Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед

Интересно порассуждать на тему о том, можно ли было бы узнать об оледенениях континентального масштаба по страницам каменной летописи, если бы не сегодняшнее наличие на Земле многочисленных ледников. В начале девятнадцатого столетия некоторые европейские ученые поняли, что ледники, которые они могли исследовать в Альпах и других местах, когда-то в прошлом могли иметь гораздо большие размеры. Они пришли к этому заключению после того, как обратили внимание на то, что в районах, весьма отдаленных от современных ледников, встречаются отложения, очень похожие нате, которые можно наблюдать на краях активных ледников. В 1795 году Джеймс Хаттон, шотландский геолог, первый сформулировавший принцип актуализма, — печат-но высказал предположение, что странные «эрратические» (случайно разбросанные) валуны окрестностей

Женевы были, вероятно, принесены на свои нынешние места залегания и отложены там ледниками. Ближайшие к ним ледники находятся, как он писал, на расстоянии в десятки километров. (Хотя Хаттон этого не знал, но эти валуны были принесены с еще более удаленных ледников.) Но человеком, который более других ассоциируется с общим принятием идеи об оледенении континентального масштаба, является Луи Агассиз, швейцарский ученый, собравший информацию о ледниковых отложениях по всей Европе, а впоследствии и в Северной Америке. Скептик вначале, Агассиз убедился под давлением фактов, что значительная часть Северной Европы была в прошлом погребена под толстым покровом льда. Очень немногие из его современников согласились с этим — хуже того, несколько почтенных ученых того времени, давая — как им казалось — добрый совет сбившемуся с правильного пути молодому ученому, предложили ему вернуться к исследованиям ископаемых рыб, благодаря которым он уже успел заслужить репутацию первоклассного палеонтолога, прежде чем обратился к изучению ледников. Но Агассиз не отступил. Вместе со своим помощником он взбирался на неприступные горы, чтобы лучше видеть ледники, измерял скорость их движения, изучал морену (нагромождения гравия и валунов), отлагавшуюся на краях ледников. Собранные им факты оказались настолько убедительными, что в конце концов он одержал верх даже над сомневающимися. В 1847 году Агассиз переехал в Соединенные Штаты и стал там преподавателем в Гарвардском университете. Во время своих путешествий по северо-востоку этой страны он обнаружил множество признаков ледниковой активности. Агассиз страстно увлекся новой областью исследовании. Он был прекрасным, полным воодушевления лектором и самоотверженным учителем, призывавшим своих студентов учиться не только по книгам, но также и у природы, и хотя он продолжал работать и в области палеонтологи, но всеобщее внимание привлекли его популярные лекции о континентальных ледяных щитах. В знак признания его заслуг в этой области большое озеро ледникового происхождения, образовавшееся вдоль края отступавшего ледника около 12 000 лет назад, было названо озером Агассиз (рис. 12.3). Центр его располагался как раз в том месте, где сейчас находится озеро Виннипег, в канадской провинции Манитоба, и при своем наибольшем распространении оно занимало площадь, более чем в четыре раза превышавшую озеро Верхнее.

Работы Агассиза и других ученых показали, что Северная Европа, большая часть Великобритании, Канада и северная половина Соединенных Штатов были погребены под слоем льда толщиной в несколько километров в не слишком далеком геологическом прошлом (рис. 12.1). Эти первые исследователи не имели под рукой радиоактивных хронометров и других современных инструментов анализа, и они смогли прийти к заключению, что некогда на Земле был один грандиозный ледяной покров, вероятно, простирающийся от Северного полюса до обитаемых широт Европы и Северной Америки. Они указали на Гренландию как на аналог тех условий, которые они увидели в прошлом для окрестностей Эдинбурга или Монреаля. Сейчас мы знаем на основании деталей геологической летописи, что Ледяной Век прошлых нескольких миллионов лет был гораздо более сложным явлением. Мысль о том, что когда-то существовал единый ледяной щит, простирающийся на юг от полюса, была, конечно, неверной. На самом деле в Северном полушарии было много центров накопления льда в Северной Америке, Европе и Азии, от которых толща льда растекалась во всех направлениях. Мы знаем также, что происходили многочисленные наступления и отступления льда, причем через удивительно правильные интервалы, и что климат в высоких широтах колебался соответствующим образом — от близкого к теперешнему до крайне холодного. В северном полушарии растительные пояса — тундра на севере на границе со льдом, далее к югу — еловые леса, затем листопадные леса, шагающие по континентам то на север, то на юг, подобно многочисленным армиям, то наступающим, то отступающим по мере того, как в битве отступали или наступали ледники. Около экватора изменения были гораздо менее заметны, но в средних широтах они были поразительны. Самое последнее наступление ледников достигло своего максимума всего лишь около 20 000 лет назад. В это время льды простирались южнее Великих озер в Северной Америке и покрывали Скандинавию, Северную Европу, отдельные части северной России и большую часть Великобритании. Почти треть всей современной суши была под покровом льда. Такие же условия могут возобладать в не слишком отдаленном будущем, поскольку если прошлое может служить проводником в будущее, то наш современный теплый период скоро закончится. Тем не менее, поскольку мы точно не знаем, что именно вызывает оледенение, эта возможность все еще остается в значительной степени умозрительной.

Рис. 12.1. Карта мира, на которой показана область максимального распространения льдов во время последнего оледенения. Протяженность суши за пределами современной береговой линии во время этого пика оледенения, когда уровень океана был на 120 метров ниже, чем теперь, показана серым тоном. Обратите внимание на мост суши между Азией и Северной Америкой. Толстый ледяной покров над континентами показан косой штриховкой, а ледяной покров над водой — точками.

ЛЕДНИКОВАЯ ЛЕТОПИСЬ СУШИ

Как мы видели в предыдущей главе, содержание изотопов кислорода в морской воде зависит как от температуры океанов, так и от объема ледников на континентах. К счастью, как понижение температур, так и образование льда изменяют содержания изотопов в одном направлении, так что даже если оба этих воздействия нельзя разделить в деталях, время наступления ледниковых колебаний очень хорошо документируется. Внезапные изменения, которые произошли около 35 миллионов лет назад, близ границы эоцена с олигоценом, и снова в последние несколько миллионов лет (рис. 11.4), интерпретировались как отражение появления и быстрого роста полярных шапок в антарктическом и арктическом районах соответственно.

Лучше всего, конечно, документировано последнее оледенение в северном полушарии. Данные кислородно-изотопного анализа образцов из глубокого моря показывают, что оно началось уже всерьез около трех миллионов лет назад, и другие данные подтверждают этот вывод. Хотя геология ледниковых эпох уже давно имеет горячих почитателей, только в течение нескольких последних десятилетий были привлечены очень широкие по масштабу и международные силы, чтобы подробно изучить те климатические изменения, которые произошли во время «Великого Ледяного века», и понять их причины. Если существует хоть какая-нибудь надежда предсказать будущий климат и пертурбации его, вносимые деятельностью людей, то очень важно для этого понять хотя бы недавнее прошлое.

Продолжая традицию своих предшественников, геологи, впервые начавшие изучать ледниковые отложения Европы и Северной Америки, пытались организовать свои наблюдения в виде геологических последовательностей. У них еще не было радиоактивных часов, появившихся в последующие годы, и им приходилось полагаться на корреляцию (сопоставление) разных характеристик ледниковых отложений от одной местности к другой, чтобы создать основу в виде относительной временной шкалы. В большинстве мест каждая фаза наступающих ледников стирала признаки предыдущего оледенения, но в некоторых местностях исследователи смогли найти повторяющиеся слои ледниковых отложений, между которыми они нашли почвы, развившиеся в течение свободных ото льда межледниковых эпох, чтобы затем оказаться снова погребенными под нагромождениями обломков, оставленных во время следующего наступления ледника. В Европе и Северной Америке подробная запись этих событий указывала, по-видимому, на существование в прошлом четырех или пяти отдельных периодов, когда льды покрывали большую часть северного полушария. Каждый из них был назван, согласно освященной временем геологической традиции, по местности, где соответствующий геологический разрез особенно хорошо сохранился. Однако в противоположность более древним частям геологической временной шкалы, в Европе и Северной Америке были сохранены различные названия для, видимо, одних и тех же периодов времени — частично по той причине, что в ледниковых отложениях окаменелости встречаются редко и поэтому трудно было осуществить корреляцию отдельных эпизодов через всю Атлантику. В Северной Америке самое последнее наступление ледника названо Висконсинским оледенением; для большей части Европы одновременное с ним оледенение называется Вексельским. Оно началось около 130 тысяч лет назад, а конец его условно помещается на 10 000 лет назад, хотя, как показали данные кислородно-изотопного анализа (рис. 12.4), объем льда начал резко падать вскоре после ледникового максимума около 20 000 лет назад и продолжает уменьшаться вплоть до настоящего времени. Теперь мы знаем, что в течение современного Ледяного века было намного больше отдельных эпизодов наступания и отступания льда, чем четыре или пять, установленные первыми исследователями. По керну глубоководных скважин было установлено целых двадцать циклов. Этот керн, в отличие от ледниковых отложений на континентах, содержит практически непрерывную запись изменений климата на протяжении длинных периодов времени.

Выяснение последовательности последних нескольких наступлений и отступлений ледников на суше было трудным и кропотливым делом. Оно потребовало детального картирования отложений, оставленных ледниками, и поскольку, очевидно, было очень много местных вариаций поведения льдов — например, наступление в одном районе и одновременно отступление в другом, — не всегда легко, оказывается, коррелировать события на больших пространствах. Методика датирования, описанная в главе 6, оказала серьезную помощь, но даже и она не является панацеей, поскольку самый полезный метод — датирование с помощью изотопа углерода 14 — ограничен возрастом около 50 000 лет, который охватывает менее половины последнего ледникового цикла. Что касается большинства других методов, то остается вечная проблема датировки по осадкам, описанная в главе 6: в ледниковых отложениях, как правило, отсутствуют компоненты, образовавшиеся во время выпадения осадка. Это значит, что показатели возраста, измеренные, скажем, для галек в ледниковой морене, не имеют ничего общего со временем оледенения, а представляют время образования материнской (коренной) породы. Но геологи — народ изобретательный, и ими был найден целый ряд других методов, позволяющих измерять возраст ледниковых образований. В западной части Соединенных Штатов вулканы Каскадного хребта (Каскэйд-Рэйндж), например гора Святой Елены, за последние несколько миллионов лет периодически извергались, и тучи пепла, выброшенные во время крупных извержений, оставляли тонкие слои в ледниковых отложениях всего Запада и Среднего Запада Соединенных Штатов. Эти прослои можно датировать с помощью обычных методов и даже проследить их до их материнских вулканов. Было также открыто, что та самая бомбардировка космическими лучами, которая образует в атмосфере углерод 14, достигает и земной поверхности, хотя и в более слабой форме, и образует радиоактивные изотопы в горных породах. Когда свежерасчищенная коренная порода выходит на дневной свет после погребения под толстым слоем льда, она подвергается облучению этим космическим излучением, и то количество радиоактивных изотопов, которое накапливается в таких образцах породы, является мерой времени, прошедшего после того, как порода освободилась от ледяного покрова. Впоследствии было разработано несколько других более тонких методов датировки, в результате применения которых была построена точная хронология циклов оледенения.

