Страница:
И хотя легче с упреждением за несколько дней предсказать извержение вулкана, чем предсказать землетрясение, было бы труднее и опаснее пытаться высвободить вулканическое давление, чем высвободить давление землетрясения. Все же не будет фантазией – представить, что недействующие вулканы могут быть пробурены таким образом, чтобы горячая лава могла подниматься по открытому центральному проходу, не создавая давления на взрывную точку, или у таких вулканов могут быть прорезаны новые каналы ближе к уровню земли в направлениях, которые не могут вызвать для людей особенно бедственных последствий.
Подводя итог, по-видимому, разумно предположить, что Земля будет оставаться достаточно стабильной во время пребывания Солнца в главной последовательности и что жизнь не будет находиться под угрозой из-за какого-нибудь содрогания Земли или какого-нибудь неблагоприятного движения ее коры. А что касается локальных бедствий – извержения вулканов и землетрясения, то, наверное, существует возможность снизить степень опасности.
В умеренных зонах у нас легко различаются теплое лето и холодная зима, с волнами тепла в первом случае и снежными заносами во втором. Между ними промежуточные времена года – весна и осень. Различия во временах года менее заметны, если мы передвинемся к экватору, по крайней мере в отношении температур. Но даже в тропических регионах, где разница температур в течение года невелика и стоит вечное лето, вероятно наличие сезонов дождей и засухи.
Различие времен года более заметно, когда мы движемся к полюсам. Зимы становятся длиннее и холоднее, солнце – ниже, а лето – короче и прохладнее. Наконец, на самих полюсах существуют легендарные дни и ночи по полгода, когда солнце скользит прямо по горизонту или, соответственно, на шесть месяцев скрывается за ним.
Естественно, времена года, как известно, не плавно изменяются по температурам. Существуют экстремальные значения, которые иногда достигают бедственных величин. Существуют также периоды, когда в течение продолжительного времени дождей меньше, чем обычно, и в результате наступает засуха, при которой гибнет урожай. А поскольку население в сельскохозяйственных районах имеет тенденцию к росту до лимита, который может поддерживаться в годы хорошего урожая, за засухой случается голод.
В доиндустриальное время, когда перевозка на большие расстояния была затруднительна, голод в одной провинции мог развиваться до крайности, несмотря на то, что соседние провинции имели излишки продуктов. Даже в современных условиях время от времени голодали миллионы. В 1877 и 1878 годах в Китае умерли от голода 9,5 миллионов человек, после Первой мировой войны в Советском Союзе умерло от голода 5 миллионнов. Голод должен теперь стать меньшей проблемой, потому что возможно, например, в случае необходимости перевезти на кораблях американскую пшеницу в Индию. Тем не менее проблема все-таки есть. Между 1968 и 1973 годами в Сахеле, той части Африки, которая лежит к югу от пустыни Сахара, стояла засуха, и четверть миллиона людей умерло голодной смертью, а еще миллионы были доведены до крайней степени истощения.
И, напротив, бывают периоды, когда дождей выпадает больше нормы, и в самом худшем случае быстрое нарушение водного режима вызывает наводнение. Они особенно губительны на равнинных, прилегающих к рекам землях. Так, в Китае река Хуанхэ, или Желтая река (также называемая «горе Китая»), не раз выходила из берегов и губила сотни тысяч людей. Наводнение на Хуанхэ в 1931 году утопило около 3,7 миллиона человек.
Иногда разлив реки наносит не столь большой ущерб, как неистовый ветер, сопровождающий ливни. В ураганах, циклонах, тайфунах и так далее (в разных районах по-разному называют широкого захвата быстро вращающиеся ветры) сочетание ветра и воды может быть смертельным.
Особенно серьезный ущерб наносится густонаселенной низменной дельте реки Ганг в Бангладеш, где 13 ноября 1970 года до миллиона человек погибло под бешеными ударами циклона, который загнал море вглубь континента. Четыре других подобных циклона в предыдущем десятилетии унесли в Бангладеш жизни по крайней мере десяти тысяч человек каждый.
Зимой, там, где ветер при более низкой температуре сочетается со снегом и образуется метель, смертей меньше, наверное, только потому, что такие явления больше присущи полярным и приполярным районам, где населения мало. Тем не менее 11—14 марта 1888 года трехдневная снежная буря в северо-восточных штатах США унесла жизни 4000 человек, а буря с градом 30 апреля этого же года убила 246 человек в Морадабаде, в Индии.
Но самая драматичная буря – это торнадо, он представляет собой плотно двигающиеся со скоростью до 480 километров в час спиральные ветры. Они могут буквально все уничтожить на своем пути, единственная их милость – это кратковременность и неширокий охват. В Соединенных Штатах возникает до тысячи таких торнадо в год, большей частью в центральных районах, а общее количество погибших незначительно. В 1925 году от торнадо в Соединенных Штатах погибло 689 человек.
Однако эти и остальные погодные ситуации могут быть квалифицированы только как бедствия, но не катастрофы. Ни одно из них не угрожает жизни в целом, не угрожает даже цивилизации. Жизнь приспособлена к временам года. Существуют организмы, адаптировавшиеся к тропикам, пустыне, тундре, к тропическим лесам, и жизнь может продолжать существование, хотя может и изрядно пострадать в этих экстремальных ситуациях.
А не могут ли времена года, изменив свою природу, стереть с лица Земли большую часть жизни или даже всю ее? Скажем, посредством затянувшейся зимы или затянувшегося засушливого времени года? Не может ли Земля превратиться в планетарную Сахару или в планетарную Гренландию? Исходя из нашего опыта в исторические времена, есть искушение сказать «нет».
