ПАЛЕОКЛИМАТ: Дополнения к теории Миланковича

А.В.БЯЛКО доктор физико-математических наук

В 20—40-х годах прошлого столетия сербский астроном Милетин Миланкович развил смелую (ввиду недостаточности на то время геологических данных) теорию, объясняющую природу климатических циклов [1]. В ее основе лежала асимметрия Земли — преобладание суши в Северном полушарии по сравнению с Южным.

На суше во время похолодания образуются обширные ледники, увеличивающие альбедо планеты, т.е. долю отраженного солнечного света. Освещенность же северных широт существенно меняется вследствие вариаций астрономических параметров. Эксцентриситет Земли, сегодня равный 0.0167, в прошлом достигал величины 0.06, меняясь (непериодически) с характерным временем около 100 тыс. лет вследствие планетных возмущений. По той же причине направление оси вращения планеты по отношению к перигелию земной орбиты изменяется с периодом 41—42 тыс. лет. Когда планета медленно проходит афелий орбиты зимой Северного полушария, его инсоляция (средняя освещенность) мала и ледники существенно нарастают. За короткое лето вблизи перигелия они не успевают растаять из-за увеличившегося альбедо. Через 20 тыс. лет, когда на афелий приходится лето Северного полушария, в Южном ледники существенно не растут — кроме Антарктиды, там для них мало суши.

Компьютерное моделирование климата имеет несомненные успехи, главным образом по близкому к нам отрезку времени. Однако моделирование климатических циклов на основе теории Миланковича было не очень успешным. Причина неудач, по-видимому, в том, что физический механизм, управляющий климатом, основанный только на вариациях альбедо, недостаточен. Не удается преодолеть основной недостаток теории Миланковича: в ней нет механизма выхода из ледниковых периодов.

За истекшие 70 лет наши знания о климатической системе существенно расширились. Заметно теплеет современный климат, и мы отчетливо сознаем, что это происходит под действием парникового эффекта от избыточного диоксида углерода СО₂, который выбрасывается в атмосферу при сжигании угля, нефти и газа. Кроме того, с помощью бурения осадочных слоев и ледников собрана обширная база данных не только о температурах прошедших эпох, но и о содержании в атмосфере в те времена парниковых газов. Появилась возможность дополнить теорию Миланковича следствиями современных исследований палеоклимата.

Но прежде чем перейти к этим дополнениям, надо изложить общеизвестные положения, описывающие климатическую систему планеты.

Тепловой баланс Земли

Падающий на Землю поток солнечного излучения W₀ = 1362 Вт·м^–2 с точностью до последнего знака можно считать постоянным. Часть этой энергии отражается облаками и поверхностью без изменения частоты: современная величина альбедо Земли по измерениям яркости Луны в новолуние равна A₀ = 0.297±0.005. Несколько процентов солнечного потока поглощается озоном и парниковыми газами самой атмосферы, а наибольшая доля — поверхностью, которая нагревает атмосферу снизу. Тепловой поток переносится вверх конвекцией и излучается в космос в микроволновой области со спектром, близким к спектру черного тела. Средняя температура излучения планеты в тепловом диапазоне(радиационная температура T_rad) легко вычисляется из равенства падающего и излучаемого потоков энергии:

T_rad = [W₀(1 – A₀)/σ]^1/4 = 255 К.

Здесь σ = 5.6705 10^–8 Вт·м^–2К^–4 — постоянная Стефана—Больцмана. Ошибка из-за неточности современного альбедо меньше 0.5 К. Спектр этого излучения имеет максимум при длинах волн около 10 мкм.

В прошлом альбедо Земли A изменялось в более значительных диапазонах, большие пространства суши занимали ледники, хорошо отражающие свет. Но площадь океана, не покрытого льдом, менялась не очень сильно, поэтому альбедо планеты существенно не возрастало. С другой стороны, радиационная температура слабо зависит от альбедо, она пропорциональна [(1 – A)/(1 – A₀)/]^1/4. Так, вариация альбедо на 10% приводит к изменению температуры всего на 1%, менее чем на 3 К.

