6. Климат и пригодность для жизни

В отличие от других планет Солнечной системы на Земле образовался умеренный климат, поэтому на ней сохранялась вода в жидком состоянии, а следовательно, и жизнь, по крайней мере такие ее формы, которые нам известны. Первыми живыми организмами, появившимися на Земле, были микроорганизмы, и произошло это за несколько миллиардов лет до того момента, с которого мы, люди, считаем планету пригодной для жизни, не говоря уже гостеприимной. Но даже в наши дни мы нашли на планете микробную жизнь, обитающую в самых неблагоприятных природных условиях – в средах, где температура превышает 100 °C, или в кислотных кратерных озерах. Поэтому определение «пригодности для жизни» имеет довольно широкий диапазон. Мы можем обнаружить микробную жизнь, существующую или существовавшую когда?то на других планетах, условия на которых не хуже самых плохих условий на Земле.

Вода исключительно важна для жизни, поэтому список потенциально пригодных для жизни планет включает в себя Марс и ледяные спутники Юпитера и Сатурна (Европу и Энцеладу соответственно), на которых точно есть вода в жидком состоянии. Как бы то ни было, мы точно знаем, что на нашей планете выработался особенно стабильный и мягкий климат, давший жизни достаточно времени, чтобы она могла стать сложной и многоклеточной.

Разговор об условиях, необходимых для существования жизни на планете, нужно начать с классического понятия «зоны возможной жизни». Эта зона, по сути, является диапазоном орбит в любой планетной системе, где условия на поверхности находящихся в ней планет позволяют существовать воде в жидком состоянии. Другими словами, планета должна быть не так далеко от звезды, чтобы вся вода замерзла (как, вероятно, произошло на Марсе, хотя это становится все более сомнительным), но и не так близко, чтобы вся вода испарилась (как на Венере). Это понятие до сих пор используется астрономами, обнаруживающими планеты в других планетных системах, так как основными характеристиками, которые они устанавливают, по крайней мере пока, являются расстояние от планеты до звезды и (иногда) масса и/или размер планеты.

Орбита в зоне благоприятного обитания – важная часть теорий о вероятности нахождения разумной внеземной жизни. Под «разумной» я понимаю такую жизнь, которая может передавать в космос сигналы (например, радиоволны), несущие систематизированную информацию. Распознают ли внеземные формы жизни в наших радиоволнах признаки того, что они были посланы разумными существами, или нет, еще не известно, но, если мы сами будем искать в космосе сигналы с альфы Центавра (как в «Стартреке» и «Бонанце», любимых фантастических сериалах моего детства), тогда критерии поиска должны быть очевидны. Вероятность получения нами таких сигналов выражена в известном уравнении Дрейка (в честь американского радиоастронома Франка Дрейка) и равна произведению нескольких вероятностей (например, вероятностей того, что у звезды имеются планеты и по крайней мере одна из них находится в обитаемой зоне жизни, и эта потенциальная форма жизни посылает радиоволны именно тогда, когда мы можем их обнаружить, т. е. не слишком рано и не слишком поздно). Вероятность того, что из звездной системы, где существует жизнь, смогут в нужный момент послать радиоволны и «достучаться» до нас, астрономически мала. Тем не менее только в нашей Галактике миллиарды звезд, которые могли поддерживать жизнь в ходе длительной эволюции (как правило, это небольшие звезды, горящие миллиарды лет). Даже если на малой части из них существует жизнь, способная передавать радиосигналы, тогда таких звезд будут миллионы или по крайней мере десятки или сотни тысяч. В этом случае можно было бы ожидать увидеть хотя бы одно плохое инопланетное телешоу с помощью наших радиотелескопов, но пока этого не произошло. И это приводит нас к известному вопросу, заданному физиком Энрико Ферми: «Ну и где они?» Почему мы не наблюдаем следов внеземной разумной жизни? Либо условия, необходимые для ее формирования куда сложнее, чем мы предполагали, либо инопланетяне сразу же изобрели кабельное телевидение.

Условия для формирования жизни, сложной и технологически продвинутой, вероятно, более сложны и не исчерпываются астрономическим положением и радиусом орбиты. То есть не только солнечный свет определяет условия нашего ровного климата. Например, в Солнечной системе Земля, естественно, расположена внутри орбитальной зоны жизни (особенно учитывая все эмпирические доказательства того, что она действительно населена). Однако, если бы в атмосфере Земли не было водяного пара или углекислого газа, тогда не было бы и парникового эффекта и поверхность нашей планеты, вероятно, замерзла бы, покрывшись снегом и льдом. Возможно, это и происходило в течение нескольких периодов в далеком прошлом (мы обсудим это далее). Даже если некоторое количество жидкой воды сохранилось под ледяным покровом, Земля не получала достаточно солнечной энергии для поддержания жизни (учитывая высокую отражательную способность снега и льда). Если бы жизнь могла получать энергию только из других источников, например вулканизма, то для этого потребовался бы вулканизм в дополнение к нужной орбите. С другой стороны, если весь первоначальный углекислый газ, эквивалентный давлению в 60 атм, который теперь содержится в земной коре, оказался в атмосфере, парниковый эффект слишком сильно нагрел бы поверхность планеты. Мы упоминали микробов, которые могут успешно выживать при очень высоких и низких температурах, но они не эволюционировали за пределы их микробного состояния. По крайней мере, не на Земле. При экстремальных условиях – слишком высокой или слишком низкой температуре – мы могли бы рассчитывать в лучшем случае лишь на одноклеточную жизнь. Короче говоря, орбита определяет не все. Но тогда каковы они, эти условия жизни? Хороший вопрос.

