Измеряем температуру
Измеряем температуру
Карл Саган однажды высказался на тему парадоксальности климата на Земле. Солнце не является источником постоянного излучения. Оно начало свою «карьеру» как довольно тусклая звезда примерно 4,6 миллиарда лет назад и с тех пор разгорается. Теперь яркость и тепло его излучения примерно на 30 % выше, чем в начале. При таком положении вещей Земля должна была быть замерзшей пустыней в прошлом и кипящим котелком — сейчас. Однако все термометры на планете показывают иное. На планете должно быть горячо, как в аду, но мы видим множество ледников. А в горных породах возрастом около трех миллиардов лет, когда Земля должна была быть ледяным шаром, обнаружены следы присутствия жидкой воды. Конечно, у нас бывает и холодно, и жарко, но по сравнению с Венерой и Марсом, на поверхности которых температура составляет +480° и –60 °C, наша Земля — просто райский уголок. Где-то на нашей планете имеется термостат, который смягчает резкие колебания температуры.
О присутствии такого термостата догадался один упрямый шведский студент. Для начала он заявил научному руководителю, что разработал совершенно новую теорию электропроводности. И услышал в ответ: «До свидания». Однако стойкость вознаграждается. Возможно, порадовав своих с облегчением вздохнувших преподавателей, Сванте Август Аррениус в 1881 году отправился в Стокгольм, чтобы работать в Шведской академии наук под руководством одного из профессоров. Там он начал обдумывать другие научные проблемы.
Одна такая проблема, можно сказать, стояла у него перед глазами. Он видел, как фабричные трубы извергают дым — говоря его собственными словами, «превращают наши угольные запасы в пар». Аррениус знал, что основной компонент дыма — углекислый газ — способен удерживать тепло. Он провел несколько вычислений, показавших, что повышение содержания углекислого газа в воздухе приводит к удерживанию тепла и повышению температуры на планете. У этой идеи в последующие годы было не много сторонников, зато Аррениус получил Нобелевскую премию за цикл работ, ставших продолжением его, казалось бы, неудачной диссертации, так расстраивавшей преподавателей.
В основе известного всем парникового эффекта лежат найденные Аррениусом закономерности. Чем больше углекислого газа попадает в атмосферу, тем больше планета накапливает тепла. Верна и обратная закономерность. Но углерод в атмосфере играет и более важную роль, которая становится понятна лишь при анализе событий, произошедших миллионы лет назад.
Персонаж известного телесериала [«Все в семье» (All in the Family)] Арчи Банкер, рассуждая о пиве, заметил: «Ты не можешь им обладать — ты можешь только взять его на время». Эта сентенция справедлива в отношении каждого атома в нашем организме: мы является временными обладателями элементов, составляющих наше тело. И мало какие из этих элементов играют в нашей жизни (и в жизни планеты) столь же важную роль, как углерод. Связь между отдельными частями Земли зависит от круговорота углерода в воздухе, камнях, воде и наших телах. Чтобы увидеть эту связь, живые организмы, камни и океаны нужно рассматривать как этапы превращения углерода в ходе эволюции Земли.
Если смотреть на вещи так, то становится ясно: содержание углерода в воздухе определяется тонким равновесием. Атмосферный углерод смешивается с водой и выпадает в виде чуть кисловатых осадков. Последствия этого мы наблюдаем ежедневно. Здания Чикагского университета построены в основном в конце XIX века, но многие химеры на водостоках уже «потеряли лицо». Кислотные дожди разъедают камни, где бы те ни находились: на склонах гор, в галечных россыпях или прибрежных утесах. Когда кислотные дожди разрушают камни, из них тоже выделяется углерод, а обогащенная углеродом вода стекает в ручейки, реки и в конечном счете в океаны. Здесь углерод включается в тела и клетки морских обитателей: моллюсков, рыб и планктона. Остатки этих существ, содержащие углерод, оседают на океаническом дне и становятся его частью. И, как нам известно благодаря исследованиям Мэри Тарп, Брюса Хейзена и Гарри Гесса, морское дно подвижно, что обуславливает круговорот веществ в земных недрах.
В результате этой совокупности процессов углерод удаляется из атмосферы и поступает в горячие недра Земли. Если бы этот процесс был однонаправленным, в воздухе не осталось бы углерода и Земля, лишившаяся согревающей газовой оболочки, замерзла бы. Однако этого не происходит: существует механизм, обеспечивающий круговорот углерода. Из земных недр углерод выбрасывается обратно в атмосферу в составе вулканических газов. Именно извержения вулканов являются основным источником углерода, который мы вдыхаем. Обычно вулканы выбрасывают огромные количества водяного пара, диоксида углерода и других газов: согласно некоторым оценкам, ежегодно они поставляют в атмосферу свыше ста двадцати миллионов тонн диоксида углерода.
