Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Возможно, потому, что протерозойские породы и их история так хорошо мне знакомы, — некогда великие хребты Пеноки и Барабу в районе Верхнего озера, яростные вулканы над горячими точками в центральном Висконсине, огромный рифт Мидконтинента, почти разрывающий Северную Америку надвое, — «скучный миллиард лет» не кажется мне таким уж далеким временем. Меня охватывает приступ иррациональной печали при мысли о том, что примерно через такой же промежуток времени в будущем, т. е. где-то через 1,5 млрд лет, окно обитаемости для нашей планеты будет закрыто. Солнце, которое постепенно разгорается все ярче (по самым консервативным оценкам, на 0,9 % за 100 млн лет), станет настолько горячим, что океаны начнут испаряться, а повышение концентрации водяного пара в атмосфере запустит бесконтрольный парниковый эффект[76]. Солнечная радиация будет расщеплять молекулы воды на водород и кислород, которые будут улетучиваться в космос. Другими словами, если жизнь на Земле стала возможной 3,8 млрд лет назад, когда закончилась интенсивная метеоритная бомбардировка, к настоящему моменту истекло почти три четверти периода, когда наша планета пригодна для обитания. Тем не менее мы должны быть благодарны за огромное количество отведенного нам времени, которое мы получили благодаря тому, что Земля принадлежит к системе желтой карликовой звезды со сроком жизни 10 млрд лет. Звезды всего вполовину больше Солнца живут в среднем около 3 млрд лет — что по земным меркам равно промежутку времени от рождения планеты до середины «скучного миллиарда лет». Как видите, Земля — настоящий долгожитель.

Самая длинная зима

Возможно, наша планета так бы и продолжала вести размеренный и спокойный протерозойский образ жизни, если бы около 800 млн лет назад новая тектоническая система не согнала бóльшую часть континентальной коры в один большой материк в экваториальной зоне. Геологи называют этот древний суперконтинент Родинией, от русского слова «родина». Как и все континенты, Родиния была лишь врéменной структурой и примерно 750 млн лет назад в результате рифтогенеза начала распадаться на части, что привело к образованию в тропических широтах новых протяженных береговых линий. Реки, питаемые мощными тропическими ливнями, несли осадочный материал и вымываемые из горных пород химические элементы в море, насыщая прибрежные воды питательными веществами и тем самым создавая условия для бурного роста микроорганизмов. Впервые в истории планеты изъятие органического углерода и его захоронение в осадках на континентальных шельфах достигло таких объемов, что привело к резкому снижению концентрации СО₂ в атмосфере — и запустило процесс глобального похолодания.

В полярных регионах начали разрастаться нетающие ледяные шапки, которые увеличивали альбедо, или отражательную способность поверхности Земли, что, в свою очередь, способствовало ее дальнейшему охлаждению — классический пример положительной обратной связи. Несмотря на расширение ледникового покрова, углекислый газ продолжал в больших количествах выводиться из атмосферы через захоронение органического углерода и интенсивное химическое выветривание горных пород в низкоширотных регионах Родинии (посредством того же механизма Гималаи сократили концентрацию атмосферного СО₂ и способствовали охлаждению Земли в кайнозое). Когда площадь ледникового покрова достигла критической точки, эффект альбедо вверг планету в состояние вечной зимы, превратив ее в «снежный ком».

Что именно произошло с Землей в криогении — одном из немногих периодов протерозоя, который упоминается довольно часто, — вызывает в геологическом сообществе жаркие споры. Нет лишь разногласий по поводу того, что в климатической системе планеты произошел серьезный сбой. Это ясно подтверждается геологической летописью: практически на всех континентах породы того периода представляют собой ледниковые (гляциальные) отложения — либо несортированную смесь глинистого вещества с валунами различных пород, оставленную ледником на суше, либо тонкослоистые морские отложения, перемежающиеся с окатанными обломками пород, принесенными айсберговым рафтингом (разносом). Поскольку значительная часть воды была превращена в лед, уровень моря должен был снизиться на десятки метров, обнажив обширные участки континентов для эрозии, которая продолжалась по крайней мере до тех пор, пока не наступила глубокая ледниковая эпоха и все поверхностные процессы не приостановились. Великое несогласие, наблюдаемое в Большом каньоне, между метаморфическими протерозойскими породами, такими как сланцы Вишну, и первой стратифицированной единицей — кембрийским песчаником Тапитс — отражает длительный перерыв в осадконакоплении в тот период, когда Земля была «снежным комом». Таким образом, если наступление резкого похолодания в конце протерозоя является общепризнанным фактом, то его конкретные детали — глубина промерзания, выживание биосферы и то, каким образом Земля вышла из гипотермического состояния, — служат предметом горячих научных споров.

Весна жизни

В конце концов Земля снова начала нагреваться. Возможно, ей помогло дыхание вулканов, которые продолжали извергаться, в то время как другие геологические процессы остановились, и понемногу, за тысячи лет, вулканы вывели Землю из ледяной комы. Или же внезапная взрывная «отрыжка» давно секвестрированного биогенного метана с морского дна превратила ледяную планету в парник всего за несколько месяцев или лет. Уровень разрешения геологической летописи и точность существующих методов датирования пока не позволяют нам узнать такие детали.

В любом случае окончание периода «снежного кома» было ознаменовано тем, что можно было бы назвать Великой аэрацией, когда произошел второй большой скачок в повышении уровня свободного кислорода и формировании четвертой — современной — атмосферы Земли. Кислородчувствительные микроэлементы в осадочных породах наконец-то стали вести себя по-современному, что свидетельствует о возрастании концентрации свободного кислорода (O₂) с доли процента до почти близкой к нынешней. К сожалению, нам неизвестны подробности, как именно произошел этот переворот в стабильном квазиоксигенированном протерозойском мире. Возможно, массированный приток в океаны фосфора из раздробленного и перетертого материала горных пород, измельченных движущимися ледниками, привел к взрывному росту морской жизни[77]. Или же интенсивное смешивание верхних и глубоких слоев воды в океанах в переходный период между ледниковым и парниковым миром нарушило устойчивую геохимическую стратификацию, преобладавшую на протяжении 1,5 млрд лет.

Благодаря даже небольшому повышению концентрации кислорода организмы, использовавшие его в своих метаболических процессах, значительно повысили эффективность извлечения энергии из окружающей среды и получили возможность вырастать до гораздо бо́льших размеров, чем когда-либо прежде. В пределах миллиона лет после того, как Земля перестала быть «снежным комом», она была заселена необычной новой экосистемой мягкотелых макроскопических организмов, называемой эдиакарской биотой (или эдиакарской фауной). Эдиакарские (вендские) окаменелости найдены в осадочных отложениях в разных частях мира, в том числе в Южной Австралии, регионе Белого моря в России, графстве Лестершир в Англии и на острове Ньюфаундленд в Канаде. Это были необычные создания, похожие на стеганое одеяло, по форме напоминающие либо летающие диски фрисби, либо листья папоротников высотой до 1 м с прицепкой, с помощью которой они прикреплялись к морскому дну. Отсутствие у них кишок и минерализованных раковин свидетельствует о том, что они обитали в мирном подводном царстве, где преобладал осмотический способ питания и не было угрозы хищничества. Некоторые из этих организмов могли быть предшественниками более поздних и знакомых нам типов примитивных морских животных, таких как плеченогие (или брахиоподы). Но большинство представителей эдиакарской фауны, судя по всему, были результатом ранних эволюционных экспериментов по созданию макроскопических — многоклеточных — форм жизни и не оставили после себя потомков среди современных типов животных.

Но эдиакарские организмы недолго пребывали в эволюционном авангарде. В течение следующих 40 млн лет на морском дне развернулась интенсивная анатомическая перестройка, известная как кембрийский взрыв. Появление первых плотоядных запустило гонку вооружений между хищниками и их жертвами, которые с тех пор старались перехитрить друг друга, как Хитрый койот и Дорожный бегун{11}. Жесткие защитные оболочки из карбоната кальция стали обязательной экипировкой для крошечных существ, которые легко могли стать жертвами, тогда как крупные хищники обзаводились специализированным плавательным снаряжением и приспособлениями для убийства.