Происходили слабые колебания маятника. Например, во время минимума Мондера в семнадцатом веке средняя температура была ниже нормы, но недостаточно низкая для того, чтобы подвергнуть жизнь опасности. Могут быть подряд засушливые лета или мягкие зимы, штормовые весны или дождливые осени, но ход событий возвращается в свое русло, и ни одно из них не становится по-настоящему непереносимым. Пожалуй самую серьезную попытку изменения климата последние века Земля испытала в 1816 году после сильнейщего извержения вулкана Тамборо. В стратосферу было выброшено столько пыли, что значительное количество солнечной радиации было отражено ею обратно в космос и не достигло земной поверхности. Эффект был таков что казалось будто Солнце стало более тусклым и холодным. В результате 1816 год стал известен как «год без лета» В Новой Англии шел снег по крайней мере один раз каждый месяц, включая июль и август, в течение всего года.
Ясно что если бы это продолжалось из года в год без перерыва, результат был бы в конечном счете катастрофичным. Но пыль осела, и климат вошел в свой обычный ритм.
Однако обратимся к доисторическим временам. Был ли когда-нибудь период, когда климат был несомненно более экстремальным, чем в наши дни? Был ли он достаточно экстремальным, чтобы приблизиться к катастрофическому? Естественно, он никогда не мог быть достаточно экстремальным, чтобы покончить со всей жизнью, поскольку живое продолжает в изобилии населять Землю, но не мог ли он быть настолько экстремальным, чтобы вызвать такие проблемы, что стань он еще хоть чуть-чуть хуже, и это бы серьезно угрожало жизни?
Первый намек на возможность такой экстремальности появился в концe восемнадцатого века, когда складывалась современная геология. Некоторые аспекты земной поверхности начали казаться озадачивающими и парадоксальными в свете новой геологии. То тут, то там обнаруживались на местности крупные валуны, не похожие на общий скальный фон. В других местах обнаруживались неподходящие отложения песка и гравия. Естественным объяснением того времени было то, что нарушения привнесены Ноевым потопом.
Однако во многих местах обнаженные скалы были изборождены параллельными царапинами, древними выветренными царапинами, которые могли быть следствием скобления камня по камню. Но в этом случае что-то должно было прижимать один камень к другому с большой силой, да еще иметь силу, чтобы двигать один камень по отношению к другому. Одна вода такого сделать не могла, но если не вода, то что же?
В 20-х годах XIX века два швейцарских геолога, Иоганн X. Шарпантье (1786—1855) и И. Венец занялись этим вопросом. Они были хорошо знакомы со Швейцарскими Альпами, они знали, что когда летом тают и несколько отступают ледники, они оставляют после себя отложения песка и гравия. Не перенесен ли этот песок и гравий вниз по склонам горы и не выполнил ли эту работу ледник, потому что он движется, как медленная, очень медленная река? А не могут ли ледники переносить большие камни точно так же, как песок и гравий? И если ледники когда-то были намного больше, чем сейчас, не могли ли они скоблить валунами по другим камням, делая царапины? А если ледники несли песок, гравий, гальку и валуны намного дальше тех пределов, до которых эти ледники сейчас простираются, не могли ли они, отступив, оставить свою ношу в окружении, к которому она не принадлежала?
Шарпантье и Венец заявили, что именно это и произошло. Они предположили, что альпийские ледники в давно прошедшие времена были намного мощнее и протяженнее и что отдельные валуны перенесены в Северную Швейцарию огромными ледниками, которые в прошлом простирались сюда от южных гор, и остались там, когда ледники постепенно уменьшились и отступили.
Поначалу теория Шарпантье-Венеца не была воспринята учеными всерьез, поскольку они сомневались, что ледники могут течь, как реки. Одним из сомневающихся был молодой друг Шарпантье, швейцарский натуралист Жан Л. Р. Агассиз (1807—1873). Агассиз решил исследовать ледники, чтобы установить, действительно ли они текут. В 1839 году он вбил колья по 6 метров в лед и к лету 1841 года увидел, что они продвинулись на существенное расстояние. Более того, те колья, что были в середине ледника, продвинулись значительно дальше, чем те, что были по краям, где лед двигался медленнее из-за трения с горным склоном. То, что было прямой линией кольев, превратилось в неглубокую букву U, открытая часть которой была направлена на вершину горы. Это показывало, что лед не двигался цельным куском. Налицо было своего рода пластичное течение, когда вес верхней части льда толкал его нижнюю часть, медленно выдавливая ее, подобной зубной пасте из тубы.
В конце концов Агассиз объездил всю Европу и Америку в поисках признаков скобления ледником камней. Он нашел обломки горных пород в неожиданных местах, которые отмечали продвижение ледников и их отступление. Он нашел впадины «котловины», которые имели много признаков того, что их могли выкопать ледники. Некоторые из них были заполнены водой, и Великие озера Северной Америки являются примером особенно больших заполненных водой котловин.
Агассиз сделал вывод, что время обширных ледников в Альпах было также временем обширных пластов льда во многих местах. То есть имел место «ледниковый период», когда пласты льда, подобные тем, что сейчас покрывают Гренландию, покрывали большие районы Северной Америки и Евразии.
С тех пор были проведены тщательные геологические исследования, и выяснилось, что погода, такая, какова она сегодня, несомненно далека от погоды, типичной для определенных времен в прошлом. Ледники в течение последнего миллиона лет несколько раз распространялись из полярных регионов на юг и отступали, а потом наступали снова. Между периодами оледенения были «межледниковые периоды», и сейчас мы живем в одном из них, но не установившемся полностью. Огромная ледовая шапка Гренландии сохранилась еще как живое напоминание о недавнем периоде оледенения.
Тем не менее мы вправе поинтересоваться, – не ждет ли нас впереди еще один ледниковый период, или мы живем еще в «хвосте» прошедшего? Даже если ледниковый период не означает конец жизни или хотя бы человечества и не катастрофичен в этом смысле, то мысль, что почти вся Канада и северная часть Соединенных Штатов покрыта ледником в милю толщиной (не говоря о покрытых льдом аналогичных частях Европы и Азии), представляется достаточно неприятной.
