Текст книги "Что случилось с климатом"

2.2. Астрономическая теория оледенений

Всем известно, что Земля вращается вокруг Солнца. Возможно, многие помнят, что орбита не круговая, а представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Такое движение является частным решением задачи о гравитационном взаимодействии двух тел. В настоящее время эллипс лишь слегка отличается от круга. Его эксцентриситет (е) составляет 1,67 %. Кратчайшее расстояние от Земли до Солнца (в перигелии) – около 147 млн км, наибольшее (в афелии) – 152 млн км. Хотя орбита близка к круговой, планета получает около 351 Вт/м² в перигелии и 329 Вт/м² в афелии. Различия столь велики (более 6 %), потому что поток энергии уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Как известно, наклон земной оси определяет смену времен года. Эксцентриситет орбиты является дополнительным фактором, влияющим на сезонные изменения. Сейчас Земля проходит перигелий в начале января. Это несколько смягчает суровость зим и летнюю жару в Северном полушарии. То есть два фактора сезонности в Северном полушарии работают друг против друга. В Южном полушарии, напротив, сезонность, связанная с наклоном оси и с эксцентриситетом орбиты, усиливаются.

Эксцентриситет влияет и на продолжительность времен года. Согласно второму закону Кеплера Земля движется по орбите быстрее, когда находится ближе к Солнцу, то есть в январе быстрее, чем в июле. Поэтому лето в Северном полушарии на 4,66 дня длиннее зимы, а весна на 2,9 дня длиннее осени[23]23
  Под астрономической зимой понимается период от зимнего солнцестояния (21–22 декабря в Северном полушарии) до весеннего равноденствия (20–21 марта). Лето начинается с летнего солнцестояния (21–22 июня) и заканчивается осенним равноденствием (22–23 сентября)


[Закрыть].

Под действием тяготения планет Солнечной системы, в первую очередь Юпитера и Сатурна, орбита Земли постоянно меняется – от почти круговой (e = 0,34 %) до изрядно вытянутой (e = 5,8 %). В изменениях эксцентриситета можно выделить две составляющие с периодами колебаний 100 тыс. и 400 тыс. лет. Эти изменения существенно не влияют на общее количество энергии, приходящей от Солнца за год, но сильно меняют ее сезонное распределение. В периоды максимального эксцентриситета различия в инсоляции в афелии и перигелии могут достигать 30 %.

Угол наклона земной оси составляет 23,4°. Однако возмущения со стороны Луны и Солнца приводят к его колебаниям в пределах от 22,1 до 24,5° с периодичностью в 41 тыс. лет. В настоящее время угол наклона оси уменьшается. Из этого следует, что Северный и Южный тропики[24]24
  Северный тропик определяет наиболее северную широту, на которой солнце может подняться в полдень в зенит. Это происходит раз в году, в день летнего солнцестояния.


[Закрыть] сдвигаются к экватору со скоростью 14,4 м/год, а Северный и Южный полярные круги – к полюсам. Умеренный пояс ежегодно прирастает на 1550 км². Чем больше наклон оси, тем сильнее выражены различия между зимой и летом.

Есть и еще одна особенность вращения Земли вокруг оси. Кто в детстве запускал юлу, наверняка заметил, что она вращается не строго вертикально. Верхняя точка оси юлы движется по окружности, а сама ось описывает конус. Этот тип движения называется прецессией. Прецессия оси – важная составляющая движения Земли. Причина ее – притяжение Луны и Солнца, периодичность – один оборот примерно за 26 тыс. лет. Сейчас земная ось смотрит на Полярную звезду, но со временем она будет указывать на Вегу.

Прецессия приводит к смещению точек равноденствия и солнцестояния по орбите по отношению к перигелию и афелию (рис. 2.2). Другими словами, она определяет, как взаимодействуют сезонность, связанная с наклоном оси, и сезонность, связанная с эксцентриситетом. Прецессия оси влияет на сезонность в те периоды, когда орбита имеет заметный эксцентриситет.

