Terni_Kosti_skalyi_i_zvezdyi._Nauka_o_tom_kogda_chto_proizoshlo.395719 - Крис Терни

Таким образом подтвердился возраст последнего ледникового периода, но как быть с остальными? Если ледники наступали не единожды, может ли орбиталь­ная теория помочь в их датировке? Загвоздка состояла в том, что результаты расчетов никоим образом нель­зя было перепроверить по земному рельефу. Послед­ний ледник уничтожил почти весь рельеф, созданный своими предшественниками. Лишь кое-где остались крошечные следы их деятельности. Науке же требо­валась непрерывная, уходящая в прошлое шкала, по­казывающая результаты работы ледников.

Ответ нашелся совсем не там, где его искали.

¤

Давайте вкратце подведем итог того, что мы узнали. В конце XVII в. люди начали обращать внимание на странные, рифленые скальные поверхности в го­ристых районах Европы, а также камни, многие из ко­торых отличались по геологическим характеристикам от окружающего ландшафта. В те времена большин­ство людей не сомневалось в их связи со Всемирным потопом, описанным в Книге Бытия. К 1840 г. Агас­сис пришел к выводу, что на самом деле это послед­ствия Великого ледникового периода. В дальнейшем, с 1860 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 интересо­вался. 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 тяже­лее — на два нейтрона, однако в химических реакциях оба будут вести себя абсолютно одинаково.

Прелесть использования фораминифер в том, что они получают кислород непосредственно из оке­анской 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 измене­ния? 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 поверх­ности 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 эксцентрич­ности, нутации и прецессии. Наконец было напрямую доказано, что ледниковые периоды обусловлены из­менениями 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 Антарк­тиде удалось восстановить картину климатических изменений, охватывающую период 800 000 лет. В ней отчетливо различаются циклы 100 000 лет, спрогнози­рованные орбитальной теорией. В Гренландии ледя­ная 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.