Но что собой конкретно представляют те особенности каменной летописи, которые картируются и датируются, чтобы определить степень и время оледенения в далеком прошлом? Среди них наиболее распространены отложения продуктов разрушения пород ледниками, как, например, ледниковая морена, валунные глины и эрратические валуны — то, что можно наблюдать и сейчас около современных ледников. Эрратические валуны, как показывает их название, сложены горными породами, не имеющими никакого сходства с коренными породами данной местности, в которой они найдены, — например, большие обломки гранита в регионе, где встречаются только известняки. Первые наблюдатели, понимая, что такие валуны должны были иметь свой источник вдали от своего теперешнего местоположения, думали, что они были принесены водой во времена библейского потопа. Джеймс Хаттон, как уже указывалось, одним из первых предположил, что они были принесены ледниками. Валунная глинка, или тиль, — это общий термин, обозначающий неотсортированную смесь обломков пород разного размера — от тонкозернистой почвы и глины до гравия и валунов, — принесенных и отложенных ледниками. Тиль очень распространен по всей северной Европе, северной части Соединенных Штатов и в Канаде и особенно там, где он был рассортирован водными потоками, является источником ценного побочного продукта ледников — песка и гравия, используемых в строительстве. Морена представляет собой тиль, нагроможденный в виде отчетливых насыпей, образовавшихся вдоль краев ледника. Их размеры позволяют представить себе огромность ледников: например, большая часть острова Лонг-Айленд в Нью-Йорке сложена мореной. Эти созданные ледником насыпи определяют и приятный пологий рельеф местности, столь обычный в большей части района Великих озер в Северной Америке.

Большая часть тиля, отложенного огромным континентальным ледяным щитом, происходит из весьма отдаленных источников. Ледники, медленно расплывающиеся во все стороны из регионов с максимальной толщиной ледяного покрова, соскребали по пути всю существовавшую тогда почву и даже часть коренных пород. Таща под собой гравий и обломки пород, они действовали наподобие гигантских листов наждачной бумаги, протягиваемых по местности, сглаживая рельеф в одних местах и подчеркивая его в других, где более мягкие породы были содраны и унесены, а более твердые остались на месте. Оставшиеся после такой обработки ледниковые царапины и штрихи все еще видны на обнаженных поверхностях твердых пород или в рельефе и в наши дни; их размеры колеблются от нескольких сантиметров до нескольких километров или даже больше. Используя аэрофотоснимки и спутниковые фотографии, геологи нанесли на карты ориентировку этих отметок и длинные насыпи моренных отложений, некоторые из которых протягиваются на сотни километров, чтобы выяснить направления течения льда и определить территории с наибольшей толщиной ледяного щита. Такого рода исследования показали, что существовало множество центров — даже в пределах одного континента, например Северной Америки. Когда в каждую межледниковую эпоху льды начинали таять и отступали к таким центрам, они оставляли после себя свой груз песка, гравия и «муки» из дробленых обломков пород и эрратических валунов, а многие местности, находившиеся до этого под покровом ледника, оказывались погребенными под слоем тиля.

В качестве интересного примечания к изучению ледниковых тилей, или валунных глин, отметим, что в нескольких местах на территории Соединенных Штатов они, как оказалось, содержат алмазы. В штатах, расположенных непосредственно к югу от Великих Озер, близ южной границы распространения великих ледяных щитов, в ледниковых отложениях было найдено около восьмидесяти алмазов разного размера. Первые из них были открыты более ста лет назад и очень скоро был сделан вывод, что их принесли ледники откуда-то с севера. Алмазы образуются в глубинах Земли, на глубине 200 километров или более, и выносятся на поверхность вместе с редкими магматическими породами, называемыми кимберлитами. Существование алмазосодержащих тилей говорит о том, что где-то к северу от области Великих Озер существуют выходы кимберлитов — вероятно, поблизости от Гудзонова залива или залива Джеймса. Хотя с тех пор здесь были проведены тщательные поиски на большой территории, никаких признаков кимберлитов не было найдено. Так что где-то в Канадской тундре ждут своего открытия месторождения алмазов.

Лед — не особенно твердый материал, тем не менее трехкилометровая толща льда создает огромную нагрузку на земную кору. Подобно тому как удаление вещества путем эрозии с горных областей вызывает поднятие земной коры (см. об этом в главе 4), увеличение их веса заставляет кору погружаться. Поверхностные породы центральной Гренландии в наши дни грузом лежащей на них ледяной шапки опущены вниз до уровня моря. Плотность льда составляет приблизительно одну треть от плотности пород мантии, поэтому добавление трехкилометрового слоя льда к коре должно вызывать в качестве компенсации опускание ее приблизительно на один километр в нижележащую мантию. В действительности это воздействие может быть и не таким значительным, поскольку мантия, хотя и поддается, является очень вязкой. Поэтому реакция на изменение массы ледникового льда как при погружении, так и при всплытии будет медленной. Тем не менее в Скандинавии, в Северной Америке, вокруг Гудзонова залива, и в других областях с толстым ледяным покровом во время максимума накопления льда кора находилась под особенно большим давлением. По мере отступления льда во время нынешнего межледникового периода кора снова начала подниматься, но медленно. В некоторых местах это поднятие, связанное с отступлением ледника, все еще продолжается. Хотя по мере таяния больших ледниковых щитов уровень океана также быстро поднимался, в большинстве местностей суша освобождалась ото льда быстрее и продолжала подниматься даже после исчезновения льдов, часто образуя при этом ряд приподнятых террасообразно пляжей, прежних береговых линий, которые сейчас располагаются высоко над уровнем моря. Подобно другим характеристикам оледенения, эти бывшие береговые линии были тщательно нанесены на карту и прекрасно показывают, где находились места с наибольшей толщиной ледяного покрова, поскольку они представляют собой области наибольшего погружения, которые именно поэтому оказались наиболее приподнятыми над уровнем моря. Во многих случаях эти приподнятые берега были датированы с помощью изотопа углерод 14 и кусков дерева или другого органического материала, который был на них найден, и по этим данным оказалось возможным рассчитать скорость поднятия. Классическим примером, показанным на рис. 12.2, является Скандинавия. С помощью карт приподнятых берегов и других особенностей были построены овальной формы изолинии высоты поднятия коры, которое произошло после таяния здесь всего льда, что произошло около 10 000 лет назад и все еще продолжается.

Рис. 12.2. Приподнятые над уровнем моря древние береговые линии и другие признаки указывают на то, что земная кора на территории Скандинавии значительно поднялась за счет таяния ледяного покрова после последнего ледового максимума. Изолинии показывают величину поднятия в метрах и ясно показывают области, где накопление льда было наибольшим. Приводится с изменениями по рисунку 19-30 из книги: Ф. Пресс и Р. Сивер. «Земля», 4-е изд. Изд-во «В. X. Фримэн и Компания», 1986. 

Заслуживают упоминания еще два дополнительных следствия самого последнего оледенения, которые сформировали облик суши. Одним из них является широкое распространение лёсса — тонкозернистого, отложенного ветром осадка, который покрывает значительные части континентов, а вторым — странные ландшафты, указывающие на гигантские по масштабу наводнения.

Происхождение лёсса — задача сложная, но все отложения этого своеобразного осадка, которые были тщательно изучены, произошли, по-видимому, в периоды наибольшего похолодания. Некоторые лёссы представляют собой просто переотложенную ветром каменную муку из пород, раздробленных ледниками, другие имеют иное происхождение. Во время оледенений внутренние части континентов, расположенные в средних и даже низких широтах, были холоднее и более безводны, чем сейчас, и во многих случаях беднее растительностью. Системы ветров также были, вероятно, более мощными. В результате мы имеем более сильную эрозию и перенос больших количеств тонкозернистого материала. Мы знаем, что увеличение содержания пыли в атмосфере по своей интенсивности носило глобальный характер, поскольку исследование керна скважин, пробуренных во льду в Антарктиде и Гренландии, показало, что слои, соответствующие ледниковым максимумам, являются более «пыльными», чем другие части разреза скважин. Самые знаменитые лёссовые отложения встречаются в Китае, где служащие жилищами людей пещеры были вырезаны в толще лёсса мощностью в несколько сот метров. Детали флуктуации тонкослоистой текстуры лёсса при ледниковом климате, очень похожие на текстуры глубоководных морских осадков, рассматриваются в следующем разделе.

По мере отступления ледяных щитов северного полушария после максимума Висконсинского оледенения вдоль их южных окраин образовались озера талой воды, как, например, озеро Агассиз. Их сток постоянно изменялся по мере отступления льда (а иногда на короткое время и возобновляющегося наступления) и компенсационного поднятия коры в ответ на исчезновение ледников и образования новых русел рек, прорезывающих барьеры из коренных пород. Время от времени глубокие озера прорывались через естественные плотины или другие препятствия, находя себе новые русла для стока, результатом чего были катастрофические наводнения. Одно из таких событий образовало ледниковое озеро на территории нынешней восточной части штата Вашингтон на западе Соединенных Штатов. Здесь в промежуток от 16 до 12 тысяч лет назад большое озеро Миссула прошло через несколько циклов наполнения, прорыва ледяного барьера и излияния огромных масс воды на запад через базальты Колумбийского плато и в реку Колумбия. Во время этих событий мощные потоки прорыли каньоны в коренных породах, вырезали огромные котловины и оставили после себя формы рельефа, похожие на гигантскую рябь с «волнами» высотой свыше 5 метров, разделенными промежутками в 100 метров. Этот район, подвергшийся воздействию ледниковых наводнений, получил название Ченнэлд-Скэйблэндз (Channeled Scablands), что приблизительно означает «земля, изрытая каналами и покрытая струпьями» — название, которое отражает уникальный характер рельефа. Его особенности долгое время ставили в тупик геологов, особенно тех, кто были до такой степени привержены идеям Хаттона об актуализме, что не были в состоянии понять периодически развивающиеся события катастрофического характера, формирующие ландшафт, но в конце концов их происхождение было разгадано. Впоследствии были открыты следы и других сверхнаводнений, связанных с отступлением ледовых шапок, как в Евразии, так и в Северной Америке. Вероятно, самое крупное из таких наводнений произошло около 8000 лет назад, когда озеро Агассиз, к тому времени соединившееся с другими озерами, располагавшимися вдоль края таявшего Канадского ледяного щита (рис. 12.3), внезапно прорвало ледяную преграду и вылилось на север в Гудзонов залив. Хотя скорость этого процесса неизвестна, объем вылившейся воды был огромен: по оценкам ученых, в результате этого наводнения уровень всего Мирового океана повысился на 20-40 сантиметров!

Рис. 12.3. Карта, показывающая расположение отступающего Севере-Американского ледяного щита (точечный узор), каким он был 8500 лет назад. Огромное сплошное озеро (темно-серый фон), включающее воды озера Агассиз и других более мелких озер, было подпружено вдоль южного края ледяного покрова. Около 8000 лет назад эти воды прорвали распадающийся ледник и влились в Северную Атлантику через Гудзонов залив. Расположение льдов и озера показаны на основе информации из книги А. Г. Даусона «Оледенение Земли». Изд. «Раутледж», 1992.

ХРОНИКИ ОЛЕДЕНЕНИЯ В ГЛУБОКОМ МОРЕ И В САМОЙ ТОЛЩЕ ЛЬДА

Как уже отмечалось выше, именно в океанах сохранилась наиболее непрерывная хроника изменений климата в ледниковый период. Даже в тропиках, вдали от прямого влияния полярных ледяных шапок, осадки обнаруживают особенности, которые тесно связаны с циклами наступления и отступления ледников. В сущности, только после того, как длинные керны морских осадков стали доступными для исследования, стало возможным расшифровать истинные подробности Великого Ледяного века. Хотя в этих осадках заключено много указаний на изменения ледникового климата, пожалуй, наиболее ценным признаком является хроника кислородно-изотопного состава морской воды.

Живущие в океане организмы, строящие свои раковины из карбоната кальция, запечатлевают в изотопном составе кислорода особенности окружающей их морской воды, тем самым регистрируя сигнал, отражающий как температуру воды, так и количество воды, которое было связано ледниковыми льдами. Графики, подобные приведенному на рис. 11.4, показывают, что последние несколько миллионов лет были временем постоянного уменьшения как объема Мирового океана, так и его температуры. Но в то же время, как видно из графика на рис. 12.4, хроника событий оказывается гораздо более сложной, если горизонтальный масштаб растянуть, чтобы увидеть подробности последних нескольких сотен лет.

В этом рисунке есть несколько интересных особенностей. Первой из них является закономерность: содержание изотопов кислорода в воде в последние полмиллиона лет повторяется удивительно систематическим образом, отражая существование циклов наступания и отступания льдов. Здесь показано только пять ледниковых периодов, но если этот график продлить в прошлое до почти трех миллионов лет, то оказывается, что характер графика сохраняется. Он указывает на существование периодического чередования холодных и теплых периодов. Длина (продолжительность) циклов, показанных на рис. 12.4, составляет по грубой оценке 100 000 лет. Для более древних частей графика эти циклы оказываются несколько короче, но несмотря на это, очевидно, что какой-то фактор очень регулярно влияет на климат Земли. Есть определенный ритм в последовательности ледниковых периодов, который должен управляться влиянием какого-то фактора, который изменяется сходным образом. Насколько сейчас известно науке, единственное объяснение, которое кажется приемлемым, состоит в том, что эта причина находится вне Земли и, вероятно, связана с колебаниями количества энергии, получаемой Землей от Солнца.

Рис. 12.4. Регулярные изменения изотопного состава кислорода в раковинах донных организмов отражают изменения температуры океана и объема льда за последние 600 000 лет. Положительные значения на этом графике соответствуют холодным, ледниковым периодам, а отрицательные — межледниковым эпохам. Фактические данные, полученные из кернов глубоководных скважин, позволяют продлить график влево гораздо дальше, чем показано здесь, и свидетельствуют о существовании в прошлом многочисленных дополнительных ледниково-межледниковых флуктуации.

Второе важное наблюдение, которое можно сделать, рассматривая рис. 12.4, состоит в том, что последние пять похолодании были значительно длиннее по своей продолжительности, чем межледниковые эпохи, и что начало теплых периодов обычно очень резко следовало за временем наибольшего распространения льда. Если современный нам межледниковый промежуток следует закономерности последних нескольких таких интервалов, нам не придется долго ждать следующего ухудшения климата, несмотря на тот факт, что Висконсинский ледниковый максимум произошел всего лишь 20 000 лет назад. Причины внезапного начала и короткой продолжительности межледниковых эпох неизвестны.

Вплоть до этого момента в нашем обсуждении проблем чередования оледенений и потеплений принималось, что изменения содержания изотопов кислорода надежно документируют изменения средней мировой температуры и величины площади ледников. Но так ли это? Есть ли какой-нибудь способ независимой проверки этого утверждения? Один из самых убедительных примеров подтверждающих данных происходит из, казалось бы, невероятного источника — тропических кораллов. Коралловые рифы растут очень близко к поверхности моря. Если уровень моря поднимется на несколько метров, то кораллы умрут — но поверх них, ближе к поверхности воды, растут все новые и новые. Путем непрерывного нарастания все выше и выше рост рифов идет в ногу с подъемом уровня моря, поэтому кораллы являются хорошим индикатором прошлых уровней моря. В некоторых местах, например в Карибском море, такие коралловые рифы были разбурены скважинами и их керн изучен. С помощью радиоуглеродного и ряда других методов был определен возраст разных частей керна. Кораллы, жившие близ поверхности моря тысячи лет назад, сейчас находятся на глубине в десятки метров, погребенные в рифе под толщей своих потомков. Измеряя их возраст и глубину, на которой они сейчас находятся, можно построить график зависимости их возраста от глубины (рис. 12.5). Он показывает, что самый последний момент низкого уровня моря совпадает со временем ледникового максимума, определяемого по данным изотопно-кислородного анализа, что соответствует возрасту около 20 000 лет. Он также показывает, что за последние 20 000 лет было два или три раза, когда уровень моря поднимался очень резко, почти мгновенно в геологическом масштабе, вероятно, в ответ на особенно быстрое таяние ледяных щитов. За последние 20 000 лет океаны поднялись более чем на 110 метров, покрыв очень обширные области, бывшие сушей в периоды максимальных похолоданий.

Рис. 12.5. За последние 20 000 лет за счет таяния континентальных льдов уровень моря поднялся почти на 120 метров. Этот график, построенный на основе изучения ныне находящихся под водой кораллов, показывает, что во время подъема уровня моря было по крайней мере три периода времени, когда подъем происходил очень быстро — около 14 000 лет назад, 11 500 лет назад и снова около 7600 лет назад. Таяние ледяных шапок Гренландии и Антарктиды подняло бы уровень моря еще на 65 или 70 метров. Приводится с изменениями по рисунку 3 из статьи П. Бланшона и Дж. Шоу в журнале «Джиолоджи», том 23, стр. 5. Геологическое общество Америки, 1995.

Хотя изменение содержания изотопов кислорода в морской воде в прошлом дали, вероятно, самую подробную информацию о смене ледниковых циклов, чем любой другой ряд фактов, они все же не являются единственным указателем, содержащимся в океанических осадках. Ископаемая летопись планктона, например, показывает, что — как и следовало ожидать — интервал времени, в течение которого существовали тепловодные виды, во время наступания ледников сокращался, а в межледниковые эпохи расширялся. Некоторые виды, менее выносливые по отношению к низким температурам, во время ледниковых периодов вымирали. Зерна пыльцы растений, приносимые в океаны реками и ветром и сохранившиеся в осадках, также содержат богатую информацию о климатических условиях во время ледниковых циклов. Изучение пыльцы, сохранившейся в керне из отложений вдоль западных берегов Северной Америки и в других местах, показывает, что состав растительности в каждой конкретной местности изменялся в ногу с циклами, определяемыми по изотопам кислорода. Взятые в совокупности, эти различные количественные признаки, характеризующие морские осадки, дали гораздо более ясную картину колебаний климата в течение Великого Ледяного века, чем можно было представить из данных, полученных только на суше. А совсем недавно к арсеналу средств исследования оледенений добавился новый источник данных — сам лед. Как в Антарктиде, так и в Гренландии в самой ледниковой шапке были пробурены глубокие скважины. Даже в очень холодной Антарктиде резкие колебания температуры между зимой и летом достаточны, чтобы в накапливающемся льду возникали годичные слои, так что керн, взятый с разных глубин, может быть датирован очень точно, путем мучительно-занудного подсчитывания этих слойков. Самые глубокие скважины, пробуренные во льду, охватывают два цикла оледенения до времени около 250 000 тысяч лет назад. Определение содержания изотопов кислорода в керне является дополнительным методом по отношению к замерам в морской воде. Кроме того, ледяной керн содержит и другую информацию, которую нельзя получить по данным отложениям. Мы уже упоминали данные о «запыленности» атмосферы, но, возможно, самый ценный метод состоит в прямом определении состава атмосферы. При нарастании слоев льда последний захватывает крошечные пузырьки воздуха и путем тщательного извлечения его из образцов керна скважин геохимики могут реконструировать колебания состава атмосферы в прошлом. Одним из особенно интересных результатов этих исследований является наблюдение, показывающее, что в прошлом происходили флуктуации концентраций двух парниковых газов — углекислого газа и метана, которые, возможно, влияли на флуктуации температуры. Концентрация этих газов систематически колебалась в соответствии с циклами вариаций содержания изотопов кислорода, причем их концентрация в атмосфере была гораздо ниже средней в холодные периоды и выше во время межледниковых. Являются ли они причиной или следствием — об этом все еще горячо спорят.

ЧТО ВЫЗЫВАЕТ ГЛОБАЛЬНЫЕ ОЛЕДЕНЕНИЯ?

Знай мы ответ на этот вопрос хоть сколько-нибудь точно, многим ученым, работающим сейчас над его разрешением, пришлось бы сосредоточить свою творческую энергию на других проблемах. Говоря откровенно, в настоящее время достигнуто довольно хорошее понимание относительно общего комплекса условий, которые необходимы или, по крайней мере, достаточны, чтобы ввергнуть Землю в новое оледенение. Что менее ясно, так это природа явления, которое играло роль спускового крючка, заставлявшего Землю с такой регулярностью метаться между теплыми и холодными периодами на протяжении последних нескольких миллионов лет. Нет недостатка в идеях по этому вопросу, но ни один единый механизм так и не появился в качестве общего фаворита. Но что представляется очевидным в результате накапливающихся данных, так это то, что должен существовать ряд сложных взаимодействий и обратных связей среди нескольких различных факторов, каждый из которых в отдельности не в состоянии запустить наблюдаемые явления, работая же в согласии, весь этот комплекс факторов может. Не так уж много вариаций факторов требуется, чтобы нарушить равновесие. В глобальном масштабе различия между температурами ледниковых и неледниковых эпох могут составлять только несколько градусов Цельсия, самое большее — десять.

Одной из особенностей оледенения, которую давно поняли, но которая после открытия тектоники плит приобрела большое значение, является тот факт, что полярные ледяные шапки не могут образоваться в открытом море. Даже если другие факторы вызывают охлаждение планеты, все же крупномасштабное оледенение может начаться только при наличии какой-нибудь суши в высоких широтах. То обстоятельство, что крупный Антарктический континент располагается как раз вокруг южного полюса, является, без сомнения, причиной того, что нынешняя ледяная шапка вокруг Южного полюса образовалась раньше, чем аналогичная шапка северного полушария, и сохраняется в качестве крупной географической структуры даже в течение теплых межледниковых эпох вроде современной. Для всех других эпох прошлого всякий раз, когда обнаруживаются признаки обширного оледенения, реконструкции расположения континентов неизменно показывают наличие больших массивов суши близ полюсов. Например, все южные континенты, которые были когда-то частями Гондваны — Индия, Австралия, Антарктида и Южная Америка, — содержат отложения ледникового тиля (валунной глины), в них найдены ледниковые шрамы в коренных породах и другие признаки ледяного покрова, относящегося к позднему палеозою, то есть между 250 и 300 миллионами лет. Именно в это время Гондвана располагалась над Южным полюсом. Таким образом, для начала Ледникового века необходимо наличие континента в высоких широтах, но столь же необходимы еще два фактора — обильные снегопады и низкая температура, особенно летом. Парадоксально, но первое из этих условий требует умеренно теплых океанских вод, по крайней мере в средних широтах, чтобы обеспечить испарение и поступление атмосферной влаги для осаждения в полярных районах. Как уже упоминалось в главе 11, одна из гипотез, выдвинутых для объяснения начала оледенения в северном полушарии, утверждает, что образование Панамского перешейка около трех миллионов лет назад отвело теплые воды Атлантического океана к северу и увеличило осадки в восточной Канаде, Гренландии и Скандинавии — трех из числа главнейших центров мощных накоплений льда. Но даже участившиеся снегопады не смогли бы запустить механизм глобального оледенения, если бы весь накапливающийся лед стаивал бы летом. Температура должна была быть достаточно низкой, чтобы происходило накопление ледовой массы.