В прошлом, как мы увидим, средняя температура земной поверхности T₀ менялась в диапазоне более 12°, неизменно оставаясь выше T_rad. Основных причин для этого две: это парниковый эффект и обмен энергией между атмосферой и океаном.

Парниковый эффект был предсказан в начале прошлого века С.Аррениусом. Он вызван присутствием в атмосфере газов, поглощающих в микроволновой области: диоксида углерода CO₂, паров воды H₂О, метана CH₄.

Эти три газа распределены в атмосфере по-разному. Диоксид углерода почти равномерно перемешивается по всей тропосфере и стратосфере. Плотность насыщенного водяного пара при понижении температуры падает экспоненциально: снижение на 10° приводит к ее падению в два раза, поэтому концентрация паров неравномерна вдоль земной поверхности. Она резко спадает выше слоя облаков, а капельки жидкой воды не поглощают в микроволновой области.

Молекулы метана поглощают микроволновое излучение на один-два порядка сильнее, чем CO₂ и Н₂О, но его атмосферная концентрация обычно в 400—600 раз меньше. Цикл метана очень сложен: он поступает в воду со дна океана; генерируется бактериями при разложении органики, поглощается другими бактериями; окисляется до CO₂ в океанской воде, содержащей растворенный кислород, а также окисляется в атмосфере под действием солнечного ультрафиолета. Очень важен следующий факт: в современном океане на глубинах от 300 до 600 м под небольшим слоем осадков находятся значительные по массе отложения метангидрата СН₄·Н₂О. Это твердое соединение находится в равновесии с растворенным в воде метаном, его отложения увеличиваются с понижением температуры и уменьшаются при ее росте или понижении давления.

Атмосфера излучает на высотах 9—12 км, где тропосфера переходит в стратосферу, там температура и равна радиационной. Разность между поверхностной и радиационной температурами тем больше, чем выше концентрации парниковых газов. К сожалению, точному расчету парниковый эффект пока не поддается. Спектры квантовых переходов для каждой из упомянутых молекул известны, они представляют собой множество тонких линий. Из-за частых столкновений с другими молекулами воздуха энергии этих переходов размываются вследствие принципа неопределенности, в результате частокол линий сливается в полосы поглощения. В газах с постоянным давлением и температурой спектры поглощения рассчитываются по сложным программам [2], но полная задача переноса излучения в реальной атмосфере пока не решена. Этот факт дает ряду ученых и не очень ученых людей возможность вообще его отрицать. Однако экспериментальные измерения поглощения однозначно доказывают значимость парникового эффекта.

Термохалинная циркуляция. Системы, через которые проходит поток тепловой энергии, как правило, не находятся в тепловом равновесии. Существенную роль в тепловом балансе планеты играет Мировой океан, теплоемкость которого на три порядка больше теплоемкости атмосферы. Он в принципе может служить как тепловым источником, так и тепловым стоком для атмосферы, результат зависит от сложной картины его течений. Средняя температура океана в современную эпоху (276 К) заметно ниже поверхностной (287 К = 14°С). Это говорит о том, что океан значительное время работал как источник тепла, согревая атмосферу. На Земле есть три области, где холодные соленые воды уходят с поверхности в глубины океана: одна расположена южнее Гренландии и еще две — у побережья Антарктиды. Происходит это так: Гольфстрим приносит теплые соленые воды на север, полярной зимой они охлаждаются, но при этом не успевают перемешаться с окружающими менее солеными водами и погружаются. (Аналогичного явления с течением Куросио в Тихом океане не происходит, это говорит о том, что для реализации погружения требуется определенное сочетание береговых линий и рельефа дна). Есть, правда, и обратный пример: в Средиземное море через Гибралтар поступает относительно холодная вода Атлантики, она течет по поверхности на восток, по пути становится все более соленой от испарения. Между Критом и Кипром она погружается, течет на запад, и, наконец, теплый, но очень соленый придонный поток вытекает в Атлантику через тот же Гибралтар.

