Если бы мы отправились в путешествие к первозданной Земле на машине времени, мы бы обнаружили, что в какие‐то моменты на экваторе нужна была бы зимняя куртка, а в какие‐то на полюсе пригодился бы купальник. На протяжении миллионов лет наша планета перемещается по Солнечной системе, а на ней тем временем продолжают передвигаться континенты, поднимаются и опускаются океаны, через земную кору прорываются вулканы. Во время этих геологических и астрономических процессов возникают и вымирают различные виды живых существ. Изменения на континентах, в океанах и в живой природе, приводящие к похолоданию, способствуют образованию ледяных щитов. Такие “идеальные морозилки” формировали условия и жизнь на планете и в числе прочего определили наше существование.
Морин Рэймо
Морин Рэймо возглавляет Обсерваторию Земли Ламонт-Доэрти при Колумбийском университете – знаменитый научный центр с долгой историей исследований морского дна, океанских течений и тектонической активности. Поскольку она занимает такой высокий и важный пост, можно было бы предположить, что ее карьера развивалась успешно с самого начала. Однако женщинам приходится нелегко в таких областях, где преимущественно работают мужчины. По словам Рэймо, невозможно перечислить все случаи, когда ученые старшего поколения обращались с ней как с секретаршей. Один из членов диссертационного комитета назвал ее работу “полной ерундой”. А позже, в Массачусетском технологическом институте, декан факультета после семинара обратился к ней с такими словами: “Не стоит думать, что вы умнее, чем вы есть на самом деле”.
Но Рэймо не теряла присутствия духа и продолжала отважно делать свою работу. Как она сказала журналисту в 2020 году, она занимается “складыванием пазлов”. Океаны, континенты и атмосфера – фрагменты пазла, которые рассказывают, что происходило в прошлом и как сложится будущее. И перемещение углерода в этой системе играет ключевую роль при поисках ответов на многие вопросы.
Еще во время учебы Рэймо узнала, что за 50 миллионов лет до образования льда на полюсах температура на планете очень сильно понизилась. И она начала складывать новый пазл, чтобы отыскать причины этого похолодания.
Разглядывая карту континентов древней Земли, Рэймо нащупала возможное объяснение. Самые большие изменения на карте были связаны с перемещением индийского субконтинента. Около 60 миллионов лет назад Индия находилась ниже экватора в виде отдельного острова, со всех сторон окруженного водой. Примерно 50 миллионов лет назад этот остров-континент стал подниматься к северу со скоростью один сантиметр в год. За миллионы лет он продвинулся далеко на север, пока не соприкоснулся с Азией. Он продолжал двигаться и дальше, но поскольку плотность земной коры на границе Индии и Азии одинаковая, двигаться больше было некуда, кроме как вверх. Так начало закладываться Тибетское нагорье. Постепенно в результате этого восходящего движения возникла самая высокая горная гряда и самое протяженное горное плато на Земле. И сегодня Тибетское нагорье продолжает расти со скоростью около одного сантиметра в год. Однако в Гималаях эрозия происходит настолько быстро, что это тормозит рост: горы тянутся вверх, но их вершины осыпаются.
Рэймо знала об этом равновесии между подъемом Тибетского нагорья и эрозией горных вершин. И, как многие исследователи ее поколения, она читала статью Бернера, Ласаги и Гаррелса о долгосрочном цикле углерода. Связав воедино обе идеи, Рэймо выдвинула предположение, что подъем Тибетского нагорья способствовал увеличению массы горных пород, подверженных эрозии под действием кислотных дождей. А поскольку эрозия приводит к сокращению количества углерода в атмосфере, по мере возвышения Тибетского нагорья Земля начала остывать.
Химический анализ океанских камней, появившихся около 60 миллионов лет назад и позже, по‐видимому, подтверждает идею Рэймо. Если судить по кернам пород с больших океанских глубин, атомные формы стронция и лития, образующиеся в результате выветривания гор на суше, с подъемом Гималайского хребта и плато стали появляться чаще. Временной период этой эрозии соответствует времени остывания планеты.
Эти тектонические события предвосхитили наступление ледникового периода. Примерно 47 миллионов лет назад планета начала остывать, но первые важные признаки появления льда в Антарктике относятся к периоду 15 миллионов лет назад. И этот элемент пазла укладывается в общую картину: когда планета стала остывать, Антарктида находилась на полюсе. А когда континент остыл, произошли другие события, приведшие к образованию ледяного покрова многокилометровой толщины.
Вспомните, что 200 миллионов лет назад все континенты были соединены в суперконтинент под названием Пангея. Сначала этот суперконтинент расщепился на две части – северную, содержавшую теперешнюю Европу и Северную Америку, и южную, Гондвану. Позже Гондвана разделилась на части с образованием таких фрагментов суши, как Африка, Южная Америка и Индия. После окончательного разделения Антарктида осталась на Южном полюсе, а остальные участки суши начали продвигаться к северу. При расхождении частей Антарктида оказалась полностью окружена водой. И вода способствовала замерзанию континента.