Чтобы ответить на вопрос, не могут ли ледники вернуться, сначала было бы полезно узнать, что вызывает такие ледниковые периоды. И перед тем, как попытаться это сделать, следует понять, что не так много и надо для того, чтобы привести в движение ледники, нет необходимости отыскивать большие и невозможные изменения.
Снег каждую зиму падает на большую часть Северной Америки и Евразии, и эти регионы остаются покрытыми замерзшей водой почти так, как если бы возвратился ледниковый период. Снежный покров, однако, составляет от нескольких сантиметров до пары метров, и за лето весь тает. В общем существует баланс, и в среднем летом тает столько снега, сколько выпало зимой. Это обычные изменения.
Но, предположим, что-то случилось, и лета стали в среднем немного холоднее, совсем ненамного, может быть, на два-три градуса. Этого будет недостаточно для того чтобы заметить. И, конечно, не будем считать это непрерывным изменением, то есть будут лета потеплее и лета похолоднее с обычным произвольным их распределением, но лета потеплее будут менее частыми, так что в среднем снег, который выпадает зимой, не совсем весь растает летом. Происходит суммарное увеличение из года в год снежного покрова. Это будет очень медленное увеличение, и оно будет заметно в северном полярном и приполярном регионах, а также в высокогорных местностях. Накапливающийся снег превратится в лед, и ледники, которые существуют в полярных регионах и в южных широтах на больших высотах, расширятся за зиму и меньше сократятся за лето. Они будут расти из года в год.
Изменение питало бы и само себя. Лед отражает свет более эффективно, чем обнаженный камень или почва. Собственно лед отражает порядка 90 процентов света, который падает на него, в то время как почва отражает менее 10 процентов. Это означает, что когда ледовый покров расширяется, больше солнечного света отражается и меньше поглощается. Средняя температура понизится немного больше, лета станут все же немного прохладнее, ледовое покрытие будет расширяться быстрее. И вот, в результате очень незначительного первоначального охлаждающего действия ледники станут расти, превращаться в толстые ледяные пласты, которые медленно, год за годом, станут продвигаться, пока наконец не покроют обширные пространства Земли.
И вот ледниковый период установился, ледники продвинулись далеко на юг; тем не менее достаточно очень маленького изменения в противоположную сторону, своеобразного «спускового крючка», и он может инициировать общее отступление. Если средняя температура лета вырастет на два-три градуса и на продолжительный период, то снега летом растает больше, чем выпало зимой, и лед станет из года в год отступать. С его отступлением Земля будет отражать несколько меньше света, а поглощать – несколько больше. Это сделает лета еще теплее и отступление ледника будет ускорено.
Нам остается установить, что это за «спусковой крючок», который инициирует продвижение ледника, а потом и его отступление. Это сделать легко. Однако существует слишком много возможных «спусковых крючков», и трудность задачи состоит в том, чтобы сделать выбор. Например, причина изменения может быть связана с самим Солнцем. Ранее я упоминал о том, что минимум Мондера приходится на то время, когда погода на Земле была в общем прохладной. Это время и впрямь иногда называют «маленьким ледниковым периодом».
Если существует причинная связь, если минимумы Мондера охлаждают Землю, тогда, примерно каждые сто тысяч лет Солнце проходит по протяженному минимуму Мондера, который длится не несколько десятков лет, а несколько тысячелетий. Земля может быть тогда достаточно холодной, чтобы инициировать и поддерживать ледниковый период. Когда Солнце наконец начнет снова покрываться пятнами и испытывать только короткие минимумы Мондера, Земля слегка согреется, и начнется отступление ледников.
Возможно, так оно и есть, но у нас нет свидетельств. Может быть, дальнейшее изучение солнечных нейтрино, и вопроса почему их так мало, поможет нам достаточно узнать о том, что происходит внутри Солнца, и позволит понять запутанность цикла солнечных пятен. Мы могли бы тогда сочетать вариации солнечных пятен с периодами оледенения и были бы способны предсказать, наступит ли следующий период оледенения и когда.
Но причиной может бы быть вовсе не Солнце, которое будет сиять с прежним постоянством. Причиной может быть природа пространства между Землей и Солнцем.
Я объяснял ранее, что существует лишь невероятно малый шанс столкновения со звездой или любым другим небольшим объектом из межзвездного пространства как самого Солнца, так и Земли. Существуют, однако, блуждающие облака пыли и газа между звездами в нашей Галактике (также и в других галактиках, подобных ей), и Солнце, двигаясь по своей орбите вокруг галактического центра, вполне может пройти через некоторые из этих облаков.
Облака не густые по обычным стандартам. Они не отравят ни нашей атмосферы, ни нас. Сами по себе они даже не были бы особенно заметны обычному наблюдателю, не говоря уже о том, что не были бы, конечно, катастрофическими. Ученый НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства в Соединенных Штатах) Диксон М. Батлер даже предположил в 1978 году, что наша Солнечная система прошла за время своего существования по крайней мере дюжину довольно обширных облаков, и, если уж на то пошло, он мог ошибиться в меньшую сторону.
Почти все подобные облака состоят из водорода и гелия, которые никак не воздействуют на нас. Однако около 1 процента массы таких облаков составляют пыль, зерна льда и камня. Каждое из этих зерен отражает, поглощает и вновь излучает солнечный свет, так что меньше солнечного света пробивает себе путь мимо зерен, меньше его попадает и на поверхность Земли.
Зерна могут не так уж сильно загораживать направленный на Землю солнечный свет. Солнце может для нас выглядеть так же ярко, даже звезды могут не выглядеть по-иному. Тем не менее особенно плотное облако могло бы задержать некоторое количество света, вполне достаточное, чтобы запустить механизм наступления ледникового периода. Смещаясь в сторону, облако способно послужить причиной отступления ледника.