Впрочем, темпы эволюции в ходе кембрийского взрыва вызывают некоторые разногласия, сталкивая лбами палеонтологов и биологов, использующих геномный подход для определения того, когда на древе жизни появились те или иные ветви. Палеонтологическая летопись на основе окаменелостей предполагает, что промежуток времени между 540 и 520 млн лет назад был периодом беспрецедентных по своей скорости и разнообразию биологических инноваций. Однако эта гипотеза расходится с данными молекулярных часов — так называется метод датирования филогенетических событий, основанный на предположении о том, что гены, кодирующие белки, накапливают эволюционные изменения с практически постоянной скоростью. Большинство оценок на основе этого метода указывает на то, что царство животных, первыми представителями которых предположительно были губки, возникло в конце протерозоя 750–800 млн лет назад и что кембрийское событие было вовсе не «взрывом», а медленным, растянутым во времени процессом[78]. Однако эта датировка означает, что зарождение животного мира началось в мрачную и холодную ледниковую эпоху, когда Земля была «снежным комом» и мало походила на уютную колыбель. Это разногласие в очередной раз подчеркивает любопытное культурное различие между «полевыми» палеонтологами, которые привыкли иметь дело с невероятным своеобразием ископаемых форм жизни и потому готовы принять идею о неравномерных темпах эволюции, и «лабораторными» молекулярными биологами, которые рассматривают клеточную структуру как механизм, а потому более склонны скатываться к ортодоксальному униформизму, чем их коллеги-геологи. Таким образом, хотя сегодня докембрий перестал быть темным, неизведанным периодом в истории Земли, каковым он являлся для геологов Викторианской эпохи, наше понимание того, каким образом произошел переход к кембрийскому миру, по-прежнему остается довольно смутным.

В большинстве учебников по палеонтологии кембрийский взрыв рассматривается как «начало истории», как прелюдия к захватывающему повествованию о трилобитах, двоякодышащих рыбах, каменноугольных болотах, тираннозаврах, птеродактилях, мегатериях, мамонтах и, наконец, о гоминидах. Между тем во многих важнейших аспектах кембрийский мир не так уж сильно отличался от современной биосферы: почти все основные таксономические группы (типы) животных к тому времени уже появились на сцене, и на протяжении следующих 500 млн лет эти игроки занимались тем, что организовывались в сложные кислородозависимые экосистемы с многоуровневыми пищевыми сетями, заселяли материки и осваивали небо, развивая все более специализированные адаптации к среде обитания, и периодически становились жертвами экологических катастроф, когда слишком быстрые изменения окружающей среды, и особенно атмосферы, превышали их адаптационные способности.

Вырванные страницы

В XIX в. геология почти всецело сводилась к палеонтологии, и даже на момент публикации Дарвином его знаменитого труда «Происхождение видов» в 1859 г. демаркация геологического времени была полностью основана на ископаемых остатках. Геологи Викторианской эпохи педантично каталогизировали последовательные изменения в родословных линиях ископаемых, таких как спиральные аммониты, витиеватый узор раковин которых так же характерен для определенных периодов времени, как фижмы или двухцветные ботинки. Занимаясь этим, они обнаружили в стратиграфической летописи странные моменты, когда происходила резкая смена в составе окаменелостей, то есть, образно говоря, не просто постепенно менялись детали костюма, но прежний состав персонажей на сцене фактически заменялся новой труппой. Проанализировав эти разрывы последовательности окаменелостей, в 1841 г. Джон Филлипс — племянник уже известного нам строителя каналов Уильяма Смита, автора концепции руководящих ископаемых, — предположил, что в истории земной жизни было три великие главы: палеозойская, мезозойская и кайнозойская эры, т. е. эры древней, средней и новой жизни соответственно. (О том, что жизнь появилась еще в архее, за три с лишним миллиарда лет до начала палеозоя, стало известно только через 100 лет.)

Филлипс был сиротой, взятым на воспитание Уильямом Смитом, и ребенком сопровождал своего энергичного дядюшку в его многочисленных экспедициях по изучению окаменелостей. Прозорливый и талантливый палеонтолог, он, однако, выступил против дарвиновской теории эволюции путем естественного отбора, утверждая, что удивительное соответствие между живыми организмами и их средой обитания является свидетельством осуществления божественного плана (который, видимо, предусматривал периодические радикальные переделки). В конце своей карьеры Филлипс объединил силы с лордом Кельвином, чтобы опровергнуть утверждение Дарвина о «неимоверной продолжительности геологических эпох»[79]. Как бы то ни было, это заблуждение не умаляет значения его провидческой гипотезы о трех великих главах в истории эволюции животного мира.

Дарвин, разумеется, досадовал на Филлипса, но не мог отрицать наличия внезапных озадачивающих разрывов в палеонтологической летописи. Уверенный в непрерывности и равномерности эволюции, он отказывался видеть в них свидетельство природных катастроф. Его теория предполагала постоянное вымирание видов — непрерывную «выбраковку» менее приспособленных видов в результате естественного отбора. Дарвин объяснял обнаруженные внезапные исчезновения следов большинства ранее существовавших видов из осадочных последовательностей не их катастрофическим вымиранием, а прерывистым характером осадконакопления. В «Происхождении видов» он посвятил целую главу «неполноте геологической летописи», настаивая на том, что осадочные накопления отражают прошедшее время лишь частично и что «в пределах каждой последовательной формации существуют, согласно мнению большинства геологов, перерывы огромной продолжительности»{12}. Дарвин также предполагал, что темпы седиментации (когда та вообще происходит) могут быть недостаточно быстрыми для того, чтобы зафиксировать ход эволюции: «Хотя каждая формация может обозначать собой весьма длинный ряд лет, но каждая из них, вероятно, коротка сравнительно с периодом времени, необходимым для изменения одного вида в другой»{13}. Еще одно его пророческое предположение состояло в том, что доступная нам палеонтологическая летопись искажена тем фактом, что мы можем найти окаменелости только в тех обстановках, где в свое время происходило накопление осадков (в иных случаях осадочные породы попросту отсутствуют), но эти обстановки не всегда совпадали с местами обитания живых существ. Дарвиновские объяснения разрывов в летописи окаменелостей доминировали до середины XX в., когда геохронологическая шкала была уже достаточно хорошо откалибрована, чтобы бесспорно доказать тот печальный факт, что порой даже в благополучных экосистемах могут происходить ужасные катастрофы. Теперь мы знаем, что с начала кембрийского периода произошло по меньшей мере пять крупных массовых вымираний и множество менее масштабных. После каждого из них животное царство на Земле постепенно восстанавливалось, но безвозвратно менялось, поскольку оставшиеся представители видов, выживавшие порой не столько благодаря своей приспособляемости, сколько по счастливой случайности, не подходили на роль основателей новой биосферы в изменившемся мире.

Апокалипсис сегодня

При массовом вымирании скальпель естественного отбора, обычно кропотливый, аккуратно отсекающий одних особей и сохраняющий других на основе мельчайших различий, таких как оттенки в окраске крыльев у бабочек или небольшие отличия в форме клюва у вьюрков, превращается в эволюционное подобие мачете, которое стремительно и без разбора уничтожает целые таксономические группы — не просто отдельные особи или виды, но целые рода, семейства и отряды — почти на всем пространстве их обитания. Причины массового вымирания, как правило, отличаются от факторов, стоящих за рутинным прореживанием в результате естественного отбора, — аналогично тому, как естественная смертность людей из-за несчастных случаев или заболеваний имеет мало общего с массовой гибелью в ходе войн и эпидемий. Палеонтологи оценивают тяжесть этих событий по такому количественному показателю, как величина отклонения от фоновой скорости исчезновения для разных групп. Например, фоновая скорость вымирания амфибий в кайнозое составляет менее 0,01 вида в год, или примерно одна лягушка или саламандра в столетие[80]. Массовые вымирания подразумевают, что между обычно соразмерными темпами эволюции и изменениями окружающей среды, идущими друг с другом в ногу так же, как тектоника и эрозия, происходит резкая рассинхронизация. Если постепенные геологические изменения, такие как формирование горных поясов, разделение континентов и т. п., вдохновляют биосферу на инновации, то резкие, масштабные перемены могут стать разрушающим фактором. Когда изменения окружающей среды по каким-либо причинам ускоряются настолько, что биосфера не в силах за ними угнаться, начинается массовое вымирание.