Гипотеза уникальной Земли, предложенная геологом Питером Уордом и астрономом Дональдом Браунли, – хорошая, хотя и спорная попытка ответить на парадокс Ферми. Она утверждает, что наша планета стала пригодна для жизни благодаря почти невероятному, уникальному стечению обстоятельств, которые позволили возникнуть живым организмам, а следовательно, и людям. Это сочетание благоприятных условий настолько маловероятно, что шансы обнаружить внеземные радиосигналы в ограниченное время наших наблюдений ничтожно малы. Таким образом, ответ на вопрос Ферми заключается в том, что Галактика больше смахивает на пустыню Гоби, чем на Гонконг или Париж.

В соответствии с гипотезой уникальной Земли наша планета отвечает всем необходимым астрономическим условиям, находясь в нужном месте Галактики, т. е. не слишком близко к ее центру со множеством звезд и интенсивным излучением, которое испускает вещество, падающее в сверхмассивную черную дыру. Земля сформировалась в нужное время, чтобы на ней оказались строительные блоки для жизни. Мы находимся в середине орбитальной зоны жизни Солнечной системы, на нашей планете есть вода не только в жидком, но и в газообразном и твердом состоянии (что очень важно для климата; подробнее об этом ниже). В дополнение к благоприятным астрономическим условиям на Земле происходит тектоника плит, стабилизирующая климат. У Земли есть большой спутник, а значит, и приливные зоны, организмы в них должны были выживать и под водой, и на суше, что способствовало выходу жизни на сушу. Также у Земли «правильный» угол наклона оси вращения, что приводит к смене времен года, а это, в свою очередь, увеличивает биологическое разнообразие. В истории Земли происходили массовые вымирания видов, вызванные астероидными бомбардировками планеты и вулканической активностью. Например, Массовое пермское вымирание около 250 млн лет назад, вероятно, было вызвано извержениями вулканов на территории Сибири, когда огромные потоки лавы высвободили токсичные газы и выжгли множество угольных пластов, что способствовало глобальному потеплению. Образование суперконтинента также приводило к изменению береговой линии и связанных с ней морских экосистем. Каждое массовое вымирание вызывало экологическую перезагрузку, способствуя большему биологическому разнообразию и эволюции.

К сожалению, нам известна только одна такая планета – Земля. У нас слишком мало данных, чтобы определить, является ли сочетание всех этих условий абсолютно необходимым для развития жизнепригодности. Достаточно ли некоторых из этих условий или необходимы они все? У нас только одна планета для сбора данных, поскольку мы не знаем другой планеты земной группы с тектоникой плит, водой в жидком состоянии и большим естественным спутником. Со временем мы узнаем больше, потому что астрономы уже открыли ряд планет земного типа, обращающихся вокруг других звезд. Раньше или позже мы увидим, есть ли на них условия, необходимые для жизни, правда, для того, чтобы увидеть детали, например океаны и тектонику плит, потребуются телескопы с более высоким разрешением и четкостью.

Мы также не знаем, зависят ли друг от друга некоторые уникальные условия: если они независимы, это делает их одновременное наличие маловероятным, если же они связаны, одновременность вполне объяснима. Например, наличие воды в жидком виде и тектоники плит (и таких связанных с ними процессов, как вулканизм и суперконтинентальные циклы) сильно зависят друг от друга, и потому их одновременное существование не может быть просто совпадением. Возможно, на любой планете земного типа, где есть вода в жидком состоянии, есть и тектоника плит – мы этого пока просто не знаем. Точно так же гипотеза уникальной Земли предполагает, что эти условия необходимы для развития живой природы, какой мы ее знаем; в каком?то смысле это лишь «рецепт» для возникновения таких же форм сложной жизни, как на Земле, но не общая теория возникновения сложной жизни вообще. Пока это единственный рецепт, который нам известен. Но мы могли бы узнать рецепты и других форм жизни. Живя на нашей «провинциальной» планете, мы еще слишком мало знаем даже о Солнечной системе и не можем представить себе другие формы жизни.

Независимо от того, существуют ли другие параметры жизнепригодности, мы точно знаем кое?что о жизнепригодности нашей планеты. А поскольку Земля еще долго будет нашим домом, полезно эти вещи изучить и понять. Когда мы говорим о пригодности для жизни, то на самом деле имеем в виду стабильный климат, который обеспечивает наличие воды в жидком состоянии и устойчивое воспроизводство строительного материала для жизни (питательных веществ), – климат, который не пытается уничтожить нас каждые несколько миллионов лет или около того.