Вокруг Антарктиды возникло новое течение. Это так называемое циркумполярное течение, движимое непрерывными западными ветрами, обходит Антарктиду по часовой стрелке, если смотреть с Южного полюса. Никакие участки суши не препятствуют движению воды и ветра. И поскольку нет препятствий, замедляющих или каким‐то образом изменяющих процесс, это течение стало самым мощным на Земле. Как знают все моряки Южного полушария, это опасные воды. Однако циркумполярное течение – не только вода, ветер и опасность: оно влияет и на температуру. Возникновение течения в значительной степени изолировало Антарктику от других частей планеты. Теплые воды из северных океанов уже не достигали континента. И в результате он становился все холоднее и холоднее, пока не замерз окончательно.
Однако, судя по результатам анализа камней, в период замерзания Антарктиды на Северном полюсе происходили странные вещи. Северный полюс и Гренландия оставались сравнительно теплыми и свободными от льда.
Охлаждение планеты само по себе не может объяснить, почему позднее замерзли оба полюса Земли. Атмосферный углерод контролирует общее содержание тепла на планете, но перемещение этого тепла зависит от других факторов. Если общее похолодание способствовало похолоданию в Антарктиде, а образование циркумполярного течения стало триггером для ее замерзания, что вызвало замерзание арктического региона?
Вода сохраняет значительное количество тепла, а океанские течения либо изолируют континенты, как в Антарктиде, либо переносят тепло и влагу из одних мест в другие. Одним из важнейших океанских течений на Земле в последние 50 миллионов лет был Гольфстрим, переносящий теплую воду из Карибского бассейна и Мексиканского залива к Северной Европе и Гренландии. На северных широтах теплые пары воды улетучиваются в атмосферу, и вода становится солонее и плотнее. Плотная вода погружается на бóльшую глубину и стекает в Южный, Индийский и Тихий океаны. А после этого течение возвращается к Атлантике, двигаясь к северу и повторяя цикл.
Главная движущая сила этого процесса – разность солености Атлантического и Тихого океанов: чем солонее Атлантический океан по сравнению с Тихим, тем выше скорость Гольфстрима. Более соленая вода имеет бóльшую плотность и быстрее опускается вниз, чем менее соленая. Это и есть механизм, управляющий Гольфстримом.
Три миллиона лет назад Атлантический и Тихий океаны соединялись, а Южная и Северная Америка не были связаны между собой. Вода перемещалась из Тихого океана в Атлантический через свободное пространство между континентами. Течение способствовало перемешиванию океанских вод и поддерживало в них одинаковую соленость. И поэтому Гольфстрим был слабее, чем теперь.
Около 15 миллионов лет назад две тектонические плиты начали сходиться в Центральной Америке. В результате этого процесса возникли вулканы, которые, в свою очередь, способствовали образованию островов между двумя Америками. Три миллиона лет назад из вулканических островов сформировался Панамский перешеек. Северная и Южная Америка соединились между собой, заблокировав морской путь между Атлантическим и Тихим океанами. Океаны оказались разделены.
Появление новой преграды произвело эффект домино, затронувший воду, течения и климат. Из-за отсутствия связи между Атлантическим и Тихим океанами содержание соли в них начало различаться. Под влиянием Гольфстрима Атлантический океан стал более соленым, чем Тихий. А это дополнительно усиливало Гольфстрим. Мощный Гольфстрим переносил еще больше воды в холодную Арктику, что вызывало снегопады. Снег уплотнялся, превращаясь в лед, который с каждым годом покрывал все более обширные поверхности океана и островов. За несколько сотен тысяч лет под действием течения, влажного воздуха, снега и льда в северных широтах Северный Ледовитый океан и острова оказались скрыты под колпаком полярного льда.
Сейчас на Земле сравнительно холодно, и даже небольшие изменения климатической системы могут приводить к ледниковым периодам. Одно из важнейших изменений связано с астрономией. В 1941 году сербский математик Милутин Миланкович выдвинул гипотезу, что регулярные изменения земной орбиты могут вызывать смену климата от ледниковых периодов к более теплым. Двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля испытывает гравитационное влияние других планет. Самое сильное воздействие на орбиту Земли оказывают Сатурн и Юпитер, которые обладают гигантской массой и нивелируют влияние других соседних планет. По расчетам Миланковича, эти взаимодействия предсказуемым образом изменяют орбиту Земли. Годовая траектория вращения Земли вокруг Солнца каждые 100 тысяч лет изменяется от эллиптической до более круговой. Ось вращения нашей планеты меняется через 41 тысячу лет, а полный цикл вращения земной оси занимает примерно 26 тысяч лет. Миланкович предположил, что эти процессы влияют на продолжительность сезонов и количество солнечной энергии, поступающей на Землю. Регулярные изменения поступления и отдачи тепла объясняют периоды продвижения ледников к более низким широтам, чередующиеся с периодами их отступления.
Десятилетиями эта идея оставалась только оригинальным математическим расчетом, не имеющим под собой никаких реальных данных. Однако в 1960‐е годы ученые проанализировали морское дно в поисках следов климатических изменений в прошлом и обнаружили, что за последние три миллиона лет ледниковые периоды наступали с регулярностью метронома и в целом соответствовали орбитальным циклам, как и предсказывал Миланкович.
Все условия были соблюдены: движущиеся континенты, новые океанские течения и растущие горные хребты привели к замерзанию обоих полюсов. Изменения земной орбиты вызвали переходы от ледниковых периодов к периодам без льда.
Движение льда меняло все.