Что случилось с климатом

Элементы климатической науки

Фенологические ряды и исторические документы

Самым ранним историческим документом, содержащим сведения о климате, считается Палермский камень – плита из черного базальта, хранящаяся в археологическом музее в Палермо. На ней иероглифическим письмом высечен перечень правителей первых пяти египетских династий и их основных деяний. Помимо списка фараонов, плита хранит записи уровня Нила в половодье начиная примерно с 3000 г. до н. э., то есть с середины голоцена (Bell, 1970). В различных древних документах часто содержатся сведения об урожае, количестве собранных налогов и т. д. – все это может помочь реконструировать климатическую картину прошлого.

Иногда исторические источники содержат подробную фенологическую информацию. Этим словом обозначают сезонную цикличность природных явлений, таких как появление первых листьев, цветов и бабочек, миграция перелетных птиц и морских животных. Наблюдения за фенологическими рядами показывают, как меняются условия природной среды на протяжении десятилетий и веков (Parmesan, 2006). Например, в Японии принято устраивать праздники во время цветения сакуры. Частные дневники, хроники и даже стихи донесли до нас точные даты вечеринок в Киото, по ним можно судить, насколько теплой была весна (Aono, Saito, 2010) в течение последних 1200 лет (рис. 1.23). В Европе самыми длинными фенологическими рядами являются даты сбора винограда сорта пино нуар в Бургундии. По ним можно восстановить летние температуры с 1370 г. (Chuine et al., 2004). Так, анализ сроков сбора винограда в Европе показал, что лето 2003 г. было самым жарким за последние 500 лет (Menzel, 2005).

Ценным источником климатической информации являются морские архивы, в частности, вахтенные журналы старинных кораблей. С 1575 г. по указу короля Филиппа II ведение судовых журналов стало обязательным для всех капитанов испанского флота. Один из важнейших торговых путей пролегал между Мексикой и Филиппинами, соединяя тихоокеанские владения испанской короны с Америкой, и через нее – с метрополией. Этот путь проложил Андрес де Урданета, испанский монах и мореплаватель. Он прославился тем, что совершил второе кругосветное путешествие после Магеллана; правда, половину его он проделал в роли пленника на португальском корабле. По пути, проложенному Урданетой, манильские галеоны ежегодно на протяжении 250 лет (с 1565 по 1815 г.) отправлялись в Акапулько с грузом шелка, фарфора, слоновой кости и пряностей (рис. 1.24). Попасть в Мексику им было непросто. Сначала они поднимались к северу от Филиппин, с тем чтобы в тридцатых – сороковых широтах захватить течение Куросио и воспользоваться западными ветрами. Обычно рейс начинался в июле и длился примерно полгода. Из Акапулько грузы по суше доставляли в Веракрус на Атлантическом побережье, а оттуда – в Испанию. Обратный рейс на Филиппины с грузом серебра для расчетов с торговцами и выплаты жалования солдатам, миссионерам и чиновникам, был существенно короче. Корабли выходили из Акапулько в конце марта, после ежегодной ярмарки, и шли с пассатом вдоль двенадцатого градуса. К концу июня галеоны приходили в Манилу.

Рис. 1.23. Сроки цветения сакуры в Киото за последние 1200 лет (Aono, Saito, 2010). По вертикальной шкале – порядковый номер дня в году, когда сакура расцвела полностью. Шкала перевернута для удобства восприятия: теплее – выше, холоднее – ниже. Линия соединяет средние значения. Рост графика в течение XX в. связан не только с общим потеплением климата, но и с эффектом городского острова тепла – повышением температуры в городе относительно окружающего пространства. Источник данных http://atmenv.envi.osakafu-u.ac.jp/aono/kyophenotemp4/

Анализ судовых журналов показывает, что в период 1640–1670 гг. маршрут из Акапулько до Филиппин сильно замедлился (рис. 1.24) и занимал около 120 суток против 80 в более ранний период (Garcia et al., 2001). Причем замедлялась именно конечная часть маршрута, что говорит об изменении режима циркуляции атмосферы над западной частью Тихого океана в середине XVII в.