Самый важный ингредиент нашего климата – солнечный свет. В любой момент времени наша планета получает около 170 квадрлн (1,7 ? 1017) Вт энергии от Солнца. Если измерять в лампочках яркостью 100 Вт, то Солнце заменяет почти 2 квадрлн лампочек, освещающих одну сторону нашей планеты в любой момент времени, или 13 таких лампочек на каждый квадратный метр поверхности планеты (обычно большинство квартир площадью 25 м? освещается двумя такими лампочками). Б?льшая часть этого излучения приходит в качестве видимого света, значительное количество солнечного света приходит в виде ультрафиолетового излучения (чтобы защититься от ультрафиолета, мы носим солнцезащитные очки и наносим на кожу защитный крем, хотя основной ультрафиолет поглощается озоном в стратосфере). Наконец, некоторая часть солнечного света представляет собой инфракрасное излучение, т. е. практически красный свет.

Одни части поверхности Земли поглощают солнечный свет, другие отражают его обратно в космос. Океаны темные и поглощают много света. Континенты светлее и отражают часть света обратно. Лед, например тот, что покрывает большую часть Гренландии и Антарктиды, отражает почти весь падающий на него свет. В целом поверхность Земли поглощает около 70 % солнечного света (отраженные 30 % обеспечивают «пепельный свет Луны») и поэтому нагревается и излучает энергию обратно в виде тепла или, что то же самое, инфракрасного излучения. Если бы у Земли не было атмосферы, поверхность планеты прогревалась бы в среднем лишь до ?20 °С, что намного ниже точки замерзания воды (хотя некоторые части земного шара были бы теплее, а другие холоднее). Однако два важных газа земной атмосферы – водяной пар и углекислый газ – поглощают инфракрасное переизлучение (это означает, что инфракрасные фотоны поглощаются возбуждениями колебаний в этих молекулах) и таким образом удерживают тепло, действуя как покрывало. Хотя ни один из этих газов не является главным компонентом нашей атмосферы (где лидируют азот и кислород), именно они обеспечивают мощный парниковый эффект, укрывая Землю «покрывалом», благодаря которому средняя температура на планете составляет примерно 15 °С.

Земной климат очень чувствителен к тому, сколько солнечного света поглощает и отражает наша планета, а также к тому, сколько парниковых газов содержится в атмосфере. От перепадов этих двух факторов в высокой степени зависят стабильность климата и пригодность нашей планеты для жизни. Излучение Солнца устойчиво возрастает с тех пор, как в нем начались термоядерные реакции. В далеком прошлом солнечный свет был примерно на 30 % слабее, чем сейчас. Но количество солнечного света, которое поглощает Земля, также меняется, потому что ледяные шапки планеты увеличиваются и уменьшаются (что изменяет количество отраженного света), ось вращения Земли, которая проходит через Северный и Южный полюсы, колеблется и прецессирует (об этом явлении мы еще поговорим), орбита Земли тоже меняет наклон, наконец, у самого Солнца есть циклы активности, например 11?летний цикл Швабе.

Изменения количества парниковых газов также очень важны. Водяной пар является наиболее важным парниковым газом с точки зрения его непрозрачности для теплового излучения. Однако количество воды в атмосфере всегда примерно одинаково, так как атмосфера находится в контакте с океанами, всегда насыщена парами воды и не может впитать ее больше. Если атмосфера слишком сухая, она в конечном итоге впитает испарения. Если она слишком влажная, избыток влаги выпадет в виде дождя. По этой причине воздух всегда стремится быть насыщенным, но не слишком влажным и не слишком сухим. Поэтому, если мы вдруг выбросим в атмосферу больше водяного пара, скажем, в результате извержения вулкана, б?льшая часть этого пара выпадет в виде дождя и, с учетом быстрой циркуляции атмосферы, дождь пойдет задолго до того, как пар приведет к повышению температуры, вызванному парниковым эффектом. Насыщение атмосферы водой имеет большое значение для гидрологического цикла испарений и осадков, которые, как мы увидим, определяют работу общего тектонического термостата планеты. Совсем не так обстояло дело с атмосферой Венеры. Возможно, она была такой горячей, что в ней всегда недоставало влаги, венерианская атмосфера могла содержать больше водяного пара, не проливая его в виде дождя. Водяной пар, вошедший в состав атмосферы Венеры (либо при вулканической дегазации, либо от испарения океана, если на Венере когда?то был океан), делал атмосферу более горячей, что заставляло ее испарять еще больше воды, что сделало бы ее еще горячее… И так далее. Это называется необратимым парниковым эффектом.

Метан также является очень мощным парниковым газом, но в настоящее время присутствует в атмосфере в малых количествах (хотя его доля неуклонно растет). Когда жизнь только появилась, а Солнце было тусклее, метана, возможно, было намного больше. Сейчас срок жизни метана в атмосфере не достигает 10 лет, так как он эффективно реагирует с атмосферным кислородом (а конкретнее, с кислородосодержащими радикалами в стратосфере) и образует более слабые парниковые газы, углекислый газ и воду.

Углекислый газ – более мощный парниковый газ, чем водяной пар, но более слабый, чем метан, однако у него уникальная история распределения в различных частях Земли. В свое время в атмосфере содержалось много углекислого газа, сейчас он в основном содержится в коре и в меньшей степени – в океанах и биосфере (ниже мы поговорим об этом подробнее). Но когда в атмосферу высвобождается даже небольшая часть этого огромного скрытого резервуара углекислого газа, требуется очень много времени, чтобы вытеснить его оттуда. Углекислый газ не выпадает в виде дождя, как вода, и не исчезает быстро в результате реакций, как метан. Самый быстрый и самый эффективный способ избавления от углекислого газа – растворение в океане, но даже это происходит очень медленно (мы обсудим это чуть позже). Поэтому углекислый газ задерживается и накапливается в атмосфере в течение многих столетий или даже больше, оказывая огромное влияние на климат.