Отсюда очевидно следует, что Средиземноморье приносит тепло в Мировой океан за счет охлаждения атмосферы региона. Но океан в целом холоднее атмосферы, и это значит, что вся система медленных термохалинных течений положительно влияет на тепловой баланс приземной части атмосферы. Поэтому и глобальный баланс, на основе которого была сделана оценка радиационной температуры, может не выполняться точно в каждый момент времени, он будет справедлив лишь в среднем, на временном интервале, длительном настолько, чтобы прошла релаксация океана к астрономически меняющейся инсоляции планеты и содержанию парниковых газов в ее атмосфере.

Подтверждение такого описания климатической системы можно получить при анализе данных по климату плейстоцена, полученных бурением льдов Гренландии и Антарктиды. Эти данные позволяют сделать и ряд далеко идущих выводов.

Вариации климата плейстоцена

Отложения льда на куполах Антарктиды и Гренландии несут важную информацию о климате прошлого. Сезонная слоистость льда позволяет установить его возраст. Атмосферные концентрации диоксида углерода и метана в момент отложения устанавливаются анализом пузырьков и газов, растворенных во льду. Наконец, среднегодовая температура вычисляется по отклонениям концентрации дейтерия воды. (У тяжелой воды DHO иная зависимость плотности паров от температуры конденсации, чем у H₂O.) Недавно подробные данные таких анализов, выполненные несколькими исследовательскими группами, были опубликованы в одном номере журнала «Nature» [3, 4].


Рис.1. Результаты бурения антарктического льда — история климата за последние 800 тыс. лет. Красная линия — температура, отсчитанная от современной; синяя — концентрация СО₂ в частях на миллион (ppm); зеленая — концентрация СН₄ в частях на миллиард (ppb)

На графиках рис.1 можно заметить, что:
— во-первых, взаимозависимость трех переменных (T, [CO₂], [CH₄]) между собой весьма значительна (химической формулой в квадратных скобках обозначается атмосферная концентрация газа);

— во-вторых, восемь климатических циклов, продолжительностью примерно по 100 тыс. лет каждый, в целом подобны друг другу — они начинаются быстрым ростом, имеют острые максимумы, затем следует пульсирующее падение, как правило, заканчивающееся низким застоем для температуры и диоксида углерода, но провалом до глубоких минимумов концентрации метана;

— в-третьих, размах вариаций относительно средних значений максимален для [СH₄], а минимален для [СО₂];

— наконец, при рассмотрении графиков рис.1 возникает естественная мысль: вариации температуры определяются изменением концентраций парниковых газов. Далее мы увидим, что это заключение по меньшей мере преждевременно, а возможно, и неверно.

Средняя температура Антарктиды за 800 тыс. лет оказалась на 5.1°С ниже ее современной температуры, а максимальная — на 4°С выше. По моему мнению, эти колебания — следствия изменчивого теплообмена между океаном и атмосферой, роль альбедо вторична.

Публикация данных в «Nature» подвела итог колоссальным по объему работам по бурению, химическому и изотопному анализу. Однако стандартный математический анализ этих зависимостей почему-то не был опубликован, хотя убежден, что он известен авторам работ. Возможно, причина тому в некоторых странностях результатов, они не поддаются очевидному истолкованию. Проведем математическую обработку трех временных зависимостей.

Анализ климатических данных

Графики температуры и концентраций парниковых газов из публикаций [3, 4] были оцифрованы, а полученные ряды математически обработаны (рис.2).

Автокорреляционные функции зависимостей T(t), [CO₂](t), [CH₄](t) выглядят подобными друг другу. Они имеют отрицательную производную в нуле — это означает, что эти функции недифференцируемы по времени. Автокоррелятор диоксида углерода спадает на малых временах медленнее остальных корреляционных функций, т.е. [CO₂](t) — самая «гладкая» из трех переменных. Причина этого прояснится в дальнейшем — у диоксида углерода три разных источника: океан, суша и окисление метана. Коррелятор метана, напротив, спадает круто, это свидетельствует о том, что он более непредсказуем. Корреляторы переходят к отрицательным значениям в районе 20 тыс. лет; имеют широкие минимумы в диапазоне 40—60 тыс. лет, затем максимумы около 90 тыс. лет, а парниковые газы — еще и по одному максимуму вблизи 120 тыс. лет. Минимум в районе 40 тыс. лет несколько удивляет, поскольку по теории Миланковича здесь должен бы проявиться максимум. Он действительно возникал, но на временном отрезке 2.7—1.3 млн лет назад [5]. В интервалах 1.3—0.7 и 3.2—2.7 млн лет присутствуют обе моды колебаний климата.