Рис. 1.24. Маршрут манильских галеонов (Mehl, 2016) и время в пути от Акапулько до Эмбокадеро (Филиппины) (Garcia et al., 2001)

Палеоклиматические архивы

Нашей Земле около 4,55 млрд лет. Чтобы лучше представить масштаб этой величины, мысленно заменим ее одним земным годом. Тогда создание Палермского камня соответствует 23 ч 59 мин 25 с 31 декабря – вся наша цивилизация умещается примерно в полминуты. Как видим, исторические документы не сильно раздвинули границы наших знаний о климате прошлого. Ситуация может показаться безнадежной. Но к счастью, естественными архивами климатических данных могут служить ледники, донные отложения океанов и озер, годичные кольца деревьев, сталагмиты, кораллы, железомарганцевые конкреции и даже окаменевшее гуано летучих мышей (Wurster et al., 2010). Все эти объекты растут постепенно, слой за слоем, и материал для роста поступает из окружающей среды. Состав и физические свойства каждого слоя реагируют на изменения условий.

Ледники представляют собой снег, накопившийся за многие тысячи лет и с течением времени уплотнившийся и превратившийся в лед. Мощность гренландских льдов местами превышает 3 км, а антарктических – 4 км. В средних и низких широтах ледники встречаются в горах – например в Гималаях, в Андах, в Альпах, на Кавказе. Лед – сложная система, и состав ее не исчерпывается химической формулой H₂O. В природе существуют два стабильных изотопа водорода (¹H и ²H) и три изотопа кислорода (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O) – а значит, мы имеем девять различных по изотопному составу форм воды. Соотношение изотопов и водорода, и кислорода в атмосферных осадках зависит от температуры, при которой эти осадки образовались (об этом подробнее см. главу 2). А значит, из ледника можно извлечь информацию о палеотемпературе. Лед захватывает частички вулканического пепла, пыльцу, пузырьки воздуха, пыль, принесенную из пустынь, и морские аэрозоли. Исследуя пузырьки воздуха, можно узнать, как менялось содержание углекислого газа и метана в атмосфере, по изотопному составу азота и аргона можно реконструировать температуру воздуха в прошлом. Сульфаты и пепел свидетельствуют о вулканической активности; по хлоридам, происходящим из морских аэрозолей, можно судить о площади морских льдов и интенсивности штормов, по количеству пыли – о силе ветров, а по составу ее – о месте происхождения. Пыльца несет информацию об изменении растительного покрова на прилегающих территориях, органические соединения серы – о продуктивности океана, нитраты – об интенсивности гроз. И это далеко не полный список.

Другой важнейший естественный архив – донные отложения озер, морей и океанов. Если становится теплее или холоднее, меняются состав атмосферы и морской воды, циркуляция атмосферы и океана, солнечная активность и магнитное поле Земли – значит, неизбежно меняются также химический и изотопный состав и физические свойства осадочного материала.

Рис. 1.25. Различные источники информации о прошлом климатической системы

Морские донные отложения, как правило, не позволяют получить климатический сигнал с хорошим временны́м разрешением, так как осадок накапливается относительно медленно, верхний слой его перемешивается донными организмами, поэтому сигнал усредняется примерно за тысячу лет и более. То есть быстрые изменения (в масштабе лет, десятилетий и веков) обычно не выявляются, кроме тех случаев, когда бескислородные условия препятствуют жизнедеятельности донных организмов.

Детальные записи температуры поверхностной воды в тропиках можно получить, исследуя кораллы. По соотношению изотопов кислорода и по соотношению кальция и стронция получают информацию о температуре воды с годичным разрешением. Это особенно ценно, поскольку дополняет картину, полученную в Арктике и Антарктике с помощью ледовых кернов.

Ледники Антарктиды позволяют восстановить историю климата примерно за 800 тыс. лет, Гренландии – примерно за 130 тыс. лет, донные отложения океанов – до 180 млн лет (рис. 1.25). Осадочные породы на суше позволяют заглянуть в еще более отдаленное прошлое Земли.

Важнейший естественный архив для палеоклиматологов – годичные кольца деревьев. Весной и в начале лета образуется более светлый и менее плотный слой, в конце вегетационного сезона – плотный и темный. Более широкие кольца соответствуют тем годам, когда климат благоприятен для роста дерева. Таким образом, последовательность годичных колец несет в себе информацию об изменениях температуры и влажности. Чтобы получить климатический сигнал, нужно выбрать тот регион, где рост деревьев сильнее всего зависит от климата. Скорость роста в холодных регионах определяется длительностью вегетационного сезона, то есть связана с температурой. В засушливом климате ширина колец зависит в большей степени от влажности. На рост деревьев могут влиять и другие факторы: например, вредители и болезни могут замедлять рост. Увеличение концентрации CO₂ в атмосфере, напротив, стимулирует фотосинтез. Так что интерпретация дендроклиматологических данных может оказаться не столь однозначной. Достоинство дендроклиматологии – высокое временное разрешение. Мы можем увидеть ежегодные изменения, тогда как большинство других методов усредняет климатическую информацию за более длительное время.

