Климатический оркестр

«Стоит четырехэтажный дом, в каждом этаже по восьми окон, на крыше два слуховых окна и две трубы, в каждом этаже по два квартиранта. А теперь скажите, господа, в каком году умерла у швейцара его бабушка?» — эту задачу бравый солдат Швейк предложил решить медицинской комиссии, проверявшей его психическое здоровье по системе Каллерсона и Вейкинга.

Задача, бесспорно, интересная, но по понятным причинам не решаемая: нужных для ответа данных в ней нет, а имеющиеся — даром не нужны. С задачами по предсказанию погоды и климата примерно та же история. Климатическая кухня, бурлящая в тончайшем (по сравнению с размерами планеты) слое гидро- и атмосферы, пожалуй, один из самых сложных процессов, с которыми знакомо человечество. Просчитать его трудно до невероятия. Система трехмерна, трехфазна (жидкость, твердое тело, газ), а главное, зависит от массы внутренних и внешних параметров, не всегда очевидных… К тому же любая задача может быть решена, только если она корректно сформулирована. А как ее правильно сформулировать? От чего зависит климат? Какие данные нужно ввести в задачу, какие избыточны, какими можно пренебречь для упрощения?

Солнечная радиация… Извержения вулканов… Общее поголовье овец на планете… Уровень развития экономики… Площадь полярных шапок…

Что из перечисленного влияет на климат? Какие из этих параметров лишние? Есть ли, помимо перечисленных, иные «влиятельные» параметры? Отвечаю в порядке поступления: все, никакие, есть.

Начнем с главного. Солнце. Ясно, что оно — главный виновник всего происходящего на планете погодно-климатического безобразия. Если б не этот желтый карлик, вся атмосфера планеты вместе с климатом и погодой осыпалась бы на стылую поверхность сухими снежными хлопьями замороженного газа.

Солнце не устает подкидывать исследователям сюрпризы. Скажем, всего пару десятилетий назад ученые полагали, что количество тепла, идущего от Солнца на Землю, уменьшается в периоды, когда на Солнце больше всего пятен (период повышенной «пятнистости» светила называется периодом солнечной активности). Это было вполне логичное допущение: темные пятна — области солнечной поверхности, в которых температура ниже окружающей, из-за чего они, собственно, и выглядят темными на фоне сияющего пространства. (Температура солнечных пятен почти вдвое ниже температуры «рабочей» солнечной поверхности.) Ну а раз много темных пятен, значит средняя температура солнечной поверхности ниже, и тепловой поток тоже… И только исследования последних лет доказали обратное.

Ровно светит Солнце или с колебаниями — интересовало ученых давно. Больше 100 лет назад в горах США были построены обсерватории, которые измеряли интенсивность тепловой радиации, излучаемой Солнцем. Но тогда уловить небольшие колебания теплового потока не удалось. Их открыли совсем недавно — в эпоху внеатмосферных исследований: в декабре 1978 года был запущен американский спутник «Нимбус-7». Этот космический труженик летал вокруг Земли целых 20 лет, наблюдая за светилом, и выяснил, что солнечная радиация не только колеблется, но и четко следует за солнечной активностью — когда на Солнце много пятен, Солнце «греет» больше и наоборот. А насколько больше?…

Разница межу максимумом и минимумом теплоотдачи примерно 2,5 Вт/м², то есть 0,15% от номинала. Копейки! Но этих копеек оказывается достаточно, чтобы изменить среднеземную температуру на несколько десятых долей градуса или даже на целый градус. Мало? Хватает для потрясения социальных основ, в чем мы убедимся ниже.

То, что Солнце периодически «болеет», покрываясь темными пятнами, было известно людям еще до изобретения телескопа. Китайцы открыли пятна на Солнце аж в 165 году до н. э. — тогда их было видно невооруженным глазом. И не только тогда! Периоды сверхвысокой солнечной активности случались и позже. Скажем, русские летописи в 1372 году отмечали аналогичное явление. С изобретением телескопа наблюдение солнечных пятен стало, что называется, делом техники.

Забавно, кстати, вышло с этим телескопом! В советских энциклопедиях вы можете встретить утверждение, что телескоп изобрел Галилей. Итальянские энциклопедии с этим, понятное дело, не спорят. Немцы в своих мнениях расходятся — германские энциклопедии дают две версии: 1) телескоп изобрел Кристоф Шайнер из Ингольштадта; 2) телескоп изобрел Давид Фабрициус из Вестерхафе, что в Восточной Фрисландии. Британская энциклопедия полагает, что телескоп изобрел Томас Хэрриот — англичанин, естественно. Но этот Хэрриот, изобретя телескоп и честно описав свое изобретение, забросил описание в стол, никому ничего не сказав. С англичанами так бывает. Скажем, англичанин Кавендиш открыл аргон, но, никому об этом не сообщив, кинул записки в стол, в результате аргон был открыт повторно на 100 лет позже, и слава «открывальщика» принадлежит Рамзаю.