Взаимные корреляции (ковариации) этих зависимостей еще более содержательны. Они приведены с более высоким разрешением по времени, поскольку сдвиг максимумов этих функций вперед или назад относительно нуля говорит о том, какая из зависимостей оказалась опережающей, а какая — запаздывающей, и на какие характерные времена. Из рис.3 видно, что на малых временах зависимости температуры и [CO₂] тесно связаны между собой, причем максимум ковариации, равный 0.88, достигается с опережением температуры примерно на 2 тыс. лет относительно [CO₂](t). Точность вычисления запаздываний и опережений, к сожалению, пока невелика, около 0.5 тыс. лет. Температура и концентрация метана оказались почти синхронны, но максимум ковариации несколько ниже, он равен 0.82. Наконец, концентрация CO₂ отстает по времени от [CН₄] в среднем на 1.5 тыс. лет с максимумом 0.74. Логику этого запаздывания можно объяснить процессом окисления метана в диоксид. Однако то обстоятельство, что содержание CO₂ в атмосфере преимущественно следует за температурой, представляет собой парадокс, противоречащий самой идее парникового эффекта как главного регулятора температуры поверхности. По идее, должно было быть наоборот: тепловая инерция океана требует некоего запаса времени, чтобы температура его поверхности достигла величины, которая соответствует почему-либо изменившейся концентрации главного парникового газа. Отложим пока изложение гипотез, поясняющих этот парадокс.

Дифференциальные распределения. Корреляция и ковариации исчерпывающе описывают случайные зависимости, если вариации переменных распределены по нормальному, гауссовому закону. Проверим, окажется ли статистика палеоклимата достаточно близкой к гауссовой. С этой целью строились ранговые распределения трех переменных: T, [CO₂] и [CH₄]; их нормировка дает интегральные распределения (рис.4). Они аппроксимировались полиномами 10-го порядка, которые затем дифференцировались. При этом методе спадающие края распределений оказываются недостоверны, но положения максимумов определяются с достаточной точностью.

Нормированное дифференциальное распределение температур обнаруживает два максимума: при –7.8°С и при +3.7°С. Со стороны низких температур распределение близко к пороговому, что логично объяснить тем, что среднегодовая температура не может оказаться ниже радиационной температуры планеты. Еще более впечатляющим (и негауссовым) выглядит дифференциальное распределение концентрации диоксида углерода, у него выявляются три максимума при концентрациях, равных 202, 236 и 278 ppm. Отметим, что и в распределении температур присутствует «вздутие» между двумя максимумами. Напомним, что функции T(t) и [CO₂](t) оказались хорошо скоррелированными. Это говорит о возможном наличии трех разных механизмов, приводящих к доминирующим температурам и концентрациям СО₂. Наконец, распределение концентрации метана оказалось наиболее близким к нормальному (но все же асимметричным), оно имеет один максимум при [CH₄] = 460 ppb.

Регрессии (статистические взаимозависимости переменных) также были вычислены. Но поскольку обнаружены существенные отклонения от нормальности распределений, значения коэффициентов регрессий не могут надежно отражать реальные взаимосвязи. Регрессии следовало бы вычислять раздельно для каждого из процессов, приводящих к формированию трех максимумов распределений.

Подводя итоги стандартного статистического анализа, можно сделать предварительные выводы. По-видимому, состояние климатической системы Земли зависит сразу от нескольких геологических и биологических процессов, их воздействие принципиально различается при низких и высоких температурах. При изменениях климата наиболее странно выглядит поведение всех переменных в периоды быстрого роста, достижения максимумов и последующего спада. Загадочна непредсказуемость таких выбросов. Чтобы яснее представлять себе развитие событий в эти отрезки времени, построим трехмерные диаграммы в переменных {T, [CO₂], [CH₄]} отдельно для каждой терминации — перехода из ледниковых периодов в межледниковья.