Возможно, в последний миллион лет Солнечная система пересекала регион облаков Галактики, и всякий раз, когда мы проходили через особенно густое облако, которое задерживало достаточное количество света, начинался ледниковый период, и, когда мы оставляли облако позади, ледники отступали. Перед последним ледниковым периодом в миллион лет был период 250 миллионов лет, во время которого не было ледниковых периодов, и, по-видимому, Солнечная система в течение этого периода проходила через чистые регионы Галактики. Перед этим был 1-й ледниковый период, наводящий на мысль о Пангее.
Возможно, каждые 200 или 250 миллионов лет существуют серии ледниковых периодов. Поскольку это не очень отличается от периода полного оборота Солнечной системы вокруг галактического центра, может быть, каждый оборот мы проходим через тот же самый облачный регион. Если мы теперь прошли через этот регион полностью, тогда, возможно, периодов оледенения не будет четверть миллиарда лет. Если же нет, тогда еще один – или целая серия их – должен наступить гораздо раньше этого срока.
Например, группа французских астрономов в 1978 году представила свидетельство о возможности еще одного межзвездного облака, и как раз впереди. Солнечная система приближается к нему со скоростью около 20 километров в секунду и может достичь краев облака примерно через 50 000 лет.
Но Солнце непосредственно или облака межзвездной пыли могут не быть истинным «спусковым крючком». Сама Земля или, скорее, ее атмосфера, может послужить таким механизмом. Солнечной радиации приходится преодолевать атмосферу, и это способно дать свой эффект.
Примем во внимание, что солнечная радиация достигает Земли главным образом в форме видимого света. Пик солнечной радиации приходится на длины волн видимого света, который легко проходит сквозь атмосферу. Другие формы радиации – ультрафиолет и рентгеновские лучи, которые Солнце производит не в таком изобилии, атмосферой задерживаются.
В отсутствие Солнца, ночью, поверхность Земли излучает тепло в открытый космос. Это происходит главным образом в виде длинных инфракрасных волн. Они тоже проходят сквозь атмосферу. При обычных условиях оба эти эффекта балансируются, и Земля теряет столько тепла со своей окутанной ночью поверхности, сколько получает на свою поверхность, залитую дневным светом. Средняя температура поверхности остается одной и той же из года в год.
Азот и кислород, которые фактически составляют всю атмосферу, пропускают как видимый свет, так и инфракрасное излучение. Двуокись углерода, или углекислый газ, и водяной пар пропускают видимый свет, а инфракрасное излучение не пропускают. Это впервые было отмечено ирландским физиком Джоном Тиндалом (1820—1893). Углекислый газ составляет только 0,03 процента земной атмосферы, а содержание водяного пара непостоянное и низкое. Следовательно, они не блокируют полностью инфракрасное излучение.
Тем не менее отчасти они его все-таки блокируют. Если бы в атмосфере Земли совершенно не было углекислого газа и водяного пара, то по ночам инфракрасное излучение исчезало бы интенсивнее, чем сейчас. Ночи были бы холоднее, чем сейчас, и дни, разогреваясь от холодного старта, тоже были бы холоднее. Средняя температура Земли была бы заметно ниже, чем сейчас.
Углекислый газ и водяной пар в нашей атмосфере, хотя они и присутствуют в ней в малых количествах, все же блокируют достаточное количество инфракрасного излучения, чтобы служить ощутимыми хранителями тепла. Их наличие способствует заметно более высокой средней температуре на Земле, чем была бы при их отсутствии. Это называется «парниковым эффектом», потому что стекло парника действует подобным же образом, пропуская видимый свет Солнца и удерживая внутри инфракрасное излучение.
Предположим, что по какой-то причине содержание углекислого газа в атмосфере немного повысилось. Допустим, оно удвоилось до 0,06 процента. Это не повлияет на возможность дышать атмосферным воздухом, и мы ничего не узнаем о самом изменении, но лишь о его последствиях. Атмосфера с таким содержанием углекислого газа будет все же менее прозрачна для инфракрасного излучения. Поскольку инфракрасное излучение будет задерживаться, средняя температура на Земле слегка поднимется. Немного более высокая температура увеличит испарение океанов, поднимет уровень водяного пара в воздухе, и это также будет способствовать усилению парникового эффекта.
Предположим, с другой стороны, что содержание углекислого газа в атмосфере слегка понизилось, с 0,03 процента до 0,015 процента. Теперь инфракрасное излучение исчезает легче и температура на Земле слегка понижается. При более низкой температуре уменьшается содержание водяного пара, добавляя свою долю к ослаблению парникового эффекта. Такие повышения или падения температуры тоже могут быть достаточными для того, чтобы начать или закончить период оледенения.
Но что может вызвать такие изменения концентрации углекислого газа в атмосфере? Животная жизнь производит углекислый газ в большом количестве, но жизнь растительная потребляет его в эквивалентном количестве, и эффект жизни в целом в том и состоит, что она поддерживает баланс (Это не вполне верно в отношении той части жизни, которая включает в себя человеческую деятельность. Я вернусь к этому позже). Существуют, однако, естественные процессы, которые производят или потребляют углекислый газ независимо от жизни, и они могут балансировать равновесие в достаточной степени для того, чтобы запустить этот механизм.
Например, значительная часть углекислого газа, находящегося в атмосфере, может раствориться в океане, но углекислый газ, растворенный в океане, может быть легко снова отдан в атмосферу. Углекислый газ способен также реагировать с окислами коры Земли и образовывать карбонаты, из которых двуокись углерода скорее всего, никуда уже не денется.