Несколько важных естественных механизмов обратной связи на Земле усиливают или сдерживают колебания климата, и некоторые из них связаны с углекислым газом. Если петля обратной связи положительная, она усиливает колебания климата, если отрицательная, она стабилизирует климат. Например, тектоника плит обеспечивает важную отрицательную обратную связь, которая сохраняет климат ровным в течение сотен миллионов лет. Кроме того, тектоника плит действует независимо от погодных условий, времени года или климата, сохраняя свою отрицательную обратную связь независимо от того, что происходит на поверхности. Геофизики вроде меня любят раздражать коллег, занимающихся изучением климата, утверждая, что наиболее важной частью климатологии является тектоника плит. Это могло бы даже быть правдой.

Обратная связь тектоники плит называется тектоническим или геохимическим циклом углерода и имеет несколько переменных составляющих. Во?первых, тектоника плит доставляет на поверхность Земли новое минеральное вещество из коры и мантии. Это происходит благодаря извержению вулканов в срединно?океанических хребтах, где литосферные плиты расходятся, а также благодаря вулканизму и горообразованию в зонах субдукции и коллизии, где плиты погружаются одна под другую и опускаются в мантию, в результате чего континенты сминаются, сжимаются и образуют горные массивы. Это же происходит в океанических горячих точках, таких как Гавайи, но там поверхность Земли изменяется намного меньше. Попав на поверхность, минеральное вещество вступает в химическую реакцию и с водой, и с углекислым газом – в дождевой воде, в реках, озерах и океанах. Углекислый газ растворяется в воде (особенно хорошо в дождевых каплях из?за большой площади их поверхности), образуя слабую кислоту – угольную, ту же, что содержится в газированных напитках. Она вступает в реакцию с силикатными породами, образуя карбонаты, например известняк и мрамор. Таким образом, с помощью воды углекислый газ выводится из атмосферы, входит в структуру минералов и остается в составе горных пород. Если бы эти реагирующие вещества были оставлены в состоянии покоя, они образовали бы тонкий слой карбонатов, который не позволил бы расположенным более глубоко породам вступать в реакции, и в конце концов процесс впитывания углекислого газа прекратился бы. Однако дождь, снег, реки и ледники смывают вступившие в реакцию вещества в море. Эрозия помогает открыть доступ к новым минералам, доставленным на поверхность благодаря тектонике плит, и они продолжают вступать в реакции с углекислым газом, уменьшая его содержание в атмосфере.

Эрозия сама по себе сделала бы океаническое дно Земли плоским (вернее, сферическим, как бильярдный шар), что защитило бы его от дальнейшей эрозии и замедлило или прекратило дальнейшее выведение углекислого газа (в зависимости от глубины дна, но лучше обойти эту чрезвычайно сложную тему). Однако тектоника плит не только выносит на поверхность свежие породы, но и непрерывно создает вулканы и горы, что позволяет циклу эрозии продолжаться. Разрушенные минералы смываются в реки, озера и в конце концов в океаны и там насыщаются углекислотой, так как воды Земли содержат много растворенного углекислого газа. Карбонизации океана способствует строительство известковых раковин кораллами и планктоном, например фораминиферами и кокколитофоридами, и эта реакция, несомненно, будет продолжаться. Из?за нее б?льшая часть изначальной, в 60 раз более массивной земной атмосферы, состоявшей из углекислого газа, содержится теперь в карбонатах на дне океанов (и на дне древних океанов, образовавшем горы и континенты благодаря тектонике плит). Без этого геологического уменьшения концентрации углекислого газа наша атмосфера была бы похожа на венерианскую.

Однако углекислый газ не может храниться в породах бесконечно. В частности, в зонах субдукции карбонаты океанского дна погружаются в мантию. Часть углекислого газа из этих пород испаряется при высоких температурах и растворяется в расплаве мантии над погружающимся краем литосферной плиты (плавление происходит из?за воды, которая также испаряется из слэба, как это описано в главе 4), а потом возвращается в атмосферу с вулканическим газом. Некоторые карбонаты выживают на стадии выпаривания и, возможно, погружаются в глубокую мантию. Считается, что мантия способна сохранять большое количество углерода, пусть и не в высоких концентрациях. С учетом ее огромного объема полное количество углерода в мантии, вероятно, значительно больше, чем в земной коре и океанах, хотя это еще остается предметом дискуссий. То, что в мантии Земли много углерода, доказывает его устойчивая форма, скрытая на глубине нескольких сотен километров, – алмазы. Время от времени они быстро поднимаются к поверхности и остаются в застывших магматических породах – магме, которая «застревает» в земной коре. Самые известные такие породы называются кимберлитами – в честь города Кимберли в Южной Африке, где их впервые нашли. Но алмазы явно не способствуют увеличению в атмосфере двуокиси углерода, а вот при извержениях вулканов в срединно?океанических хребтах (и в меньшей степени в горячих точках, вроде Гавайских островов) из мантии просачивается углекислый газ. Так происходит медленное и постоянное проникновение углекислого газа в атмосферу Земли из ее недр. Не весь он затем уходит обратно в результате эрозии и выветривания, и этой медленной подачи углекислого газа в атмосферу достаточно для поддержания парникового эффекта на нашей планете.