Космический дриас


Рис.5. Потепление голоцена. Три оси соответствуют концентрации метана, концентрации диоксида углерода и температуре. Временной ход событий можно проследить по меткам времени (в тысячах лет до 1950 г.) особых точек, а также по членению траектории: каждый ее малый прямолинейный отрезок имеет продолжительность 0.2 тыс. лет. Температура и концентрация СО₂ показаны с учетом ошибок измерений; концентрации СH₄ — соединенными между собой данными льдов Антарктиды и Гренландии. Для лучшего восприятия трехмерной картины траектория потепления спроектирована на две плоскости: {T, [CO₂]} и {[CO₂], [CH₄]}. На последней плоскости гренландская зависимость метана и диоксида дана зеленым цветом

Начнем с самого близкого к нам ледникового периода, закончившегося 20 тыс. лет назад, и проследим, как происходил переход к современному климату. Рис.5 дает трехмерную проекцию событий, на которой видно, как менялись во времени концентрации парниковых газов и температура. Обратим внимание на резкий излом в средней части графика.

В истории последнего потепления есть особое событие, произошедшее около 13 тыс. лет назад, оно называется «поздний дриас» (англ. «Younger Dryas»). На нашем графике он отображен обратным ходом температуры и мощным возмущением концентрации гренландского метана. Давно известно, что около 12.6 тыс. лет назад огромное озеро, образовавшееся посреди ледника, покрывавшего большую часть Северной Америки, растопило ледниковую плотину и быстро вылилось в Атлантический океан, промыв широкий и глубокий эстуарий реки Св.Лаврентия. Затем последовало заметное похолодание, продолжавшееся около тысячи лет, после которого восстановилось потепление климата.

В последнее время появилось дополнительное (еще не полностью достоверное) объяснение позднего дриаса. Возникла обоснованная раскопками гипотеза [6], что 13.9 тыс. лет назад над Северной Америкой взорвалась комета, по массе в десятки раз превосходящая Тунгусский метеорит. Энергия взрыва вызвала кратковременный, но повсеместный пожар на поросшем травой пространстве южнее ледника, а выпавший пепел вместе с пылью от самого метеорита привел к ускоренному таянию ледника. При взрыве крупного метеорита происходит загрязнение атмосферы пылью, из тропосферы она моментально вымывается дождями, но в стратосфере задерживается на несколько лет. Аналогичное явление наблюдается при мощных извержениях вулканов, когда их выбросы достигают высот стратосферы. Эта пыль рассеивает солнечный свет, увеличивая альбедо, отчего наступает краткое (2—3 года), но глобальное похолодание. На климате планеты оно, однако, почти не сказывается, по крайней мере в тех случаях, когда похолодание не приводит к экстинкции, массовой гибели части биосистемы.

Так и образовалось ледниковое озеро, которое через некоторое время вылилось поверх соленых вод Атлантики. Для наших задач важна возможность с помощью этого события дать логичное объяснение последовавшему похолоданию. Пресная вода, покрывшая слоем порядка метра северную часть Атлантического океана, перекрыла собой и теплые соленые воды Гольфстрима. Это воспрепятствовало их охлаждению полярными зимами, а следовательно, устранило возможность их погружения. Как уже объяснялось, именно этот сток холодных вод в глубины Мирового океана вызывает относительное потепление в Северном полушарии. Вот почему в течение примерно тысячи лет позднего дриаса происходило похолодание. Оно закончилось, когда распресненные поверхностные воды перемешались ветрами и частично вмерзли во льды Северного океана.

