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 бóльшая 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.