Подводя итог, по-видимому, разумно предположить, что Земля будет оставаться достаточно стабильной во время пребывания Солнца в главной последовательности и что жизнь не будет находиться под угрозой из-за какого-нибудь содрогания Земли или какого-нибудь неблагоприятного движения ее коры. А что касается локальных бедствий – извержения вулканов и землетрясения, то, наверное, существует возможность снизить степень опасности.
10. Изменение погоды
Времена года
Даже если мы предположим, что состояние Солнца абсолютно надежно и что Земля абсолютно стабильна, вокруг нас существуют периодические изменения, которые подчас неблагоприятно влияют на наши способности, в том числе на главную способность живого существа – оставаться живым. Из-за того, что Земля нагревается Солнцем неравномерно благодаря ее сферической форме, ее слегка изменяющемуся расстоянию от Солнца при движении по эллиптической орбите и тому факту, что ее ось наклонена, средняя температура во всяком определенном месте на Земле повышается и падает в течение года, что выражается в смене времен года.В умеренных зонах у нас легко различаются теплое лето и холодная зима, с волнами тепла в первом случае и снежными заносами во втором. Между ними промежуточные времена года – весна и осень. Различия во временах года менее заметны, если мы передвинемся к экватору, по крайней мере в отношении температур. Но даже в тропических регионах, где разница температур в течение года невелика и стоит вечное лето, вероятно наличие сезонов дождей и засухи.
Различие времен года более заметно, когда мы движемся к полюсам. Зимы становятся длиннее и холоднее, солнце – ниже, а лето – короче и прохладнее. Наконец, на самих полюсах существуют легендарные дни и ночи по полгода, когда солнце скользит прямо по горизонту или, соответственно, на шесть месяцев скрывается за ним.
Естественно, времена года, как известно, не плавно изменяются по температурам. Существуют экстремальные значения, которые иногда достигают бедственных величин. Существуют также периоды, когда в течение продолжительного времени дождей меньше, чем обычно, и в результате наступает засуха, при которой гибнет урожай. А поскольку население в сельскохозяйственных районах имеет тенденцию к росту до лимита, который может поддерживаться в годы хорошего урожая, за засухой случается голод.
В доиндустриальное время, когда перевозка на большие расстояния была затруднительна, голод в одной провинции мог развиваться до крайности, несмотря на то, что соседние провинции имели излишки продуктов. Даже в современных условиях время от времени голодали миллионы. В 1877 и 1878 годах в Китае умерли от голода 9,5 миллионов человек, после Первой мировой войны в Советском Союзе умерло от голода 5 миллионнов. Голод должен теперь стать меньшей проблемой, потому что возможно, например, в случае необходимости перевезти на кораблях американскую пшеницу в Индию. Тем не менее проблема все-таки есть. Между 1968 и 1973 годами в Сахеле, той части Африки, которая лежит к югу от пустыни Сахара, стояла засуха, и четверть миллиона людей умерло голодной смертью, а еще миллионы были доведены до крайней степени истощения.
И, напротив, бывают периоды, когда дождей выпадает больше нормы, и в самом худшем случае быстрое нарушение водного режима вызывает наводнение. Они особенно губительны на равнинных, прилегающих к рекам землях. Так, в Китае река Хуанхэ, или Желтая река (также называемая «горе Китая»), не раз выходила из берегов и губила сотни тысяч людей. Наводнение на Хуанхэ в 1931 году утопило около 3,7 миллиона человек.
Иногда разлив реки наносит не столь большой ущерб, как неистовый ветер, сопровождающий ливни. В ураганах, циклонах, тайфунах и так далее (в разных районах по-разному называют широкого захвата быстро вращающиеся ветры) сочетание ветра и воды может быть смертельным.
Особенно серьезный ущерб наносится густонаселенной низменной дельте реки Ганг в Бангладеш, где 13 ноября 1970 года до миллиона человек погибло под бешеными ударами циклона, который загнал море вглубь континента. Четыре других подобных циклона в предыдущем десятилетии унесли в Бангладеш жизни по крайней мере десяти тысяч человек каждый.
Зимой, там, где ветер при более низкой температуре сочетается со снегом и образуется метель, смертей меньше, наверное, только потому, что такие явления больше присущи полярным и приполярным районам, где населения мало. Тем не менее 11—14 марта 1888 года трехдневная снежная буря в северо-восточных штатах США унесла жизни 4000 человек, а буря с градом 30 апреля этого же года убила 246 человек в Морадабаде, в Индии.
Но самая драматичная буря – это торнадо, он представляет собой плотно двигающиеся со скоростью до 480 километров в час спиральные ветры. Они могут буквально все уничтожить на своем пути, единственная их милость – это кратковременность и неширокий охват. В Соединенных Штатах возникает до тысячи таких торнадо в год, большей частью в центральных районах, а общее количество погибших незначительно. В 1925 году от торнадо в Соединенных Штатах погибло 689 человек.
Однако эти и остальные погодные ситуации могут быть квалифицированы только как бедствия, но не катастрофы. Ни одно из них не угрожает жизни в целом, не угрожает даже цивилизации. Жизнь приспособлена к временам года. Существуют организмы, адаптировавшиеся к тропикам, пустыне, тундре, к тропическим лесам, и жизнь может продолжать существование, хотя может и изрядно пострадать в этих экстремальных ситуациях.
А не могут ли времена года, изменив свою природу, стереть с лица Земли большую часть жизни или даже всю ее? Скажем, посредством затянувшейся зимы или затянувшегося засушливого времени года? Не может ли Земля превратиться в планетарную Сахару или в планетарную Гренландию? Исходя из нашего опыта в исторические времена, есть искушение сказать «нет».