Но кто бы ни изобрел телескоп, с инструментом дела пошли уже веселее. В самом начале XVII века темные пятна на Солнце наблюдали Галилео Галилей, Томас Хэрриот, Кристоф Шайнер, Давид Фабрициус… Позже немецким астрономом-любителем Генрихом Швабе была обнаружена знаменитая 11-летняя цикличность появления на Солнце пятен: каждые 11 лет количество пятен почему-то резко возрастало. Но тоже не всегда! Иногда Солнце вдруг словно бы забывало, что должно периодически активничать, покрываясь пятнами, и замирало в своем безмятежном ровном горении. Так, например, было во время маундеровского минимума, названного по имени английского астронома леди Маундер. Тогда за целых 70 лет (в период с 1645 по 1715 годы) на Солнце наблюдалось всего 50 пятен. В тысячу раз меньше обычного! Солнце было совершенно неактивным. Это было тяжелое для нашей планеты время. Средние зимние температуры упали на градус-полтора, а среднеглобальные — на полградуса.

Казалось бы, что такое полградуса в мировом масштабе? Да даже и полтора! Ну будет зимней ночью температура, вместо 15 градусов мороза, 16,5. Не велика разница! Однако климатическая система настроена так тонко, что среднеглобальное падение температуры всего по полградуса оборачивается большими погодными неприятностями «на местах». Полградуса, кстати, это ровно столько, насколько повысилась среднеглобальная температура за последний век. И это повышение заставило всех говорить о глобальном потеплении, таянии ледников, всемирном потопе… А в маундеровский минимум вполне можно было говорить о глобальном похолодании — это были самые холодные десятилетия за последние 2 тысячи лет.

Это было время Страдивари. В специализированном научном журнале «Дендрохронология» два американца опубликовали статью, в которой показали, что скрипки знаменитого итальянского мастера обязаны своим волшебным звучанием именно глобальному похолоданию. Антонио Страдивари родился аккурат в самом начале маундеровского минимума, а свои самые ценные инструменты создал с 1700 по 1720 годы. Первым обратил внимание на это совпадение климатолог Колумбийского университета Ллойд Беркль. Он решил проверить, как отразилось маундеровское похолодание на альпийских елях, из которых Страдивари делал свои скрипки. И обратился к дендрохронологу Генри Гриссино-Майеру.

Выяснилось, что в пятисотлетней истории альпийских хвойных лесов был период чрезвычайно замедленного роста. Вы уже догадались? Да, он пришелся как раз на маундеровский минимум. Везде — от Франции до Германии — ели, сосны, лиственницы с 1625 по 1720 годы росли буквально «через не могу» — на спилах видны очень плотные и узкие годичные кольца. «Плотное дерево звучит лучше!» — сделали вывод климатологи. Так суровые климатические условия благоприятно сказались на искусстве.

…Длинные зимы, прохладное лето. Знаем мы, где сейчас такие условия. Был бы жив Страдивари, он не стал бы делать скрипки из итальянской сосны, старику имело бы смысл заказывать российский лес. Made in Siberia.

Хорошо было Страдивари, он жил в Италии. Гораздо меньше повезло тем, кто жил чуток севернее. Самый страшный удар от маундеровского похолодания получили Финляндия, Швеция, Россия, Норвегия, Эстония — череда неурожайных лет выкосила в этих странах до 50% населения. В России тогда правил Петр Первый. Из его записных книжек нам известно о климатических аномалиях эпохи: первая осада Азова провалилась потому, что 1 октября 1696 года русские войска на берегу Азовского моря завалило снегом. Нынче в эту пору в Причерноморье только-только заканчивается бархатный сезон.

Забегая вперед, скажем, что начавшийся XXI век — век глубокого и продолжительного солнечного минимума, напоминающего маундеровский. Этот минимум должен наступить не позднее 25 солнечного цикла. Мы сейчас живем в 23-м. (С легкой руки директора Бернской обсерватории Рудольфа Вольфа, в честь коего и названы числа Вольфа, нумерация солнечных циклов ведется с середины XVIII века. Именно тогда начались регулярные наблюдения за солнечными пятнами.)