Интересно вспомнить гипотезы о причинах мел-палеогенового вымирания из учебников по исторической геологии, по которым мы учились в университете в начале 1980-х гг. — незадолго до того, как гипотеза Альвареса об астероидном воздействии была принята геологическим сообществом. К тому времени прежнее представление о динозаврах как о тупых и медлительных созданиях, косвенно подразумевавшее, что их вымирание было фактически «предопределено», доказало свою несостоятельность и сменилось пониманием того, что это были проворные теплокровные животные, в некоторых случаях социальные и довольно умные. Уничтожить таких животных не так-то просто, поэтому стало очевидно, что ни один из предполагаемых факторов их кончины — глобальное похолодание, смертельная эпидемия, геноцид со стороны млекопитающих-яйцеедов, аллергия на первые цветковые растения (!) — не мог оказать достаточно мощного и стремительного воздействия, чтобы привести к такому исходу. Единственная упоминавшаяся тогда внеземная гипотеза гласила, что динозавры погибли от космической радиации, выброшенной при вспышке далекой сверхновой звезды и достигшей Земли как раз в тот момент, когда происходила инверсия геомагнитного поля и планета была почти не защищена от космического излучения (т. е. они в буквальном смысле слова умерли под несчастливой звездой).

Вспоминая эти гипотезы, невольно испытываешь ностальгию по добрым и уютным временам, когда над миром не маячил призрак апокалипсиса. Дело в том, что теории о массовых вымираниях всегда появляются параллельно с другими источниками экзистенциальной тревоги в обществе: геологическое прошлое часто служит своего рода экраном, на который мы проецируем наши самые глубокие страхи. Это вовсе не говорит о ненаучности гипотез о массовых вымираниях, однако ужас перед новыми видами апокалипсиса невольно разжигает наше воображение в отношении возможных сценариев катаклизмов прошлого. Геологи — это обычные люди, живущие в конкретном обществе в конкретный исторический момент, и они не могут не находиться под влиянием доминирующего духа времени. По сравнению с XX в. и началом XXI в. с их паническими страхами, Викторианская эпоха была полна оптимистичных надежд на то, что научно-технический прогресс значительно улучшит жизнь большей части человечества. Таким образом, помимо лайелевского табу на геологический катастрофизм (особенно старомодного библейского типа), возможно, тот факт, что викторианцы попросту не были одержимы видением конца времен, объясняет тогдашнее отсутствие в научном мире моды на Армагеддон.

Но к 1980 г. устрашающие технологические достижения, которых не могли предвидеть люди Викторианской эпохи, поставили под угрозу существование человеческой цивилизации, и именно в этот тревожный момент в конце холодной войны отец и сын Альваресы выдвинули гипотезу астероидного воздействия. Описание того, как падение на Землю массивного метеорита окутало планету саваном из выброшенных в стратосферу пыли и сажи, который преградил солнечному излучению путь на ее поверхность и заблокировал фотосинтез, вызвав массовый голод, было словно прямиком взято из сценариев «ядерной зимы», предсказанных в 1970-х гг. Карлом Саганом и голландским ученым, специалистом в области химии атмосферы, Паулем Крутценом. Катастрофическое извержение вулкана Сент-Хеленс в том же году наглядно проиллюстрировало пепельное светопреставление в локальном масштабе.

К 1990 г., когда был обнаружен кратер Чикшулуб, Берлинская стена уже пала, но на смену ослабевшей угрозе ядерной катастрофы пришло растущее осознание того, что негативное антропогенное воздействие на экологию однажды может привести к гибели человечества. Было доказано, что причиной начавшейся деградации лесов в Новой Англии (США) и в Скандинавии являются кислотные дожди — результат выбросов в атмосферу серы из-за продолжавшегося десятилетиями сжигания угля. Стало вдруг ясно, что избирательный характер вымирания морских видов в конце мелового периода, когда оснащенные известковистыми раковинами организмы, обитавшие в глубоководных условиях, пережили катастрофу с меньшими потерями, чем обитатели мелководий, говорит о том, что это могло быть вызвано поверхностным воздействием на океан серной кислоты. А ведь горные породы в районе юкатанского кратера Чикшулуб заключали в себе много серы, содержащейся в мощных слоях минерала ангидрита — безводного сульфата кальция, который при ударе астероида, вероятно, испарился, был выброшен в атмосферу, а затем выпал в виде едкого кислотного дождя. Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г., которое было в 10 раз мощнее извержения Сент-Хеленс, дало возможность лучше понять эти процессы. Выброшенного в стратосферу количества сульфатных частиц оказалось достаточно, чтобы на два года затормозить неуклонное повышение глобальной температуры, вызванное ростом концентрации парниковых газов. Огромные объемы сульфатной породы, выброшенные из гигантского кратера Чикшулуб, могли вызвать гораздо более сильное похолодание — губительное для организмов, привыкших к теплому меловому миру, — после чего выпасть на Землю в виде адского кислотного дождя. Другими словами, не просто пыль, а попавшая в атмосферу сера могла быть истинным виновником мел-палеогенового вымирания.

Но многих палеонтологов не удовлетворило и это объяснение. Едкий кислотный дождь должен был быть особенно токсичным для пресноводных экосистем, но выживаемость видов в этих водоемах, в том числе лягушек и других земноводных, очень чувствительных к изменению химического состава воды, была близка к 90 % — намного выше, чем у обитающих на суше видов, всего 12 % из которых пережили катаклизм. Поскольку ни один из предполагаемых механизмов не может объяснить некоторые детали палеонтологической летописи мел-палеогенового вымирания, некоторые палеонтологи считают, что астероид не был единственным убийцей, а лишь нанес добивающий удар глобальной экосистеме, уже ослабленной другими вредоносными факторами. В качестве наиболее вероятного пособника называется вулканическая активность, в частности извержения, приведшие к образованию Деканских траппов — обширной магматической провинции в современной Индии, покрытой слоями излившегося базальта общей мощностью более 1,6 км. На протяжении десятков тысяч лет, предшествовавших массовому вымиранию, сочащаяся лава выбрасывала в атмосферу огромные количества углекислого газа, уже поставив мир на грань экологической катастрофы к тому времени, когда ему был нанесен смертельный удар из космоса. В результате испарения мощной толщи известняков в Чикшулубе в атмосферу было выброшено еще больше двуокиси углерода, так что после нескольких лет сурового холода, вызванного облаком пыли и пепла, климат стремительно качнулся в другую сторону из-за парникового эффекта, принеся на Землю жару и засуху. В современных реконструкциях конца мелового периода будоражащий воображение астероид-убийца вынужден поделиться своей сомнительной славой с куда менее гламурными парниковыми газами.

Губительный воздух

После выдвижения гипотезы о мел-палеогеновом катаклизме изучение массовых вымираний превратилось в самостоятельный и модный раздел палеонтологии. В свете вновь «узаконенного» катастрофизма стали делаться попытки свести все массовые исчезновения видов к внеземному воздействию. Блестящий палеонтолог Джек Сепкоски из Чикагского университета, который первым признал потенциал работы с большими данными в палеонтологии, утверждал, что, проанализировав тысячи каталогов ископаемых остатков, выявил регулярный цикл частоты вымираний продолжительностью примерно 26 млн лет. Проявив своего рода неоуниформизм, он предположил, что эти циклические вымирания, возможно, связаны с периодическим прохождением Земли через спиральные рукава галактики, которые могут дестабилизировать орбиты комет[81]. Концепция Сепкоски стимулировала активные поиски следов крупных внеземных воздействий во время других массовых вымираний, превратив исследование ударных кратеров из периферийной дисциплины в геологический мейнстрим. Но за три десятилетия так и не было найдено убедительной связи между каким-либо другим крупным биологическим кризисом и столкновением Земли с астероидом или кометой. Поэтому нам остается лишь взглянуть в лицо отрезвляющему факту, что, по всей видимости, так уж устроена наша планета, что ее собственные процессы порой могут ставить жизнь на ней на грань исчезновения.

