Текст книги "Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата"

Автор книги: Хенрик Свенсмарк

Соавторы: Найджел Колдер
сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 15 страниц)

Этот эпизод «ледника», давно известный геологам как пермско-каменноугольное оледенение, длился довольно долго. Он накрыл каменноугольный период, названный так из-за больших залежей угля, откладывавшегося в болотистых лесах. Тогда появились первые рептилии и позвоночные животные, способные жить исключительно на суше. Леса разрастались, но при этом ледовые поля и ледники наступали на континенты, лежавшие в те времена ближе к Южному полюсу. «Ледник» продолжился и в начале пермского периода.

Конец пермского и весь следующий за ним триасовый период Солнечная система провела в темном пространстве между галактическими рукавами, в условиях «парника». Катастрофа разразилась в конце пермского периода, 245 миллионов лет назад. Предположительно ее вызвало столкновение Земли с кометой или астероидом, грубо нарушившим все правила игры, и это привело к массовому вымиранию видов. Комета возвестила наступление мезозойской эры, самой известной из всех благодаря динозаврам. Но Земля все еще не покинула «парник», что в данном случае говорит об отсутствии связи между эволюционными изменениями и климатом.

Проход через рукав Центавра вновь принес с собой холод, державшийся в течение юрского и раннего мелового периодов. Среди новых видов, появившихся тогда, были первые цветковые растения и первые птицы. Приблизительно 120 миллионов лет назад холод сменился «парником» позднего мелового периода, что возвращает нас к началу этого рассказа, к белым скалам Мёнс Клинт.

Любой, кто радуется тому, как сходятся друг с другом научные дисциплины после целого столетия разделения на узкие специализации, наверняка получит удовольствие, увидев, как тесно связаны между собой названия спиральных рукавов Млечного Пути и холодные геологические периоды, во время которых Земля посетила эти места.

Рукав Персея – от ордовикского периода до силурийского.

Рукав Наугольника – каменноугольный период.

Рукав Щита – Южного Креста – юрский период и начало мелового периода.

Рукав Стрельца – Киля – эпоха миоцена, почти сразу (по геологическим меркам) переходящая в

Рукав Ориона – от плиоцена к эпохе плейстоцена.

События и эволюционные последствия перехода к рукаву Ориона мы рассмотрим в седьмой главе. А пока мы хотели бы привести ошеломительный пример того, как астрономический прогноз был сразу же поддержан и геологическими свидетельствами, и найденными окаменелостями. Речь идет о происхождении птиц.

Перья, чтобы не замерзнуть

Когда 230 миллионов лет назад первые маленькие динозавры и млекопитающие впервые выступили на арену, Солнце и Земля были приблизительно там, где они находятся и сейчас. В течение этого времени Солнечная система сделала полный оборот вокруг центра Галактики. И большую часть путешествия динозавры были властителями Земли, оставив млекопитающих на низшем уровне, хотя самим динозаврам так и не удалось завершить великое путешествие.

Путешествие началось в теплый триасовый период. Путеводитель по Галактике для динозавров, учитывающий потоки космических лучей, сообщил бы, что приближается рукав Щита – Южного Креста, и пообещал бы «ледник» в юрском и меловом периодах. До сих пор поколениям студентов и поклонников гигантских рептилий говорили, что на протяжении всей динозаврьей мезозойской эры условия жизни на планете были едва ли не курортными: тепло, льда на суше практически нет. Если какие-либо геологические представления и входили в противоречие с расчетами космических лучей, то это были именно стереотипы, сложившиеся вокруг мезозоя, и Нир Шавив это хорошо понимал.

«Когда я начал работать над этой идеей, я искал данные по оледенениям и в одной книге, выпущенной в 1970-е, нашел сводку данных, в которой никакое среднемезозойское оледенение не фигурировало. Я подумал: „Ну что ж, космические лучи не объясняют все изменения климата“. Только позже я обнаружил другой обзор, где говорилось, что средний мезозой был холоднее, чем эпохи до и после него. Улыбка не сходила с моего лица целый день, так как я нашел потерянную ледниковую эпоху. Тогда я понял, что моя теория верна» [66]66
  Из личной переписки Нира Шавива и Найджела Колдера, 2006 г.


