Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид Страница 46

И в качестве последнего примера того, как получать данные о климате при помощи деревьев, мы упомянем интересную реконструкцию температуры в северной Финляндии, доходящую до 138 года до нашей эры. В ней наблюдается довольно явное понижение в среднем на 0,31 °C за тысячу лет – конечно, до тех пор, пока недавнее быстрое потепление, вызванное деятельностью человека, всего за четыре десятилетия не компенсировало эту тенденцию с избытком18. В дальнейшем мы еще поговорим о том, что долгосрочные климатические сводки, полученные благодаря исследованию льдов Гренландии и Антарктики, позволяют предположить, что нас ждет резкое похолодание в течение следующих десяти тысячелетий. То, что вместо этого мы наблюдаем быстрое потепление, идущее с беспрецедентной скоростью, говорит о масштабах воздействия людей на планету.

Дендрохронология не только играет невероятно важную роль в точном измерении скорости образования 14C, благодаря чему значительно повышается точность радиоуглеродного датирования, но и непосредственно предоставляет данные о климате минувших эпох. Именно поэтому она и сумела обрести столь важную роль в воссоздании мировой истории на протяжении всего развития человеческой цивилизации.

Долгосрочные климатические влияния

Как однозначно показывают приведенные выше данные, деятельность человека существенно меняет температуру нашей планеты. Однако мы знаем, что в прошлом происходили гораздо большие колебания температуры. За последний миллиард лет мы видели и Землю-снежок, почти полностью покрытую льдом, и полностью тропическую Землю с пальмами, растущими в Гренландии. Очевидно, что природные силы тоже могут влиять на энергетический баланс Земли. Поэтому мы, прежде чем пойти дальше, рассмотрим основные причины изменения температуры за последний миллион лет до вмешательства человека.

Движением Земли в космосе управляет гравитационное влияние Солнца. Наша планета совершает полный оборот по своей слегка эллиптической орбите раз в 365,24255 дня. Но Земля и Солнце – не единственные тела в Солнечной системе. Земля испытывает взаимные притяжения и толчки со стороны Луны, Венеры, Юпитера и других планет, что становится причиной едва уловимых и приблизительно периодических изменений в форме ее орбиты, в наклоне оси вращения относительно плоскости этой орбиты и в ориентации ее оси в пространстве (см. рис. 11.2). Величину этих эффектов и их связь с климатом Земли впервые рассчитал сербский инженер, математик и астроном Милутин Миланкович.

За день Земля совершает оборот вокруг оси вращения, направленной в настоящее время на Полярную звезду, но эта ориентация мимолетна. В течение примерно 23 000 лет ось очерчивает круг на небе, подобно тому как колеблется ось волчка, прежде чем тот упадет. Этот динамический эффект называется прецессией. Это было бы ничем не примечательно (если только вы не астронавигатор), если бы орбита Земли не была эллиптической, из-за чего планета в течение года то приближается, то удаляется от Солнца. Времена года определяются тем, какое полушарие наклонено к Солнцу (см. рис. 11.2 а). И если Земля находится ближе к нему, когда к Солнцу наклонено Южное полушарие (как это происходит сегодня), то южные широты получают немного больше энергии, чем Северное полушарие спустя полгода, когда оно наклонено к Солнцу, но находится немного дальше. Учитывая период прецессии, эта ситуация изменится чуть более чем через 11 000 лет, когда Северное полушарие одновременно будет наклонено к Солнцу и ближе к нему в течение лета.

Рис. 11.2. (а) Прецессия равноденствий. Вращающаяся Земля притягивается гравитационным воздействием со стороны Луны, Солнца, Юпитера и других планет, так что ее ось вращения медленно меняет направление, в котором она указывает, точно так же, как вращающийся волчок раскачивается в ответ на гравитационное притяжение Земли. Совокупный эффект этой прецессии состоит в том, что расположение лета и зимы на орбите Земли меняется местами примерно за 11 000 лет, завершая один полный цикл за период от 19 000 до 23 000 лет. (б) Поскольку орбита Земли эллиптическая, прецессия либо усиливает, либо подавляет разницу в получаемом сезонном солнечном свете (подробности см. в тексте). (в) Два других орбитальных эффекта, составляющие циклы Миланковича. Величина наклона орбитальной оси Земли меняется от 22,1° до 24,5° и обратно за 41 000 лет. Более резкие наклоны приводят к более резким сезонным колебаниям. (г) Кроме того, форма орбиты Земли становится более (до 5,8 % отклонения круга) и менее (до 0,5 % отклонения от круга) эллиптической за период, охватывающий примерно 100 000 лет. При более эллиптической орбите возрастает варьирование солнечного света в зависимости от сезона (подробности см. в тексте)