Происходили слабые колебания маятника. Например, во время минимума Мондера в семнадцатом веке средняя температура была ниже нормы, но недостаточно низкая для того, чтобы подвергнуть жизнь опасности. Могут быть подряд засушливые лета или мягкие зимы, штормовые весны или дождливые осени, но ход событий возвращается в свое русло, и ни одно из них не становится по-настоящему непереносимым. Пожалуй самую серьезную попытку изменения климата последние века Земля испытала в 1816 году после сильнейщего извержения вулкана Тамборо. В стратосферу было выброшено столько пыли, что значительное количество солнечной радиации было отражено ею обратно в космос и не достигло земной поверхности. Эффект был таков что казалось будто Солнце стало более тусклым и холодным. В результате 1816 год стал известен как «год без лета» В Новой Англии шел снег по крайней мере один раз каждый месяц, включая июль и август, в течение всего года.
Ясно что если бы это продолжалось из года в год без перерыва, результат был бы в конечном счете катастрофичным. Но пыль осела, и климат вошел в свой обычный ритм.
Однако обратимся к доисторическим временам. Был ли когда-нибудь период, когда климат был несомненно более экстремальным, чем в наши дни? Был ли он достаточно экстремальным, чтобы приблизиться к катастрофическому? Естественно, он никогда не мог быть достаточно экстремальным, чтобы покончить со всей жизнью, поскольку живое продолжает в изобилии населять Землю, но не мог ли он быть настолько экстремальным, чтобы вызвать такие проблемы, что стань он еще хоть чуть-чуть хуже, и это бы серьезно угрожало жизни?
Первый намек на возможность такой экстремальности появился в концe восемнадцатого века, когда складывалась современная геология. Некоторые аспекты земной поверхности начали казаться озадачивающими и парадоксальными в свете новой геологии. То тут, то там обнаруживались на местности крупные валуны, не похожие на общий скальный фон. В других местах обнаруживались неподходящие отложения песка и гравия. Естественным объяснением того времени было то, что нарушения привнесены Ноевым потопом.
Однако во многих местах обнаженные скалы были изборождены параллельными царапинами, древними выветренными царапинами, которые могли быть следствием скобления камня по камню. Но в этом случае что-то должно было прижимать один камень к другому с большой силой, да еще иметь силу, чтобы двигать один камень по отношению к другому. Одна вода такого сделать не могла, но если не вода, то что же?
В 20-х годах XIX века два швейцарских геолога, Иоганн X. Шарпантье (1786—1855) и И. Венец занялись этим вопросом. Они были хорошо знакомы со Швейцарскими Альпами, они знали, что когда летом тают и несколько отступают ледники, они оставляют после себя отложения песка и гравия. Не перенесен ли этот песок и гравий вниз по склонам горы и не выполнил ли эту работу ледник, потому что он движется, как медленная, очень медленная река? А не могут ли ледники переносить большие камни точно так же, как песок и гравий? И если ледники когда-то были намного больше, чем сейчас, не могли ли они скоблить валунами по другим камням, делая царапины? А если ледники несли песок, гравий, гальку и валуны намного дальше тех пределов, до которых эти ледники сейчас простираются, не могли ли они, отступив, оставить свою ношу в окружении, к которому она не принадлежала?
Шарпантье и Венец заявили, что именно это и произошло. Они предположили, что альпийские ледники в давно прошедшие времена были намного мощнее и протяженнее и что отдельные валуны перенесены в Северную Швейцарию огромными ледниками, которые в прошлом простирались сюда от южных гор, и остались там, когда ледники постепенно уменьшились и отступили.
Поначалу теория Шарпантье-Венеца не была воспринята учеными всерьез, поскольку они сомневались, что ледники могут течь, как реки. Одним из сомневающихся был молодой друг Шарпантье, швейцарский натуралист Жан Л. Р. Агассиз (1807—1873). Агассиз решил исследовать ледники, чтобы установить, действительно ли они текут. В 1839 году он вбил колья по 6 метров в лед и к лету 1841 года увидел, что они продвинулись на существенное расстояние. Более того, те колья, что были в середине ледника, продвинулись значительно дальше, чем те, что были по краям, где лед двигался медленнее из-за трения с горным склоном. То, что было прямой линией кольев, превратилось в неглубокую букву U, открытая часть которой была направлена на вершину горы. Это показывало, что лед не двигался цельным куском. Налицо было своего рода пластичное течение, когда вес верхней части льда толкал его нижнюю часть, медленно выдавливая ее, подобной зубной пасте из тубы.
В конце концов Агассиз объездил всю Европу и Америку в поисках признаков скобления ледником камней. Он нашел обломки горных пород в неожиданных местах, которые отмечали продвижение ледников и их отступление. Он нашел впадины «котловины», которые имели много признаков того, что их могли выкопать ледники. Некоторые из них были заполнены водой, и Великие озера Северной Америки являются примером особенно больших заполненных водой котловин.
Агассиз сделал вывод, что время обширных ледников в Альпах было также временем обширных пластов льда во многих местах. То есть имел место «ледниковый период», когда пласты льда, подобные тем, что сейчас покрывают Гренландию, покрывали большие районы Северной Америки и Евразии.
С тех пор были проведены тщательные геологические исследования, и выяснилось, что погода, такая, какова она сегодня, несомненно далека от погоды, типичной для определенных времен в прошлом. Ледники в течение последнего миллиона лет несколько раз распространялись из полярных регионов на юг и отступали, а потом наступали снова. Между периодами оледенения были «межледниковые периоды», и сейчас мы живем в одном из них, но не установившемся полностью. Огромная ледовая шапка Гренландии сохранилась еще как живое напоминание о недавнем периоде оледенения.
Что двигает ледники?
Ледниковый период последнего миллиона лет, очевидно, не положил конец жизни на планете. Он не положил конец даже человеческой жизни. Homo sapiens и его человекообразные предки прожили весь ледниковый период последнего миллиона лет без какого-либо заметного перерыва в эволюции и развитии.Тем не менее мы вправе поинтересоваться, – не ждет ли нас впереди еще один ледниковый период, или мы живем еще в «хвосте» прошедшего? Даже если ледниковый период не означает конец жизни или хотя бы человечества и не катастрофичен в этом смысле, то мысль, что почти вся Канада и северная часть Соединенных Штатов покрыта ледником в милю толщиной (не говоря о покрытых льдом аналогичных частях Европы и Азии), представляется достаточно неприятной.