Средние температуры любой местности на поверхности Земли контролируются множеством факторов, но в глобальном масштабе важными факторами являются, во-первых, сколько энергии Земля получает от Солнца, а во-вторых, сколько ее задерживается океанами и атмосферой и не излучается обратно в космос. Задолго до того, как стало известно, что Земля переживала регулярно повторяющиеся периоды наступления и отступления ледников, математики и астрономы показали, что количество энергии, получаемой от Солнца в каждой конкретной местности, должно было в прошлом колебаться закономерным образом в результате воздействия некоторых особенностей вращения Земли по орбите. Разработку астрономической теории оледенения принято приписывать Милутину Миланковичу, югославскому математику, жившему в 1879-1958 годах. И действительно, он детально развил эти идеи и изложил их в современной форме. Но еще до работ Миланковича другие исследователи высказывали предположение, что оледенения могли быть результатом орбитальных изменений, вызывавшим уменьшение количества падающей на Землю солнечной энергии. Вероятно, самым выдающимся из них был шотландский интеллектуал Джеймс Кролл, который впервые опубликовал свои идеи в 1864 году. О Кролле рассказывают интересную историю: когда появилась в печати его статья об оледенении, этот человек-самоучка работал швейцаром. Это была одна из его нескольких профессий, которые он использовал, когда работал или писал по ряду тем. В конце концов его талант был признан и он был направлен на работу в Геологическую службу Шотландии, но по мере того как шло время, его идеи о Великом Ледниковом веке пользовались все меньшим и меньшим доверием. Против него выдвигались разнообразные возражения, в первую очередь тот факт, что изменения получаемой Землей солнечной энергии, вызванные орбитальными вариациями, казались слишком малыми, чтобы объяснить значительные климатические изменения.

Спустя долгое время после смерти Кролла, когда его идеи были почти забыты, Миланкович начал свои математические исследования орбитальных вариаций Земли и их влияния на климат. Его первая работа была опубликована в 1920-х годах, причем все его вычисления были проделаны вручную — жуткая работа. Миланкович кропотливо рассчитал вариации количества солнечной энергии, получаемой Землей в северном полушарии за последние 650 000 лет. В своих вычислениях он (а после него и другие исследователи) принимал, что мощность солнечного излучения в течение этого периода оставалась постоянной. Этот аспект теории Миланковича стал предметом споров, поскольку даже малые изменения солнечного энергопроизводства могли бы иметь значительные последствия для Земли. Но даже при постоянной мощности солнечного излучения Миланковичу пришлось рассмотреть три различных механизма, благодаря которым количество падающей на Землю энергии могло колебаться: во-первых, мелкие регулярные изменения угла наклона земной оси относительно плоскости орбиты; во-вторых, незначительные изменения формы земной орбиты, которые приближают или удаляют Землю от Солнца в крайних точках орбиты; и в-третьих, медленное вращение земной орбиты, которое постепенно сдвигает время нашего наибольшего приближения к Солнцу с зимы на лето и обратно. Все эти вариации действуют в разных масштабах времени, то усиливая, то ослабляя друг друга, но главное — это то, что они действуют регулярно. Как и более ранняя работа Кролла, вычисления Миланковича вызвали сильное волнение при своей первой публикации, после чего последовал шквал работ, пытающихся связать известные ледниковые отложения с циклами Миланковича. Однако, следуя судьбе идей Кролла, работа Миланковича несколько потускнела по мере выдвижения против нее ряда возражений. Но эта ситуация резко изменилась, когда геологи получили возможность собирать и исследовать керны глубоких скважин, пробуренных в дне океанов. Как мы видели выше, осадки, отложившиеся в море за несколько миллионов лет, содержат удивительно регулярные вариации целого ряда характеристик, которые оказались связанными с циклами оледенения.

В последние годы вычисления Миланковича были повторно выполнены с помощью компьютера. Это позволило внести в них ряд уточнений, но главные его результаты остаются теми же. И хотя остается возражение, что изменения получаемой от Солнца энергии, обусловленные этими циклами, сами по себе недостаточно велики, чтобы запустить или привести к концу периоды оледенения, тот факт, что математическое моделирование климатов прошлого, которое включает вычисленные Миланковичем вариации, довольно хорошо согласуется с реальными фактическими данными, убедило большинство ученых, работающих в этой области, что астрономические факторы каким-то образом все же работают, может быть, действуя в качестве спускового механизма, могущественной соломинки, которая ломает верблюду спину, когда все остальные факторы действуют совместно в одном направлении.

Циклы Миланковича показывают, как солнечная энергия, получаемая Землей, изменялась во времени, но сколько этой энергии удерживалось? Этот вопрос оказался даже более сложной задачей, чем вычисление орбитальных вариаций, поскольку решение ее зависит, среди прочих факторов, от распределения суши и моря, от характера поверхности суши и от состава атмосферы. Например, морская вода поглощает большую часть получаемой солнечной энергии, но лед или пустыни отражают значительную часть ее. Поэтому континентальные ледяные шапки создают положительную обратную связь, отражая солнечную энергию и еще больше охлаждая планету уже одним своим наличием. Но если ледяные шапки появляются в высоких широтах, где количество падающей солнечной энергии на единицу площади в данном месте гораздо меньше, чем в тропиках, то таким образом охлаждающее действие расположенных в высоких широтах ледников может быть нейтрализовано распределением суши при обширных океанах и небольшим числом континентов на низких широтах. Однако изменения распределения континентов относительно полюсов происходят очень медленно, и хотя они должны влиять на чувствительность Земли к вариациям других параметров, они не могут объяснить быстрые колебания между условиями ледниковых и межледниковых эпох Великого Ледникового века.

С другой стороны, состав атмосферы подвергается существенным изменениям за короткие промежутки времени. Анализ пузырьков воздуха, захваченных льдами из Гренландии и Антарктиды, как уже указывалось, показал, что во время ледниковых циклов содержание как углекислого газа, так и метана в атмосфере изменялось в ногу с климатом. Оба эти парниковых газа задерживают тепло, которое излучает Земля, и не дают ему уходить в космос, а керны, полученные из льда, показывают, что содержание обоих этих газов в теплые периоды увеличивается, а в холодные уменьшается. Однако внимательный анализ времени наступления этих изменений показывает, что в большинстве циклов они, по-видимому, следуют за изменениями температуры с некоторым запозданием. Если запаздывание будет подтверждено дополнительными исследованиями, то это будет означать, что они являются, скорее, результатом ледниковых циклов, а не их причиной. Но даже если это и так, то они должны были усиливать флуктуации температуры, при этом более высокие концентрации парниковых газов должны были поддерживать Землю несколько более теплой в межледниковые эпохи, а более низкие концентрации способствовали дальнейшему охлаждению в эпохи похолоданий.

Даже из этого краткого изложения должно быть ясно, что на вопрос: что вызывает глобальное оледенение? — имеется много возможных ответов. Ввиду столь большого количества действующих факторов, причем каждый из которых взаимодействует с другими, появление мощных быстродействующих компьютеров оказалось настоящим благодеянием для исследований климата ледниковых эпох. С их помощью оказалось возможным промоделировать, как климатические условия должны отвечать на различные количества углекислого газа в атмосфере, различные расположения континентов относительно полюсов, на различные части циклов Миланковича и множество других потенциально важных факторов. Научная литература включает множество статей, обсуждающих модели общей циркуляции (General Circulation Models), или GCM, как их называют посвященные, с помощью которых можно предсказать распределение температур, направления ветров и многие другие климатические особенности для различных возможных сочетаний условий в прошлом. Много полезных догадок было высказано на основании математических моделей, разработанных для этих разных предположений. Тем не менее, как и при долговременных метеорологических прогнозах, все они очень чувствительны к незначительным вариациям входных данных, и основанные на них предсказания точны лишь в той степени, в какой создатели моделей учитывают взаимодействие всех параметров задачи. В конечном счете эталоном, по отношению к которому следует оценивать эти теоретические построения, должна быть информация, получаемая от самой Земли, природные записи в горных породах, отражающие фактические изменения климата в прошлом.

КЛИМАТ ЭПОХ ОЛЕДЕНЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА И НАЧАЛО РАЗВИТИЯ ЦИВИЛИЗАЦИИ

Древнейшие из известных ископаемые остатки гоминид (гоминиды — это род, к которому принадлежит и наш вид — Homo, то есть человек) имеют возраст почти 4,4 миллиона лет. Они найдены в Эфиопии в тесной связи с отложениями вулканического пепла, которые можно датировать очень точно, поэтому их возраст можно считать хорошо установленным. Очень вероятно, что это наши прямые предки.

Около 800 000 лет после этих ранних гоминид в местности, которая сейчас называется Танзанией, почти в 2000 километров от места находки эфиопских окаменелостей, начало формироваться замечательное скопление ископаемых остатков совершенно другого характера. Здесь в результате серии вулканических извержений вся местность оказалась покрыта слой за слоем тончайшим вулканическим пеплом. После дождей этот пепел в поверхностном слое походил на разведенный цемент, и всякое существо, которое передвигалось по нему, оставляло следы, создавая тем самым живую запись о жизни животных, процветавшей в этой части Африки. Но кроме следов всевозможных животных — от кролика до слона, здесь, на этом моментальном снимке, сделанном природой более трех с половиной миллионов лет назад, было обнаружено кое-что еще, а именно следы группы гоминид, пересекших это место. Вероятнее всего, существа, оставившие эти следы, были очень похожи на те, которые представлены древнейшими эфиопскими окаменел остями. Некоторые ученые, изучавшие эти окаменевшие следы, считают, что они были оставлены семейной группой — мама, папа и сынок, но, может быть, более важно то, что отпечатки указывают на то, что эти гоминиды ходили на двух ногах, совсем как современные люди. Таким образом, около четырех миллионов лет назад или раньше наши предки спустились с деревьев тропических лесов Африки и распространились в травяных равнинах, освоив вертикальную походку. Многие палеонтологи считают, что этот переход был подсказан постепенно увеличивающейся засушливостью климата, которая наступала в Африке по мере охлаждения глобального климата, уменьшив площадь лесов и увеличив распространение степей. Тем не менее настоящие трудности существования в условиях Великого Ледникового века еще только ждали наших предков, хотя, возможно, они не так ощущались в тропиках, как в высоких широтах.

Австралопитеки, как называются сейчас существа, оставившие упомянутые выше эфиопские окаменелости (и другие подобные им гоминиды), обладали маленьким мозгом. Хотя они и были двуногими, они все же не были очень ловкими существами. И тем не менее они просуществовали несколько миллионов лет, причем часть этого времени они жили параллельно с нашим видом. Человек (Homo) впервые выходит на сцену в Африке среди ископаемых остатков других гоминид около двух миллионов лет назад. Приблизительно в это же время в осадках появляются обработанные каменные орудия. Одной из главных отличительных особенностей новых гоминид был их большой мозг — по крайней мере, по сравнению с любым из представителей вида австралопитеков, который предшествовал им. Почему Homo появился именно в это время и почему его мозг стал больше, чем у ранних гоминид? Не существует определенного, общепринятого и согласованного ответа на этот вопрос, но есть много гипотез. Одна из них предполагает, что совпадение между появлением Homo и началом оледенения в северном полушарии не случайно. Согласно этому взгляду, изменение климата, особенно чередование долгих ледниковых и коротких межледниковых эпох благоприятствовало животным, обладавшим способностью приспосабливаться к изменениям, индивидам, обладавшим изобретательностью и умом. В Африке эпизоды оледенения отличались холодным и сухим климатом; жизнь в это время была труднее, чем во время теплых и относительно более влажных межледниковых периодов. Правильна или нет эта интерпретация, неизвестно. Но самые крупные изменения среды обитания, сопровождавшие циклы холодного и теплого климата, которые регулярно сменяли друг друга на протяжении нескольких последних миллионов лет, должны были сыграть свою роль в усилении миграции и изоляции отдельных групп как Homo, так и других животных. Быстрая эволюция новых видов и подвидов, явная среди млекопитающих в целом, и уж конечно для рода Homo, была неизбежным результатом.

