятности ответ надо искать в том, как меняется обращение Земли вокруг Солнца на гигантских многотысячелетних промежутках времени. Но как определить время наступления более ранних ледниковых периодов, по-прежнему не знал никто.
До сих пор вся бурная исследовательская деятельность велась на суше. Океаном никто не интересо вался. Лишь в начале 1930-х гг. научились, выходя на научно-исследовательских судах, бурить океанское дно длинными металлическими трубками и, взяв пробы грунта, исследовать отложения. Бытовало мнение, что океанская среда в последнее время оставалась практически неизменной.
С этим мнением пришлось расстаться в 1955 г., когда итальянцу Чезаре Эмилиани пришло в голову взглянуть на раковины фораминифер, сохранившихся в течении сотен тысяч лет в пробах грунта с океанского дна. Эти крохотные создания обитают в океанской толще на разной глубине, и после смерти их раковины погружаются в донный ил. Эмилиани предположил, что по стабильным изотопам, сохранившимся в фораминиферах, можно попытаться определить, каким был климат в прошлом.
Изотопы, как мы помним, это атомы с одинаковым содержанием протонов, отличающиеся по количеству нейтронов. Несмотря на то, что до сих пор мы в основном рассматривали радиоактивные формы, стабильных изотопов на самом деле большинство. Поэтому, как только изотоп усваивается организмом, соотношение одного стабильного изотопа к другому остается неизменным. Сколько бы времени ни прошло, показатели стабильных изотопов должны остаться прежними.
Эмилиани пытался реконструировать древние температуры по двум стабильным изотопам кислорода — 16O и 18O. Для наглядности представьте себе их в виде двух шаров разного веса. 18O будет чуть тяже лее — на два нейтрона, однако в химических реакциях оба будут вести себя абсолютно одинаково.
Прелесть использования фораминифер в том, что они получают кислород непосредственно из оке анской воды и он идет на строительство их раковин из карбоната кальция. Исследования современных фораминифер показали, что, как только температура воды понижается, они начинают усваивать больше изотопов тяжелого кислорода — так называемая «положительная» тенденция. По мере потепления, наоборот, усваивается больше легкого кислорода, и фораминиферы становятся «отрицательными». Рассмотрев соотношение различных форм кислорода в раковинах фораминифер из донных проб, Эмилиани пришел в изумление: за последние 300 000 лет наблюдалась явная смена холодного и теплого климата. Форма температурной кривой совпадала с прогнозами, сделанными на основе орбитальной теории. Выходит, Миланкович был прав?
Но не все так просто. Действительно ли изотопы в фораминиферах отмечают температурные измене ния? Исследования современных фораминифер это подтверждают, однако как обстояло дело во время древних ледниковых периодов? Не изменились ли с тех времен правила игры?
Ледниковый период отличается не только похолоданием, но и уменьшением испарения с поверх ности океана. Чем дальше, тем больше тяжелых молекул воды остается в океане, поскольку молекулам, состоящим из легкого кислорода, испаряться в таких условиях легче. В высоких широтах эта испарившаяся влага конденсируется и выпадает в виде снега, формируя пространный ледяной покров. Другими словами, из океана извлекается преимущественно 16O, который затем запирается в ледяной корке, а в океанской воде повышается содержание 18O. Однако в межледниковый период все происходит с точностью до наоборот. В результате потепления с влагой испаряется больше тяжелого кислорода, а лед тем временем тает, возвращая обратно в океан скованный 16O. В результате содержание 18O в океанской воде падает. Таким образом, показатели содержания изотопов кислорода в фораминиферах за протяженные временные периоды можно мерить по объемам льда.