Помимо мел-палеогенового катаклизма, другие массовые вымирания в хронологическом порядке включают: (1) ордовикско-силурийское, в конце ордовикского периода, около 440 млн лет назад, ставшее первым крупным сокращением видов после кембрийского взрыва, (2) пара близко расположенных вымираний в конце девонского периода, примерно 365 млн лет назад, когда макроскопические организмы начали осваивать сушу, (3) «холокост» в конце пермского периода, 250 млн лет назад, крупнейшее из всех массовых вымираний, которое Джон Филлипс метко обозначил как конец палеозойской эры древней жизни, и (4) триасово-юрское вымирание, еще один жестокий удар по биосфере, нанесенный всего через 50 млн лет после пермского катаклизма. В зависимости от того, как измерять масштабы этих массовых убийств (по количеству уничтоженных видов, родов или семейств), вымирание в конце мела, в том числе и динозавров, занимает всего лишь четвертое или пятое место.

Хотя эти бедствия отличаются между собой в том, что касается обстоятельств и жертв, между ними есть разительное сходство (см. приложение III). Во-первых, все они, включая и мел-палеогеновое вымирание, сопровождались резким изменением климата и все, кроме девонских событий (когда произошло значительное остывание тропических морей), — быстрым потеплением. Во-вторых, все они были связаны с серьезными нарушениями углеродного цикла и изменением содержания углерода в атмосфере вследствие необычайно активного вулканизма (пермь, триас, мел) и/или из-за дисбаланса между секвестрацией углерода биосферой и его высвобождением из накопленных углеводородов (ордовик, девон, пермь, триас). В-третьих, все это влекло за собой быстрые изменения в химическом составе морской воды, в том числе повышение ее кислотности, что пагубно отражалось на секретирующих кальцит организмах (пермь, триас, мел) и/или приводило к широкому распространению зон аноксии — мертвых зон с острой нехваткой кислорода, которые удушают почти все живое, кроме любящих серу бактерий (ордовик, девон, пермь). За каждым массовым вымиранием следовал период продолжительностью от сотен тысяч до миллионов лет, когда на Земле процветали только микробы, в то время как остальная часть биосферы пыталась оправиться от катаклизма и, образно говоря, встать на ноги (или вернуться в свои раковины). Эти катастрофы бросают вызов нашему тщеславному представлению о человеческом виде как о венце творения, триумфальной кульминации 3,5 млрд лет эволюции. Жизнь бесконечно изобретательна, непрерывно экспериментирует с новыми формами, но ее представление о прогрессе не всегда соответствует нашему. Для нас, млекопитающих, мел-палеогеновое вымирание стало счастливым событием, расчистившим нам путь в золотой век. Но, если посмотреть на историю биосферы с точки зрения прокариотов, а не многоклеточных организмов, то эти массовые катаклизмы превращаются в незначительные события, едва ли достойные упоминания. Даже сегодня прокариоты (бактерии и археи) составляют не менее 50 % всей биомассы на Земле[82]. Земная биосфера всегда была и остается «микрократией», в которой доминируют крошечные организмы. В условиях, когда более крупные и развитые формы жизни терпят неудачу, бесконечно приспособляющиеся микробы, эволюционные темпы которых измеряются месяцами, а не тысячелетиями, стремительно осваивают новую среду, возвращая себе многовековое господство над планетой.

Но, пожалуй, наиболее важное сходство состоит в том, что ни одно из массовых вымираний, даже относительно «чистый» мел-палеогеновый катаклизм, нельзя полностью списать на какую-либо одну причину: во всех них были замешаны быстрые изменения сразу в нескольких геологических системах, которые, в свою очередь, вызывали побочные эффекты в других. В некотором смысле это обнадеживает, так как означает, что для такой масштабной дестабилизации биосферы требуется «идеальный шторм» из множества сошедшихся факторов. Тревожит то, что многие из этих неблагоприятных факторов — парниковые газы, нарушение круговорота углерода, закисление океана и аноксия — уже присутствуют на нынешней Земле. И если надвигающаяся экологическая катастрофа действительно обусловлена сразу многими причинами, то это делает невозможным не только точные прогнозы, но и поиск «серебряной пули» — простого и быстрого решения.

История земной атмосферы напоминает нам, что небо над нашими головами — не единственное в своем роде и не вечное. Даже длительные периоды стабильности могут прерываться неожиданными катаклизмами, когда подспудно набиравший силу ветер перемен обрушивается на планету с захватывающей дух внезапностью и мощью (тающие на глазах ледники Шпицбергена — лишь малый тому пример). Ударные волны таких потрясений прокатываются по всем экосистемам на всех уровнях, нарушая устоявшиеся биогеохимические циклы. Организмы, слишком тесно связанные со старым миропорядком, массово погибают или вовсе исчезают с лица Земли, после чего бессмертные микробы принимаются неспешно наводить порядок и устанавливать новый свод правил для выживших. Играть с составом земной атмосферы — опасное дело: неуправляемые разрушительные силы могут материализоваться буквально из воздуха.

Глава 5. Великое ускорение

Уничтожать деревья может любой дурак: они не могут от вас убежать.

Джон Мьюр. Наши национальные парки

Нечаянные вандалы

В большинстве американских университетов, чтобы получить диплом геолога, вам нужно пройти обряд посвящения под названием «полевой лагерь». Традиционно этот обряд представляет собой шестинедельную экспедицию в один из западных штатов, который щедро наделен сложным рельефом и изобилием греющихся под солнцем обнаженных пород. Будущие геологи учатся наносить на карту пачки пород и минеральные залежи, составлять стратиграфические колонки, рисовать геологические разрезы и интерпретировать морфологию рельефа. В прежние времена полевой лагерь был суровым испытанием, призванным «сделать из мальчиков мужчин». К счастью, преподаватели Миннесотского университета, где я училась, придерживались более просвещенных взглядов на жизнь.

Хотя Миннесота и сама весьма интересна в геологическом отношении, наш полевой лагерь находился у подножия живописного горного хребта Савач в центральном Колорадо. Раз в неделю нам выделяли законный выходной, и в один из таких дней сладкой свободы мы с друзьями отправились в пеший поход в горы, чтобы исследовать старый пегматитовый рудник, о существовании которого мы случайно узнали. Пегматиты — экзотические магматические горные породы, которые славятся присутствием в них огромных кристаллов редких минералов разнообразной расцветки, а также все больше ценятся сегодня как источник редкоземельных элементов, используемых в высокотехнологичных батареях, мобильных телефонах и цифровых носителях информации. Пегматиты образуются на самом последнем этапе затвердевания некоторых гранитных магм, когда комбинация неполного остывания и высокого содержания магматических газов создает идеальные условия для формирования кристаллов, позволяя им расти во много раз быстрее, чем обычно. Нормальные кристаллы кварца или полевого шпата, образующиеся в магматической камере под вулканом, таким как Сент-Хеленс, неторопливо увеличиваются в размерах примерно на 0,6 см за столетие[83]. По сравнению с ними кристаллы пегматита можно сравнить с детенышами синих китов в минеральном мире, которые растут буквально как на дрожжах — на несколько сантиметров в год[84]. Несмотря на свою способность к быстрому росту, пегматиты встречаются довольно редко и по большому счету не являются возобновляемыми ресурсами. Целью нашего похода были залежи древнего пегматита, образовавшегося в мезопротерозойскую эру, не менее 1,5 млрд лет назад, задолго до появления современных Скалистых гор.