Приблизительно миллион лет назад один из видов Homo, а именно Homo erectus (человек прямоходящий), переселился из Африки в Европу и Азию. Остатки предков человека встречаются очень редко, и антропологи и палеонтологи пережили трудные времена, пытаясь установить генеалогию современных людей, но все же известно, что около 100 000 лет назад, в начале самого последнего эпизода оледенения, в Европе и на Среднем Востоке жила группа представителей Homo sapiens (человек разумный), известных под названием неандертальцы. Несмотря на появившийся в наше время образ неандертальца как тупоумного пещерного жителя с дубиной в руке, эти люди имели большой мозг — такой же величины, как и наш, вели общественный образ жизни и, по-видимому, были довольно разумны. В Европе они жили в условиях климата, все более и более ухудшавшегося в сторону самого холодного ледникового периода. И все же неандертальцы исчезли из ископаемой летописи около 30 000 лет назад и их сменили уже, по существу, современного типа люди, названные кроманьонцами. Эти люди появились в Африке на десятки тысяч лет раньше, проникли в Европу около 45 000 лет назад и некоторое время сосуществовали с неандертальцами. В противоположность неандертальцам они, по-видимому, шили себе одежду, делали хотя бы грубые укрытия и были, вероятно, лучше оснащены для жизни в условиях сурового климата. Они первыми испытали на себе холод Европы периода оледенения, а также оставили после себя прекрасные памятники пещерной живописи, которые представляют нам подлинный облик некоторых ныне вымерших животных, которые оживляли ледниковый ландшафт, как, например, огромные, мохнатые, вооруженные изогнутыми бивнями мамонты.

Помимо самого климата, важным фактором, влиявшим на людей, были связанные с оледенением колебания уровня моря, сопровождавшие ледниковые циклы. В результате сильного понижения уровня моря во время Висконсинского ледникового максимума оказались обнаженными обширные области континентов, которые сейчас покрыты водой. В некоторых местах по ним проходили маршруты миграции древних людей, а также животных. Австралия и Новая Гвинея были связаны сушей. Большая часть Индонезии была доступна существам, передвигающимся на ногах или посредством очень коротких путешествий по воде, и Homo sapiens мигрировал туда из Азии. По-видимому, наиболее известным результатом понижения уровня моря во время последнего ледникового максимума явилось заселение людьми Америки. Еще 20-30 тысяч лет назад было возможно пройти пешком из Северной Азии на Аляску. Через сухопутный мост, бывший тогда на месте Берингова пролива, в Северную Америку мигрировали мамонты и другие крупные животные, а около пика Висконсинского оледенения за ними последовали и любопытные представители сибирских племен. Хотя большая часть восточной Сибири и Аляски была свободна ото льда, остальная часть Северной Америки была покрыта ледниками, которые блокировали новым иммигрантам путь на восток или на юг, пока климат не сменился на современный межледниковый и льды не стали отступать. В науке до сих пор еще продолжаются споры относительно точной хронологии этих миграций, но общепринято считать, что по мере повышения температуры стал открываться коридор между ледниками Скалистых гор на западе и ледниковыми щитами, отступавшими в сторону Гудзонова залива, на востоке, тем самым сделав возможной миграцию на юг, в страны с более теплым климатом. Мы хорошо знаем, что уже 12 000 лет назад в юго-западной части Соединенных Штатов жили люди, а к 10 000 лет назад они проникли и в Южную Америку.

Хотя наши прямые предки очень страдали от тягот в течение Висконсинского оледенения, знакомая нам человеческая цивилизация зародилась и развилась во время последующего межледникового эпизода, в котором мы сейчас живем. Но даже если это и так, все же климат его не был столь устойчивым и ровным, как мы его представляем, исходя из опыта нашей собственной короткой жизни. Со все возрастающей — по мере приближения к нашему времени — детальностью палеоклиматологи составили впечатляющую хронику изменений климата за последние несколько тысяч лет, используя для этого самые разнообразные данные — от писанных исторических хроник до толщины древесных колец в древних деревьях. В результате этих исследований больше нет никаких сомнений, что в течение этого времени происходили сильные флуктуации как региональных, так и локальных климатических условий. Предметом яростных споров является масштаб влияния, которое эти изменения оказали на ход развития цивилизации. Проблема здесь та же, которая встает перед исследователями вымираний, происходивших в далеком геологическом прошлом, а именно выяснение связи между причиной и следствием.

Мы знаем, что даже местные и короткие во времени колебания климата оказывают сильное давление на человеческие популяции, — вспомним, например, засушливые районы центральной части Соединенных Штатов (так называемая dust bowl, то есть «чаша с пылью»), где засуха 1930-х годов наряду с несовершенной практикой сельского хозяйства вызвали экономическое бедствие и в конце концов вынудили тысячи оклахомцев переселиться в Калифорнию. Этот эпизод американской истории обессмертил Джон Стейнбек в своем романе «Гроздья гнева». Но еще более крупные изменения климата постоянно воздействовали на планету с начала цивилизации. Мы можем здесь лишь слегка коснуться некоторых из них.

Общепринято считать началом человеческой цивилизации возникновение земледелия. Согласно этому определению, цивилизация началась как в Старом, так и в Новом свете приблизительно в одно время. Имеющиеся данные показывают, что около 6000-7000 лет назад на Среднем Востоке стали одомашнивать овец и выращивать злаки. Приблизительно в это же время жители южной Мексики стали выращивать кукурузу. Климатические исследования показывают, что это время было климатическим оптимумом нашей современной межледниковой эпохи: среднегодовая глобальная температура была значительно выше, чем теперь, количество дождевых осадков почти повсюду на Земле было выше, чем сегодня. Фактически нет никаких данных, свидетельствующих о существовании в это время каких-либо пустынь. Что это — еще одно совпадение или же существует связь между этим благоприятным климатом и возникновением цивилизации?

Несколько тысяч лет спустя после этого климатического оптимума, около 4200 лет назад, цветущая, энергично разраставшаяся цивилизация — Аккадское царство, проникшая уже на Средний Восток, приблизительно между современной Турцией и Персидским заливом, внезапно пала. В ее северных областях наступил быстрый упадок земледелия. Согласно записям на глиняных табличках, найденных археологами, значительная часть населения мигрировала в южные города империи вдоль рек Тигр и Евфрат; в результате их переполнения беженцами возник кризис, аналогичный сегодняшним, когда массы переселенцев отягчают бюджет современных правительств. В течение десятилетий археологи ломали головы, пытаясь выяснить причины этих явлений. Исследования последних лет показывают, что начало этого кризиса совпало с признаками внезапной засухи в северных областях Аккадского царства, которая продолжалась около 300 лет. Такое изменение климата могло бы объяснить хорошо подтвержденные документами миграции, поскольку население северных областей, зависящих от земледелия, не могло существовать без регулярно выпадающих дождей и не имело развитой ирригационной системы. На юге же Тигр и Евфрат обеспечивали гораздо более устойчивое водоснабжение.

Трудно точно определить причину упомянутого выше изменения климата, которое, очевидно, повлияло на падение Аккадского царства; во всяком случае, некоторые историки возражали против утверждения, что одного только ухудшения климата достаточно, чтобы объяснить быструю гибель этой цивилизации. Но ближе к нашему времени мы имеем лучше подтвержденные документами доказательства резкого климатического изменения и его влияния на жизнь людей. Чуть более 1100 лет назад, к концу девятого века, климат в Северном Атлантическом регионе потеплел и оставался сравнительно мягким в течение около 300 лет. Климатологи окрестили этот период «малым оптимумом». Помимо исторических хроник (которые лишь изредка упоминают подробности, касающиеся климата), вариации содержания изотопов кислорода, определенные по годам в керне скважин, пробуренных в гренландском ледяном покрове, подтверждают, что в это время действительно наблюдался теплый промежуток времени. Именно в этот период викинги, отважные норвежские мореплаватели, заселили отдельные части Гренландии. Оттуда по сравнительно свободным ото льда водам северной части Атлантического океана они отправились на запад и достигли Северной Америки. На острове Ньюфаундленд существует хорошо сохранившееся, а сейчас и восстановленное поселение викингов, относящееся к 1000 году, которое, вероятно, и есть та страна, которую саги викингов называют Винланд. Но викинги недолго оставались в Северной Америке: помимо прочих трудностей, им пришлось конкурировать с местными американцами, которые прибыли на континент за тысячи лет до них, и не из Европы, а из Сибири.

К концу четырнадцатого столетия климат Северной Атлантики снова ухудшился, причем до такой степени, что сначала затруднились, а затем фактически и вовсе прекратились контакты между Скандинавией и поселениями викингов в Гренландии. В конце концов все, кто там остался, погибли. «Малое оледенение», которое последовало за малым оптимумом, продолжалось приблизительно с 1450 по 1850 годы и повлияло на области, расположенные далеко за пределами Гренландии. Во время климатического оптимума в Европе произошел рост сельского хозяйства и численности населения, но в последующий холодный период Европу одолевали наводнения, голод и чума. Особенно пострадали северные области, где поля во время климатического оптимума давали прекрасный урожай; теперь же стали регулярно повторяться сильные неурожаи. Крестьяне покидали свои фермы, многие сельскохозяйственные области опустели, периодически вспыхивали гражданские беспорядки. Ослабленное голодом население не могло выстоять против эпидемий чумы. Исторические хроники четко документируют суровость климата в Европе: голландские живописцы изображали катанье на коньках по льду каналов, а в семнадцатом столетии на льду замерзшей Темзы в Лондоне устраивались частые «морозные ярмарки». Темза перестала замерзать только с 1814 года.

Описанные только что колебания климата были кратковременными, слишком короткими, чтобы их можно было связать с более длинными ледниковыми циклами. Данные, которые мы о них имеем, тоже очень локальны — только из Европы и Северной Атлантики. Большинство исследователей считает, что они были вызваны изменениями рисунка океанских течений, в частности, изменением объема теплой воды, поступающей в Северную Атлантику с юга. Причины таких внезапных изменений направления течений, также как и их связь с межледниковыми периодами, не установлены, хотя проведенные в последние годы исследования гренландских ледяных кернов позволяют предположить, что предыдущий межледниковый период, начавшийся около 130 000 лет назад, отличался еще более короткими климатическими вариациями, чем современный. Вероятно, нам просто повезло с нашим достаточно устойчивым климатом во время возникновения и подъема индустриального общества в последние полтораста лет.

В широком смысле современные люди поистине являются порождением Великого Ледникового века. Наш род Homo появился в Африке после начала оледенения в Северном полушарии, а распространение нашего вида Homo sapiens по всему земному шару произошло во время Висконсинского ледникового периода, когда уровень океана был значительно ниже. Часто бывает трудно распутать причину и следствие, но, как мы уже видели, изменчивость межледникового климата за последние 10 000 лет, по-видимому, сильно повлияла на развитие человеческой цивилизации. Но 10 000 лет это очень короткий промежуток времени на геологической шкале. Если и есть какой-то урок, который мы можем извлечь из изучения геологической истории, то он состоит в том, что на любом отрезке временной шкалы и при любом ее масштабе постоянной особенностью этой истории является изменение — эволюционное изменение, изменение в очертаниях и расположении континентов и океанов, изменение климата. В коротком путешествии по геологическому времени, которое мы с вами совершили в этой книге, мы рассмотрели всего лишь несколько линий изменения, которые произошли за четыре с половиной миллиарда лет существования нашей планеты. Геологическая летопись, отражение событий в горных породах заканчивается в настоящем, где-то в конце теплого межледникового периода Великого Ледникового века. Нам остается только спросить: каких изменений мы можем ожидать в будущем?

Глава 13.

ЧТО БУДЕТ ДАЛЬШЕ?

ГЕОЛОГИЯ И ЧЕЛОВЕК

Что касается весьма отдаленного будущего, то судьба нашей планеты ясна. Она будет поглощена опаляющим пламенем Солнца, когда оно расширится и станет звездой типа «красного гиганта». Как и все звезды, Солнце питается за счет ядерных реакций, протекающих в его плотной центральной части, где атомы водорода сдавливаются столь плотно, что сплавляются, образуя более тяжелые элементы и освобождая при этом огромные количества энергии. На основании наблюдения других звезд во Вселенной мы знаем, что, когда в этом процессе будет исчерпан весь водород, внутренняя часть Солнца сожмется в еще более плотное ядро, в то время как его внешняя, «более холодная» (но все еще имеющая температуру в тысячи градусов) оболочка расширится в сторону периферии солнечной системы, далеко за пределы орбиты Земли, поглощая все на своем пути. Но это произойдет в далеком будущем, через столько миллиардов лет от нашего времени, сколько прошло от ее возникновения в прошлом. К тому времени наш вид уже давно исчезнет.