Миллионы лет углерод попадает в атмосферу в составе вулканических выбросов, а затем постепенно возвращается на дно океанов в виде минеральных отложений, и цикл повторяется. Эта связь осуществляется посредством кислотных дождей, которые выводят углерод из воздуха и смывают в океан, где он включается в осадочные породы.
В этой цепи событий каждая стадия понятна, но конечный результат удивителен: выходит, что эрозия гор связана с климатом. Эрозия гор под действием кислотных дождей выступает в роли гигантской губки, собирающей углекислый газ. Снижение количества углекислого газа в атмосфере приводит к снижению температуры на планете. С другой стороны, события, повышающие содержание углерода в воздухе (усиление вулканической активности или замедление выведения углекислого газа из воздуха), очевидно, способствуют повышению температуры. При прочих равных условиях усиление эрозии снижает температуру, а ослабление эрозии ее повышает.
Круговорот углерода связывает горные породы с изменениями климата и в конечном счете объясняет парадокс Сагана о Солнце. Температура на планете сохраняется в узком диапазоне благодаря перемещению углерода между воздухом, дождем, горами и вулканами. При жаркой погоде усиливается эрозия горных пород, что активирует процесс выведения углерода из атмосферы и приводит к снижению температуры. Затем цикл идет в обратную сторону: снижение температуры ослабляет эрозию и увеличивает содержание углерода в атмосфере, что приводит к повышению температуры. Наличие жидкой воды на нашей планете возможно только благодаря этому равновесию. Иначе не было бы ни нас самих, ни окружающей среды, от которой мы зависим. Жидкая вода служит своеобразным индикатором вроде канарейки в шахте. Если жидкой воды слишком много или слишком мало, это указывает на долгосрочный сдвиг в функционировании планеты, на то, что у нее «жар» или «озноб».
Что же произошло около сорока миллионов лет назад, когда Земля стала замерзать у полюсов? Похолодание произошло в то же время, что и сильное снижение уровня углерода в атмосфере. Возникает вопрос: почему изменился уровень углерода?
Морин Раймо поступила в университет, чтобы изучать климат и влияющие на него геологические процессы. И, подобно Аррениусу, написала диссертацию, вызвавшую у рецензентов бурную реакцию. Один из них назвал работу «полной ерундой».
Путь Раймо начинался, как путь любого другого студента: она слушала лекции по основным дисциплинам, касающимся ее предмета. В 80-х годах на семинарах по геологии много говорили о связи температуры на Земле с балансом углерода. В классической статье Роберта Бернера, Антонио Ласаги и Роберта Гаррелса обсуждались химические детали этой зависимости. Для краткости статью называли BLaG — по первым буквам фамилий авторов. Все читали BLaG, все пытались сверять с BLaG свои гипотезы, хотя абсолютно все, включая авторов, понимали, что блестящая статья все еще требует детализации.
Раймо слушала обычный курс лекций, на которых излагались соображения BLaG. Кроме того, она слушала лекции об образовании рек и гор и о тектонических процессах. И, в отличие от остальных студентов-геологов, она сумела логически все это связать.
Известно, что резкое понижение температуры на планете началось сорок миллионов лет назад, но не был известен геологический механизм, вызвавший это изменение. Столь сильное похолодание могло быть вызвано лишь массированным выведением углерода из атмосферы, которое, в свою очередь, могло произойти только в результате какого-либо глобального изменения.
Раймо смотрела на глобус и вспоминала лекции по тектонике. Глобальное похолодание началось в период кардинального поворота в истории планеты. Именно тогда континентальная плита, в состав которой входил полуостров Индостан, перемещавшаяся к северу в течение сотен миллионов лет, въехала в Азию. Результат этого соударения можно сравнить со столкновением двух пачек бумаги на поверхности стола: бумага изгибается и задирается кверху. Аналогичным образом столкновение континентов привело к возникновению Тибетского нагорья и Гималаев.
Научный руководитель Раймо (не тот, который назвал ее работу ерундой!) размышлял, как новый горный хребет мог изменить направление ветров или способствовать усилению штормов. Раймо же заинтересовалась тем, как новый горный хребет и плато могли повлиять на температурный баланс на планете.
Тибетское нагорье — широкое пустынное пространство, состоящее практически из одних голых скал. Высота плато — больше трех с половиной тысяч метров. Здесь сконцентрировано свыше 82 % площади обнаженных каменных пород планеты. Появление такого горного массива привело к усилению эрозии его поверхности. Когда мы смотрим на Гималаи, большинство из нас видит череду мрачных гор, а Раймо увидела в них гигантский «пылесос», вытягивающий углекислый газ из атмосферы, и реки, уносящие углерод в океан. Вслед за снижением содержания углерода в атмосфере началось похолодание. Образование Тибетского нагорья охладило Землю, и произошло это в результате удаления углерода из воздуха за счет эрозии горных пород.