Подойдя к заброшенному руднику, мы ненадолго замешкались перед грозной табличкой «Проход воспрещен», но потом осторожно прошли мимо вереницы отвалов пустой породы к обширной выемке на склоне изуродованного взрывами холма. И там нашему взору неожиданно предстало чудо, которое фанатики пегматита (есть такая особая порода минералогов) называют самоцветным карманом. Мы словно шагнули внутрь старинного пасхального яйца, разукрашенного пастельной сахарной глазурью: гигантские кристаллы белого полевого шпата в обрамлении скоплений пурпурной слюды (лепидолита) перемежались гексагональными призмами розового и зеленого турмалина. Некоторые из этих турмалинов казались идеальными самоцветными миниатюрами арбузных срезов с тонкой зеленой кожурой и ярко-розовой сердцевиной. Всех нас мгновенно охватила инстинктивная жадность, желание унести с собой как можно больше этих сокровищ. Мы принялись долбить камни своими геологическими молотками. Но зубила молотков были слишком тупыми, предназначенными для отбивания горных пород, а не для извлечения хрупких кристаллов. Мне удалось выковырнуть несколько маленьких темно-розовых турмалинов, после чего я увидела главный приз: идеальный полихромный кристалл арбузной раскраски длиной около 8 см. Он находился в неудобном месте, почти у потолка выемки, где не было возможности как следует прицелиться и размахнуться молотком, но я была полна решимости добыть сокровище. Я уже представляла, как буду хвастаться трофеем дома, как вдруг под одним неловким ударом молотка мой прекрасный самоцвет раскололся вдребезги.

В этот миг я опомнилась, с меня словно спали злые чары, охватившие нас, когда мы вошли в самоцветный карман. Я опустила молоток и отошла в сторону. За несколько лет погружения в мир геологии моему пониманию постепенно открылась вся невероятная глубина времени, и теперь я со всей ясностью осознала, что в минутном порыве алчности беспечно уничтожила изысканную, непостижимо древнюю вещь, которая была свидетелем трети земной истории, пережив бо́льшую часть «скучного» миллиарда лет, ледниковый период, когда наша Земля была «снежным комом», появление животных, великие вымирания, образование Скалистых гор. Я с отвращением смотрела на учиненный нами разгром и испытывала острое чувство вины за соучастие в нем.

Теперь я чувствую то же самое, наблюдая за кончиной ледников на Шпицбергене и за все более анемичными зимами у нас в Висконсине, так как понимаю, что в этом есть и моя доля вины — как человека, который любит путешествовать по миру и долго нежиться под горячим душем, и в более широком смысле — как члена общества, болезненно зависимого от ископаемого топлива. На протяжении срока жизни моего поколения мы, как варвары, бездумно вторгались в древние экосистемы и формировавшиеся миллионы лет биогеохимические циклы и запустили изменения, которые уже имели печальные прецеденты в геологическом прошлом и в будущем чреваты непредсказуемыми, во многом мрачными последствиями.

Альманах антропоцена

В какой-то момент в прошлом веке мы пересекли порог, за которым темпы обусловленных антропогенным влиянием изменений окружающей среды превзошли скорость изменений, вызванных естественными геологическими и биологическими процессами. Этот переломный момент ознаменовал собой начало новой эпохи в истории Земли — антропоцена. Этот неофициальный пока термин был придуман в 2002 г. ученым Паулем Крутценом, лауреатом Нобелевской премии в области химии за исследование проблемы образования и разрушения озонового слоя, и быстро вошел в научный обиход и популярный лексикон как краткое наименование того беспрецедентного периода времени, когда человеческая деятельность начала оказывать заметное влияние на поведение планеты.

В 2008 г. группа стратиграфов из Геологического общества Лондона в небольшой статье привела количественные аргументы в пользу выделения антропоцена в качестве формальной единицы геохронологической шкалы[85]. Авторы перечислили пять отчетливо выраженных геологических процессов, темп которых увеличился как минимум вдвое в результате антропогенной деятельности:

• эрозия и седиментация — в результате человеческой деятельности их темпы выросли на порядок (в 10 раз) по сравнению с теми, за которые ответственны все реки мира;

• повышение уровня моря — на протяжении последних 7000 лет было близко к нулю[86], а сейчас составляет около 0,3 м в столетие, и эта цифра предположительно удвоится к 2100 г.;

• химический состав Мирового океана — стабильный на протяжении многих тысячелетий, сейчас меняется: происходит закисление, значение рН стало на 0,1 меньше, чем сто лет назад;

• темпы вымирания видов — в настоящее время в 1000–10 000 раз превышают естественные фоновые показатели[87].

И разумеется, самый ярко выраженный признак:

• концентрация углекислого газа в атмосфере — превысила 400 ppm, что является самым высоким показателем за последние 4 млн лет (до наступления ледникового периода), а его антропогенная эмиссия превосходит выбросы всех вулканов мира в 100 раз[88].

Другие авторы отмечают, что из-за стока сельскохозяйственных удобрений поступление фосфора и азота в озера и морские прибрежные воды, приводящее к образованию аноксических (бескислородных) мертвых зон, выросло более чем в два раза по сравнению с естественными показателями[89]. А через сельское хозяйство, вырубку и сжигание лесов и другие виды землепользования человек сегодня распоряжается четвертью чистой первичной продуктивности — общего объема продукции, создаваемой фотосинтетическими усилиями растений, — на суше[90].

Принимая во внимание эти неоспоримые факты, большинство геологов считают оправданным и полезным выделение антропоцена в самостоятельную эпоху на геохронологической шкале наравне с плейстоценом (ледниковой эпохой, продолжавшейся от 2,6 млн до 11 700 лет назад) и голоценом (по сути, эпохой человеческой истории). Масштабы антропогенных планетарных изменений, «достигнутые» менее чем за столетие, сравнимы с таковыми в ходе великих массовых вымираний, которые отмечали собой другие рубежи в геологической истории. Но, за исключением вымирания в конце мелового периода, когда главным триггером стало астероидное воздействие, остальные катастрофы разворачивались на протяжении десятков тысяч лет.

В настоящее время вопрос об официальном статусе антропоцена рассматривается Международной комиссией по стратиграфии — этим суровым парламентом хранителей времени, и разногласия касаются в основном бюрократических тонкостей, в частности того, как определить начало антропоцена. Должно ли оно быть отмечено глобальным стратотипическим разрезом и точкой (ГСРТ, или «золотым гвоздем»), как границы других подразделений геохронологической шкалы? Так, ГСРТ нижней границы голоцена представляет собой особый слой в Гренландском ледяном щите, изотопный состав которого сигнализирует о начале голоценового потепления[91]. Лед не так долговечен, как горные породы, но этот слой находится на глубине более 1400 м под поверхностью, поэтому, по крайней мере пока, защищен от таяния. (Кроме того, образец этого ледяного слоя хранится в морозильной камере Копенгагенского университета.) Наступление антропоцена также может быть отмечено некой отличительной сигнатурой в полярных льдах, например всплеском концентрации необычных изотопов, являющихся постыдным наследием, «алой буквой позора», оставленной атмосферными испытаниями ядерных бомб в 1950-е и 1960-е гг. Но этот приповерхностный лед очень скоро может стать жертвой антропоценового потепления; сегодня ледниковые архивы исчезают по всему миру с тревожной скоростью. Так, ледяная шапка Келькайя в Перуанских Андах потеряла 1600-летний слой льда всего за два последних десятилетия, что лишило нас высокоразрешающей погодной летописи со времен культуры Наска[92]. Прежнее значение слова «ледяной» как «застывший и неизменный» все больше превращается в анахронизм: сегодня ледники становятся одними из самых изменчивых систем на нашей планете.

