За последние 2,5 миллиона лет Земля пережила более 50 глобальных ледниковых периодов, и каждый из них существенно повлиял на климат планеты. Ученых давно интересовало, что именно дает толчок началу ледниковой эпохи и можем ли мы предсказать, когда наступит следующая. Еще 40 лет назад стало известно, что на наступление ледниковых периодов влияют отклонения земной орбиты. Но причинно-следственные связи оказались не столь просты, и ученые до сих пор пытаются определить, каким образом колебания земной орбиты взаимодействуют с климатом планеты, особенно с парниковыми газами, и как это приводит к началу и завершению ледниковых эпох.
Во время последнего ледникового периода, всего 21 000 лет назад, почти всю Северную Америку, от Тихого океана до Атлантики, покрывали льды. В самой глубокой точке, Гудзоновом заливе, толщина ледника достигала более 3 км, и он простирался на юг до территории нынешнего Цинциннати. В Европе было два огромных ледниковых щита: Британский ледяной щит тянулся на юг до современного Норфолка, а Скандинавский — от Норвегии до Уральских гор.
В Южном полушарии ледниковые щиты покрывали территорию Патагонии, Южной Африки, юга Австралии и Новой Зеландии. В ледниковом покрове того периода было заморожено столько воды, что уровень Мирового океана упал на 125 м. Для сравнения — если бы сегодня растаяли все льды Антарктики и Гренландии, он поднялся бы всего на 75 м.
Что же приводило к наступлению таких глобальных ледниковых периодов? В 1941 году Милютин Миланкович предположил, что колебания земной орбиты меняли распределение солнечного излучения на поверхности планеты, вызывая циклические оледенения. Миланкович считал, что существенное значение имело количество поступающей солнечной радиации к югу от Полярного круга, на 65° северной широты. Оно здесь может колебаться в пределах 25%. Когда в летние месяцы солнца было меньше, средняя температура снижалась, некоторое количество льдов в регионе не таяло и со временем накапливалось, образуя ледяной щит.
30 лет назад трое ученых проверили эту гипотезу, проанализировав исторические изменения климата по осадочным породам морского дна. Джим Хэйз (Jim Hays) использовал комплексы ископаемых остатков, чтобы установить прошлые температуры поверхности моря. Ник Шеклтон (Nick Shackleton) высчитал изменения в объемах льдов всей планеты, определив количественное содержание изотопов кислорода в известковых ископаемых осадочных породах. Джон Имбри (John Imbrie), используя анализ временного ряда, статистически сопоставил время и цикличность изменений температуры поверхности моря и объема ледников с колебаниями земной орбиты.
В 1976 году они опубликовали в журнале Science основополагающую статью о климатических изменениях, доказав, что климатические данные подчинялись тем же циклам, что и три параметра, влияющие на орбиту Земли: эксцентриситет, наклонение орбиты и прецессия.
Эксцентриситет — это числовая характеристика земной орбиты, которая меняется от круга до эллипса с периодом в 96 000 лет. Наклонение орбиты — это отклонение земной оси, которое меняется с периодом в 41 000 лет. Прецессия — это периодическое изменение направления земной оси с учетом изменения оси вращения и орбитальной дуги с периодом в 21 000 лет.
Ученые также установили, что три эти параметра каждый в отдельности оказывают разное влияние на разные части земного шара. Так, наклонение орбиты оказывает сильное влияние на высокие широты, а прецессия — на времена года в тропиках. К примеру, прецессию связывают с возникновением и исчезновением глубоких озер африканских рифтовых долин (см., напр., «Как меняющиеся ландшафт и климат повлияли на ранних людей»), так что она могла повлиять даже на эволюцию наших предшественников. Некоторые свидетельства подобного влияния орбиты на климат относятся даже к периоду 1,4 млрд лет назад.
Не только колебания
Ученые понимали, что их исследование имело свои ограничения и пробелы, многие из которых актуальны и сегодня. В частности, изменения земной орбиты не вызывали сами по себе циклы ледниковых периодов, а скорее сопровождали их. Определенная орбита Земли может быть связана с разными климатами. Например, нынешняя орбита идентична той, что была в самый суровый период последней ледниковой эпохи.
Небольшие изменения солнечного излучения, к которым приводят колебания земной орбиты, могут вызывать на планете наступление ледникового периода и завершать его посредством механизмов климатического ответа. К примеру, когда летом солнечной радиации недостаточно, после зимы остаются остатки снега. Этот белый снег отражает больше, чем обычно, солнечного света, а это еще сильнее охлаждает поверхность, поэтому скапливается все больше снега и льда, которые отражают все больше солнечного света, и так далее.
Таким образом, следующим шагом ученые попытались изучить относительную важность ледяного щита, океана и атмосферы. Они обнаружили, что парниковые газы играли важную роль в контроле климата. В частности, содержание углекислого газа в атмосфере должно было быть достаточно низким, чтобы планета начала охлаждаться и наступил очередной ледниковый период.
Как это может помочь нам предсказать будущие изменения климата? Одна из гипотез заключается в том, что небольшой рост количества парниковых газов, который начался 8000 лет назад благодаря развитию сельского хозяйства, отдалил следующий ледниковый период. Более того, если парниковые газы продолжат выделяться с такой же скоростью, то его наступление отложится еще на полмиллиона лет. А если мы отложили наступление следующего ледникового периода, то значит, мы все еще живем в четвертичном периоде (антропогене) — эпохе, которая длится уже 2,6 млн лет. Но если мы остановили ледниковые периоды, значит, мы оказали гораздо более значительное влияние на климат, а значит, вступили в эру антропоцена.
В общем, скорее всего, Земля не увидит новый ледниковый период еще много-много миллионов лет.