Посмотрим теперь на удивительное поведение концентрации гренландского метана в период позднего дриаса: резкое падение в его начале и не менее крутой всплеск в конце. Прежде всего надо пояснить, что концентрации метана в Северном и Южном полушариях имеют право на довольно сильные различия. Дело в том, что для выравнивания концентраций часть метана должна пересечь экватор. Однако расходящиеся от экватора пассаты не дают возможности перемешивания воздуха в нижней части тропосферы, а на больших высотах метан быстро окисляется под действием солнечного ультрафиолета. В начале позднего дриаса пресные, обогащенные кислородом воды растаявшего ледника блокировали выход метана из океана в атмосферу. В этот же период отмечен небывало активный рост отложений карбонатов на средних глубинах Атлантики [7]. По окончании позднего дриаса возобновилось погружение охлажденных соленых вод Гольфстрима, стала нарастать температура поверхности, а концентрация метана скачком вернулась на продолжение прежней зависимости.

В целом этот эпизод похолодания продолжался около 2 тыс. лет, можно сказать, что общее климатическое потепление голоцена он задержал, но не отменил.

Выходы климата из эпох оледенения


Рис.6. Терминации ледниковых периодов TII—ТIX. Обозначения те же, что и на рис.5, но толщина линии пропорциональна ошибкам измерений всех переменных, ее окраска соответствует ориентации. Рис.6 крупнее

Сравним между собой трехмерные графики девяти глобальных потеплений, прошедших за последние 800 тыс. лет. В принятых геологических обозначениях эти промежутки времени соответствуют терминациям T_I—Т_IX и морским изотопным стадиям 1, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 соответственно. Отметим общие особенности этих событий (рис.6).

Они начинаются быстрым ростом всех переменных (T, [CO₂] и [CH₄]), их совместное нарастание (иногда с обратными экскурсиями) продолжается от 8 до 20 тыс. лет. Первым своего максимума достигает концентрация метана, через несколько тысяч лет проходят свои максимумы температура и концентрация диоксида углерода. Разности времен между этими максимумами даны в таблице. Большинство разностей невелико, некоторые равны нулю, но отрицательные значения не обнаружены. Конечно, за это утверждение полностью поручиться нельзя, поскольку точность ошибок измерений и обработки данных составляет около 0.5 тыс. лет, но все же подмеченную закономерность можно рассматривать как статистически значимую (таблица).

Таким образом, детальное рассмотрение процессов выхода климата из эпох оледенения подтверждает особенность, подмеченную при анализе взаимных корреляций: концентрация метана опережает температуру, а концентрация диоксида углерода от нее немного отстает. То обстоятельство, что [CO₂] при резком подъеме следует за [CH₄], в принципе еще можно бы объяснить окислением метана, но логика парникового эффекта требует отставания температуры от концентраций газов при их росте. Парадокс налицо.

Завершение теплых периодов (интергляциалов) происходит, казалось бы, более логично: высокие температуры и концентрации диоксида углерода стимулируют возрастание фотосинтеза и переход углерода из атмосферы в гумус и торф болот. Уменьшение парникового эффекта начинает понижать температуру поверхности. Однако, как будет видно в дальнейшем, потепления не всегда заканчивались так безобидно.

Какие же механизмы могут приводить к такой последовательности событий?

Механизмы климатических переходов

Начнем с описания климатической системы в периоды максимального оледенения, в моменты, предшествующие терминациям (левые нижние положения на графиках рис.5, 6). Из-за массового скопления льда на суше уровень океана в эти времена падал на 100—120 м. Его средняя соленость при этом возрастала с современного значения 3.5% до 3.6%. При низкой температуре земной поверхности примерно вдвое меньше современной была скорость испарения. На сушу выпадало мало дождей и снега, кроме того, осадки аккумулировались в ледниках. Речной сток с суши в океан в течение ледниковых периодов был существенно меньше сегодняшнего. Вся система конвекции — и атмосферы и океана — в ледниковые периоды была менее интенсивной, чем сегодня, можно сказать — застойной.