Этот геохимический цикл углерода – выведение углекислого газа из атмосферы в результате выветривания и эрозии свежих минералов и возвращение его обратно благодаря вулканизму – предположительно, оказывает значительную отрицательную обратную связь, которая очень важна для этой истории. (Гипотеза о существовании отрицательной обратной связи до сих пор вызывает активные споры. Ее иногда называют моделью Walker World в честь Джеймса Уокера и его коллег. Эта модель похожа на более продвинутую BLAG? модель Роберта Бернера.) Выветривание и эрозия минералов зависят от температуры поверхности во многих отношениях. Во?первых, при высоких температурах испаряется больше воды и, как следствие, выпадает больше осадков в виде дождя или снега, которые, в свою очередь, управляют процессом эрозии. Выпадению осадков также способствует наличие гор, так как ветер несет влажный воздух вдоль их склонов на большую высоту, где конденсируется водяной пар. Во?вторых, при высоких температурах быстрее происходят карбонизация и выветривание. Когда избыток углекислого газа выбрасывается в атмосферу в результате извержения вулкана, лесного пожара или неконтролируемого сжигания ископаемого топлива (хм, что бы это могло быть?), потепление и парниковый эффект усиливают осадки и эрозию и ускоряют процесс выветривания минералов, выводя углекислый газ из атмосферы. (Это занимает миллионы лет и потому не спасет человечество, если мы не сумеем намного ускорить этот процесс и продолжим наше безрассудное потребление.) Если же уровень углекислого газа резко упадет, как это, возможно, произошло в далеком прошлом, тогда отсутствие парникового эффекта приведет к тому, что температуры снизятся и это ограничит процесс испарения, выпадения осадков, эрозию и выветривание, а затем остановит и выведение углекислого газа. Его уровень не будет снижаться, а вулканизм будет медленно выпускать углекислый газ в атмосферу. Таким образом, тектоника плит не позволяет ни уровню содержания углекислого газа, ни температуре стать слишком высокими или слишком низкими. Тектонический цикл сохраняет климат относительно стабильным в течение сотен миллионов лет. Слово «стабильный» здесь означает, что тектонический цикл препятствует скачкам температуры в десятки градусов Цельсия, однако он не защищает Землю от наступления ледникового периода или установления жаркого климата и исчезновения льдов.

Жизнь, и в частности ее сложные формы, могут развиваться и выживать при умеренных колебаниях климата, но не при катастрофических: например, если из?за резкого усиления парникового эффекта будет высвобождена б?льшая часть углекислого газа, испарится значительная часть воды океанов, а Земля превратится в настоящий ад, вроде венерианского. Тектоника плит эффективно сглаживает сильные колебания климата.

Помимо цикла тектоники плит океаны, атмосфера и ледяной покров имеют и сильную положительную обратную связь, что стимулирует изменения климата. Эти положительные обратные связи усиливают небольшие изменения получаемой солнечной энергии, вызванные слабыми колебаниями активности Солнца, орбиты Земли и ее оси вращения. Это явление называют циклами Миланковича.

Сербский астрофизик и геофизик начала XX в. Милутин Миланкович предположил, что изменения параметров орбиты Земли и ее вращения вокруг своей оси могут вызывать ледниковые циклы, которые длятся десятки тысяч лет. Есть три основных эффекта, описываемых этими циклами. Самый быстрый цикл происходит из?за того, что ось вращения Земли движется, подобно оси теряющего скорость волчка, по расходящейся спирали (так называемое прецессионное движение), описывая полную петлю каждые 26 000 лет. Это меняет времена года таким образом, что через 13 000 лет в Северном полушарии в январе будет лето. Следующий цикл Миланковича описывает, как наклон оси вращения Земли колеблется между вертикальным положением (т. е. перпендикулярным к плоскости Солнечной системы) и наклонным, где наклон немного больше, чем сейчас (в настоящее время ось наклонена не критично), что происходит каждые 40 000 лет. Это влияет на сезонные различия в климате: чем больше угол наклона, тем холоднее будет зима и жарче лето. Наконец, изменяется орбита Земли вокруг Солнца – от круглой к чуть более эллиптической. Это происходит примерно каждые 100 000 лет и меняет приближение Земли к Солнцу. Вместе эти циклы (наряду с асимметрией между Северным и Южным полушариями, которые из?за различного соотношения суши и океанов по?разному поглощают солнечный свет) влияют на то, сколько солнечного света поглощает наша планета каждые 20 000, 40 000 и 100 000 лет. Следы циклов Миланковича были проверены по климатической записи глубоководных отложений.

Колебания количества полученного солнечного света, вызванные циклами Миланковича, очень малы, однако положительные обратные связи в океане и атмосфере усиливают их до такой степени, чтобы вызвать циклы ледниковых периодов (называемых оледенением и межледниковьем) с периодами от десятков тысяч до сотен тысяч лет. Если тектонический цикл смягчает сильные колебания климата, то океаны и ледниковые шапки Земли, наоборот, их «преувеличивают», как плохой актер или журналист, пишущий о науке. (Шучу. Отчасти.)