Поэтому некоторые геологи предлагают сделать для антропоцена исключение и определить его официальное начало календарным годом, например 1950-м, а не граничной линией в осадочной летописи. В конце концов, мы, люди, единственные, кого волнует этот вопрос, и, пока мы существуем, мы можем напоминать друг другу об этой дате. Если же однажды мы исчезнем с лица Земли, вряд ли кого-то будут интересовать подобные научные проблемы. Точное начало антропоцена не так важно, как сущность этого феномена.

Более тонкий момент для геологов заключается в том, что сама идея антропоцена говорит о фундаментальном разрыве с мировоззренческими основами геологической науки, заложенными Геттоном и Лайелем. Гениальное озарение Геттона состояло в том, что прошлое и настоящее не являются отдельными мирами, управляемыми разными законами, но связаны между собой непрерывностью геологических процессов. А значительная часть фундаментального труда Лайеля «Принципы геологии» посвящена разубеждению читателя в том, что в прошлом геологические изменения происходили гораздо быстрее, чем в настоящем. Концепция антропоцена утверждает как раз обратное: что сегодня процессы протекают гораздо быстрее, чем в прошлом. В попытке предсказать геологическое будущее без удобной опоры на униформизм мы невольно оказываемся в том же положении, что и наши предшественники в начале XIX в., которым было недоступно понимание геологического прошлого из-за отсутствия фундамента накопленных знаний. Сегодня мы так же можем строить прогнозы по поводу неопределенного будущего, опираясь только на самые последние записи в геологической летописи.

Мы все зависим от погоды

Кондиционеры в помещениях и круглогодичная доступность свежих фруктов позволяют жителям богатых стран в XXI в. относиться к погоде всего лишь как к фоновой декорации для жизни, а не как к ключевому фактору, от которого зависит их выживание. Мы можем сетовать на неточность местных метеопрогнозов или злиться, когда дождь срывает наши планы на выходные, но, как общество, мы, по большому счету, игнорируем погоду, пока та не вторгается в нашу повседневную жизнь слишком бесцеремонно. Вместо того чтобы измерять ценность хорошей погоды (представьте себе заголовок: «На прошлой неделе местные фермеры получили солнечного излучения на 10 млн долларов»), мы сосредоточиваемся на негативных погодных явлениях — ураганах, засухах, наводнениях, сильной жаре или необычных холодах — и рассматриваем их как влекущие за собой убытки аномалии, которые лишают людей и компании их «законных» доходов. Мы убеждены в том, что погода должна быть стабильной и благоприятной, и раздражаемся, когда та не соответствует нашим ожиданиям.

Между тем долгосрочное влияние погоды и климата на человеческую цивилизацию является предметом изучения новой междисциплинарной науки — исторической климатологии, которая объединяет историю, экономику, социологию, антропологию, статистику и собственно климатологию. Если посмотреть на последние два тысячелетия человеческой цивилизации, бросается в глаза ярко выраженная закономерность: периоды социальной нестабильности и конфликтов всегда, причем с высоким уровнем статистической достоверности, совпадали с периодами отклонения климатических условий от нормы даже в незначительных пределах[93]. Так, в раннем Средневековье в Европе снижение средних температур всего на один градус ниже нормы привело к неурожаям и спровоцировало массовые миграции и межплеменные столкновения в период с 400 по 700 г. н. э. Затяжная засуха, связанная с изменением погодоформирующих факторов в Тихом океане около 900 г н. э., стала причиной краха цивилизации майя в Центральной Америке и империи Тан в Китае. Ангкорское королевство в Юго-Восточной Азии, процветавшее на протяжении 500 лет, рухнуло после двух десятилетий засухи в начале XV в. Еще один период похолодания в Европе совпал с Тридцатилетней войной, длившейся с 1618 по 1648 г., которая, если учитывать долю погибших от всего населения, была даже кровопролитнее, чем Первая мировая война. Хотя формально война была вызвана религиозными и политическими причинами, спровоцированный климатическими изменениями голод усиливал враждебность и усугублял страдания людей.

Можно подумать, что современное общество стало менее уязвимым для обычных погодных аномалий. Но анализ полицейских данных за последние полвека показал, что при каждом увеличении стандартного отклонения средней температуры в крупных городах мира уровень насильственной преступности подскакивал на 4 %. Аналогичное статистическое исследование показало, что за последние десятилетия климатические стрессы, такие как нехватка воды, провоцировали увеличение локальных и региональных межгрупповых конфликтов по всему миру по крайней мере на 14 %[94]. Парадоксально, но современный уровень развития во многих отношениях делает нас менее гибкими перед лицом климатических перемен, чем предыдущие общества. Мы выстроили огромные города на побережьях и в пустынях в расчете на то, что уровень моря будет оставаться постоянным, а дожди и снега будут своевременно пополнять запасы пресной воды. Вся наша система производства продуктов питания построена на предположении о том, что привычные нам погодные циклы будут повторяться снова и снова.

Между тем погода все больше «сходит с ума». С начала этого тысячелетия мы уже пережили десять самых жарких лет за всю историю метеонаблюдений. «Самое сильное за 100 лет» и «самое сильное за 500 лет» наводнения происходят раз в десятилетие. Правила климатической игры в антропоцене изменились настолько, что геологам все труднее полагаться на количественные модели, разработанные учеными для исследования поведения геологических систем. Эти модели основаны на концепции стационарности, которая гласит, что естественные системы изменяются в пределах строго определенного диапазона с неизменными верхней и нижней границами. В прошлом это предположение позволяло делать обоснованные прогнозы, однако недавно международная группа ведущих гидрологов опубликовала отрезвляющий доклад, в котором констатировала, что «концепция стационарности мертва и больше не может использоваться как центральное, принятое по умолчанию предположение при оценке и планировании рисков водных ресурсов»[95]. Другими словами, основной прогноз в отношении погоды и водного цикла состоит в том, что они становятся все более и более непредсказуемыми.

Тем не менее люди продолжают упрямо верить в униформизм. Отчасти этот оптимизм понятен, поскольку коренится в том геологическом факте, что климат в эпоху голоцена, когда возникла человеческая цивилизация с ее сельским хозяйством, письменностью, наукой, искусством, технологиями и государствами, действительно был на редкость стабильным. На самом деле именно стабильность, вероятно, была главным фактором, позволившим людям построить свою цивилизацию. И наоборот, значительные по амплитуде климатические колебания в плейстоцене ограничивали развитие зарождающегося человеческого общества. «Ледниковая эпоха» не была постоянно ледяной; вместо этого в течение 2,5 млн лет климат демонстрировал сумасшедшие флуктуации, сочетающие колебания различных периодов, как образно выразился гляциолог Ричард Элли, «словно мотающиеся вверх-вниз диски игрушки йо-йо в руках человека, который раскачивается на тарзанке, привязанной к тележке американских горок»[96]. Очень важно понять, что именно происходило в плейстоцене, для того чтобы посмотреть на текущие темпы климатических изменений в перспективе и постараться спрогнозировать будущее. История изучения ледниковой эпохи вновь возвращает нас к Лайелю, а также выводит на сцену новых персонажей — швейцарских фермеров, шотландского уборщика и сербского математика.

Нагреться, чтобы оледенеть

Сегодня в Висконсине крупные валуны гранита и гнейса являются неотъемлемым элементом элитного ландшафтного дизайна, которым любят украшать клумбы перед офисными зданиями и медицинскими учреждениями. Но в начале XIX в. эти камни, зачастую кардинально отличавшиеся по составу от местных коренных пород, были одной из самых мучительных головоломок для геологов в регионе Великих озер и в Северной Европе. Эти эрратические валуны (от лат. erraticus — «блуждающий»), рассеянные на территориях далеко от места своего происхождения, казалось, подтверждали библейскую историю о Всемирном потопе. По этой причине и сами валуны, и глинистые отложения, в которых их часто находили, ученые окрестили дилювием (от лат. diluvium — «потоп») или наносами (подразумевая, что нанести такое количество материала могла только сила воды). Последний анахронический термин сохраняется и сегодня, например в названии Безнаносной области (Driftless Area) — уникального региона глубоких долин, сложенных коренными породами, на юго-западе Висконсина, где нет ни эрратических валунов, ни других типов дилювия.