В 1960-х американец Джон Имбри и британец Ник Шеклтон выступили с предположением, что пробы, взятые очень близко к полюсам, будут отражать одновременно и температурные изменения, и изменения объема льда. Однако, как ни странно, самую достоверную картину давно растаявших льдов, по их словам, надо искать вовсе не там, а в океанских отложениях тропических широт. Океан — это огромный конвейер, перемещающий теплые поверхностные слои воды в Северную Атлантику (теплое течение Гольфстрим) и возвращающий их холодными, более плотными глубинными течениями. Со временем, через несколько столетий, эти глубинные слои поднимаются на поверхность в процессе апвеллинга, который завершает весь цикл. Благодаря этим процессам океанские воды отлично перемешиваются. Когда лед на полюсах тает, перемены в содержании изотопа кислорода быстро распространяются на весь мировой океан и воспринимаются фораминиферами, строящими свои раковины. А поскольку температура в тропиках за прошедшее время менялась гораздо меньше, тропические фораминиферы покажут, фактически, только изменения объема льдов.
Впрочем, выводы о температурных изменениях, полученные Эмилиани на основе кривой содержания изотопов кислорода, — это еще не все. Проблема в том, что океанские донные отложения накапливаются в большинстве своем слишком медленно, чтобы проверить по ним расчеты орбитальной теории на циклы в 100 000, 41 000 и 26 000 лет.
Рис. 7.2. Изменение объемов льда и солнечного излучения за последние 600 000 лет
В середине 1970-х все внимание ученых было приковано к двум пробам донного грунта из Индийского океана. Судя по изменениям в магнитном поле Земли и радиоуглеродному анализу фораминифер из проб, в этих местах оказалась необычайно высокая скорость отложения наносов. Следовательно, эти пробы можно было анализировать по более узким временным интервалам, чем остальные. Значит ли это, что нашлась возможность проверить орбитальную теорию? Извлеченные фораминиферы подвергли анализу на изотопы кислорода. Научное сообщество замерло в ожидании. Полученные в результате анализа изменения объемов льда полностью совпали с прогнозами орбитальной теории (см. рис. 7.2), подтвердив циклы эксцентрич ности, нутации и прецессии. Наконец было напрямую доказано, что ледниковые периоды обусловлены из менениями в обращении Земли вокруг Солнца. Адемар, Кролл и Миланкович оказались в конечном итоге правы.
¤
Чтобы представить себе, какие климатические перемены ждут нас в будущем, нужно иметь возможность изучать стремительные изменения, случавшиеся в прошлом. К сожалению, в отношении океана редко удается найти свидетельства быстрых климатических изменений, а когда таковые есть, сложно добиться точной датировки. Поэтому исследователи принялись прочесывать остальные части света в поисках мест, для которых есть детальные свидетельства климатических изменений. И вскоре их взоры обратились к полярным шапкам.
На полюсах ежегодно выпадающий снег сохраняется в виде ледяных слоев, накапливавшихся многие тысячи лет. Глубоко в этой толще тысячелетиями таятся самые разнообразные признаки климатических и природных изменений: пыль, кислотность, вулканический пепел, парниковые газы и изотопы. В Антарк тиде удалось восстановить картину климатических изменений, охватывающую период 800 000 лет. В ней отчетливо различаются циклы 100 000 лет, спрогнозированные орбитальной теорией. В Гренландии ледя ная летопись позволяет углубиться в прошлое лишь на 123 000 лет, однако каждый ее год можно рассмотреть отдельно. В результате получается изумительно подробная реконструкция климатической картины данного региона, которую океан предоставить вряд ли смог бы.
Картина, впрочем, получается пугающая: гренландские льды показывают обширные и частые тем пературные сдвиги в период от 90 000 до 11 550 лет назад. Так называемые осцилляции Дансгора-Эшгера (см. рис. 7.3) — это резкие температурные колебания, по амплитуде схожие с переходом от ледникового периода к межледниковому, но в куда более сжатые сроки — несколько лет. Ничего подобного орбитальная теория, учитывающая изменения в обращении Земли вокруг Солнца, не предвидела и не описывала. В чем же дело?