Прецессия оси не единственный фактор, определяющий смещение точек равноденствия по орбите. Сама орбита тоже изменяет свое положение в пространстве, этот процесс называется апсидальной прецессией, или прецессией перигелия. Сочетание двух составляющих движения приводит к среднему времени оборота точек равноденствия, равному 22 тыс. лет.

Рис. 2.2. Прецессия оси, прецессия перигелия, изменения эксцентриситета орбиты и наклона земной оси (Maslin, Ridgwell, 2005). Показаны изменения эксцентриситета, наклона оси, индекса прецессии за последний миллион лет (Berger, Loutre, 1991). Влияние прецессии характеризуется индексом esinΩ. Функция sinΩ описывает прецессию и меняется циклически от минус 1 до 1, e – эксцентриситет орбиты, определяет амплитуду индекса прецессии

Благодаря прецессии примерно через 11 тыс. лет Земля будет ближе всего к Солнцу в июле, а не в январе, как сейчас. Два фактора сезонности в Северном полушарии будут усиливать друг друга, а в Южном – ослаблять. Тогда в Северном полушарии сезонные различия будут более контрастными, а в Южном, напротив, более сглажены в сравнении с тем, что мы имеем сегодня.

Итак, эксцентриситет орбиты, наклон оси и ее направление меняются в разном ритме, их сочетание приводит к перераспределению солнечного тепла между широтами и сезонами. Общее количество солнечной энергии, поступающей на Землю за год, при этом существенно не меняется.

Адемар предположил, что причиной оледенения является прецессия равноденствий, то есть смещение точек равноденствия по орбите, вызванное прецессией земной оси. Он считал, что льды накапливаются в том полушарии, в котором зима длиннее. Значит, Северное и Южное полушария должны обледеневать поочередно, меняясь через 11 тыс. лет. Подтверждением теории служил ледяной покров Антарктиды – по Адемару, современная конфигурация орбитальных параметров способствовала его росту. Свои взгляды Адемар изложил в книге «Революции моря», опубликованной в 1842 г. Однако против теории Адемара выступили маститые ученые – Джон Гершель и Александр Гумбольдт. Они считали, что длительность сезонов не должна приводить к оледенениям, поскольку за год оба полушария получают одинаковое количество солнечной энергии. Причем оно одинаковое и сейчас, и 11 тыс. лет назад.

Дальнейшее развитие орбитальной теории связано с именем шотландца Джеймса Кролла (рис. 2.3). Судьба была к нему не слишком благосклонна. Кролл начинал свою деятельность как мастер по ремонту мельниц, потом работал столяром, продавцом в чайной лавке, управляющим отелем, страховым агентом. Все эти годы он занимался самообразованием, изучая теологию, механику, электрические и тепловые явления. К 38 годам он нашел себе место по душе – уборщиком в Андерсоновском университете в Глазго. Денег едва хватало, чтобы свести концы с концами, но зато Кролл получил доступ к университетской библиотеке. Именно там он познакомился с работой Адемара.

В отличие от Адемара, Кролл располагал расчетами французского математика Урбена Леверье. Леверье прославился тем, что, анализируя аномалии в движении Урана по орбите, на основании своих расчетов предсказал наличие неизвестной планеты, возмущающей ее траекторию, и указал ее местоположение. Поначалу коллеги отнеслись к расчетам Леверье скептически, и ему самому пришлось упрашивать их выполнить наблюдения. В итоге 23 сентября 1846 г. немец Иоганн Галле, согласившийся на предложение Леверье, открыл новую планету – Нептун. Помимо движения Урана по орбите, Леверье детально рассчитал изменения орбитальных параметров Земли и открыл, что наклон оси и эксцентриситет орбиты меняются периодически.