Поток тепла земных недр пренебрежимо мал по сравнению с мощностью солнечного излучения, падающего на земную поверхность W₀(1 – A) ~ 10³ Вт/м². Но атмосфера быстро уводит этот поток энергии от поверхности, переизлучая его в космос, а дно океана от поверхности далеко. Поэтому при изучении динамики океана нельзя пренебрегать потоком тепла земных недр через его дно. В среднем по океану он составляет W₁ = 0.1 Вт/м² [8] и не менялся последние десятки миллионов лет. Оценим, за какое время такой поток энергии прогреет всю толщу океана (средняя глубина H = 3730 м), скажем, на ΔT = 1°C. Простая оценка дает: Δt₁ = cρHΔT/W₁ (здесь c — теплоемкость и ρ — плотность воды). Ответ: 5 тыс. лет. Не много, но сравнимо с длительностью ледниковых периодов. Это означает, что понижение стока холодных вод в глубь океана способно кардинально изменить его структуру: воды океана могут достаточно быстро прогреться теплом земных недр, пусть не повсеместно, но локально. Суть основной гипотезы статьи в том, что так оно и было. Исследование палеотемператур глубинных вод океана [5] показывает, что за последние 900 тыс. лет их потепление действительно опережало потепление поверхности на 11±5 тыс. лет.

Падение давления в океане из-за понижения его уровня и одновременный рост температуры воды нарушают равновесие твердых газгидратов (рис.7). Сегодня выход метана из подводных отложений приводит к его растворению в воде, затем окислению, и до поверхности выделяющийся на глубине метан почти нигде не доходит. Однако в застойном океане ледниковых периодов быстрый прогрев мог спровоцировать подъем метана к поверхности потоком пузырьков. Мало того что такое «вскипание» быстро пополняет концентрацию атмосферного СН₄, оно увлекает к поверхности теплые глубинные воды. Каждый килограмм метана, перешедший из газгидрата в атмосферу, выводит на поверхность примерно 1400 кг придонных вод. Вместе с одновременным компенсирующим погружением поверхностных холодных вод в других частях океана массовое шампанирование метана способно привести к внезапному глобальному потеплению. Во время ледниковых эпох холодная поверхность океана поглощала из атмосферы диоксид углерода. Поэтому пузырьковое выделение метана обогащает атмосферу сразу всеми парниковыми газами.

Такая концепция объясняет наблюдаемую последовательность максимумов при терминациях Т_I—Т_IX: действительно, вслед за метаном растет температура, последним наступает максимум диоксида углерода. Концентрация метана в атмосфере после максимума быстро убывает: во-первых, потому что при таянии ледников поднимается уровень океана, растет давление и прекращается разложение газгидратов; во-вторых, метан атмосферы окисляется в CO₂. Но чем же вызван резкий спад после максимумов (близких по времени) температуры и концентрации диоксида углерода? Повидимому, при максимальных значениях (2—4° и 280—300 ppm) происходило быстрое нарастание биомассы в океане, поглотившее избыток CO₂ и понизившее парниковый эффект. Но почему именно в океане, а не на суше?

Вернемся к рис.4. Как уже отмечалось, распределение вероятностей концентраций диоксида выявляет три максимума (у температуры два с половиной): два высоких при низких и средних значениях и один небольшой при высоком. Первые максимумы очевидно соответствуют выходу из ледниковых периодов. Второй максимум распределения [CO₂] и «вздутие» температуры соответствуют верхним состояниям при часто повторяющихся колебаниях между ледниковыми периодами и умеренными потеплениями (обратите внимание на два с половиной оборота при терминации Т_VI, при уходе в ледниковые периоды такие экскурсы часты). Единственное разумное объяснение совместных по времени максимумов при высоких значениях температуры и [CO₂] таково: на суше происходит массовое выгорание торфа и древесины, а диоксид не успевает усваиваться океаном. Этот процесс необязательно считать пожаром, возможен и бактериальный распад, быстрое гниение. После выгорания минеральные остатки разложения смываются дождями в море, где сразу начинается «цветение» биомасс.

У читателя, по-видимому, уже возник вопрос, насколько справедливой кажется сегодня теория Миланковича на фоне дополнений? Ответ таков: она верна статистически, климат действительно варьирует с периодами, близкими к 41 или 100 тыс. лет. Но механизм воздействия планет на климат, наверное, несколько иной. Юпитер, Венера возмущают орбиту Земли, меняют ее эксцентриситет, но есть еще одно небесное тело, влияющее на наш климат, — Луна. Возможно, Миланкович сознавал, что ее также следует учитывать, но, в отличие от движения планет, которое он мог рассчитать на миллионы лет назад, положение лунной орбиты удается предсказать на существенно меньшие времена.