В учебниках по геологии утверждается, что революционным мыслителем, который в 1838 г. первым предположил, что эти огромные валуны могли быть перенесены на большие расстояния не наводнениями, а массивными пластами льда, был швейцарский геолог Луи Агассис (1807–1873). Однако пальма первенства в действительности принадлежит немецкому натуралисту Карлу Шимперу (придумавшему термин Eiszeit — «ледниковый период»), который первым пришел к этому выводу и поделился им с Агассисом во время совместного похода в Альпы[97]. В свою очередь Шимпера на эту мысль навели швейцарские фермеры, которые хорошо знали поведение ледников и не сомневались в том, что огромные валуны, усеивавшие альпийские долины, были принесены сюда ледяными массами. Между тем Агассис не только присвоил чужое открытие, но и, что еще более возмутительно, впоследствии использовал свою научную репутацию и положение профессора Гарвардского университета для продвижения абсолютно ненаучной и отвратительной расистской теории происхождения человеческих рас. На мой взгляд, в анналах науки рядом с его именем следовало бы поставить звездочку — так помечают спортсменов, которых лишили медали за употребление допинга. К сожалению, его имя по-прежнему остается увековеченным в названии гигантского древнего ледникового озера Агассис, которое в позднем плейстоцене покрывало бо́льшую часть Северной Дакоты, Миннесоты и канадской провинции Манитоба (и наделило их таким замечательно ровным рельефом).

У Чарльза Лайеля пусть не совсем катастрофическая, но уж никак не униформистская гипотеза ледниковой эпохи, утверждавшая, что в результате резкого похолодания обширные районы Европы и Северной Америки были продолжительное время покрыты льдом, вызывала ничуть не меньшее неприятие, чем идея Всемирного потопа. Тем не менее, когда геологи начали картографировать так называемые «наносы», стало очевидно, что гипотеза «великого оледенения» была единственной, которая могла их объяснить. Более того, исследование дилювия в верховьях Великих озер показало, что оледенение не было однократным событием: ледники то наступали, то отступали, каждый раз оставляя после себя отчетливо выраженные отложения (и упорно обходя стороной вышеуказанную Безнаносную область в Висконсине). Но что могло вызвать такие циклы резкого потепления и похолодания?

Уже в середине XIX в. некоторые ученые начали разрабатывать гипотезу о том, что изменение параметров земной орбиты может влиять на характер инсоляции Земли (облучения поверхности планеты солнечным светом) и, как следствие, вызывать эпизодические периоды оледенения. Было установлено, что гравитационное влияние Луны и соседних планет вызывает циклические изменения трех параметров движения Земли в космосе: (1) эллиптическая форма орбиты Земли вокруг Солнца, характеризуемая эксцентриситетом, слегка растягивается и сжимается с цикличностью в 100 000 лет, (2) угол наклона земной оси меняется между примерно 21,5° и 24,5° каждые 41 000 лет и (3) ось вращения Земли раскачивается, как у крутящегося игрушечного волчка, и делает полный круг примерно за 23 000 лет — это явление называется прецессией Земли, и в результате него происходит постепенная смена полушарий, направленных к Солнцу в точке солнцестояния. Сегодня эти три переменные называются циклами Миланковича в честь сербского геофизика, создателя математической климатологии Милутина Миланковича (1879–1958), который, пережив две мировые войны в статусе перемещенного лица, тем не менее сумел рассчитать комбинированное воздействие этих циклов на освещенность Земли солнечным излучением.

Следует уточнить, что первые тщательные расчеты орбитальных циклов были выполнены еще за полвека до этого гениальным шотландским самоучкой Джеймсом Кроллом (1821–1890) — факт, который Миланкович полностью признавал. Кролл родился в очень бедной семье и, несмотря на интерес к учебе и явный математический талант, не мог посещать даже среднюю школу. Проработав несколько лет управляющим гостиницей и торговцем чаем, он устроился уборщиком в колледж Андерсона в Глазго, где допоздна засиживался в библиотеке, изучая научные труды (такая вот судьба, похожая на сюжет фильма «Умница Уилл Хантинг», вышедшего в 1997 г.).

В 1860-е гг. Кролл начал переписку с Чарльзом Лайелем, изложив тому свои расчеты вариаций орбитальных параметров Земли и их влияния на климат. Лайель, который к тому времени неохотно признал ледниковую теорию, был впечатлен его блестящим умом и помог получить место секретаря в Шотландской геологической службе. (Кролл также переписывался с Дарвином по вопросу о скорости эрозии.) Из расчетов Кролла следовало, что ледниковые периоды в Северном и Южном полушарии наступали не синхронно из-за противоположных эффектов прецессии. Этот результат понравился Лайелю, поскольку означал, что в среднем на Земле сохранялось устойчивое состояние — идея, от которой отец униформизма никак не мог отказаться. Но спустя полвека Миланкович подтвердил, что на самом деле из-за непропорциональной концентрации массы суши в Северном полушарии влияние прецессионного цикла на северные широты играло доминирующую роль в глобальной климатической системе.

Однако ни у Кролла, ни у Миланковича не было геологических данных высокого разрешения, чтобы проверить свои расчеты. К 1880-м гг. выдающийся геолог Томас Краудер Чемберлин (уроженец Висконсина, имя которого носит дорогая моему сердцу некогда покрытая ледниками долина на Шпицбергене) выделил четыре отдельных эпизода оледенения, названные им в честь штатов, где лучше всего сохранились соответствующие ледниковые отложения, — висконсинское (самое молодое), иллинойское, канзасское и небраскское. К сожалению, установить абсолютный возраст этих событий, а также узнать, не предшествовали ли им более ранние циклы оледенений, невозможно. Проблема с наземными гляциальными летописями заключается в том, что каждое новое продвижение ледникового щита стирает записи о предыдущих событиях и наносит поверх них новые, подобно тому как ледовый комбайн в перерывах хоккейного матча обновляет поверхность льда, срезая верхний слой и заливая сверху новый. Висконсин (кроме той самой Безнаносной области) был покрыт ледником в ходе всех четырех оледенений, однако распознать моренные следы трех более ранних событий в большинстве случаев почти невозможно.

В последние годы XIX в. Чемберлин и многие другие исследователи размышляли о причинах ледниковых эпох, рассматривая не только орбитальные циклы, но и вулканизм, горообразование и циркуляцию океана. В 1896 г. шведский химик Сванте Аррениус доказал, что некоторые газы, присутствующие в небольших количествах в атмосфере, особенно угольная кислота (H₂CO₃, соединение углекислого газа с водяным паром), могут влиять на климат из-за того, что беспрепятственно пропускают на Землю коротковолновое солнечное излучение (свет), но блокируют длинноволновое излучение (тепло), исходящее от поверхности Земли[98]. (Он даже высказал идею, что выбросы от сжигания угля в будущем могут «улучшить» климат Швеции.) Все эти гипотезы в конечном итоге окажутся потом хотя бы частично верными, но в то время их невозможно было проверить, так как отсутствовала высокоразрешающая информация об изменении климата с течением времени. На протяжении многих десятилетий вина ни одного из этих подозреваемых во влиянии на климат не могла быть доказана наверняка: имевшиеся улики были слишком скудными и косвенными.