Чтобы получить надежную информацию о палеоклимате, нужно привязать палеоклиматические данные, полученные из естественных архивов, к абсолютной временной шкале. В некоторых случаях, например для годичных колец, возраст можно определить с точностью до года путем прямого подсчета. Рисунок колец совпадает для различных деревьев, росших в одно и то же время. Это позволяет продлить в прошлое информацию, полученную на современных деревьях, используя ископаемые образцы дерева. В иных случаях, например для морских донных отложений, применяют методы определения возраста, основанные на радиоактивности, намагниченности и другие.

Информацию о палеоклимате также несет биологический материал прошлого – помимо уже упоминавшихся годичных колец и кораллов это пыльца, ископаемые насекомые, растения, морские микроорганизмы. Например, жесткокрылые могут осваивать или покидать территории, быстро реагируя на климатические изменения. Датируя ископаемые деревья, можно определить положение границы леса в Арктике или в горах (Bradley, 2015). На Земле Франца-Иосифа находят оленьи рога – при том что олени там давно не водятся. Большая часть рогов имеет возраст 4500–2500 лет, то есть этот период отличался благоприятным климатом на архипелаге (Романенко, 2019).

Подводим итоги

Земля получает энергию от Солнца в виде коротковолнового излучения. В то же время и сама она испускает энергию в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Температура земной поверхности определяется балансом приходящего и уходящего излучения. Важнейшую роль в формировании радиационного баланса играют снег и лед – они отражают солнечный свет. Водяной пар и углекислый газ задерживают длинноволновое излучение, что повышает температуру Земли. Если возникает дисбаланс между приходом и расходом энергии, то в климатической системе активизируются многочисленные обратные связи, которые могут как гасить этот дисбаланс, так и усиливать его.

Солнце греет Землю неравномерно – это приводит в движение атмосферу; ветра, в свою очередь, заставляют перемещаться воды океана. Циркуляция океана и атмосферы переносит тепло из тропических широт в полярные области, тем самым играя роль отопительной системы.

В формировании климата Земли участвуют атмосфера, океан, поверхность суши, льды и биосфера. Океан выступает буфером, запасающим тепло, поскольку имеет огромную теплоемкость в сравнении с атмосферой и сушей. Также он хранит в себе запасы углекислого газа, тем самым влияя на газовый состав атмосферы и ее радиационный баланс. Растительный и животный мир – важнейшие части климатической системы. Растительный покров удерживает влагу, влияет на отражающую способность земной поверхности. Растения и микроорганизмы формируют газовый состав атмосферы.

Наша планета все время меняется, меняется и ее климат. Прямые наблюдения позволяют нам судить об изменении температуры примерно за полтора века. По сравнению с доиндустриальным периодом потеплело приблизительно на 1 °С. Анализируя исторические документы, мы получаем возможность реконструировать климат прошлого в отдельных регионах в пределах нескольких веков. Информацию о более давнем прошлом можно получить только из косвенных данных – донных отложений озер, морей и океанов, осадочных пород, ледников, годичных колец деревьев и др.

На климат планеты влияют: внешние факторы космической природы (эволюция Солнца, изменение его активности, изменение параметров орбиты Земли, столкновения с небесными телами, изменение потока галактических космических лучей); внутренние факторы (движение континентов, горообразование, выветривание, извержения вулканов); эволюция живой природы; хозяйственная деятельность человека. У каждого из этих факторов есть характерное время, в котором проявляется его воздействие на климат. Например, последствия извержений вулканов длятся обычно несколько лет, а для заметного изменения светимости Солнца нужны сотни миллионов лет. Некоторые из этих факторов меняются циклически (орбитальные параметры, солнечная активность), другие не имеют выраженной периодичности.