Наш 23-й цикл солнечной активности начался в 1996 году и должен закончиться в марте 2008 года. Следующий, 24-й цикл закончится в 2020 году, потом наступит 25-й. По прогнозам астрономов в этом цикле солнечная активность не превысит 50 единиц. Для сравнения: максимум 22-го цикла — 155 единиц; абсолютный максимум прошлого века, состоявшийся в 1957 году, — 190 единиц. Все, что меньше 100 — катастрофически мало.

Причем прогнозируемый учеными минимум солнечной активности продлится до конца столетия. В результате интенсивность солнечного излучения уменьшится настолько, что среднеглобальная температура снизится на те же полградуса, которые убили половину населения Европы в петровскую эпоху. И если вы думаете, что сейчас человечество защищено от голода и неурожаев лучше, чем 300 лет назад, то глубоко заблуждаетесь. «Запасайтесь гробами, сволочи!» — писал Зощенко… Как бы не пришлось нам бороться с глобальным похолоданием, вместо глобального потепления. Впрочем, о будущем мы еще поговорим в последней части книги.

Итак, мы выяснили, что на климат влияют колебания солнечной активности. Но разогрев поверхности планеты зависит не только от активности Солнца, но и от положения самой Земли, вспомним Гиппарха: «клима» — это уклон, угол. Другими словами, нагрев зависит от того, под каким углом планета повернет к звезде свою «макушку». С дошкольных лет каждый знает, что Земля крутится вокруг Солнца и вокруг своей оси. Период обращения Земли вокруг своей оси — 24 часа, а вокруг светила — 365 суток с копейками. Но эти два параметра — еще не все характеристики вращения планеты.

Ось вращения, проходящая через Северный и Южный полюсы, — та самая, о которую «трутся спиной медведи», — наклонена к плоскости обращения Земли вокруг Солнца под углом в 23,1 градуса. Поэтому школьный глобус всегда «кривой», и никогда вы не отыщете в продаже глобуса, железная ось которого, увенчанная черным пластмассовым шариком, победно торчащим из Северного полюса, была бы перпендикулярна вашему столу. Она всегда наклонена, поскольку отражает существующее в реальности положение планеты.

Земля вращается вокруг светила, подставляя Солнышку то Северный полюс, то Южный, отчего приключаются смены времен года — когда больше Солнца попадает на Северный полюс, случается лето в Северном полушарии, а когда на Южный — в Южном.

Но 23,1 градуса — это средний угол, под которым ось вращения планеты наклонена к плоскости эклиптики. Угол этот постоянно меняется, гуляет на полтора-два градуса. Это «гуляние» называется нутацией. Когда угол меньше, больше тепла попадает на «макушки», начинают таять полярные шапки. Когда, напротив, угол возрастает, больше тепла приходится на низкие, экваториальные широты и меньше на полярные. И полярные шапки разрастаются. Период нутации — 41 тысяча лет.

Цикл эксцентриситета (сжимание-расширение эллипса орбиты) — 93 тысячи лет.

А есть еще такая штука, как прецессия, — конусообразное колебание оси вращения планеты. Период колебания прецессии 23 тысячи лет… В музее бельгийского города Лир экспонируются удивительные механические часы. Они сделаны часовым мастером Луи Зиммером в 1935 году и состоят из нескольких циферблатов. На одном из циферблатов движется самая медленная стрелка в мире — период ее полного оборота как раз составляет 23 тысячи лет. Увидевший зиммеровские часы Эйнштейн был очень ими впечатлен и тепло поздравил мастера с созданием этого великого прикола…

Так вот, все перечисленные астрономические циклы есть не что иное, как циклы климатических колебаний. Астрономия — наука точная, как часы. И не очень сложная, кстати. Еще во времена Птолемея можно было предсказывать солнечные затмения на сотни лет вперед. Поэтому, казалось бы, зная, с какой точностью работают небесные шестеренки, можно легко предсказывать изменения климата. Увы. Инструменты климатического оркестра звучат какофонически. Колебания разной частоты сложным образом накладываются друг на друга, словно рябь, бегущая по большой волне, и образуют сложную картину возмущения. А уж если учесть, что не только астрономия влияет на климат, картина становится совсем зубодробительной.

Одним из самых первых и самых известных ученых, исследовавших влияние астрономических циклов на климат, был Милутин Миланкович — серб по национальности. В отечественной литературе его любят величать югославским ученым. Миланкович действительно умер в 1958 году в Югославии. Но родился он в конце XIX века в Австро-Венгерской империи, поэтому с тем же успехом его можно называть великим австро-венгерским ученым, тем более что учился он в Вене, а работал какое-то время в Будапеште. Миланкович занялся проблемой, которая волновала тогда буквально всех, даже русских революционеров, например, знаменитого анархиста князя Кропоткина.

