Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Кислород, как и углерод, имеет два основных устойчивых изотопа, и, подобно тому как легкий углерод 12C усваивается фотосинтезирующими организмами гораздо охотнее тяжелого 13C, молекулы воды, включающие легкий кислород 16O, испаряются гораздо быстрее, чем содержащие тяжелый изотоп 18O. Это означает, что в любой момент времени осадки, в том числе полярные снега, содержат больше легкого 16O и меньше тяжелого 18O, чем океанская вода, и такая изотопная сортировка еще больше увеличивается в периоды оледенения. В ледниковые эпохи, когда значительная часть воды на Земле была заблокирована в ледниках и ледяных шапках, океаны и морские организмы, строящие свои раковины из растворенных в морской воде элементов, имели особенно высокие соотношения 18O/ 16O. И наоборот, в слоях льда, образовавшихся в эти периоды, это соотношение было низким. Так же меняются соотношения обычного водорода ( 1H) и дейтерия ( 2H), благодаря чему ледниковый лед (который представляет собой воду, H 2O, в твердой форме) также фиксирует состояние окружающей среды. Таким образом, изотопные соотношения в глубинных морских отложениях и ледниках обеспечивают нас надежными данными об изменении температурных условий и общего объема льда на планете на протяжении длительного времени.

Анализ кернов полярного льда и кернов глубоководных отложений с их гораздо более длительной историей «записей» позволил установить, что четыре выделенных Чемберлином оледенения были всего лишь самыми последними из 30 аналогичных событий, произошедших за 2,6 млн лет плейстоценовой эпохи. В них четко просматривался пульсирующий сигнал циклов Кролла — Миланковича: мощный регулярный ритм, поверх которого были наложены другие высокочастотные колебания [99] Hays, J., Imbrie, J., and Shackleton, N., 1976. Variations in the Earth's orbit: Pacemaker of the ice ages. Science , 194, 1121–1132. . В течение первых 1,5 млн лет плейстоцена колебания климата резонансно откликались на 41 000-летние вариации наклона земной оси. Но примерно 1,2 млн лет назад этот пульс замедлился и стал соответствовать более медленной, 100 000-летней периодичности изменения эксцентриситета, подобно тому как замедляется электрокардиограмма у заснувшего человека. Этот феномен был назван среднеплейстоценовым переходом, и его причины пока не совсем понятны. Дело в том, что из трех орбитальных переменных эксцентриситет оказывает наименьшее влияние на инсоляцию Земли, но этот 100 000-летний цикл значительно усиливался геологическими процессами. Кроме того, в климатической летописи присутствуют высокочастотные «гармоники», не коррелирующие с орбитальными вариациями. Например, периодические температурные колебания частотой около 1500 лет — так называемые осцилляции Дансгора — Эшгера — предположительно совпадают с характерным внутренним ритмом, присущим глобальным океаническим течениям. Это говорит о том, что наша планета не просто марионетка, послушно танцующая под ритмы астрономических циклов, но и сама задает ритм и темп.

Есть и еще одно, более важное расхождение между предсказанными комбинированными эффектами орбитальных циклов и наблюдаемыми климатическими данными, которое также подтверждает способность Земли импровизировать на темы циклов Миланковича. Эти циклы, по сути, представляют собой синусоиды — симметричные, палиндромические горбы и впадины. При наложении они создают более сложные функции, но в целом в них нет систематической направленности — при взгляде на них неясно, в каком направлении течет время. В отличие от этого, реальные климатические данные из морских отложений и льда дают асимметричные пилообразные графики, где длительные периоды похолодания, когда Земля медленно соскальзывала в ледниковые эпохи, перемежаются с короткими интервалами резкого потепления. Это можно объяснить только тем, что в каждом цикле небольшой орбитальный импульс к более теплым условиям усиливался какими-то процессами в земной системе и превращался в относительно короткую, но мощную волну разогревания климата, словно у Земли ломался термостат. Причина такого усиления тоже сохранилась в ледяной летописи: парниковые газы, особенно углекислый газ и метан (CH 4), известный также как болотный газ.

При выпадении снега в его толще остается множество воздушных полостей (именно благодаря такой изоляции внутри вырытых в снегу укрытий так тепло). На полюсах, где снег не тает от сезона к сезону и нарастает все новыми слоями, нижележащие слои снега постепенно спрессовываются и на глубине около 60 м кристаллизуются и превращаются в лед. В процессе этого воздушные полости выдавливаются, но часть воздуха остается в виде пузырьков, взвешенных во льду, как насекомые в янтаре. Хотя между слоями может происходить некоторая миграция воздуха, газовые пузырьки, пойманные в ловушку в полярном льду, являются надежными хранилищами атмосферных проб с разрешением порядка десятилетий и даже меньше. И эти крошечные пузырьки говорят нам, что за последние 700 000 лет глобальные температуры коррелировали на самом высоком уровне статистической значимости с концентрациями парниковых газов — углекислого газа и метана — в атмосфере.