Одной из важных положительных обратных связей служит способность океанов растворять огромное количество углекислого газа; в океанах его гораздо больше, чем в атмосфере, но гораздо меньше, чем содержится в земной коре в виде карбонатов. При этом теплая морская вода растворяет углекислый газ хуже, чем холодная, что вызывает ряд важных эффектов.

Представьте, что концентрации углекислого газа в океане и атмосфере находятся в равновесии, так что концентрация ни в одной из этих сред не может ни увеличиться, ни уменьшиться за счет другой. Если бы средняя температура поверхности поднялась во время одного из циклов Миланковича, то потепление океана снизило бы его способность растворять углекислый газ, который в результате стал бы поступать в атмосферу. Это привело бы к потеплению из?за возросшего парникового эффекта, что еще сильнее нагревало бы океан, который испускал бы еще больше углекислого газа, и т. д. Точно так же, если температура поверхности во время ледникового периода становится ниже, охлаждающийся океан впитывает больше углекислого газа, который, в свою очередь, усиливает охлаждение. Реакция океана является положительной обратной связью, которая усиливает колебания климата. Океан реагирует медленно, ведь прежде, чем его поверхностные воды перемешаются с глубинными, пройдет нескольких сотен или тысяч лет (о чем упоминалось в предыдущей главе). Хотя этого достаточно, чтобы успевать реагировать на гораздо более медленные колебания циклов Миланковича.

Говоря об ответной реакции океана на потепление, отметим, как он реагирует на возрастающее количество углекислого газа, поступающего из других источников, например из вулканов или вследствие сжигания биомассы и/или ископаемого топлива. Если бы концентрация углекислого газа в океанах и атмосфере была одинакова, океан растворил бы дополнительный выброс в атмосферу и часть его ушла бы на глубину в основном за счет даунвеллинга в высоких широтах. Но из?за долгой циркуляции океана этот процесс проходит очень медленно, и избыток углекислого газа задерживается в атмосфере на многие столетия. В конце концов он прогрел бы океан, которому стало бы труднее выводить углекислый газ, и тот, в свою очередь, еще дольше накапливался бы в атмосфере. (Биота, а именно растения и деревья, также поглощает углекислый газ в процессе фотосинтеза, но после их гибели и разложения углекислый газ высвобождается. Поглощение избытка углекислого газа организмами может оказать эффект только при условии, что общая биомасса Земли растет или если омертвевшая биомасса хоронится таким образом, что избегает гниения – как в случае с ископаемым топливом. Хотя вырубка лесов и сжигание ископаемого топлива сводит этот эффект на нет.)

Еще одна важная положительная обратная связь видна на примере ледников Арктики и Антарктики. Ледяной покров отражает солнечный свет обратно в космос, ограничивая поглощение солнечной энергии нашей планетой. Если температура повышается, льды тают и отражают меньше света, поверхность Земли нагревается сильнее, отчего тает еще больше льда, и т. д. Если же температура понижается, ледяной покров растет, отражает больше света, температура понижается еще сильнее, а ледники растут и т. д.

Таяние материковых льдов, например ледников, которые покрывают Гренландию и Антарктиду, также приводит к изменению уровня Мирового океана. Это фиксируется даже сейчас, когда происходит быстрое потепление климата, и может привести к потере низменных островов (например, Мальдивских в Индийском океане). Таяние морского льда, плавающего в океане, не дает такого эффекта: лед и так находится в океане, хотя изменение температуры воды действительно вызывает умеренное изменение уровня океана за счет теплового расширения или сжатия воды. Яркий пример – таяние льдов Гренландии и Антарктики. Если они полностью растают, уровень Мирового океана может подняться на 70 м и затопить большинство прибрежных городов. Таяние льдов также повлияет на климат, воздействуя на вулканическую дегазацию. Освобождение вулканов от ледникового льда уменьшит давление на магму, заставив ее пениться и пузыриться, как в откупоренной бутылке газировки, и вулкан начнет извергаться. Поэтому потепление и таяние ледников приведут к увеличению вулканических выбросов углекислого газа, что, в свою очередь, приведет к потеплению и т. д. (Эта гипотеза, предложенная геофизиками Питером Хайберсом и Чарльзом Ленгмюром, пока остается объектом исследований и дискуссий.)

Положительные обратные связи океана (и содержащегося в нем углекислого газа) и ледников усиливают любое колебание климата в сторону потепления или похолодания. Если в один из циклов Миланковича на Землю попадет немного больше солнечного света и она его поглотит, обратные связи приведут к тому, что климат станет теплее, чем был бы вследствие простого усиления солнечного света. Точно так же, если циклы Миланковича вызывают похолодания, обратные связи способствуют сильным холодам. Эта гиперреакция повторяется в течение многих лет и веков, что усиливает цикл Миланковича, который длится десятки тысяч лет и дольше. Таких колебаний климата достаточно для того, чтобы возникали ледниковые циклы, длящиеся от 20 000 до 100 000 лет, включая последний ледниковый период, который закончился примерно 12 000 лет назад – и ознаменовал рассвет человеческой цивилизации.