Но есть еще и другие вещи, которые, несомненно, произойдут с Землей в будущем. Количество выделяемого тепла в глубинах Земли, которое движет литосферные плиты, частично порождаемого радиоактивным распадом, а частично сохранившееся от времен образования Земли 4,5 миллиарда лет назад, медленно уменьшается, но так постепенно, что те геологические процессы, которое оно питает, будут, вероятно, продолжаться в их современной форме еще миллиарды лет, может быть до самых последних дней нашей планеты. Океанские бассейны будут возникать и исчезать, континенты — сталкиваться, создавая грандиозные горные хребты, которые затем снова будут снесены процессами химической и физической эрозии в море, и когда настанут подходящие условия, Земля снова попадет в тиски оледенений. А в своем движении в космическом пространстве наша планета почти наверняка столкнется с какими-нибудь обломками из космического мусора, которыми кишит наша Солнечная система. Не будучи крупными в космических масштабах, эти обломки будут достаточно большими, чтобы столкновение с ними глубоко изменило условия жизни на поверхности Земли за очень короткое по геологическим меркам время.

Но в сравнительно ближайшем будущем, на протяжении жизни нескольких поколений, наша планета должна будет пережить другие, более касающиеся нас потрясения. Один из моих коллег любит говорить, что самым важным из действующих агентов геологических изменений в данный конкретный момент геологической истории является человек. Мы являемся первым видом в истории Земли, обладающим способностью модифицировать поверхность планеты, ее атмосферу и климат радикально и в глобальном масштабе. Рисунок 13.1 показывает, как со временем изменялась численность людей, а вслед за ней, нога в ногу, изменялась степень всего лишь одного из видов нашего воздействия на окружающую среду — поступление в атмосферу углекислого газа. В прошлом по естественным причинам в атмосферу выбрасывалось гораздо большее количество углекислого газа; его концентрация изменялась в гораздо большей степени, чем показано на рисунке. Но насколько мы можем судить, эти изменения происходили значительно медленнее; их результаты, хотя и суровые или даже роковые для некоторых растений и животных, не были обрушены на общество, столь сложно организованное, как наше, которое очень тонко приспособлено к среднему климату последних нескольких столетий. Если, как предсказывают многие ученые, возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере вызовет рост среднегодовой температуры на Земле на несколько градусов, последствия этого будут для нас совершенно катастрофическими. Целые продуктивные сельскохозяйственные пояса будут исключены из сферы землепользования или по крайней мере останутся пригодными только для совершенно иных культур, чем те, которые там выращиваются сейчас. (С другой стороны, районы, лежащие в высоких широтах и имеющие сейчас второстепенное значение для сельского хозяйства, особенно в России и Канаде, могут неожиданно оказаться главными источниками пищевых продуктов.) По мере повышения температуры начнется подъем уровня океана — частично в результате таяния ледяных шапок, а частично потому, что сама океанская вода при нагревании расширяется, что приведет к затоплению многих плотно населенных и расположенных низко над уровнем моря областей и увеличению уязвимости других от тропических штормов. Пока люди вынуждены использовать ископаемые виды топлива, сжигание которого является главным источником дополнительно поступающего в атмосферу углекислого газа, нет реальных возможностей задержать рост его содержания в ней, хотя путем совместных международных действий можно было бы несколько замедлить этот рост. За длительный период времени общество, несомненно, приспособится к изменениям, которые должны произойти. Однако поскольку эти изменения будут быстрыми даже по человеческой шкале времени, то вполне вероятно, что они вызовут значительные трудности, нужду и разрушения во многих частях мира.

Рис. 13.1. Графики, показывающие изменения численности населения (слева) и содержания углекислого газа в атмосфере (справа) после приблизительно 1700 года, согласно данным из разных источников. Концентрации углекислого газа выражены в частях на миллион (ррт). К середине 1990-х годов содержание углекислого газа в атмосфере составляло около 360 частей на миллион. Хотя процентные изменения на обоих графиках очень различны, ясно, что скорость роста как народонаселения, так и содержания углекислоты в атмосфере весьма возросли во второй половине двадцатого столетия. 

Есть также возможность, что рост среднегодовой температуры на Земле, который, несомненно, будет сопровождать рост выбросов углекислого газа в атмосферу, будет в то же время противодействовать тенденции к погружению Земли в новую ледниковую эпоху, которая, согласно графику рис. 12.4, охватывающему значительный отрезок времени, может наступить в любой момент. Но все же маловероятно, что эти две противоположные тенденции точно уравновесят друг друга. Большинство ученых, изучавших эту проблему, считают, что обусловленное углекислым газом потепление перевесит и мы находимся в начале «сверхмежледникового периода», который будет продолжаться до тех пор, пока мы не израсходуем все наши ископаемые топливные ресурсы. К тому времени, вероятно через несколько столетий, концентрация углекислого газа в атмосфере будет по крайней мере в три раза выше, чем в предындустриальную эпоху. Постепенно большая часть этого избыточного углекислого газа будет поглощена океанами; при отсутствии нового поступления углекислоты ее концентрация в атмосфере начнет уменьшаться, что позволит Земле снова погрузиться в ее несколько запоздалый ледниковый период. В отдаленной, геологической, перспективе истории Земли изменения, вызванные человеком, такие как, например, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере, представляют собой мелкие пертурбации. Как должно быть очевидно из предшествующих глав, в прошлом Земля прошла через гораздо более серьезные нарушения хода эволюции, и тем не менее их следы в каменной летописи в общем довольно незначительны. Если завтра люди исчезнут с лица планеты, то через несколько миллионов лет следы их деятельности будут едва заметны. Но краткость нашей индивидуальной жизни заставляет большинство людей устремлять внимание на проблемы более близкого будущего; для исторических масштабов времени с нашим развитым знанием о работе Земли возможно предсказать, что нас ждет.

НАШИ ОГРАНИЧЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Развитие геологии как науки в большой степени опиралось на поиски сырья для промышленности. До совсем недавнего времени большинство людей, профессионально занимающихся геологией, было устремлено на работу в области добычи нефти или газа. И действительно, количество поступающих на геологические факультеты колледжей и университетов по всей Северной Америке следовало за взлетами и падениями главных нефтедобывающих компаний, которые были основными нанимателями выпускников. Однако после долгого периода низких цен на нефть и со все большим упором на сохранение запасов нефти и окружающей среды в последние годы эта картина меняется. Однако поиск и добыча полезных ископаемых, необходимых в нашем сложном мире, по-прежнему является важным аспектом наук о Земле. И как раз в этой области наши перспективы в будущем вполне определенны.

С древнейших времен искатели полезных ископаемых (за отсутствием более подходящего слова) использовали интуицию, опыт и силу мозгов при поисках геологических материалов, нужных и пользующихся спросом. В наши дни к их древнему арсеналу была добавлена технология, особенно дистанционные (геофизические) методы, что позволило расширить область поисков до самых отдаленных районов, которые раньше не были доступны, а также до океанских глубин и областей континентов, лежащих под земной поверхностью. Почему при поисках полезных ископаемых необходимы такие усилия? Ответ заключается в том, что, хотя малые количества почти всех элементов периодической таблицы Менделеева можно найти в самых обычных материалах, — например, золото, растворенное в воде морей и океанов, медь в почве вашего сада, — они присутствуют там в очень рассеянной форме и их нельзя извлечь так, чтобы это было экономически выгодно. Даже алюминий, третий среди самых распространенных элементов земной коры, нельзя добывать просто в любом месте. Однако на протяжении всей истории Земли геологические процессы вели не только к рассеянию элементов, но и к концентрации их с образованием ценных месторождений. Весь фокус заключался в том, чтобы понять, как работают эти процессы, и использовать это знание, чтобы сузить область поиска до месторождений, которые могут быть отработаны по приемлемой стоимости. Поиски таких месторождений, все более изощренные, продолжаются, но в значительной части земных недр, доступных с земной поверхности, детальные поиски уже проведены и количество вновь открываемых месторождений с каждым годом и десятилетием все меньше и меньше. Новые технологии позволяют извлекать нужные материалы из месторождений, которые когда-то считались нерентабельными, и все же следует признать, что геологические ресурсы не являются неисчерпаемыми. Процесс концентрации полезных ископаемых в месторождения занял несколько миллиардов лет истории Земли; в масштабах человеческой истории эти отработанные запасы невосполнимы. В некоторых случаях мы извлекаем их в течение десятилетий. Может быть, самым поразительным примером постепенного истощения запасов может служить нефть. Ввиду ее чрезвычайной важности для современного общества образование и распределение месторождений нефти изучались очень детально и на поиски и извлечение ее из недр были затрачены миллиарды долларов. Хотя уже тысячи лет назад люди знали о существовании сырой нефти, встречающейся местами в виде «выходов», и использовали ее для целого ряда целей, самая первая буровая скважина нефти была пройдена в Пенсильвании в 1859 году. Известное в то время под названием «Безумие Дрейка», это маленькое предприятие породило в конечном итоге гигантскую всемирную индустрию, которая затронула практически каждый уголок Земли. Но не прошло еще столетия с того дня, когда была пробурена эта первая скважина, а миллионы баррелей нефти выкачиваются из земли каждый день, как уже раздалось несколько осторожных голосов, предсказывающих о возможных крайне неприятных последствиях нашего ничем не ограниченного потребления этого невосполнимого ресурса. Хотя некоторые из самых крайних предсказаний так до сих пор и не осуществились — главным образом в результате более эффективного использования энергии, глобального замедления экономического развития и открытия новых месторождений, — уже нет сомнений в том, что в конце концов мы исчерпаем все доступные месторождения нефти и газа. Единственная оставшаяся неопределенность — это сколько времени до этого нам осталось. Хотя месторождения нефти и газа формировались в течение миллионов и миллионов лет, геологических ресурсов этих источников энергии хватит — при нынешнем щедром уровне их потребления — всего на несколько сотен лет!

Полезное ископаемое, которое мы столь расточительно тратим, топливо, питающее наши автомобили, — это в сущности древняя солнечная энергия, накопленная природой в виде нефти. По своему химическому составу она представляет собой главным образом углерод, соединенный с 15-20 процентами водорода. Она образуется только в совершенно особых геологических условиях, а именно в илистых осадках, накапливающихся в теплом морском мелководье. В таких местах органические остатки планктона — мелких плавающих организмов, живущих в просвечиваемых солнцем поверхностных слоях океана, — быстро накапливались на морском дне и заносились другими осадками. Быстрое погребение защищает органическое вещество от разложения, но процессы, превращающие этот дисперсный, богатый углеродом материал в нефть, очень сложны. Ключевыми факторами этого превращения являются, по-видимому, температура и время. По мере того как погребенные слои органического вещества погружаются на все большую и большую глубину, температура, которая на них воздействует, становится все выше. Представляется, что наиболее благоприятный температурный интервал для образования жидкой нефти лежит между 65 и 150 градусами Цельсия, что, как правило, соответствует глубине в несколько километров. Но даже если исходный органический материал и превратится в нефть, ее нелегко извлечь из тех тонкозернистых осадков, в которых она образуется. Только когда она находится в крупнозернистых осадочных породах с большим количеством пор, как, например, в песчанике, ее можно легко извлечь. К счастью, нефть представляет собой очень легкую жидкость — она плавает на воде, — и с течением времени она всплывает наверх, иногда в прилегающие толщи пород. Поэтому наиболее продуктивные нефтяные залежи находят не в тех породах, в которых образовалась нефть, а в соседних, пористых слоях.