Чтобы ответить на вопрос, не могут ли ледники вернуться, сначала было бы полезно узнать, что вызывает такие ледниковые периоды. И перед тем, как попытаться это сделать, следует понять, что не так много и надо для того, чтобы привести в движение ледники, нет необходимости отыскивать большие и невозможные изменения.
Снег каждую зиму падает на большую часть Северной Америки и Евразии, и эти регионы остаются покрытыми замерзшей водой почти так, как если бы возвратился ледниковый период. Снежный покров, однако, составляет от нескольких сантиметров до пары метров, и за лето весь тает. В общем существует баланс, и в среднем летом тает столько снега, сколько выпало зимой. Это обычные изменения.
Но, предположим, что-то случилось, и лета стали в среднем немного холоднее, совсем ненамного, может быть, на два-три градуса. Этого будет недостаточно для того чтобы заметить. И, конечно, не будем считать это непрерывным изменением, то есть будут лета потеплее и лета похолоднее с обычным произвольным их распределением, но лета потеплее будут менее частыми, так что в среднем снег, который выпадает зимой, не совсем весь растает летом. Происходит суммарное увеличение из года в год снежного покрова. Это будет очень медленное увеличение, и оно будет заметно в северном полярном и приполярном регионах, а также в высокогорных местностях. Накапливающийся снег превратится в лед, и ледники, которые существуют в полярных регионах и в южных широтах на больших высотах, расширятся за зиму и меньше сократятся за лето. Они будут расти из года в год.
Изменение питало бы и само себя. Лед отражает свет более эффективно, чем обнаженный камень или почва. Собственно лед отражает порядка 90 процентов света, который падает на него, в то время как почва отражает менее 10 процентов. Это означает, что когда ледовый покров расширяется, больше солнечного света отражается и меньше поглощается. Средняя температура понизится немного больше, лета станут все же немного прохладнее, ледовое покрытие будет расширяться быстрее. И вот, в результате очень незначительного первоначального охлаждающего действия ледники станут расти, превращаться в толстые ледяные пласты, которые медленно, год за годом, станут продвигаться, пока наконец не покроют обширные пространства Земли.
И вот ледниковый период установился, ледники продвинулись далеко на юг; тем не менее достаточно очень маленького изменения в противоположную сторону, своеобразного «спускового крючка», и он может инициировать общее отступление. Если средняя температура лета вырастет на два-три градуса и на продолжительный период, то снега летом растает больше, чем выпало зимой, и лед станет из года в год отступать. С его отступлением Земля будет отражать несколько меньше света, а поглощать – несколько больше. Это сделает лета еще теплее и отступление ледника будет ускорено.
Нам остается установить, что это за «спусковой крючок», который инициирует продвижение ледника, а потом и его отступление. Это сделать легко. Однако существует слишком много возможных «спусковых крючков», и трудность задачи состоит в том, чтобы сделать выбор. Например, причина изменения может быть связана с самим Солнцем. Ранее я упоминал о том, что минимум Мондера приходится на то время, когда погода на Земле была в общем прохладной. Это время и впрямь иногда называют «маленьким ледниковым периодом».
Если существует причинная связь, если минимумы Мондера охлаждают Землю, тогда, примерно каждые сто тысяч лет Солнце проходит по протяженному минимуму Мондера, который длится не несколько десятков лет, а несколько тысячелетий. Земля может быть тогда достаточно холодной, чтобы инициировать и поддерживать ледниковый период. Когда Солнце наконец начнет снова покрываться пятнами и испытывать только короткие минимумы Мондера, Земля слегка согреется, и начнется отступление ледников.
Возможно, так оно и есть, но у нас нет свидетельств. Может быть, дальнейшее изучение солнечных нейтрино, и вопроса почему их так мало, поможет нам достаточно узнать о том, что происходит внутри Солнца, и позволит понять запутанность цикла солнечных пятен. Мы могли бы тогда сочетать вариации солнечных пятен с периодами оледенения и были бы способны предсказать, наступит ли следующий период оледенения и когда.
Но причиной может бы быть вовсе не Солнце, которое будет сиять с прежним постоянством. Причиной может быть природа пространства между Землей и Солнцем.
Я объяснял ранее, что существует лишь невероятно малый шанс столкновения со звездой или любым другим небольшим объектом из межзвездного пространства как самого Солнца, так и Земли. Существуют, однако, блуждающие облака пыли и газа между звездами в нашей Галактике (также и в других галактиках, подобных ей), и Солнце, двигаясь по своей орбите вокруг галактического центра, вполне может пройти через некоторые из этих облаков.
Облака не густые по обычным стандартам. Они не отравят ни нашей атмосферы, ни нас. Сами по себе они даже не были бы особенно заметны обычному наблюдателю, не говоря уже о том, что не были бы, конечно, катастрофическими. Ученый НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства в Соединенных Штатах) Диксон М. Батлер даже предположил в 1978 году, что наша Солнечная система прошла за время своего существования по крайней мере дюжину довольно обширных облаков, и, если уж на то пошло, он мог ошибиться в меньшую сторону.
Почти все подобные облака состоят из водорода и гелия, которые никак не воздействуют на нас. Однако около 1 процента массы таких облаков составляют пыль, зерна льда и камня. Каждое из этих зерен отражает, поглощает и вновь излучает солнечный свет, так что меньше солнечного света пробивает себе путь мимо зерен, меньше его попадает и на поверхность Земли.