Теория Раймо объясняет множество фактов, но ее доказательство больше напоминает уголовный процесс на основании косвенных улик, а не строгий математический расчет. Решить вопрос можно только при наличии независимых подтверждений и доказательств. Раймо предсказала следующее: для подтверждения теории нужны инструменты, способные соотнести скорость подъема плато (и уровень эрозии) с количеством углерода в воздухе. В древних породах есть специфические высотометры — чувствительные к высоте растения. Во время подъема плато уровень углерода в воздухе упал, но мы все еще не можем с достаточной точностью соединить между собой все детали, чтобы доказать эту теорию. Еще предстоит ответить на вопрос, достаточно ли было эрозии Тибетского нагорья для изменения климата на Земле — или похолоданию способствовали какие-то другие механизмы.
Сорок миллионов лет назад карта Земли быстро менялась, а с ней и среда обитания живых существ. Столкновение Индии и Азии, возможно, повлекло за собой снижение уровня углекислого газа в воздухе и глобальное похолодание, однако более точный анализ временных закономерностей замерзания Антарктиды говорит о том, что вклад в этот процесс внесли и другие факторы. Сорок миллионов лет назад антарктические дождевые леса уступили место пейзажу, напоминающему пейзаж современной Южной Патагонии. Около тридцати миллионов лет назад флора и фауна начали беднеть, а двадцать миллионов лет назад здесь образовались первые постоянные ледники. Распространились карликовые растения, как в современной тундре. А десять миллионов лет назад в Антарктиде уже царило опустошение.
Взглянув на физическую карту, вы заметите, что Северное полушарие окрашено в основном в коричневый цвет (это суша), а Южное полушарие — в голубой (это океан). Северное полушарие сложено из крупных, связанных друг с другом континентов, а Южное образовано бескрайним океаном. В этом простом наблюдении кроется ключ к загадке замерзания планеты, исчезновения жизни в Антарктиде и изменений климата на протяжении большей части истории человечества.
К началу 70-х годов XX века, когда движение тектонических плит стало признанной реальностью, почти неизведанным оставалось большое водное пространство — южные океаны, прославленные Робертом Ф. Скоттом, Эрнестом Шеклтоном, Руалем Амундсеном и другими путешественниками. Бурные воды этих океанов разделяют лишь айсберги и голые скалистые острова. Широты от 40 до 70 градусов получили соответствующие прозвища: «ревущие 40-е», «неистовые 50-е» и «гремящие 60-е». Океаническое дно в этих районах было исследовано в последнюю очередь — из-за течений и ветров, сильно затрудняющих плавание.
Закончив составление карт дна Атлантического и Тихого океанов, специалисты, помогавшие еще Хейзену и Тарп, занялись изучением южных морей. В 1972–1976 годах были взяты пробы подводного грунта в двадцати шести местах. В каждом из этих мест, намеченных заранее с помощью морских карт, на поверхность были подняты керны грунта. Каждый образец подвергли химическому анализу для определения его возраста и происхождения. Были составлены такие же карты дна южных морей, как десятью годами ранее Мэри Тарп и Брюс Хейзен составили для Атлантики.
Анализ грунта южных морей изменил представления об этих местах. Антарктида как кольцом окружена гигантской рифтовой долиной с расплавленными внутренностями. Как и рифтовая долина на дне Атлантического океана, это место является центром образования нового океанического дна и центром расширения земной коры. Загадка формы континентов и обнаруженного Колбертом листрозавра разъяснилась: когда-то вся южная часть земного шара была единой сушей, сложенной из современных Антарктиды, Австралии, Южной Америки и Африки. Знакомых нам океанов тогда не было. Затем вокруг Антарктиды зародилось кольцо вулканов, и суперконтинент расщепился. Его части стали удаляться друг от друга. Одновременно произошли три события: Африка, Австралия и Южная Америка сдвинулись к северу; Антарктида осталась в одиночестве на Южном полюсе; возникли океаны, разделившие южные континенты. Ни одно из этих изменений не предвещало ничего хорошего для обитателей Южного полюса.
Изоляция вредна не только для человека, но и для континентов. Океаническое течение, так досаждающее морякам, огибает Антарктиду с востока на запад. Оно появилось тогда, когда для него освободилось место — после расхождения континентов. Океанические течения прекрасно переносят тепло. Например, Великобритания находится на одной широте с северной частью Лабрадора. Но в одном из этих мест умеренный климат, а в другом довольно холодно. Почему? Своим мягким климатом Великобритания обязана теплым течениям, поднимающимся от экватора, а в западной части Атлантики таких течений нет. Пока Антарктида не была отделена от других континентов, океанические течения с экватора приносили сюда тепло, но после разделения суши теплое течение исчезло, уступив место круговому. Это и заморозило Антарктиду: все тепло просто улетучилось. Жизнь на континенте буквально замерзла насмерть (кроме той, что успела перебраться в более теплые края).
Переустройство карты мира изменило климат. Движение континентов и расширение морского дна привели к изменению течений, увеличению интенсивности эрозии и снижению уровня углерода в атмосфере. Все это привело к гибели континента. Последствия этого мы видим повсюду.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.