Основные понятия

Обратные связи – внутренние процессы в климатической системе, которые могут усиливать или ослаблять первоначальное воздействие на нее. Например, потепление вызывает таяние льда, в результате альбедо уменьшается, то есть Земля поглощает еще больше энергии и становится еще теплее. Лед тает еще сильнее и т. д. Это так называемая положительная обратная связь лед – альбедо.

Парниковый эффект – нагрев земной поверхности и тропосферы за счет поглощения и переизлучения инфракрасного излучения некоторыми компонентами атмосферы, такими как водяной пар, углекислый газ, метан и др.

Солнечная постоянная – количество энергии Солнца, проходящей за единицу времени через единичную площадь на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца. Ее среднее значение 1361 Вт/м².

Термохалинная циркуляция – движение вод, вызванное неоднородным распределением плотности воды в океане. Основной причиной термохалинной циркуляции является большая соленость вод Атлантики в сравнении с Тихим океаном. Это различие возникает из-за преобладающих ветров и расположения горных хребтов Америки. Термохалинная циркуляция в сочетании с апвеллингом и поверхностными течениями образует Большой океанический конвейер – единую циркуляционную ячейку, приводящую к вентилированию всей толщи океана примерно за 1 тыс. лет.

Экмановский перенос – перенос воды в направлении, перпендикулярном направлению ветра, дующего над поверхностью, вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. Происходит потому, что вода движется медленнее ветра, а значит, сильнее отклоняется силой Кориолиса, причем это отклонение усиливается с глубиной (спираль Экмана).

Эффект бабочки – особенность хаотических систем, связанная с тем, что небольшие внешние воздействия могут приводить к значительным и непредсказуемым последствиям. Название восходит к рассказу Рэя Брэдбери «И грянул гром».

Глава 2
Климат в масштабе сотен тысяч лет

Понял теперь я: наша свобода

Только оттуда бьющий свет,

Люди и тени стоят у входа

В зоологический сад планет.

Николай Гумилев. Заблудившийся трамвай

Человек разумный как биологический вид возник по крайней мере 300 тыс. лет назад, в среднем плейстоцене. Основной чертой климата во время нашего существования на планете является чередование долгих оледенений и относительно коротких межледниковий. Причина этих изменений – периодические колебания параметров вращения Земли.

2.1. Всемирный потоп или ледниковый период?

Мы живем в ледниковый период. Холодать на Земле стало давно – около 50 млн лет назад^[20]. Сначала лед сковал Антарктиду – это случилось 34 млн лет назад. В Северном полушарии ледники появились гораздо позже – в плиоцене, то есть 10–6 млн лет назад, и достигли наибольших размеров в плейстоцене, примерно 2,75–2,54 млн лет назад (Maslin, Ridgwell, 2005). С тех пор льды много раз отступали, но затем неизменно возвращались на прежние позиции. Нам посчастливилось родиться во время межледниковья – недолгого промежутка между двумя ледниковыми эпохами. Вся история нашей цивилизации с запасом укладывается в этот недолгий – всего лишь 11,7 тыс. лет – теплый период, называемый голоценом.

О том, что мир холодает, было известно давно. На Шпицбергене в пластах каменного угля встречаются отпечатки тропических растений^[21]. В Сибири в многолетней мерзлоте находят бивни и целые туши мамонтов. Поскольку современные сородичи мамонтов обитают в Африке и в Южной Азии, ученые XVIII–XIX вв. считали, что климат Сибири раньше тоже был теплым.

Идея о том, что совсем недавно значительная часть Европы и Северной Америки была покрыта многокилометровой толщей льда и напоминала современную Гренландию или Антарктиду, ученым начала XIX столетия показалась бы дикой, несмотря на то что доказательства ее буквально валялись вокруг. Практически повсеместно – и в предгорьях Альп, и в Скандинавии, и в Шотландии, и в России можно встретить так называемые блуждающие, или эрратические, валуны, которые по своей природе отличаются от подстилающих горных пород. Жителям гор Юра в Швейцарии было очевидно, что это результат движения ледников, прежде занимавших значительно большую площадь, чем теперь. Одним из первых эту идею сформулировал и донес в 1815 г. до научного сообщества охотник и альпинист Жан-Пьер Перроден. Его идеи поддержали инженер Игнац Венец и натуралист Жан Шарпантье. Но официальная наука считала огромные валуны следами библейского потопа. Чтобы осознать то, что было очевидно жителям гор, ученым понадобилось почти полвека – благодаря стараниям Луи Агассиса, которого, хотя и не вполне заслуженно, называют первооткрывателем ледникового периода и отцом современной гляциологии (рис. 2.1). Научную карьеру он начал с исследования ископаемых рыб под руководством одного из самых заслуженных ученых эпохи – Жоржа Кювье, основателя палеонтологии. Кювье отмечал, что в геологической летописи слои с одними ископаемыми сменяются другими, и объяснял эти резкие смены фауны, населявшей планету, катастрофическими потопами. Сейчас эту концепцию называют катастрофизмом. Идеи Агассиса во многом перекликались с взглядами Кювье – только теперь вымирание животных и растений (в частности мамонтов) он увязал с резким наступлением ледников. Лучшим тому подтверждением служили туши мамонтов, вмерзшие в лед. Но здесь Агассис ошибся. Мамонты, пещерные медведи, саблезубые тигры и другие представители мегафауны не были жертвами оледенения – напротив, они были порождениями ледникового периода.

Пройдет еще столетие – и на новом витке развития науки снова начнутся дебаты сторонников и противников катастрофизма, которые продолжаются и сейчас. Предметом научных баталий станет массовое вымирание динозавров на рубеже мела и палеогена. Не успел этот научный спор завершиться – как разгорелся новый. И мы можем наблюдать очередную схватку, в этот раз между сторонниками и противниками астероидной теории позднего дриаса (см. главу 3).

Возможно, интерес Агассиса к ледникам был связан с его швейцарским происхождением, также на его идеи повлияло знакомство с Шарпантье. Свои взгляды Агассис изложил в докладе, сделанном 24 июля 1837 г. на конференции Швейцарского общества естествоиспытателей в Невшателе. Он утверждал, что ледники прежде занимали существенно большую площадь, что свидетельствует о более холодном климате прошлого. Однако доклад не впечатлил слушателей. Большинство ученых не поверили Агассису, их не убедила даже экскурсия в горы, организованная докладчиком. Авторитетнейший современник Агассиса – Александр Гумбольдт – из самых добрых побуждений посоветовал ему вернуться к изучению ископаемых рыб.

Научное сообщество неохотно расставалось с представлениями о Всемирном потопе. Это неудивительно, ведь за ними стояла многовековая религиозная традиция – основа мировоззрения большинства ученых начала XIX в. Агассис и сам был убежденным креационистом и, как и его учитель Кювье, ярым противником эволюционной теории, которую представляли его современники Чарлз Дарвин и Чарлз Лайель. Они были последовательными критиками катастрофизма и не признавали теорию Агассиса. Существование эрратических валунов они объясняли переносом их с айсбергами. Дарвин во время путешествия на «Бигле» в южных морях наблюдал айсберги, включавшие в себя камни. Ледниковая теория окончательно победила лишь к середине 1860-х годов. Сам же Агассис утратил к ней интерес и вернулся к изучению ископаемых рыб.

Рис. 2.1. Жан Луи Агассис (1807–1873). Фото 1870 г. Источник: Wikipedia. Ученик Гумбольдта и Кювье, Агассис начинал свою карьеру как ихтиолог. Однако он вошел в историю как отец одной из революционных концепций в геологии. Его теория ледниковых эпох была принята далеко не сразу. Именем его названо существовавшее около 13–8 тыс. лет назад гигантское озеро в Северной Америке, которое образовалось на границе Лаврентийского ледникового щита, покрывавшего территорию современной Канады и север США

С появлением ледниковой теории стало ясно, что климат прошлого нельзя свести лишь к постепенному охлаждению первоначально разогретой планеты. Получалось, что некоторые геологические эпохи были существенно холоднее нынешней. Эти факты требовали объяснений.

И эти объяснения вскоре появились в немалом количестве. Все они были разумны и правдоподобны^[22]. Так, оледенения могли быть вызваны изменениями светимости Солнца, колебаниями содержания углекислого газа в атмосфере, катастрофическими извержениями вулканов, вертикальными движениями земной коры. Беда в том, что ни одна из этих теорий не могла быть подтверждена или опровергнута в рамках научных представлений XIX столетия. Не удивительно, что наиболее популярны были астрономические теории – небесная механика в своем развитии сильно опережала науки о Земле. Идею о том, что оледенения могут быть связаны с движением Земли по орбите, первым в 1842 г. высказал французский математик Жозеф Адемар.