Дело в том, что в XIX веке была открыта поразительная периодичность оледенений. Оказалось, что когда-то полярная шапка расползалась практически на всю Европу — чуть ли не до Черного моря континент был покрыт мощным ледниковым панцирем. И это открытие совершенно потрясло весь цивилизованный мир. Еще за 2-3 десятка лет до этого замечательного открытия, во времена Пушкина, люди с точностью до года знали, когда был создан мир: один из средневековых ирландских монахов, изучая священное писание, высчитал дату сотворения — 4004 год до рождества Христова. В России до 1700 года даже летоисчисление велось от сотворения мира. (Правда, россияне с тем ирландским монахом были не вполне согласны и вносили свою поправку: полагали, будто мир был создан за 5508 лет до рождества Христова.)

И вот представьте себе, после этой неторопливой эпохи шпаг и дуэльных пистолетов вовсю развернул свои плечи замечательный XIX век — век удивительных свершений, век револьвера, воздушного шара, Жюля Верна и паровоза, век, вскруживший человечеству голову успехами науки и техники. Биология указала людям на их предков — приматов. А геология — на истинный возраст мира: сотни миллионов лет.

Были, наконец, открыты следы грандиозного оледенения. На существование в Европе гигантского ледника указывали два геологических признака — ледниковые морены и глубокие параллельные борозды на поверхности долин. Надвигающийся ледник работает как бульдозер ковшом — сдвигает перед собою грунт, обломки горной породы. В результате перед «ковшом» этого «бульдозера» образуется вал. На местности этот вал представляет собой цепь холмов, которые так и назвали — ледниковые морены.

Кроме того, наползающий ледник тащит с собой острые куски горной породы, процарапывая этими камнями длинные борозды. Ледник работает словно гигантский наждак. Камни-резцы постепенно стираются, теряя острые грани и превращаясь в округлые ледниковые валуны.

Дальнейшие исследования геологов показали, что подобные наступления северных льдов — не разовая случайность, а периодическое явление. Естественно, это открытие всех думающих граждан страшно возбудило: если подобное уже было, не может ли оно случиться вновь? Ведь это означало бы конец цивилизации!… Так что интерес Миланковича к проблеме был вполне объясним. Всех тогда интересовала ледниковая проблема. Вот и анархист Кропоткин — весьма, кстати, разносторонняя личность — увлекался изучением ледниковых эпох.

Чем вызываются оледенения? Ответ на этот вопрос и стал искать Миланкович. Любопытно, что решение заняться этой проблемой пришло в голову молодого преподавателя Белградского университета по пьяни. Приятель Миланковича опубликовал сборничек своих самопальных виршей, и друзья решили отметить сие событие в небольшом белградском кафе. Поскольку денег у преподавателей было мало, отмечали дебют, попивая кофе. Но тут на счастье не мировой литературы, но мировой науки в кафе нарисовался ни много ни мало директор Белградского банка, имени которого неблагодарная история до нас не донесла. Он случайно услышал разговор и заинтересовался книжицей, стихи банкиру очень понравились, и он купил у поэта-дебютанта целых десять экземпляров брошюрки. Денег после этого события у молодых преподавателей стало, как вы понимаете, немерено, и они перешли на настоящее «отмечание» — заказали несколько бутылок вина.

После третьей бутылки приятель Миланковича решил написать поэму всех времен и народов, а Миланкович — «постичь всю Вселенную и донести луч света до ее отдаленных уголков», так, во всяком случае, он сам позже охарактеризовал свое состояние в мемуарах. Вселенную Миланкович не постиг, но зато взвалил на свои плечи решение загадки оледенений.

Идея Миланковича состояла в том, что решающее влияние на оледенение оказывает количество солнечного света, получаемого разными областями Земли. А оно, в свою очередь, связано с разными параметрами вращения и обращения планеты — нутацией, прецессией, циклом эксцентриситета. Представьте себе, что количество света и тепла, проливающегося на северные широты, уменьшается. Это значит, что снег с каждой весной все дольше остается на поверхности. А снег, как вы знаете, белый. То есть он хорошо отражает свет. То есть альбедо планеты (ее отражающая способность) повышается. И получается замкнутый круг, который в науке называется положительной обратной связью: чем меньше тепла и света, тем больше снега, а чем больше снега, тем меньше света и тепла достигает поверхности, потому что свет отражается от белой снежной поверхности. В результате этой положительной обратной связи Земля довольно быстро сваливается в совершенно иной климатический режим — ледниковый период.