[Закрыть].

В 2002 году, когда Нир Шавив впервые рассказал свою историю о спиральных рукавах, нашлись и отчетливые материальные следы среднемезозойского похолодания – они обнаружились на океанском дне, среди обломков пород, принесенных дрейфующими льдами. Еще в 1988 году Ларри Фрейкс из университета Аделаиды представил свидетельства того, что дрейфующий лед сбрасывал песок и гравий в субполярных областях. Но так как ничто не говорило о том, что на суше тоже был лед, среднемезозойское оледенение оставалось наименее убедительным из всех.

Всего через несколько недель после публикации Шавива, в начале 2003 года, из университета Аделаиды поступило известие, что ученым впервые удалось отыскать следы наземного льда в меловой период. Невилл Элли и Ларри Фрейкс сообщили, что поблизости от хребта Флиндерс в Западной Австралии обнаружены глина, мелкие камни и зерна кварца, перемешанные ледником. А датируются они ранним меловым периодом, то есть им 140 миллионов лет. Так что динозаврам действительно пришлось покататься на климатических «американских горках», как верно предсказала астрономия.

Если вы предпочитаете живое доказательство того давнего похолодания, посмотрите на птиц. Они – единственные уцелевшие из всего великого племени динозавров и обязаны своим существованием холодному среднемезозойскому периоду. В ту пору небольшие рептилии нашли пристанище на деревьях или в болотистой местности и тем самым смогли избежать челюстей своих грозных собратьев, но тут крылся и подвох. Они теряли тепло намного быстрее, чем большие животные. У крохотных млекопитающих были меховые шкурки, а маленькие динозавры в холодный ранний меловой период научились сохранять тепло, преобразуя чешуйчатую кожу в пух и перья.

Одновременно с австралийским открытием было найдено доказательство в Китае, не оставляющее сомнений в том, что в среднемеловой период существовали маленькие, покрытые перьями динозавры, затем эволюционировавшие в современных птиц. Следы их существования сохранились на дне бывших озер в провинции Ляонин в северном Китае. Человек, нашедший ископаемых птиц в этой области, Чжоу Чжунхэ из Института палеонтологии позвоночных и палеоантропологии в Пекине, ясно понимал значение своей находки:

«Новые открытия позволяют предположить, что перья не уникальная принадлежность птиц и что полет как таковой мог взять свое начало от планирующих прыжков, которые совершали создания, обитавшие на деревьях» [67]67
  Процитировано Хэ Шэном в China Daily,28 марта 2003 г.


[Закрыть].

Когда вы любуетесь птицами, поющими в ваших садах, радуйтесь, что пернатым созданиям хватило времени, чтобы утвердиться в роли нового класса позвоночных до того, как 65 миллионов лет назад ужасные события смели с лица Земли всех динозавров – и больших, и маленьких. Многие птицы, равно как и млекопитающие, пережили массовое вымирание, когда небесное тело – комета или астероид – врезалось в Землю в области, которая ныне именуется Мексикой, и огромное количество лавы выхлестнулось из вулканов в Индостане по другую сторону планеты. Оледенение, случившееся за 75 миллионов лет до этого, побудило маленьких динозавров поэкспериментировать с перьевым жакетом и определить, для чего еще он мог бы им понадобиться.

Непосредственно из ледника: в Китае найден ископаемый эмбрион птицы в своем собственном яйце. Находке 121 миллион лет. У эмбриона видны даже перышки, более четко прорисованные художником при обработке фотографии. Холодный климат, воцарившийся на Земле, после того как планета нанесла визит в один из спиральных рукавов Галактики, заставил мелких динозавров искать средства утепления, – и ящеры нашли их, обретя перья. Впоследствии кое-кто из динозавров нашел перьям иное применение, но это уже другая история – история птиц. (Чжоу Чжунхэ, Институт палеонтологии позвоночных и палеоантропологии, Пекин)

Первые свидетельства удара, уничтожившего динозавров, появились в 1980 году. В Италии, в ущелье неподалеку от Губбио, в слое красной глины, врезанном в пласт известняка, были обнаружены вкрапления редких элементов внеземного происхождения. Это всего лишь одно из вмешательств небесных тел в ход эволюции, но были и другие, вызвавшие более продолжительные изменения глобального климата. После промежутка хаоса, сопровождающего каждый удар, климат всегда возвращался к холодным или теплым условиям, господствовавшим до того, как комета или астероид врезались в Землю. На стенах ущелья близ Губбио явственно видно: цвет пласта известняка над слоем глины лишь чуть-чуть отличается от цвета породы под полоской глиной – как будто ничего значительного не произошло.

Размолвка по поводу диоксида углерода

Журнал «Дискавер» назвал работу Нира Шавива по проблемам Галактики и климата лучшим научным открытием 2003 года. По мнению ученого, его идея была хороша тем, что представляла собой рискованную попытку вступить на неизведанную территорию, где, казалось, он никому не сможет наступить на ногу. Сам Шавив и не представлял, что его рассказ о космических лучах может иметь какие-то последствия в свете нынешних дебатов об изменениях климата, пока израильский ученый не присоединился к команде выдающегося геолога Яна Вейзера.

Основное место научной деятельности Вейзера – университет Оттавы, но он также работал в Рурском университете в Бохуме (Германия). Вейзер собрал большую коллекцию ископаемых раковин, хозяева которых обитали в тропических океанах в течение последних 550 миллионов лет, и подсчитал в них количество атомов тяжелого кислорода. Согласно этим данным, температура поверхностного слоя морской воды в тропиках поднималась и падала приблизительно на 4 градуса Цельсия, более или менее идя в ногу с переходами от условий «парника» к «леднику» и наоборот.

В 2000 году совместно со своими коллегами из Льежа Вейзер понял, почему его данные противоречат широко распространенному поверью, будто содержание углекислого газа в атмосфере повинно в температурных колебаниях. Это особенно ясно, если обратиться к оледенениям, случившимся 150 и 450 миллионов лет назад. Концентрация двуокиси углерода в воздухе была высока, и морским температурам следовало быть значительно выше тех, о которых рассказывает коллекция раковин Вейзера. Однако ракушки настаивали на том, что температура меняется циклично и что цикл этих колебаний составляет примерно 135 миллионов лет. Температурный цикл Вейзера был очень похож на цикл Шавива в 143 миллиона лет. Готовя к публикации в 2003 году расширенную версию своей работы о спиральных рукавах, Шавив включил туда и графики Вейзера.

Затем астрофизик и геолог поняли, что, объединив свои усилия, они могли бы более точно подсчитать, насколько сильно космические лучи влияют на климат. Ученые совместно написали провокационную статью под названием «Небесные силы как главный фактор фанерозойского климата?», которую Геологическое общество Америки (ГОА) опубликовало в весьма популярном среди геологов журнале – «ГОА сегодня». Помимо того, что они представили свои собственные данные о связи космических лучей и климата, ученые рассказали и о результатах, полученных Свенсмарком. Возможно, тогда многие читатели впервые услышали о датском ученом и его исследованиях.

Шавив и Вейзер пришли к заключению, что связь между климатом фанерозоя и космическими лучами не подлежит сомнению, в то время как влияние двуокиси углерода на климат древности должно быть меньше, чем обычно заявляют. Они внимательно изучили геологические данные, обращая внимание на несоответствия между уровнями двуокиси углерода и морскими температурами, и сделали вывод, что в будущем повышение температуры, связанное с удвоением содержания двуокиси углерода, будет намного ниже, чем предсказывала Межправительственная группа экспертов по изменению климата. И в одну секунду Шавив и Вейзер оказались персонами нон грата.

Спустя шесть месяцев группа из одиннадцати ученых яростно напала на их ересь, опубликовав статью в геофизическом журнале «Эос». Ведущим автором был Штефан Рамшторф из Потсдамского института климатических исследований. Статья начиналась с того, что ставила под сомнение влияние космических лучей на климат, опираясь при этом на возражения, уже успевшие устареть. И поскольку критики даже собственную статью не прочитали внимательно, Шавив и Вейзер легко опровергли многие пункты, просто повторив то, что они написали изначально.

Споры были слишком запутаны и темны, чтобы излагать их здесь, но один пример даст вам почувствовать их аромат. Рамшторф и его собратья по критике предположили, что данные о морских температурах были подтасованы, чтобы выделить колебания, совпадающие с вариациями космических лучей. Здесь приведено опровержение Шавива и Вейзера, поставившее критиканов на место: «Рассчитанные тренды температур… были уже опубликованы Вейзером и др. в 1999 и 2000 годах, при полном неведении относительно будущей работы Шавива» [68]68
  Ответ Нира Шавива и Яна Вейзера на публикацию Ш. Рамшторфа и др.: Eos.Vol. 85, p. 510, 2004.


[Закрыть].

«ГОА сегодня» выпустило более обоснованный комментарий, озаглавив его: «СО ₂как главный фактор фанерозойского климата». Авторами выступили пять ученых под руководством Даны Ройера из университета штата Пенсильвания. Они утверждали, что график температур, основанный на содержании тяжелого кислорода в древних отложениях карбоната, должен быть уточнен с поправкой на кислотность морской воды в те времена. Тогда, как предполагали авторы статьи, связь между температурами и двуокисью углерода станет намного очевиднее:

«Колебания потока космических лучей могут воздействовать на климат, но не они играли ведущую роль в течение многих миллионов лет» [69]69
  D. Royer et al. GSA Today.March 2004, pp. 4–10.


[Закрыть].

Решайте сами, кто прав. Уровень двуокиси углерода опускается и поднимается только дважды за 550 миллионов лет, в то время как на графиках космических лучей вы можете увидеть по четыре всплеска и падения. И так как было четыре основных холодных и четыре теплых периода, модель безоговорочно поддерживает Шавива и Вейзера, когда они утверждают, что космические лучи – главная движущая сила климата. Но ледниковые периоды были не одинаковы по своей мощности, и, следовательно, помимо космических лучей действовали и иные силы.

Попытку прекратить разногласия о том, что важнее – космические лучи или углекислый газ, – предпринял Клаус Вальман из Института морских исследований ГЕОМАР в Киле (Германия). Он написал в журнал «Геохимия Геофизика Геосистемы» статью, где заявил, что не мог бы воспроизвести диаграммы температур с поправкой на кислотность без добавления охлаждающего эффекта космических лучей. С другой стороны, по его словам, двуокись углерода играет значительную роль в усилении или ослаблении изменений климата:

«Теплые периоды (кембрий, девон, триас, меловой) характеризуются низким уровнем космических лучей. Холодные периоды, от позднего каменноугольного до раннего пермского и поздний кайнозойский [следовательно, настоящее время], отмечены высоким притоком космических лучей и низким значением двуокиси углерода. […] Два умеренно холодных периода, совпадающие с ордовикско-силурийской и юрско-раннемеловой эпохами, характеризуются и высоким содержанием двуокиси углерода, и большим количеством заряженных частиц, так что парниковое потепление компенсировалось охлаждающим воздействием низких облаков» [70]70
  K. Wallmann. Geochemistry Geophysics Geosystems.Vol. 5, 2004.


[Закрыть].

Как сильно влиял углекислый газ на климат далекого прошлого? Когда мы видим провалы в графиках, 300 миллионов лет назад и в сегодняшней ледниковой эре, количество двуокиси углерода в воздухе составляет всего лишь несколько сотен частиц на миллион, но на подъемах оно вырастает до 5000 и 2000 частиц на миллион. Если захотите перевести это на язык, используемый для современного описания изменений климата, вам придется спросить, насколько поднимутся температуры, если содержание двуокиси углерода возрастет с 280 до 560 частиц на миллион – то есть увеличится в два раза по сравнению с уровнем, существовавшим до промышленной революции? Межправительственная группа экспертов по изменению климата полагала, что цифры будут в пределах от 1,5 до 4,5 градуса Цельсия.

Первоначально Шавив и Вейзер, основываясь на данных за 500 миллионов лет, предполагали, что чувствительность климата к двуокиси углерода могла составить 0,5 градуса Цельсия. Однако они согласились с тем, что следует откорректировать цифры с учетом кислотности морской воды, хотя и полагали, что Дана Ройер с коллегами переоценивают ее влияние. Шавив и Вейзер также подчеркивали, что подсчет атомов тяжелого кислорода, используемый для определения температуры, должен быть скорректирован с поправкой на количество льда в мире, потому что если образуются ледовые щиты, то в морской воде остается больше тяжелого кислорода. Шавив и Вейзер пересмотрели свою оценку чувствительности климата к двуокиси углерода, и в этот раз она составила 1,1 градуса Цельсия.

Их оценка совпала с мнением знаменитого метеоролога Ричарда Линдзена из Массачусетского технологического института о сегодняшнем состоянии атмосферы. Линдзен неоднократно высказывался об умеренном влиянии на климат двуокиси углерода. Как он объяснил в выступлении перед английской Палатой лордов в 2005 году:

«Если главные парниковые субстанции – водяной пар и облака – остаются неизменными, то удвоение количества СО ₂приводит, согласно простым расчетам, к повышению среднемировой температуры в среднем на 1 градус Цельсия» [71]71
  R. S. Lindzen. Economic Affairs, Minutes of Evidence, House of Lords, 25 January 2005 (текст немного отредактирован).


[Закрыть].

Итак, древние ископаемые дали Шавиву и Вейзеру возможность получить цифры, очень близкие к расчетам Линдзена, который основывался на исследованиях современной атмосферы. Есть над чем задуматься. Свенсмарк не был уверен, стоит ли учитывать климатическую эффективность двуокиси углерода в своих расчетах. Его также интересовало, оставалось ли количество углекислого газа постоянным на протяжении всей истории и, если его концентрация была разной, как это могло отражаться на климате. Как бы то ни было, результаты Шавива и Вейзера убеждают нас в том, что климат не настолько чувствителен к увеличению углекислого газа, чтобы тревожные предсказания о неминуемом глобальном потеплении, спровоцированном промышленной деятельностью, выглядели убедительными. И, таким образом, эти результаты добавили Свенсмарку оптимизма в его размышлениях о причастности космических лучей к судьбе планеты в промышленную эпоху.

Ракушки в качестве телескопов

Когда в 2002 году вышли в свет любопытные расчеты Нира Шавива, говорящие о той роли, которую сыграли космические лучи в истории земного климата, Свенсмарк решил взяться за написание собственного труда. Однако доступные ему геологические данные были неполными, и это сильно затрудняло работу, до тех пор пока на встрече на Гавайях в 2005 году Шавив не указал ему на более качественную базу данных. Эксперимент в подвале также сильно отвлекал Свенсмарка. Однако начиная с момента, когда были обработаны первые результаты эксперимента «SKY», Свенсмарк смог уделить больше внимания тем мелодиям, которые с незапамятных времен напевают камни и звезды; ему нужно было лишь постараться расслышать созвучия в их песнях.

Колебания климата в прошлом, увязанные с движением Солнца по Млечному Пути, помогут усовершенствовать наши астрономические знания о Галактике.

Свенсмарка поразили противоречивые мнения астрономов о Млечном Пути и тех временах, когда, по их предположениям, Солнечная система проходила через галактические рукава. В каком-то смысле это разочаровывало даже больше, чем любые геологические данные, не соответствующие изменениям климата. Свенсмарк решил подойти к проблеме с другого конца и использовать данные Яна Вейзера о морских температурах, «записанных» в ископаемых, чтобы помочь астрономии. «Шутки ради, – заметил Свенсмарк, – я назвал это: „Как измерить массу Галактики с помощью термометра“» [72]72
  Из сообщения Хенрика Свенсмарка Найджелу Колдеру, 2005 г.


[Закрыть].

Обитатели морских раковин действуют как чувствительная природная аппаратура, записывая события, происходящие в вечно меняющейся звездной среде, окружающей нас, и они начали выполнять эту работу задолго до того, как человек изобрел астрономические инструменты. С позиций сегодняшнего дня мы можем рассматривать их как телескопы, которые фиксировали интенсивность космических лучей путем усвоения тяжелого кислорода в процессе жизнедеятельности. Так что идея использовать морские ракушки для астрономических целей – не пустая прихоть.

Согласно показаниям окаменелостей, температуры моря колебались, и амплитуда этих колебаний была относительно невысока, зато ритм был более частый, чем тот, который задают климату спиральные рукава. А дело в том, что наше Солнце ведет себя как игривый дельфин. Двигаясь по орбите, оно к тому же как бы выпрыгивает из галактического диска, затем погружается обратно и вновь выпрыгивает, и так все время. Срединная плоскость диска – не просто математический вымысел. Там концентрируются заряженные частицы, поскольку магнитное поле, управляющее ими, удерживается на месте гравитацией – той же самой силой притяжения, которая не дает звездам и газовым облакам разбегаться от диска.

Итак, когда бы Солнце ни пересекало срединную плоскость, идет ли оно наверх или катится вниз, Земля в это время страдает от всплеска космических лучей, и это происходит с интервалом в 32–34 миллиона лет. Когда Солнце покидает срединную плоскость, оно поднимается «в гору» по склону длиной 300 световых лет, доходит до «хребта» и начинает спуск вниз. На этой фазе поток космических лучей слабеет. Такие колебания происходят независимо от того, находится Солнечная система внутри или вне спирального рукава. Но если Солнце заходит в спиральный рукав, то там цикл космических лучей ускоряет свой шаг из-за более высокой концентрации межзвездного газа. Морские температуры позволяют довольно точно устанавливать границы временных отрезков, так как самые холодные периоды каждого геологического цикла с продолжительностью 32–34 миллиона лет совпадают с тем, когда Солнечная система пересекала срединную плоскость Галактики.

Свенсмарк не хотел узнавать заранее, насколько быстро движется Солнце по отношению к спиральным рукавам. То был один из вопросов, которые он хотел выяснить сам. Для этого ему было нужно взять температурные данные Вейзера за последние 200 миллионов лет и «примерить» их на Галактику. Это было похоже на то, как человек, купивший костюм в магазине готового платья, ходит и ищет того, на ком костюм будет сидеть идеально. И нашлась только одна комбинация ключевых цифр, правильно отображающая волнообразное движение Солнца.

Анализ Свенсмарка позволил получить цепочку ответов на вопросы о ближайших к нам областях Млечного Пути и движении Солнца. Относительно вращающихся спиральных рукавов Галактики Солнце перемещается со скоростью 12 километров в секунду. Визит в рукав Щита – Южного Креста Солнце нанесло 142 миллиона лет назад, а в рукав Стрельца – Киля – 34 миллиона лет назад. Ширина рукавов приблизительно 1170 и 910 световых лет соответственно. Плотность вещества в спиральных рукавах на 80 процентов выше, чем в областях между рукавами. Вот уж действительно: колебания температуры позволили измерить Галактику!

Ни одна из цифр не противоречит предыдущим предположениям. Но там, где до этого было много неясного, окаменелости подсказывают астрономам, какие цифры более верны. Этот удачный перевертыш аргументации – от климата к астрономии – подтверждает, что климат Земли прочно находится во власти галактического термостата. Следующая глава расскажет о том, как благодаря двум большим открытиям, сделанным в последние десятилетия, ученые убедились, что звездное небо наносило куда более жестокие удары по климату Земли.