Наличие даже такой рудиментарной информации об образовании нефти в огромной степени упрощает задачу поисков и извлечения нефти. Поскольку для ее образования требуется богатая жизнью морская среда, то породы кембрийского периода, бедного проявлениями жизни, вряд ли могут содержать нефть. То же самое справедливо и для сильно метаморфизованных пород любого возраста, поскольку они претерпели воздействие температур, достаточно высоких, чтобы разрушить всякие следы нефти, которая в них содержалась. Таким образом, главными целями при поисках нефти должны быть мощные толщи фанерозойских осадков, образовавшихся на морских мелководьях вдоль окраин современных или древних континентов, или во внутренних морях, которые периодически затапливали части континентов. Накопленный в результате бурения в таких районах опыт также позволяет предсказывать с приемлемой точностью, сколько нефти или газа еще не открыто. Если эти предсказания совместить с оценками того, насколько быстро будет расти в будущем потребление нефти, то мы придем к вероятному выводу, что в течение столетия от данного момента человечество израсходует большую часть имеющихся в недрах Земли запасов нефти (рис. 13.2). К сожалению, розовые краткосрочные прогнозы добычи нефти, по сравнению с потребностью в ней, заслоняют необходимость предвидеть длительные периоды острой ее нехватки, которые, без сомнения, ждут нас в будущем, и проявить беспокойство. Другие источники энергии — и сырья, которое заменило бы нефть в производстве таких разнообразных продуктов, как синтетические ткани, удобрения и лекарства, — еще ждут своей разработки. Было бы лучше, если бы об этом люди позаботились раньше, чем позже.

Рис. 13.2. Сплошная линия представляет сглаженную кривую мирового производства нефти с момента бурения первой скважины в 1859 году и до 1991 года. Точками на этой линии обозначено фактическое производство нефти, согласно ежегодной «Международной энциклопедии нефти» (PennWell Publishing Company). Штриховая линия показывает «оптимистический» прогноз, сделанный в 1969 году геологом из Геологической службы США М. Кингом Хаббертом на основании его наилучшей оценки количества известных и еще не открытых запасов нефти. Хотя снижение потребления нефти в начале 1980-х годов несколько отодвигает в будущее период изобилия нефти, все же из этого графика очевидно, что мы принадлежим к одному из всего лишь нескольких поколений людей, которые еще будут пользоваться благами из этого источника. 

Хотя нефть и газ являются настораживающими и отрезвляющими примерами, геологические ресурсы многих других полезных ископаемых также потребляются в темпах, вызывающих тревогу. Более того, подобно нефти и газу, распространение этих полезных ископаемых определяется геологическими факторами, а не политическими границами, делая зависимость современных индустриальных обществ от запасов некоторых ископаемых особенно опасной. Хорошим примером может послужить элемент кобальт, критическая составная часть сплавов, используемых для производства постоянных магнитов, турбин и реактивных моторов и других современных машин. Соединенные Штаты, да и другие высокоразвитые страны по существу не имеют своих источников кобальта. В конце 1970-х годов в результате гражданской войны в Заире цены на этот товар подскочили более чем в десять раз. Нехватка кобальта не была длительной, и тем не менее она напомнила о конечности минеральных ресурсов.

Некоторые космические энтузиасты предположили, что Луна или даже астероиды могут в будущем послужить источником сырья для Земли. На Луне действительно имеются все необходимые химические элементы, но их извлечение потребовало бы огромных затрат энергии. В противоположность ситуации на Земле, геологические процессы, протекавшие на Луне, не вели, как правило, к образованию минеральных месторождений, подобным тем, которые известны нам на Земле. Причина этого заключается в том, что удивительно высокая доля механизмов концентрации элементов на нашей планете связана с наличием жидкой воды. Некоторые месторождения отлагаются прямо из моря — например, полосчатые железистые толщи, обсуждавшиеся в главе 4, которые являются источником большей части железной руды. Другие месторождения представляют собой продукты выветривания, происходившего с участием воды: алюминий концентрируется в обстановке, когда сильные и частые дожди при высоких температурах тропических областей растворяют и уносят почти все в местных коренных породах, оставляя только нерастворимый богатый алюминием боксит. Золото и многие другие ценные металлы обычно встречаются в жилах, поскольку они отлагались там из горячих, богатых водой флюидов, протекающих по трещинам в породах земной коры. По причинам, связанным с ее образованием, Луна лишена воды; большая часть процессов, которые на Земле ведут к концентрации минералов, на Луне никогда не имели места. В результате этого экономически ценные элементы присутствуют в породах Луны только в рассеянной форме. По-видимому, хищный аппетит современных обществ будет, по крайней мере в ближайшем будущем, удовлетворяться из земных источников путем разработки методов эффективного извлечения материалов из менее богатых руд, путем сохранения и повторного получения ценных материалов из отходов и разработки заменителей для некоторых самых редких минералов и элементов. По этой причине изменилась роль ученых-специалистов в области наук о Земле (по крайней мере частично) от роли простых эксплуататоров многочисленных и богатых месторождений Земли до хранителей ресурсов, которые сейчас уже считаются ограниченными. У геологов есть необходимые знания для оценки отдаленных последствий потребления критических материалов при современных темпах, а некоторые из них взяли на себя ответственность за предупреждение и оповещение как правительств, так и населения вообще о вероятных результатах такого потребления.

ОПАСНОСТЬ СТОЛКНОВЕНИЯ ЗЕМЛИ С НЕБЕСНЫМИ ТЕЛАМИ

Геологическая каменная летопись оставляет мало сомнения относительно возможности столкновения Земли с различными телами в будущем. Современная дискуссия между специалистами фокусируется на том, какова именно эта вероятность крупномасштабного, катастрофического столкновения и есть ли какие-либо средства, которые позволят избежать такой катастрофы.

Доказательства гигантского столкновения Земли с каким-то небесным телом, случившегося 66 миллионов лет назад и создавшего глобальный кризис, который привел к гибели динозавров и многих других животных и растений, обсуждались в главе 10. Космическое тело, вызвавшее катастрофу на границе мела и третичного периода, вероятно, представляло собой астероид, выброшенный в результате какого-то возмущения на орбиту, пересекающую орбиту Земли. Сейчас общепризнано, что очень крупные события, подобные столкновению на границе мел — третичный период, бывают очень редко, даже по геологической временной шкале, но что часто не принимается во внимание, так это то, что имеются сотни, а может быть, даже тысячи астероидов, диаметр которых превышает 100 метров (и поэтому способных принести существенный ущерб, если они столкнутся с нашей планетой), орбита которых как раз в этот момент пересекает орбиту Земли. Каждый из них имеет некоторую потенциальную возможность столкнуться с Землей, а геологическая и историческая летописи показывают, что в прошлом такие столкновения происходили регулярно. Так какова же конкретно вероятность того, что такое столкновение произойдет снова? И какой ущерб оно может причинить? Сейчас предпринимаются значительные усилия, чтобы получить ответы на эти вопросы. Хотя во всех предсказаниях имеется некоторая доля неопределенности, угроза, о которой мы сейчас говорим, настолько реальна, что уже вызвала серьезную дискуссию о возможности раннего обнаружения и, может быть, даже изменения направления орбиты небесного тела, находящегося на пути столкновения с Землей. Один такой анализ, недавно выполненный Кларком Чепмэном из Института планетарных исследований в городе Таскон[2], штат Аризона, и Дэйвидом Моррисоном из Эймсского исследовательского центра НАСА в Калифорнии, результаты которого опубликованы в научном журнале «Нэйчер» («Nature») в 1994 году, предсказывает, что имеется один шанс на 10 000 в пользу того, что в течение следующего столетия с Землей столкнется астероид, достаточно большой, чтобы разрушить нашу среду обитания и истребить значительную часть населения Земли. Это очень небольшая вероятность, но только в чисто статистическом смысле; в силу очень большого количества вызванных этим столкновением смертей, она обещает, что для среднего американца шанс умереть в результате такого столкновения приблизительно равен шансу погибнуть в авиационной катастрофе. Безопасность полетов на самолетах является вполне законным предметом заботы как правительств, так и граждан, так разве вопрос об отклонении астероида, несущегося к Земле, имеет меньшее значение?

Факты, необходимые для того, чтобы оценить вероятность столкновения, мы находим в разных источниках, включая геологическую каменную летопись. Поскольку атмосфера заслоняет нас от мелких тел, которые сгорают от тепла, выделяемого в результате их трения о воздух, прежде чем достигнут Земли, и поскольку выветривание и тектоника плит постоянно изменяют ландшафт, поверхность нашей планеты не до такой степени изрыта оспинами кратеров, как некоторые из наших планет-соседей. И тем не менее на Земле есть несколько хорошо документированных примеров таких кратеров. Метеоритный кратер в Аризоне уже упоминался выше. Это сравнительно молодая и хорошо изученная структура, образовавшаяся в результате столкновения. Многие земные кратеры довольно велики и первоначально были распознаны по их круглой форме только по наблюдениям с самолетов или со спутников. Древние, сильно разрушенные части земной коры, как, например, докембрийский Канадский щит в Северной Америке, содержат много древних кратеров. К счастью, покрывающие их осадочные породы и почва помогли сохранить их до последнего оледенения в северном полушарии, которое соскребло их защитный покров, снова обнажив кратеры. Тщательное исследование размеров и возраста этих и других кратеров позволило геологам создать базу данных и определить частоту столкновений с Землей тел разного размера. Аналогичные, но более полные данные получены в результате исследования кратеров на Луне (рис. 3.1), которая не имеет защитной атмосферы, уничтожающей мелкие тела, и на которой процессы, разрушающие кратеры на Земле, такие, как выветривание или тектоника плит, не действуют. Таким образом, большие части лунной поверхности послужили в качестве инертных записывающих устройств, фиксирующих все столкновения за миллиарды лет. Все собранные до сих пор данные показывают, что на очень маленьком конечном отрезке спектра размеров тело, обладающее энергией той ядерной бомбы, которая была сброшена на Хиросиму в конце Второй мировой войны, сталкивается с Землей каждый год! Если выразить это через фактические размеры тел, то эти объекты очень невелики. Атмосфера защищает нас от их воздействия, и они сгорают или взрываются вследствие трения о воздух высоко над поверхностью Земли. Не считая того факта, что они записываются разведочными спутниками, мы даже не осознаем их существования. Даже объекты, обладающие в сто раз большей энергией, встречи с которыми можно ожидать один или два раза в столетие, не достигают земной поверхности. Но в окрестностях Земли плавают гораздо больших размеров фрагменты астероидов, и в сравнительно недавнем прошлом происходили хорошо документированные случаи как почти попаданий, так и реальных попаданий их в Землю. Почти попадание произошло в 1989 году, когда какой-то астероид диаметром в несколько сот метров, несущий — по оценкам ученых — энергию, эквивалентную 1000 тонн ТНТ (тринитротолуола), прошел мимо Земли на расстоянии, меньшем, чем удвоенное расстояние от Земли до Луны. Небольшое изменение его орбиты — и он мог бы врезаться в Землю с катастрофическими последствиями. Он, безусловно, достиг бы поверхности Земли, образовав кратер диаметром в несколько километров (или породив гигантские волны в случае, если бы он упал в океан). Этот почти попавший астероид, если бы он действительно столкнулся с Землей, принес бы в сотни раз большие разрушения, чем упомянутый в главе 3 объект, который взорвался в атмосфере над Сибирью в 1908 году. Этот Тунгусский феномен, как его называют, был отмечен в Европе по вызванным им атмосферным ударным волнам, и когда ученые много лет спустя добрались до этого очень удаленного места, они нашли сплошь поваленный лес на площади более 2000 квадратных километров и признаки того, что взрыв вызвал пожары вблизи центра этого пострадавшего района. Никаких обломков упавшего астероида так и не было найдено, но выполненные недавно расчеты показали, что это, вероятно, был каменный объект, который взорвался в атмосфере на высоте около 10 километров. К счастью, местность, где произошел взрыв, была необитаемой; если бы он упал в населенном районе, последствия этого взрыва были бы очень серьезными.