Влияние Луны на земные процессы значительно. Начать с того, что сама прецессия земной оси наполовину вызвана Луной. Чандлеровское движение оси планеты находится в резонансе с колебаниями эксцентриситета лунной орбиты. Статистика подтверждает воздействие нашего спутника на осцилляции типа Эль-Ниньо и прямо на погоду [9]. В те периоды, когда под действием планетных возмущений возрастает эксцентриситет земной орбиты, одновременно растут эксцентриситет и наклон орбиты Луны. И если сегодня движение Луны отражается на погоде, то больший эксцентриситет при длительном действии мог быть триггером переворотов океана. Такое взаимодействие Луны с земным океаном усиливало бы планетные возмущения, учтенные Миланковичем. Приведенные соображения, конечно, требуют подробного исследования.

Что век грядущий нам готовит?

История палеоклимата поучительна, но, к сожалению, не дает нам весомых оснований для уверенного предсказания климата даже ближайшего будущего. Последние миллионы лет атмосфера никогда не находилась в состоянии, близком современному, не наблюдалось такой высокой концентрации СО₂, которая образовалась за последние 100 лет в результате развития энергетики. Парниковый эффект неизбежно будет нарастать минимум лет 20 просто в силу инерции экономики, использующей ископаемое топливо. Потепление климата продолжится, и следующее поколение увидит Ледовитый океан, полностью свободный ото льда в конце летнего сезона. Спровоцирует ли его потепление массовое выделение метана из газгидратов из отложений на его дне — неизвестно.

Строить климатические прогнозы далее 40—50-х годов текущего столетия, пожалуй, пока не стоит. Беспрецедентный рост концентрации диоксида углерода не дает океану возможности быстро найти новое равновесное состояние. Особенность современного состояния в том, что неустойчивость климата растет быстрее, чем само потепление. Температура земной поверхности выросла от доиндустриального уровня меньше чем на градус, но частота ураганов, наводнений и пожаров выросла за это время примерно вдвое. Какое состояние климата окажется устойчивым после стабилизации океана, сказать очень трудно.

Алексей Владимирович Бялко, доктор физико-математических наук, ассоциированный сотрудник Института теоретической физики им.Л.Д.Ландау РАН, первый заместитель главного редактора журнала «Природа». Область научных интересов — теоретическая физика, науки о Земле.



Литература

1. Milankovitch M. Kanon der Erdbestrahlungen und Seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem. Belgrade, 1941 (Canon of Insolation and the Ice Age Problem. Alven Global, 1998).
2. HITRAN (High Resolution Transmission) — открытая база данных Гарвард-Смитсоновского института, США (www.cfa.harvard.edu/hitran).
3. Lüthi D. et al. High-Resolution Carbon Dioxide Concentration Record 650.000—800.000 Years Before Present // Nature. 2008. V.453. P.379—382.
4. Loulergue L. et al. Orbital and Millennial-Scale Features of Atmospheric CH₄ Over the Past 800.000 Years // Nature. 2008. V.453. P.383—386.
5. Sosdian S., Rosenthal Y. Deap-Sea Temperature and Ice Volume Changes Across the Pliocene-Pleistocene Climate Transition // Science. 2009. V.325. P.306—309. См. в этом номере: Диоксид углерода в атмосфере раннего плиоцена. С.78.
6. Kennett D.J. et al. Nanodiamonds in the Younger Dryas Boundary Sediment Layer // Science. 2009. V.323. P.94. См. в этом номере: Мамонтов сгубила комета? С. 82.
7. Леин А.Ю., Иванов М.В. Цикл метана в океане. М., 2009.
8. Hofmeister A.M., Criss R.E. Earth’s Heat Flux Revised and Linked to Chemistry // Tectonophysics. 2005. V.395. P.159—177.
9. Сидоренков Н.С. Природа нестабильностей вращения Земли // Природа. 2004. №8. С.8—18.