Ледниковый период длится примерно 100 тысяч лет, а межледниковье — только 10—12 тысяч лет. Вся наша цивилизация — порождение краткого периода «оттепели», мы живем в последнем межледниковом периоде, который называется голоценом. И который, к слову сказать, уже практически закончился, и если бы не спасительное глобальное потепление… Впрочем, об этом мы еще поговорим, а сейчас вернемся к Миланковичу.

Австро-венгро-сербо-хорватский ученый, не имея компьютера, рассчитал приход солнечной радиации в различные сезоны и в разные широты земного шара. И сделал это настолько замечательно, что рассчитанные им тепловые потоки позже прекрасно совпали с большим количеством других — уже современных — данных о времени наступления ледниковых эпох. Ученые до Миланковича жарко спорили: какой тепловой поток важнее для климата — приходящийся на полярные или экваториальные широты?

Летний или зимний? Из теории Миланковича получалось, что важнее летний тепловой солнечный поток, поступающий в полярные широты. И это тоже потом блестяще подтвердилось.

Я, между прочим, не зря выше упомянул тот вполне очевидный факт, что Миланкович не имел компьютера. И сделал это исключительно для того, чтобы подчеркнуть величие научного подвига этого человека: целых 12 лет он рассчитывал приток солнечной радиации на разные широты Северного полушария. Зато благодаря заложенному им фундаменту теперь ясно, что именно параметры гелиоцентрической орбиты оказывают существенное влияние на климат Земли в диапазоне десятков и сотен тысяч лет.

А вот в геологических масштабах, то есть в масштабах десятков и сотен миллионов лет, важнейшим климатическим фактором является соотношение площадей суши и воды, если это вам интересно. Океаны — аккумуляторы тепла. Чем больше океанов — тем ровнее климат, тем меньше температурный контраст между экватором и полюсами.

Еще один интересный фактор, влияющий на климат, — средняя высота суши на планете. Здесь зависимость ясна: чем выше — тем холоднее. Сейчас средняя высота суши составляет 849 м. А когда-то она была равна 1,5 км. Но вопрос о тектонике литосферных плит и причинах движения земной коры не рассматривается в данной книге (хотя, возможно, войдет в следующую). Упомяну лишь, что сегодня средняя высота земной поверхности выше, чем была в мезозое, но ниже, чем в пермокарбоне.

Земля дышит, и эти геологические подвижки также оказывают влияние на климат: когда-то на Земле было гораздо теплее, чем теперь, а в иные времена — гораздо холоднее, чем даже в последний ледниковый период…

График климатических колебаний за последние 400 тысяч лет представлен ниже (рис. 1).

Длительные периодические провалы на графике — ледниковые периоды. Короткие тепловые вспышки — межледниковые периоды. На графике мы отчетливо видим четыре ледниковых периода и пять межледниковых. Мы живем в самом конце пятого. Обратите также внимание, как резко падает температура при сваливании климата в ледниковый режим. Каких-нибудь 500-1000 лет и планету уже не узнать… Нулем на вертикальной оси обозначена нынешняя климатическая норма. (Если быть точным и придирчивым, то уже не нынешняя, а климатическая норма середины XX века.) То есть график показывает не абсолютную температуру, а отклонения среднеглобальной температуры от современного уровня за 400 тысяч лет.

Однако нас с вами по понятной причине больше интересуют не десятки и сотни тысяч лет и уж тем более не миллионы, а тысячи и считанные сотни лет. То есть короткие климатические колебания, сопоставимые со временем существования цивилизации. А нашей цивилизации, напомню, около 5 тысяч лет. Иными словами, нас интересует та крохотная часть на графике, которая занимает половинку одного деления возле нуля на оси времени. И вот эти мелкие дрожания вокруг нуля на температурной оси.

Какие же факторы колеблют климат «по-мелкому»? И насколько вообще чувствительна цивилизация к мелким климатическим колебаниям? Одного фактора мы уже коснулись: совсем «по-мелкому» на климат могут влиять 11-летние колебания солнечной активности. Помимо 11-летних существуют и вековые колебания солнечной активности. Возможно, эти вековые колебания связаны с периодом обращения тяжелых планет. Кстати говоря, с теми же тяжелыми планетами связана и вулканическая активность на Земле, также влияющая на климат. Вулканы…

Поиск по сайту: