Зачем нужна геология: краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Такие наблюдения накладывают жесткие ограничения на потенциальные причины возникновения ледникового периода. Какой механизм мог заставить планету остыть, а потом снова нагреться, и не один, а много раз? Некоторые ученые сочли, что ключевым фактором является Солнце, поскольку температура на поверхности Земли в конечном итоге зависит от количества полученной и задержанной солнечной энергии. В 1842 году французский математик Жозеф Адемар предположил, что свою роль в оледенении должны играть колебания орбиты Земли (которая меняет свою форму от почти круглой до слегка эллиптической) и наклон ее оси вращения. И эксцентриситет орбиты (мера ее вытянутости), и наклон оси влияют на количество солнечной энергии, получаемой различными частями поверхности нашей планеты. Даже во времена Адемара было хорошо известно, что они меняются регулярно и предсказуемо в течение длительных промежутков времени, и ученый считал, что этих колебаний достаточно, чтобы повлиять на климат. В итоге выяснилось, что он был на правильном пути, но выводы, к которым он пришел, выглядели так фантастически, что его идеи не приняли всерьез (Адемар полагал, что лед будет попеременно нарастать то на южном, то на северном полюсе, и в результате центр тяжести Земли начнет перемещаться, что вызовет гигантские приливные волны).

Примерно через два десятка лет после публикации Адемара шотландский ученый-самоучка Джеймс Кролль продолжил его труды, тщательно вычислив, как меняется количество попадающей в различные широты солнечной энергии в зависимости от колебаний орбиты. Он быстро обнаружил, что эти изменения малы — на его взгляд, слишком малы, чтобы вызвать существенные перемены в климате. Однако у Кролля появились другие идеи. Он одним из первых стал воспринимать Землю как единую систему, хотя и не пользовался соответствующими современными терминами. Кролль осознал, что климат зависит от сложного взаимодействия многих факторов, и что между различными элементами системы климата существует множество возможных обратных связей, некоторые из которых усиливают воздействие, а некоторые ослабляют. Он пришел к выводу, что если учесть такие вещи как перенос тепла океанскими течениями и изменения альбедо^[49] Земли в результате переменного размера снежного и ледяного покрова, то колебания во внешних астрономических параметрах станут достаточно мощными, чтобы привести к ледниковому периоду.

Сначала работа Кролля вызвала интерес, но затем другие специалисты обнаружили изъяны в некоторых его рассуждениях. Кроме того, геологи начали находить данные, которые не соответствовали предсказаниям теории. Удивительно быстро «астрономическая теория» ледниковых периодов стала казаться сомнительной, и в конце концов большинство ученых от нее полностью отказались. Но подобно самим ледникам, наступающим и отступающим, эта идея продолжила возникать в слегка измененных вариантах. Около 1912 года Милутин Миланкович, сербский инженер, ставший математиком, поставил себе амбициозную задачу: разработать математическую теорию климата Земли. Миланкович проводил все вычисления вручную, вычисляя среднюю температуру на разных широтах в разное время года чисто из теоретических принципов, учитывая при этом (как это делали Кролль и Адемар) изменения параметров орбиты, которые влияют на количество солнечной энергии (инсоляцию), получаемое разными точками поверхности Земли. Его первые результаты дали разумное соответствие со всеми наблюдаемыми температурами в мире и быстро привлекли внимание метеорологов, которые до этого подходили к климату в основном эмпирически, а не теоретически.

На работу Миланковича обратили внимание некоторые ученые, интересовавшиеся ледниковыми периодами; они побудили его экстраполировать свои вычисления в прошлое. Делая это, Миланкович учел изменения эксцентриситета и наклона орбиты (как поступали Кролль и Адемар), но также включил в расчеты прецессию — явление, когда ось вращающегося тела меняет свое направление в пространстве, описывая конус. (Прецессия — причина того, что точка на небе, вокруг которой вращаются звезды, медленно перемещается; сегодня из ярких звезд к этой точке ближе всего Полярная звезда, но со временем ее место займут другие звезды.) Эксцентриситет, наклон оси и прецессия изменяются по хорошо известным законам во временных масштабах от десятков тысяч до сотен тысяч лет. Миланкович также включил в свои расчеты информацию о том, как энергия Солнца передается сквозь атмосферу. Это было грандиозным достижением.