С течением времени меняется не только направление земной оси под влиянием прецессии, но и величина наклона оси Земли. В настоящее время она находится на расстоянии 23,44° от перпендикуляра к плоскости орбиты Земли – Солнца. Наклон будет медленно уменьшаться до минимума в 22,1°, а затем снова постепенно возрастет и достигнет максимума в 24,5°, прежде чем вернуться к своему текущему значению. Интенсивность времен года зависит от величины наклона, поэтому этот процесс также может повлиять на долгосрочный климат. Один цикл от минимального наклона до максимального и обратно занимает 41 000 лет.

Наконец, меняется форма самой орбиты. Сегодня наша эллиптическая орбита на 1,67 % отличается от идеального круга. Даже это небольшое искажение уменьшается и достигнет минимума всего в 0,5 % от круга, а затем снова увеличится до максимального значения в 5,8 %. В этом верхнем пределе разница в количестве солнечной энергии, падающей на Землю между наименьшим расстоянием, на котором она оказывается при максимальном приближении к Солнцу, и наибольшим, которого она достигает шесть месяцев спустя, гораздо более значительна, чем сегодня (12 % против 3 %). Как мы увидим, это оказывает существенное влияние на температуру Земли. Время, необходимое для перехода от максимума к минимуму и обратно, составляет примерно 100 000 лет.

Температура и атмосфера за минувший миллион лет

Циклы, о которых мы говорили, измеряются десятками и сотнями тысяч лет, и понятно, что если мы хотим судить о климате и изучить климатическую историю Земли в долговременном плане, то нам нужны «посредники» с гораздо большей памятью, чем у деревьев. К счастью, такие посредники существуют в трехкилометровом слое гренландского льда и в еще более глубоком слое, укрывшем Антарктический континент. Эти ледники образовались из снега, который накапливался постепенно, год за годом, тысячелетие за тысячелетием. Он несет в себе изотопные характеристики океанской воды, из которой произошел, и тем самым позволяет напрямую измерить мировую температуру более чем за миллион лет.

Более того, крошечные пузырьки воздуха, замороженные во льду, позволяют нам понять, какой была земная атмосфера на момент их возникновения – как если бы у нас был дальновидный химик, который собирал бы ампулы с газом каждый год на протяжении тысячи тысячелетий, датировал их и оставлял бы для нас. Кроме того, лед фиксирует радиоактивные изотопы, возникшие под влиянием космических лучей, что позволяет нам оценить активность Солнца на протяжении периода, охват которого в сто раз превышает пределы летописи годичных колец. Тонкие отложения вулканической пыли от далеких извержений позволяют нам расширить хронику геологической истории нашей планеты, а грязь из таких далеких регионов, как пустыня Гоби, обнаруженная во льдах Гренландии, указывает на усиление и ослабление штормовых условий. Некоторые даже предполагали, что в ледяной летописи могут присутствовать изотопы от ближайших взорвавшихся звезд.

Чтобы прочесть эту историю, очень долгую и полную драматических событий, мы просто пробуриваем во льду вертикальную шахту и извлекаем керн диаметром около 10 см и длиной от одного до нескольких метров. Керны каталогизируются и часто временно хранятся в снежной пещере, вырытой недалеко от места бурения. В конце концов их перемещают в постоянное место хранения, например, в хранилище ледяных кернов Национального научного фонда в Лейквуде, штат Колорадо, где в помещении объемом 1560 кубических метров при температуре –36 °C содержится 17 километров льда. Именно сюда приезжают ученые со всего мира, чтобы извлечь образцы из ядер и изучить множество оберегаемых ими тайн.