Зерна могут не так уж сильно загораживать направленный на Землю солнечный свет. Солнце может для нас выглядеть так же ярко, даже звезды могут не выглядеть по-иному. Тем не менее особенно плотное облако могло бы задержать некоторое количество света, вполне достаточное, чтобы запустить механизм наступления ледникового периода. Смещаясь в сторону, облако способно послужить причиной отступления ледника.
Возможно, в последний миллион лет Солнечная система пересекала регион облаков Галактики, и всякий раз, когда мы проходили через особенно густое облако, которое задерживало достаточное количество света, начинался ледниковый период, и, когда мы оставляли облако позади, ледники отступали. Перед последним ледниковым периодом в миллион лет был период 250 миллионов лет, во время которого не было ледниковых периодов, и, по-видимому, Солнечная система в течение этого периода проходила через чистые регионы Галактики. Перед этим был 1-й ледниковый период, наводящий на мысль о Пангее.
Возможно, каждые 200 или 250 миллионов лет существуют серии ледниковых периодов. Поскольку это не очень отличается от периода полного оборота Солнечной системы вокруг галактического центра, может быть, каждый оборот мы проходим через тот же самый облачный регион. Если мы теперь прошли через этот регион полностью, тогда, возможно, периодов оледенения не будет четверть миллиарда лет. Если же нет, тогда еще один – или целая серия их – должен наступить гораздо раньше этого срока.
Например, группа французских астрономов в 1978 году представила свидетельство о возможности еще одного межзвездного облака, и как раз впереди. Солнечная система приближается к нему со скоростью около 20 километров в секунду и может достичь краев облака примерно через 50 000 лет.
Но Солнце непосредственно или облака межзвездной пыли могут не быть истинным «спусковым крючком». Сама Земля или, скорее, ее атмосфера, может послужить таким механизмом. Солнечной радиации приходится преодолевать атмосферу, и это способно дать свой эффект.
Примем во внимание, что солнечная радиация достигает Земли главным образом в форме видимого света. Пик солнечной радиации приходится на длины волн видимого света, который легко проходит сквозь атмосферу. Другие формы радиации – ультрафиолет и рентгеновские лучи, которые Солнце производит не в таком изобилии, атмосферой задерживаются.
В отсутствие Солнца, ночью, поверхность Земли излучает тепло в открытый космос. Это происходит главным образом в виде длинных инфракрасных волн. Они тоже проходят сквозь атмосферу. При обычных условиях оба эти эффекта балансируются, и Земля теряет столько тепла со своей окутанной ночью поверхности, сколько получает на свою поверхность, залитую дневным светом. Средняя температура поверхности остается одной и той же из года в год.
Азот и кислород, которые фактически составляют всю атмосферу, пропускают как видимый свет, так и инфракрасное излучение. Двуокись углерода, или углекислый газ, и водяной пар пропускают видимый свет, а инфракрасное излучение не пропускают. Это впервые было отмечено ирландским физиком Джоном Тиндалом (1820—1893). Углекислый газ составляет только 0,03 процента земной атмосферы, а содержание водяного пара непостоянное и низкое. Следовательно, они не блокируют полностью инфракрасное излучение.
Тем не менее отчасти они его все-таки блокируют. Если бы в атмосфере Земли совершенно не было углекислого газа и водяного пара, то по ночам инфракрасное излучение исчезало бы интенсивнее, чем сейчас. Ночи были бы холоднее, чем сейчас, и дни, разогреваясь от холодного старта, тоже были бы холоднее. Средняя температура Земли была бы заметно ниже, чем сейчас.
Углекислый газ и водяной пар в нашей атмосфере, хотя они и присутствуют в ней в малых количествах, все же блокируют достаточное количество инфракрасного излучения, чтобы служить ощутимыми хранителями тепла. Их наличие способствует заметно более высокой средней температуре на Земле, чем была бы при их отсутствии. Это называется «парниковым эффектом», потому что стекло парника действует подобным же образом, пропуская видимый свет Солнца и удерживая внутри инфракрасное излучение.
Предположим, что по какой-то причине содержание углекислого газа в атмосфере немного повысилось. Допустим, оно удвоилось до 0,06 процента. Это не повлияет на возможность дышать атмосферным воздухом, и мы ничего не узнаем о самом изменении, но лишь о его последствиях. Атмосфера с таким содержанием углекислого газа будет все же менее прозрачна для инфракрасного излучения. Поскольку инфракрасное излучение будет задерживаться, средняя температура на Земле слегка поднимется. Немного более высокая температура увеличит испарение океанов, поднимет уровень водяного пара в воздухе, и это также будет способствовать усилению парникового эффекта.
Предположим, с другой стороны, что содержание углекислого газа в атмосфере слегка понизилось, с 0,03 процента до 0,015 процента. Теперь инфракрасное излучение исчезает легче и температура на Земле слегка понижается. При более низкой температуре уменьшается содержание водяного пара, добавляя свою долю к ослаблению парникового эффекта. Такие повышения или падения температуры тоже могут быть достаточными для того, чтобы начать или закончить период оледенения.
Но что может вызвать такие изменения концентрации углекислого газа в атмосфере? Животная жизнь производит углекислый газ в большом количестве, но жизнь растительная потребляет его в эквивалентном количестве, и эффект жизни в целом в том и состоит, что она поддерживает баланс (Это не вполне верно в отношении той части жизни, которая включает в себя человеческую деятельность. Я вернусь к этому позже). Существуют, однако, естественные процессы, которые производят или потребляют углекислый газ независимо от жизни, и они могут балансировать равновесие в достаточной степени для того, чтобы запустить этот механизм.
Например, значительная часть углекислого газа, находящегося в атмосфере, может раствориться в океане, но углекислый газ, растворенный в океане, может быть легко снова отдан в атмосферу. Углекислый газ способен также реагировать с окислами коры Земли и образовывать карбонаты, из которых двуокись углерода скорее всего, никуда уже не денется.