Земля знала самые разные климатические условия – от ледниковых периодов до повсеместных тропиков. Я не смогу рассказать про все из них, но основные мы с вами можем рассмотреть. Во?первых, есть доказательства того, что чуть меньше миллиарда лет назад, до появления многоклеточной жизни, Земля по крайней мере однажды была почти полностью покрыта снегом и льдом. Это так называемая гипотеза «Земля?снежок». Перемещенные ледниками той эпохи камни были найдены в тропических широтах, например в Намибии на юго?западе Африки. Это состояние замерзшей планеты больше не повторялось, возможно, потому, что к тому времени уже появилось правильное (или неправильное, в зависимости от вашей точки зрения) сочетание обратных связей, позволявшее избежать глобального замерзания.

Согласно еще одной гипотезе, раньше вся земная суша составляла один суперконтинент, который геологи называют Родиния. В отличие от другого известного суперконтинента, Пангеи, Родиния занимала место на экваторе и в тропиках. Когда Родиния распалась, в зонах рифта образовалось много лавы и свежих минералов (как, например, происходит в Восточно?Африканской рифтовой зоне в наши дни), а образовавшиеся маленькие континенты остались в зоне влажных тропиков. Влажные тропические побережья получают больше солнечного тепла, чем любая другая зона планеты, на них испаряется больше всего воды и выпадает больше всего осадков. Это привело бы к активной эрозии и выветриванию образовавшихся рифтовых континентов, а значит, к потере атмосферой углекислого газа и, по идее, к похолоданию и уменьшению количества осадков. Но температура в тропиках меняется незначительно. При умеренном похолодании на тропических континентах по?прежнему выпадало бы много осадков. По мере похолодания ледники росли бы, а похолодание усиливалось из?за того, что их лед отражал больше солнечного света. Если континенты расположены в более высоких широтах, как теперь, ледяной покров защищает континенты от эрозии и выветривания, ограничивая потери атмосферного углекислого газа и охлаждение. Если же континенты находятся в тропиках, ледяной покров в основном состоит из морского льда и не защищает их от эрозии и выветривания. Распространение льда и выветривание горных пород продолжалось бы до тех пор, пока огромные ледяные шапки Северного и Южного полушарий не стали отражать так много света, что уже ничто не сдерживало их рост, и тогда они практически соединились бы на экваторе, заковав планету в лед на десятки миллионов лет.

Жизнь сохранилась только в маленьких бассейнах воды на дне океана, а Земля в конце концов оправилась от последствий этого катаклизма благодаря тектонике плит. Глобальный ледяной покров и низкие температуры прекратили эрозию и выветривание горных пород и остановили дальнейшее удаление углекислого газа, однако благодаря вулканизму, продолжавшемуся в зонах субдукции (например, в островодужных системах) и срединно?океанических хребтах, в атмосферу выделялся углекислый газ и восстанавливался былой уровень парниковых газов. Накопление вулканического пепла, вероятно, также способствовало загрязнению ледяного покрова, что уменьшило его способность отражать солнечный свет. В конце концов поверхность снова прогрелась и планета вышла из замороженного состояния. Последнее тотальное оледенение Земли закончилось примерно 600 млн лет назад, как раз перед возникновением многоклеточных организмов, и, возможно, вызвало расцвет сложных форм жизни – так называемый кембрийский взрыв.

Были в истории Земли и теплые периоды с высокими температурами на всей планете, полным исчезновением ледяного покрова и тропическим климатом даже за полярным кругом, где находят окаменелые останки пальм и доисторических крокодилов. Так было 50–60 млн лет назад, в эпоху, называющуюся эоценом, не так много времени (по геологическим меркам) спустя после падения астероида на полуостров Юкатан и исчезновения динозавров. Эта была эпоха высокого уровня углекислого газа в атмосфере, который, возможно, высвободился во время континентального распада и рифтогенеза, когда лава расплавила богатые карбонатом океанские отложения в районе Баффинова залива в Северной Атлантике. Эоцен также известен резкими потеплениями – термическими максимумами. Экстремальные температурные рекорды были зафиксированы во время палеоцен?эоценового термического максимума. (Конечно, никто не измерял тогда температуру и уровень углекислого газа. Их можно оценить косвенно, поскольку температура влияет на океан и организмы потребляют различное количество изотопов кислорода и углерода, и эти уровни изотопов фиксируются в породах и окаменелостях.)

Возможно, короткий тепловой максимум палеоцена?эоцена был вызван выделением метана со дна океана. Даже сегодня микробная жизнь на дне океанов производит много метана, «замороженного» в частичках льда, называемых клатратами. Если бы потепление, вызванное выделением углекислого газа при вулканической деятельности, т. е. при тепловой обработке отложений, нагрело океаны так, чтобы расплавить клатраты, они выпустили бы метан. Этот мощный парниковый газ привел бы к потеплению, в том числе и океанов, что вызвало бы дальнейшее плавление клатрата и привело к интенсивной положительной обратной парниковой связи. Однако из?за высокого содержания атмосферного кислорода метан распадается, менее чем через 10 лет он превратился бы в более слабые парниковые газы – водяной пар и углекислый газ. Возможно, это объясняет, почему тепловой максимум был таким интенсивным и таким коротким.