Столкновения с крупными объектами происходят редко, но их воздействие потенциально столь опустошительно, что они составляют совершенно особый тип геологической угрозы, отличный почти от всех других. Столкновения, подобные тому, которое завершило меловой период, выбрасывают в атмосферу столь много тонких обломков, что — не считая света от пожаров, возникших в результате столкновения, — весь мир на некоторое время погрузился бы в сплошную темень. Даже гораздо менее мощные столкновения могли бы все же уменьшить солнечное освещение до такой степени, что все сельское хозяйство было бы подавлено более чем на один летний цикл с катастрофическими последствиями. Все общества Земли подверглись бы воздействию этого взрыва; ни одна страна не уцелела бы, чтобы оказать другим помощь, как это обычно делается в случаях катастрофических наводнений, землетрясений или засухи. К счастью, действительно крупные объекты диаметром в один километр или больше легче всех других обнаруживаются в космосе. Существуют технологические средства, позволяющие обнаружить такие тела и определить их орбиты. К счастью также, чувствительные телескопы и тщательно организованная служба наблюдения могли бы, вероятно, обеспечить достаточно заблаговременное предупреждение (по крайней мере за несколько лет), чтобы можно было разработать и осуществить стратегию защиты, позволяющую избежать столкновения с теми объектами, которые окажутся на пути к столкновению с Землей. Отклонение орбиты астероида было бы очень дорогостоящим предприятием, но все же маловероятно, что будет слишком много жалоб на высокую стоимость защиты Земли от потенциального полного опустошения.

ВУЛКАНЫ И ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Гораздо более непосредственную, хотя и более локализованную опасность для общества представляют собой сильные землетрясения и вулканические извержения. Именно о них думает большинство людей, когда хотят представить себе геологические катастрофы. При современном знании о том, как работает Земля, не так уж сложно делать предсказания о вероятности таких событий. Можно сказать почти со стопроцентной уверенностью, что в какой-то момент в течение последующих нескольких сотен лет крупное и очень разрушительное землетрясение поразит Сан-Франциско или Токио или же взорвется гора Святой Елены. Но пока что невозможно предсказать заранее, когда конкретно произойдет подобное событие или, что еще более важно, насколько крупным оно будет. И все же наблюдается определенный прогресс в отношении краткосрочных прогнозов. В большинстве случаев такие прогнозы требуют тщательного слежения, с использованием как приборов, так и простых наблюдений, в регионах, о которых уже известно, что это области высокой степени риска. В нескольких случаях, когда опасность казалась непосредственно угрожающей, проводились массовые эвакуации. Вероятно, наиболее известным примером может послужить эвакуация населения с вулканического острова Гуаделупе в Карибском море в 1975 году, когда зловещие предвестники показали, что извержение неминуемо в любой момент. Однако извержение не произошло. Три месяца спустя жители вернулись в свои дома, никакой катастрофы не было, и разгорелись горячие дебаты о необходимости проведенной эвакуации и, конечно, о точности предсказания. Но природа капризна, и еще не скоро мы разберемся в том, какие виды признаков действительно предвещают извержение или землетрясение. А пока что вполне возможно, что будут еще и другие ложные прогнозы, но в конечном итоге лучше, вероятно, следовать им, чем игнорировать. Иногда природа мстит за неверие в предсказание, как случилось вскоре после событий в Гуаделупе, когда геологи в Колумбии предупредили, что даже незначительное извержение вулкана Невадо дель Руис может расплавить снег и лед на его вершине, вызвав мощные потоки вулканического пепла и грязи, которые могут угрожать городку Амеро, расположенному у основания вулкана. В этом случае жители проигнорировали это предупреждение и предсказанные потоки грязи обрушились на город, только через несколько месяцев, уничтожив 25 000 человек.

Как должно быть ясно из обзора тектоники плит в главе 5, наиболее высока вероятность возникновения как вулканических извержений, так и землетрясений вдоль границ между плитами. Наиболее опасны места, где плиты, сталкиваясь друг с другом, образуют зоны субдукции.

Даже беглый взгляд на рис. 5.2 покажет, что многие из таких областей плотно заселены: это большая часть западного берега Северной, Центральной и Южной Америки, Япония, Индонезия и те части Средиземноморья, которые лежат вблизи зон субдукции. Все эти районы испытали не раз и землетрясения, и извержения вулканов на протяжении писанной истории и снова испытают их в будущем. И все же в большинстве этих регионов катастрофы происходят через довольно большие промежутки времени, часто между ними успевает смениться одно или несколько поколений людей и поэтому они не очень запечатлеваются в общем сознании.

Даже в тех случаях, когда сравнительно близкая во времени геологическая опасность совершенно очевидна, общественная реакция часто бывает в лучшем случае приглушенной. Сан-Франциско, один из самых прекрасных, но также и один из смертельно опасных городов в Соединенных Штатах (с точки зрения опасности землетрясений), все еще продолжает быть одним из самых желанных для проживания мест в стране и имеет соответственно самые непомерные цены на недвижимость. Хотя сам город не лежит в зоне субдукции, разлом Сан-Андрэас проходит прямо над нею, а несколько других больших сбросов находятся в этом же районе. Злосчастная катастрофа 1906 года (вызванная смещением вдоль самого разлома Сан-Андрэас) и последующие пожары, которые совместно разрушили большую часть деловых кварталов города, все еще часто вспоминаются в печати, но большинство жителей города старается не думать о выводах и предпочитает наслаждаться красотой города и идти на риск, веря, что следующий толчок не случится в ближайшем будущем. Подгоняемый движением и напором плит, он все же неизбежно произойдет, и хотя современные правила строительства обеспечивают меньший ущерб, они не гарантируют безопасности. Землетрясение 1989 года было гораздо меньшим по масштабу, чем землетрясение 1906 года, и произошло почти в 100 километрах к югу от города, вблизи города Санта-Крус в Калифорнии; оно повредило дома и мосты в Сан-Франциско и его окрестностях и унесло жизни 65 человек. Многие другие крупные города мира живут в постоянной опасности от проявлений геологических процессов. Их расположение обусловливает практически полную уверенность в возможности катастрофы в предстоящие несколько десятков или несколько сотен лет.

К счастью, разрушения, вызываемые землетрясениями, очень локализованы. И все же, когда они происходят в море, они возбуждают огромные цунами, которые могут перемещаться через целые океанские бассейны и причинять огромный ущерб в очень отдаленных частях земного шара. Хотя эти гигантские волны перемещаются очень быстро, обычно жителей предупреждают о них достаточно заблаговременно, чтобы они могли подготовиться, успеть выехать из низменного района. Очень мощные вулканические извержения также могут проявляться далеко за пределами непосредственно прилегающей к ним местности. В главе 12 уже отмечалось, что извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году вызвало глобальное понижение средней температуры в течение нескольких лет вследствие выброса в атмосферу вулканических аэрозолей, главным образом сернистого газа. Сразу же после первоначальных извержений в атмосфере оказалось так много вулканической пыли, что самолеты коммерческих авиалиний, чьи маршруты пролегали через Тихий океан, вынуждены были, по сообщениям печати, заменять ветровые стекла каждые несколько дней из-за щербин. Та же пыль была причиной великолепных закатов во всем мире, наблюдавшихся более года.

Многие из извержений прошлого оставили после себя легко прослеживаемые в геологическом разрезе слои пепла, имеющие часто мощность в несколько сантиметров и площадь распространения в десятки тысяч квадратных километров. Самое крупное за последние две сотни лет извержение произошло в 1815 году на острове Сумбава в Индонезии, когда крупный вулкан горы Тамбора яростно взорвался. Согласно записям европейских чиновников, живших в этом регионе в то время, взрывы, сопровождавшие извержение, были слышны за 1500 километров. На острове Ява, в сотнях километров к западу от острова Тамбора, день превратился в ночь из-за вулканического пепла, рассеянного в воздухе. Вулканическая пыль, выброшенная в атмосферу, была почти несомненно причиной необычно холодной погоды на всем земном шаре, которая последовала за этим извержением. В своей очаровательной книжице на тему связи между климатом и вулканами Генри и Элизабет Стоммел тщательно описали холодное, ветреное (даже снежное) лето 1816 года в Новой Англии, Европе и других местах, которое последовало за извержением вулкана Тамбора. В своем исследовании они часто сталкивались с ходячим выражением того времени: «тысяча восемьсот и замерз до смерти».

Имеется достаточно данных, относящихся к недавним, тщательно задокументированным землетрясениям, как, например, в Минатубо, чтобы было ясно, что огромное количество пепла и сернистого газа, которое было выброшено вулканом Тамбора, должно было значительно повлиять на количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли, чтобы вызвать существенное похолодание. И действительно, некоторые исследователи отметили, что самые грандиозные вулканические события прошлого, запечатленные в геологической летописи, из которых некоторые во много раз превышали по своей мощности извержение вулкана Тамбора, вполне были способны вызвать «вулканическую зиму», длившуюся, возможно, несколько лет подряд. В сущности, нет сомнений в том, что за такими событиями следовало глобальное похолодание, если оно происходило в такой момент, когда и другие условия благоприятствовали оледенению, давая тот толчок, который был нужен для того, чтобы ввергнуть Землю в ледниковый период.

Очевидно, что геология не уважает межгосударственные границы. Наоборот, ее щедрые подарки в форме минеральных и энергетических ресурсов, добываемых из недр Земли, так же как и ее угрозы, представляют собой современные проявления геологических процессов, идущих уже миллионы, если не миллиарды лет. Эти процессы могут коренным образом изменить лицо Земли и даже повлиять на ход дальнейшей эволюции жизни и общества. Обо всех этих вещах мы знаем на основании изучения геологической летописи — данных, сохранившихся в горных породах. По мере того как эта летопись раскрывается перед нами во всех подробностях, становится возможным предвидеть, что лежит впереди, понять, как действия самого недавнего агента геологических изменений, человека, могут с высокой вероятностью нарушить ныне протекающие природные геологические циклы. И все это позволит нам понять происхождение ландшафтов, отражающих в себе всю геологическую историю и окружающих нас каждый день нашей жизни.

ГЛОССАРИЙ

Аккреция — применительно к истории образования Земли как планеты аккрецией называется процесс, посредством которого твердый материал, обращавшийся по орбите вокруг Солнца, постепенно собирался во все более плотные скопления, из которых в конце концов образовалась Земля. Отдельные обломки этого материала имели размеры, колеблющиеся от песчаного зерна до планетоподобных объектов величиной с Марс.

Актуализм (принцип актуализма) — принцип, или правило, согласно которому геологические процессы, которые можно наблюдать сейчас, вероятно, подобны тем, которые протекали в прошлом.

Андезит — тип вулканических пород, характерный для вулканов, действующих в зонах субдукции. Термин происходит от названия гор Анды в Южной Америке.

Археоптерикс — животное, ныне вымершее, в котором сочетались характерные признаки как птиц, так и пресмыкающихся. Считается одной из первых настоящих птиц, поскольку имел перья и облегченные кости. Жил в конце юрского периода.

Астероиды — небольшие (диаметром до 1000 километров) каменные и металлические тела, вращающиеся вокруг Солнца. Они сконцентрированы в основном в так называемом поясе астероидов, расположенном между орбитами Марса и Юпитера.