Рис. 2.3. Джеймс Кролл (1821–1890), автор первой научно обоснованной астрономической теории оледенений

Кролл, основываясь на расчетах Леверье, предположил, что фактором, определяющим периодичность оледенений, является эксцентриситет орбиты. Именно его колебания модулируют изменения инсоляции, связанные с прецессией равноденствий. Другими словами, раз в 100 тыс. лет, когда орбита сильно вытянута и при этом точка зимнего солнцестояния совпадает с афелием, зимы в одном полушарии сильно холоднее, чем в другом. По Кроллу, оледенения наступают поочередно то в одном, то в другом полушарии и продолжаются примерно по 10 тыс. лет. Когда эксцентриситет уменьшается, наступает межледниковье (рис. 2.4). Теория Кролла близка современным представлениям об орбитальном влиянии на климат. Но еще более важно, что Кролл первым обратил внимание на роль внутренних факторов в установлении ледникового периода, в частности на обратную связь лед – альбедо и на изменение системы ветров и течений. По Кроллу, как и по современным представлениям, орбитальные изменения играли роль не причины оледенений, а скорее спускового крючка, или триггера.

Научное сообщество оценило по достоинству работу Кролла; он получил место в Геологической службе Шотландии, где мог продолжить свои научные исследования и поддерживать контакты с видными учеными. В 1876 г. он был удостоен членства в Королевском обществе – британском аналоге Академии наук и получил степень почетного доктора в том самом университете, где не так давно натирал полы.

Рис. 2.4. Ледниковая теория Адамара (1842), Кролла (1875) и Миланковича (1941) (Paillard, 2001). Адемар учитывал в своей теории только прецессию равноденствий и считал, что критическим фактором является длительность сезонов. Кролл, в отличие от него, учел влияние эксцентриситета орбиты. Согласно Кроллу, критическим параметром является расстояние от Земли до Солнца во время зимнего солнцестояния (21 декабря). Если оно превышает критический порог, начинается наступление льдов в Северном полушарии. Если оно становится ниже минимального критического значения, то обледеневает Южное полушарие. То есть в периоды, когда орбита сильно вытянута, оледенения должны наблюдаться поочередно то в Северном, то в Южном полушарии. Если же эксцентриситет небольшой, наступает межледниковье. Миланкович учел влияние всех астрономических параметров и предположил, что лето, а не зима является критическим сезоном

Рис. 2.5. Милутин Миланкович (1879–1958)

Но по мере накопления фактов теория Кролла была отвергнута. Слабым ее местом оказалась хронология – по Кроллу, последнее оледенение должно было закончиться 80 тыс. лет назад, когда эксцентриситет орбиты уменьшился. Геологи в своих оценках, хоть и весьма ненадежных в ту пору, сходились на временно́м промежутке в 10 тыс. лет. Как впоследствии выяснилось, Кролл был очень близок к разгадке тайны периодических оледенений. Но его прозрения слишком сильно опередили развитие геологической науки. И когда астрономическая теория спустя столетие наконец получила убедительные подтверждения, о Кролле мало кто помнил. И теория, возможно не вполне справедливо, получила имя другого ученого – сербского инженера Милутина Миланковича (рис. 2.5).

Миланкович получил в 1904 г. докторскую степень в Технологическом институте в Вене, после этого пять лет работал инженером-строителем. Но интересы его были столь же далеки от строительства, как и интересы Кролла – от водяных мельниц. Миланковича влекло другое: он хотел объяснить климатическое прошлое и предсказать будущее Земли и других планет. И когда ему предложили место профессора прикладной математики в университете в родном Белграде, Миланкович согласился. В сравнении с Веной, одним из центров европейской научной мысли, Белград был провинцией, но здесь Миланкович получил возможность заняться тем, что его интересовало, – изучать орбитальное движение Земли, Марса и Венеры. Блестящее владение математикой и настойчивость в достижении цели позволили Миланковичу продвинуться дальше предшественников – Адемара и Кролла. Кроме того, Миланкович располагал новыми расчетами орбитальных параметров Земли за последний миллион лет, сделанными немецким математиком Людвигом Пильгримом (в то время как вычисления Леверье покрывали лишь 100 тыс. лет). И теперь Миланковичу нужно было рассчитать инсоляцию на каждой широте для разных сезонов. Он взялся за решение задачи, которое потребовало 30 лет напряженных трудов.

Убийство эрцгерцога Фердинанда застало Миланковича в родном городке Даль, где он проводил медовый месяц. Сейчас этот город находится в Хорватии, тогда же он принадлежал Австро-Венгрии. Миланкович как сербский гражданин был арестован и заключен в крепость Эссег. Но и в камере он продолжил работу: «Я пролистал страницы рукописи … затем вынул из кармана свою верную авторучку и начал писать и делать расчеты … Когда после полуночи я поднял голову, то не сразу понял, где нахожусь. Камера показалась временным приютом на долгом пути сквозь вселенную»[25]25
  Цит. по (Имбри, Имбри, 1988).


[Закрыть]. К счастью, венгерские коллеги заступились за узника, и через полгода Миланковича выпустили и разрешили работать в Будапеште, с обязательством раз в неделю отмечаться в полиции. Четыре года войны он провел в читальном зале библиотеки Венгерской академии наук, продолжая свои расчеты.

В 1920 г. Миланкович опубликовал книгу «Математическая теория тепловых явлений, обусловленных солнечной радиацией». Геологи не обратили на нее внимания, но ее оценил по достоинству Владимир Кёппен, один из наиболее авторитетных климатологов того времени. Главное, что показал Миланкович, – колебания инсоляции были достаточно велики, чтобы вызвать масштабные климатические изменения. Миланковичу не хватало знаний в климатологии, поэтому сотрудничество с Кёппеном оказалось для него весьма плодотворным.

Кёппен высказал идею, что именно прохладное лето в высоких широтах Северного полушария, примерно на широте Архангельска (65° с. ш.), имеет критическое значение для роста ледников. Зима в этих широтах и так достаточно холодная, и не столь важно, сколько в зимний период выпадает снега. Если летом будет тепло – он все равно растает. Но если лето холодное, то выпавший за зиму снег не успевает растаять, и льды наступают. В Южном полушарии ледникам некуда расти за пределы Антарктиды, тогда как в Северном площадь ледников может существенно меняться. Предшественники Миланковича, Адемар и Кролл, считали зиму критическим сезоном для формирования льдов и из-за этого приходили к неверным выводам.

Миланкович полагал, что для роста ледников в Северном полушарии благоприятны периоды, когда наклон оси небольшой, летнее солнцестояние приходится на афелий и все это совпадает с большим эксцентриситетом орбиты (рис. 2.6). Согласно его теории оледенение происходит синхронно в обоих полушариях – в этом она принципиально отличалась от теорий Кролла и Адамара.

Рис. 2.6. Благоприятная конфигурация для роста (вверху) и таяния (внизу) ледников в Северном полушарии согласно Миланковичу

Кёппен вместе со своим зятем Альфредом Вегенером, о котором будет подробно рассказано в главе 4, в 1924 г. опубликовал книгу «Климаты прошлого» и включил в нее кривые инсоляции, построенные Миланковичем. Казалось, они удовлетворительно описывают историю оледенения Европы. Изменения параметров орбиты и инсоляции на 65° с. ш. приведены на рис. 2.7.

Но в работу Миланковича вновь вмешалась мировая война. Его итоговый труд «Канон инсоляции и проблема ледниковых эпох» был закончен в 1941 г. и отправлен в печать за четыре дня до вторжения нацистов в Югославию. Типографию разбомбили, и книга вышла только после войны. Миланкович больше не брался за новые научные задачи, считая свою миссию завершенной. В полемику с оппонентами он не вступал, а вместо этого занялся собственным жизнеописанием и популяризацией своей теории. Причем в весьма своеобразной форме – в виде переписки с неизвестной особой. Собрание этих писем вышло под заголовком «Путешествие через далекие миры и века». Помимо изложения климатической теории книга содержала элементы фантастики и автобиографические подробности. Личность корреспондентки автора осталась неразъясненной, как и многое в трудах Миланковича. Впрочем, жена ученого отрицала ее существование.

Рис. 2.7. Изменение июльской инсоляции на широте 65° с. ш. за последний миллион лет (Berger, Loutre, 1991)

Судьба теории Миланковича во многом напомнила историю Кролла – поначалу ее приняли восторженно, но геологическая наука не нашла ей прямых подтверждений. С течением времени скептиков становилось все больше, и к середине 1950-х годов она была отвергнута большинством ученых (Imbrie, 1982).

2.3. Доказательства астрономической теории

Проблема теории Миланковича (а до нее – теории Кролла) состояла в том, что она слишком опередила время. Для ее проверки нужно было располагать знанием о масштабе климатических изменений прошлого и об их хронологии. Проще говоря, ученым нужны были машина времени, часы и термометр. Возможность заглянуть на миллионы лет назад появилась лишь к середине XX в. благодаря развитию морской геологии. Отложения глубоководной части океанов представляют собой непрерывную летопись событий прошлого. Они состоят большей частью из карбонатных скелетов планктонных (поверхностных) или бентосных (донных) фораминифер – одноклеточных морских организмов. После экспедиции фрегата «Челленджер» (1872–1876) стало ясно, что в холодной и в теплой воде обитают разные виды морской микрофауны. Это означает, что реконструировать климатические изменения прошлого можно по видовому составу фораминифер.

Профессор Чикагского университета лауреат Нобелевской премии по химии 1934 г. Гарольд Юри выдвинул идею, что количественные данные о палеотемпературах можно получить из соотношения изотопов кислорода в донных отложениях. Многие морские организмы строят свои скелеты из карбоната кальция, который находится в равновесии с морской водой; при этом происходит обмен изотопов кислорода между водой и карбонатами. Используя законы квантовой механики, Юри показал, что положение равновесия в реакции изотопного обмена зависит от температуры. Юри сформулировал концепцию изотопного палеотермометра предельно просто: «Точный анализ содержания ¹⁸O в карбонатных породах может быть использован для определения температуры, при которой они сформировались». Из расчетов Юри, которые были подтверждены лабораторными экспериментами, следовало, что чем ниже температура, тем больше в карбонатах тяжелого кислорода ¹⁸O. А значит, измерив отношение ¹⁸O/¹⁶O в планктонных организмах в том или ином слое донного осадка, можно рассчитать температуру поверхностного слоя морской воды в прошлом, поскольку легкий и тяжелый кислород по-разному усваивается при разной температуре.

В действительности ситуация оказалась сложнее. Юри предполагал, что Мировой океан большой и вряд ли подвержен существенным изменениям изотопного состава. Но он ошибался.

Обычная «легкая» вода H₂¹⁶O легче испаряется, чем тяжелая H₂¹⁸O. Наиболее интенсивно испарение океанских вод происходит в тропических широтах. Поначалу изотопный состав пара не слишком отличается от состава морской воды. Но по мере движения в высокие широты атмосферная влага все больше обогащается легкой водой, так как тяжелая вода конденсируется легче и первой выпадает на поверхность (рис. 2.8). Чем ближе к полюсу, тем меньше в осадках тяжелого кислорода. А значит, ледовые шапки Гренландии и Антарктиды запасают в себе «легкую» воду. Образование ледяных шапок, покрывавших во время максимума оледенения значительную часть Европы и Северной Америки, требовало огромных объемов воды. Источником ее, естественно, служил океан. Во время максимума оледенения уровень моря падал более чем на 100 метров. Естественно, морская вода при этом заметно «тяжелела».

Таким образом, изотопный состав карбонатных скелетов в каждом слое донных отложений несет информацию и о температуре окружающей воды, и об объеме ледяных шапок в то время, когда эти осадки образовались. Однако, чтобы получить и прочитать летопись климатических событий, нужно для начала извлечь донные отложения на поверхность, не нарушив последовательность осадочных слоев. Важным шагом на этом пути стала шведская кругосветная экспедиция на судне «Альбатрос» (1947–1948) под началом радиохимика Ханса Петтерсона. В экспедиции «Альбатроса» было впервые применено оборудование, позволившее отобрать колонки донных отложений длиной 10–20 м. До этого не удавалось получить колонки длиной более метра. Во время кругосветного плавания «Альбатроса» в глубоководной части океана было отобрано более 200 длинных колонок. Обработку материалов проводил участник экспедиции Густав Аррениус – внук Сванте Аррениуса, нобелевского лауреата, обогатившего химию теорией электролитической диссоциации, а науку о климате – понятием парникового эффекта.

Рис. 2.8. Изменение δ¹⁸O в атмосферных осадках по мере движения воздушных масс в высокие широты. При образовании ледяных шапок вода океана становится изотопно более тяжелой. Подробнее см. раздел «Элементы климатической науки» в конце настоящей главы

Ученик Гарольда Юри Чезаре Эмилиани (Emiliani, 1955) проанализировал колонки осадков из экспедиции «Альбатроса» и первым реконструировал палеотемпературы плейстоценового океана. Он обнаружил периодические колебания температуры и связал их с орбитальными циклами Миланковича. Позже выяснилось, что Эмилиани несколько преувеличил размах температурных колебаний, так как недооценил влияние ледяных шапок на изотопный состав воды океана. Согласно Эмилиани, температура поверхностных вод океана в тропических широтах менялась в пределах 7 °C во время ледникового цикла. Эти выводы поставил под сомнение Николас Шеклтон, племянник знаменитого исследователя Антарктиды Эрнеста Шеклтона. Чтобы проверить, чем же именно определяется изотопное отношение кислорода в карбонатах – температурой воды или объемом ледяных шапок, – Шеклтон проанализировал скелеты донных организмов. Придонные воды океана в течение всего плейстоцена находились вблизи точки замерзания, и колебаниями их температуры можно пренебречь. Поэтому изменения изотопного состава кислорода в донных фораминиферах должны отражать в основном изменение изотопного состава самой воды. Когда климат становится холоднее, растут ледяные шапки, уровень моря падает, а значит, и морская вода, и карбонатные скелеты обогащаются тяжелым кислородом. Когда теплеет, полярные льды тают и большое количество «легкой» воды высвобождается в океан.

В итоге удалось установить, что изменение изотопного состава кислорода в планктонных фораминиферах на 60 % обусловлено колебаниями объема ледяных шапок, а еще на 40 % – температурными эффектами (Broecker, 2010). Естественно, это касается тех периодов истории Земли, когда ее полярные области были покрыты льдом. Это означало, что колебания температуры поверхностных вод в тропиках составляли примерно 2,5 °C.

Итак, отношение изотопов кислорода в донных фораминиферах позволяет понять, как в прошлом менялся объем ледников суши. Однако для решения вопроса о причинах ледниковых периодов необходимо знать точную хронологию оледенений. К счастью, практически одновременно с экспедицией «Альбатроса», в 1946 г., коллега Юри по Чикагскому университету профессор Уиллард Либби разработал радиоуглеродный метод датирования, основанный на радиоактивном распаде углерода-14 – изотопа, образующегося при воздействии космических лучей на атмосферный азот. Теперь появилась возможность привязать события прошлого к абсолютной временной шкале. За свое открытие Либби получил в 1960 г. Нобелевскую премию по химии.

Радиоуглеродный метод позволял определить возраст лишь сравнительно молодых (до 50 тыс. лет) донных отложений. Для того чтобы привязать ко времени наблюдаемые изменения ¹⁸O в фораминиферах в течение плейстоцена, нужен был другой метод. Здесь на помощь пришла палеомагнитная шкала времени.

О существовании магнитного поля Земли известно давно, и на протяжении столетий моряки используют его для навигации. Некоторые виды живых организмов обладают встроенным компасом – так, в 1975 г. были обнаружены магнитотактические бактерии, содержащие кристаллики оксида железа – магнетита или сульфида – грейгита, ориентирующие бактерий по силовым линиям поля Земли. Считается, что это помогает им находить благоприятные для жизни места (Faivre, Schüler, 2008).

Природа магнитного поля Земли до сих пор не вполне ясна. Согласно современным представлениям геофизиков, оно возникает в результате конвективных движений в расплавленном металлическом ядре планеты (Earle, n. d.). Магнитное поле есть у большинства планет Солнечной системы. Его нет на Марсе, но намагниченность горных пород свидетельствует о его наличии в прошлом. Видимо, оно угасло после того, как ядро этой планеты застыло. У Юпитера нет железного ядра, его магнитное поле, возможно, возникает благодаря наличию жидкого металлического водорода.

Если кусок железа нагреть до высокой температуры, он перестает притягиваться к магниту. Переход происходит резко, при температуре 770 °C. Эта температура называется точкой Кюри, в честь Пьера Кюри, описавшего это явление. В 1906 г. французский физик Бернар Брюнес исследовал намагниченность вулканических пород в Центральной Франции. Когда лава затвердевает и остывает ниже точки Кюри, содержащиеся в ней кристаллы магнетита – оксида железа – намагничиваются под действием магнитного поля Земли, превращаясь в своего рода застывшие стрелки компаса. Самое удивительное, что Брюнес обнаружил образцы, имевшие обратную по направлению намагниченность. А значит, магнитное поле Земли меняло свое направление. Примерно через 20 лет после Брюнеса японский геофизик Мотонори Матуяма показал, что смены полярности, или инверсии, случались неоднократно в истории Земли.

Открытие Брюнеса и Матуямы позволило выделить длительные временны́е периоды, когда магнитное поле Земли имело близкое к современному или обратное направление, и выявить переходы между ними. Нынешняя эпоха прямой полярности началась 0,78 млн лет назад. Она носит название эпохи Брюнеса (Brunhes), до нее была эпоха обратной полярности – эпоха Матуямы. Но и в пределах одной эпохи магнитное поле могло ненадолго менять полярность. Такие события называются геомагнитными эпизодами, или экскурсами. Последняя кратковременная смена полярности – экскурс Лашамп – произошла сравнительно недавно, в последнюю ледниковую эпоху – около 41 тыс. лет назад. Тогда обратная полярность сохранялась в течение примерно 440 лет.

С течением времени горные породы разрушаются, и магнитные частички поступают с речным стоком в океан. Оседая на дно, они вновь ориентируются по магнитному полю Земли. Таким образом, донные отложения и осадочные породы также приобретают намагниченность. Поэтому их тоже можно датировать по инверсиям магнитного поля. Абсолютную хронологию инверсий определяют с помощью радиоизотопных методов, в частности, калий-аргоновым методом (Channell et al., 2010).

Благодаря исследованиям палеомагнетизма появилась возможность привязать колебания изотопного состава кислорода в донных отложениях плейстоцена к временной шкале. Одним из реперов стала граница палеомагнитных эпох Брюнеса – Матуямы; в качестве другого репера можно было использовать радиоуглеродные датировки.

Рис. 2.9. Данные по изотопии кислорода в бентических (донных) фораминиферах, объединенные по 57 точкам (Lisiecki, Raymo, 2005). Кривая отражает объем ледяных шапок. Показаны примерные временны́е рамки преобладания 100-тысячелетних и 41-тысячелетних циклов

В 1976 г. Хейс, Имбри и Шеклтон опубликовали в журнале Science работу (Hays et al., 1976), в которой экспериментально проверили гипотезу Миланковича об орбитальном влиянии на климат плейстоцена. Они исследовали изотопный состав кислорода в донных отложениях Индийского океана и провели частотный анализ колебаний климата за последние 500 тыс. лет. Увы, палеоклиматическая реконструкция Хейса с соавторами лишь отдаленно напоминала инсоляционную кривую Миланковича: доминировали колебания с периодом около 100 тыс. лет, близкие к периодичности эксцентриситета. Однако по Миланковичу темп оледенений должна задавать прецессия равноденствий (22 тыс. лет). Эти циклы, а также циклы длительностью 41 тыс. лет, связанные с наклоном оси, в донных отложениях тоже проявлялись, но не были основными. Это означало, что по крайней мере в последние полмиллиона лет не было прямой связи между изменением инсоляции на 65° с. ш. и сменой ледниковых эпох. С одной стороны, работа Хейса подтвердила взаимосвязь оледенений и орбитальных параметров и тем самым обеспечила официальное признание теории Миланковича. Но в то же время возникла новая загадка, так называемая проблема ста тысяч лет, решение которой ищут до сих пор. Хейс с соавторами связывали наличие 100-тысячелетних циклов с влиянием эксцентриситета, но не предложили никакого объяснения этому.

Со временем удалось получить более длинную летопись климата, и выяснилось, что близкую к 100 тыс. лет цикличность имеют лишь несколько последних циклов (рис. 2.9). До этого цикличность в точности соответствовала 41-тысячелетним изменениям наклона оси, но опять-таки не циклам прецессии равноденствий, как предсказывала теория Миланковича[26]26
  Влияние прецессии на инсоляцию северных широт примерно в 4 раза сильнее, чем влияние колебаний наклона оси, за исключением периодов низкого эксцентриситета орбиты, как сейчас или 400 тыс. лет назад.


[Закрыть]. 41-тысячелетний цикл был стабилен на протяжении 2 млн лет. Но около 1,25–0,70 млн лет назад циклы стали удлиняться, их размах – увеличиваться. Кроме того, они приняли отчетливую асимметричную пилообразную форму – оледенение наступало постепенно, а переход к межледниковью – быстро. Эта трансформация в климатической системе получила название среднеплейстоценового перехода.

Так возникли еще две загадки, связанные со сменой ледниковых эпох, – среднеплейстоценовый переход и природа 41-тысячелетних циклов. Переход от 100-тысячелетнего мира к 41-тысячелетнему происходил на фоне постепенного похолодания. Достоверно известно, что периодичность орбитальных параметров в это время не изменялась. Стало быть, среднеплейстоценовый переход вызван внутренними изменениями в климатической системе, детали которых еще предстоит выяснить. Среднеплейстоценовый переход можно рассматривать как смену лайт-версии ледниковых эпох полномасштабной. С установлением 100-тысячелетнего цикла объем льдов увеличивался столь сильно, что снижение уровня океана достигало 120 м, что примерно вдвое превышало колебания в раннем плейстоцене.

Климатические колебания плейстоцена могли существенно повлиять на расселение наших далеких предков по планете. Первые люди появились на территории Италии, Франции и Испании около 0,99–0,78 млн лет назад, что скорее всего соответствует первой из ледниковых эпох, имевших выраженный среднеплейстоценовый характер (0,87 млн л. н.) (Muttoni et al., 2010). Разумеется, это не были представители рода Homo sapiens; в то же время среднеплейстоценовые люди значительно отличались от своих более ранних сородичей – Homo erectus. Часто первых европейцев относят к виду Homo heidelbergensis – человек гейдельбергский. В это же время в Южной Европе появляются мигранты из Африки – слоны Elephas antiquus. Климат Африки стал засушливым, и крупные млекопитающие отправились на поиски лучшей жизни (рис. 2.10). Вслед за ними шли и наши предки, для которых эти животные служили пищей. Наиболее вероятными путями миграции представляются пути через Синайский коридор и далее вдоль Кавказского побережья или через Босфор, который в это время пересох. Пути через Баб-эль-Мандебский пролив, Гибралтар, Сицилийский пролив маловероятны.