В течение последних 50 млн лет Земля постепенно охлаждается. Во время эоцена Австралия и Антарктида были единым континентом, берега которого на севере достигали теплых широт. Океанские течения, огибая это побережье, несли теплую воду в полярные районы Антарктиды, которая была теплой и свободной ото льда. Затем Австралия отделилась от Антарктиды и двинулась на север в сторону Азии. Антарктические прибрежные течения ограничились прохладными полярными водами, этот феномен наблюдается по сей день и называется Антарктическим циркумполярным течением или течением Западных Ветров. Приток теплой воды к Антарктиде прекратился, это повлекло охлаждение Белого континента. Начавшееся там образование льдов способствовало еще большему охлаждению, а значит, большему накоплению льда и т. д.

Миграция отделившегося Австралийского субконтинента к северу была частью того же тектонического движения плит, которое привело к столкновению Индии с Азией и образованию Гималаев. Возможно, появление этого гигантского горного хребта привело, согласно гипотезе Раймо – Раддимана (в честь американских палеоклиматологов Морина Раймо и Уильяма Раддимана), к обширной эрозии, выветриванию и удалению углекислого газа. Как правило, горные цепи способствуют выпадению осадков, потому что влажный воздух выталкивается вверх по склону гор к более прохладным высотам. Кроме того, от прогревшихся летом континентов восходят конвективные воздушные потоки, сталкиваясь с влажным воздухом над океанами, они выпадают на континенты дождями и снегом (что называется муссонной циркуляцией). Увеличение количества осадков над недавно образовавшимися Гималаями ускорило процессы эрозии и выветривания и активизировало удаление углекислого газа, усилив общую тенденцию к охлаждению климата.

Тем не менее в течение этих 50 млн лет охлаждения Антарктика успела утратить свой ледовый покров (около 30 млн лет назад) и восстановить его через 15 млн лет – в эпоху, которая называется миоценом. Со времен миоцена Земля обзаводится полярными шапками, а наша климатическая история за последние несколько миллионов лет легче поддается детализации благодаря данным, которые можно измерить: ледяным кернам, годичным кольцам деревьев, пещерным отложениям и т. п. В последние несколько миллионов лет на Земле периодически повторялись короткие ледниковые периоды или оледенения продолжительностью от десятков тысяч до сотен тысяч лет, что хорошо согласуется с описанными выше циклами Миланковича.

Последнее крупное оледенение – плейстоцен – началось приблизительно 2,6 млн лет назад и закончилось на заре цивилизации около 12 000 лет назад (этот период включал короткие периоды потеплений). Но даже во время появления людей около 7 млн лет назад (к чему мы вернемся позже) на Земле доминировала стойкая тенденция к охлаждению, по существу, длился ледниковый период, и на протяжении всего существования человечества у планеты имелись ледяные шапки. Мы – творения ледникового периода, не приспособленные жить в условиях эоцена и подобных теплых эпох. Потому потеря льдов Антарктиды и Гренландии стала бы для нас катастрофой, и дело не только в резком повышении уровня океана: мы оказались бы на такой Земле, которую наш вид никогда не знал и вообще не должен был населять.

Причины стабильного климата и жизнепригодности, как и механизмы изменения климата, – важные и сложные темы для человечества. Мы столкнулись с кризисным изменением климата, вызванным деятельностью людей. Парниковое потепление, вызванное антропогенными выбросами углекислого газа из?за сжигания ископаемого топлива, уже заметно. Оно было аргументированно предсказано более 100 лет назад шведским лауреатом Нобелевской премии Сванте Аррениусом. То, что концентрация углекислого газа в атмосфере Земли растет неестественными темпами, было доказано американским геохимиком Чарльзом Килингом на материале, собранном за 60 лет измерений у вершины гавайского вулкана Мауна?Лоа. Специалисты по?прежнему обсуждают детали потепления климата в ответ на выброс углекислого газа в атмосферу нашей планеты, но то, что на Земле точно станет значительно теплее, сомнений не вызывает.

Что стало причиной драматических изменений – выбросы углекислого газа или же климат изменился бы в любом случае, независимо от деятельности человека? Климат Земли менялся сам по себе, но, как правило, при изменении концентрации углекислого газа. Климат резко реагировал, когда большие и стабильные объемы углерода внезапно сжигались или высвобождались в результате вулканической деятельности. Нет никакой разумной причины полагать, что климат Земли отреагировал бы по?другому, если бы мы выпустили большое количество углекислого газа из другого огромного источника. Размышлять, имеет ли значение наша деятельность при таком количестве естественных причин изменений климата, – все равно что спрашивать, повлияет ли игра в русскую рулетку во время артобстрела на ваши шансы выжить. Если цель – не умереть, ответ один: не играйте в русскую рулетку.

Вопрос антропогенного влияния на климат – это вопрос не о спасении планеты, а о нашем спасении, о сохранении узкой обитаемой зоны, которая подходит для нас (и некоторых других созданий), появившихся на Земле в ледниковом периоде. Как бы усердно ни ухудшали мы свое положение, с самой планетой все будет в порядке еще несколько миллиардов лет, рано или поздно тектоника плит удалит весь созданный нами углекислый газ, и все вернется на свои места. То, что мы не можем ждать так долго, – это наша проблема, а не проблема Земли.