Керны как архивы данных

Наконец в 1970-е гг. были открыты два новых богатейших архива климатических данных, которые произвели революцию в климатологии, что равносильно тому, как если бы ученые, прежде перебивавшиеся случайными брошюрами в букинистической лавке, вдруг получили доступ к Библиотеке Конгресса. Этими архивами были: (1) керны глубоководных отложений, полученные благодаря океанографическим исследовательским судам нового поколения, и (2) керны полярного льда, добытые в рамках проектов глубокого бурения, осуществленных благодаря героическим усилиям международного научного сообщества в Антарктиде и Гренландии. Глубоководные районы морского дна и полярные ледяные шапки похожи тем, что в этих местах происходит медленное и постоянное накопление осадков без перерывов и помех, подобно тому как пыль постепенно покрывает мебель в закрытой комнате. Сегодня глубоководные керны из многочисленных районов Мирового океана обеспечивают нас данными о глобальном изменении климата за последние 160 млн лет (не только на протяжении ледникового периода, но и задолго до него), которые зашифрованы в вариациях геохимического состава и микроскопических окаменелостей с разрешением в тысячи лет. Ледяные керны, в свою очередь, содержат летопись атмосферных изменений за последние 700 000 лет с разрешением вплоть до года, по крайней мере в молодом льду. Разумеется, чтобы получить доступ к этой бесценной климатической информации из морских глубин и древнего льда, требуется сначала взломать их изотопный код.

Кислород, как и углерод, имеет два основных устойчивых изотопа, и, подобно тому как легкий углерод 12C усваивается фотосинтезирующими организмами гораздо охотнее тяжелого 13C, молекулы воды, включающие легкий кислород 16O, испаряются гораздо быстрее, чем содержащие тяжелый изотоп 18O. Это означает, что в любой момент времени осадки, в том числе полярные снега, содержат больше легкого 16O и меньше тяжелого 18O, чем океанская вода, и такая изотопная сортировка еще больше увеличивается в периоды оледенения. В ледниковые эпохи, когда значительная часть воды на Земле была заблокирована в ледниках и ледяных шапках, океаны и морские организмы, строящие свои раковины из растворенных в морской воде элементов, имели особенно высокие соотношения 18O/16O. И наоборот, в слоях льда, образовавшихся в эти периоды, это соотношение было низким. Так же меняются соотношения обычного водорода (1H) и дейтерия (2H), благодаря чему ледниковый лед (который представляет собой воду, H₂O, в твердой форме) также фиксирует состояние окружающей среды. Таким образом, изотопные соотношения в глубинных морских отложениях и ледниках обеспечивают нас надежными данными об изменении температурных условий и общего объема льда на планете на протяжении длительного времени.

Анализ кернов полярного льда и кернов глубоководных отложений с их гораздо более длительной историей «записей» позволил установить, что четыре выделенных Чемберлином оледенения были всего лишь самыми последними из 30 аналогичных событий, произошедших за 2,6 млн лет плейстоценовой эпохи. В них четко просматривался пульсирующий сигнал циклов Кролла — Миланковича: мощный регулярный ритм, поверх которого были наложены другие высокочастотные колебания[99]. В течение первых 1,5 млн лет плейстоцена колебания климата резонансно откликались на 41 000-летние вариации наклона земной оси. Но примерно 1,2 млн лет назад этот пульс замедлился и стал соответствовать более медленной, 100 000-летней периодичности изменения эксцентриситета, подобно тому как замедляется электрокардиограмма у заснувшего человека. Этот феномен был назван среднеплейстоценовым переходом, и его причины пока не совсем понятны. Дело в том, что из трех орбитальных переменных эксцентриситет оказывает наименьшее влияние на инсоляцию Земли, но этот 100 000-летний цикл значительно усиливался геологическими процессами. Кроме того, в климатической летописи присутствуют высокочастотные «гармоники», не коррелирующие с орбитальными вариациями. Например, периодические температурные колебания частотой около 1500 лет — так называемые осцилляции Дансгора — Эшгера — предположительно совпадают с характерным внутренним ритмом, присущим глобальным океаническим течениям. Это говорит о том, что наша планета не просто марионетка, послушно танцующая под ритмы астрономических циклов, но и сама задает ритм и темп.

Тепловой удар

Есть и еще одно, более важное расхождение между предсказанными комбинированными эффектами орбитальных циклов и наблюдаемыми климатическими данными, которое также подтверждает способность Земли импровизировать на темы циклов Миланковича. Эти циклы, по сути, представляют собой синусоиды — симметричные, палиндромические горбы и впадины. При наложении они создают более сложные функции, но в целом в них нет систематической направленности — при взгляде на них неясно, в каком направлении течет время. В отличие от этого, реальные климатические данные из морских отложений и льда дают асимметричные пилообразные графики, где длительные периоды похолодания, когда Земля медленно соскальзывала в ледниковые эпохи, перемежаются с короткими интервалами резкого потепления. Это можно объяснить только тем, что в каждом цикле небольшой орбитальный импульс к более теплым условиям усиливался какими-то процессами в земной системе и превращался в относительно короткую, но мощную волну разогревания климата, словно у Земли ломался термостат. Причина такого усиления тоже сохранилась в ледяной летописи: парниковые газы, особенно углекислый газ и метан (CH₄), известный также как болотный газ.

При выпадении снега в его толще остается множество воздушных полостей (именно благодаря такой изоляции внутри вырытых в снегу укрытий так тепло). На полюсах, где снег не тает от сезона к сезону и нарастает все новыми слоями, нижележащие слои снега постепенно спрессовываются и на глубине около 60 м кристаллизуются и превращаются в лед. В процессе этого воздушные полости выдавливаются, но часть воздуха остается в виде пузырьков, взвешенных во льду, как насекомые в янтаре. Хотя между слоями может происходить некоторая миграция воздуха, газовые пузырьки, пойманные в ловушку в полярном льду, являются надежными хранилищами атмосферных проб с разрешением порядка десятилетий и даже меньше. И эти крошечные пузырьки говорят нам, что за последние 700 000 лет глобальные температуры коррелировали на самом высоком уровне статистической значимости с концентрациями парниковых газов — углекислого газа и метана — в атмосфере.

Но каким образом парниковые газы могут превращать небольшой импульс к потеплению, заданный циклами Миланковича, в полномасштабный «тепловой удар»? Ответ кроется в многочисленных механизмах положительной обратной связи — самоусиливающихся процессах, которые присущи климатической системе Земли. Рассмотрим, например, один из них. В ходе длительных периодов похолодания в плейстоцене на не покрытых ледяными щитами территориях существовали тундровые экосистемы, состоявшие из медленно растущих лишайников, мхов и мелких сосудистых растений (такие мы видим сегодня на Шпицбергене). Когда эта растительность умирала, низкие температуры препятствовали ее разложению (на нашей планете за разложение отвечают в основном микробы, но на холоде они становятся инертными), поэтому органическая материя на протяжении тысячелетий просто накапливалась, слой за слоем, в виде толстых пластов торфа. Однажды, забыв про этот факт, я едва не стала виновником экологической катастрофы на Шпицбергене. Как-то во время летней экспедиции мы с коллегой решили очистить берег от старых пластиковых контейнеров и гниющих канатов, которые моряки выбрасывают за борт, вероятно считая море бездонной помойкой. Мы стащили мусор в кучу и развели костер. К нашей радости, мусор хорошо горел, но спустя какое-то время мы обнаружили, что полоса тундры, которая прилегала к пляжу и прежде зеленела влажным, сочным мхом, высохла, побурела и, казалось, слегка дымилась. Мы с ужасом осознали, что от нашего костра загорелся слой торфа, скрытый под пляжной галькой. Несколько минут мы лихорадочно носились с чайниками в руках между морем и медленно продвигающимся фронтом торфяного пожара и в конце концов сумели загасить тлеющий под землей огонь.

Огонь — яркий пример быстрого окисления; разложение делает то же самое, только медленно и незаметно. Итак, в определенные моменты в плейстоцене, когда циклы Миланковича вызывали небольшое потепление, тундровые микробы просыпались и принимались активно перерабатывать накопившийся торф, высвобождая секвестрированный в нем углерод в форме углекислого газа (или метана, если процесс происходил в низкокислородной среде). Эти парниковые газы разогревали планету, что еще повышало активность микробного сообщества, а это, в свою очередь, приводило к дальнейшему увеличению выработки парниковых газов — и так далее, в классическом цикле положительной обратной связи.

Альбедо, или отражательная способность поверхности Земли, — еще один самоусиливающийся феномен, который, в частности, сыграл важную роль в охлаждении планеты до состояния «снежного кома» в конце протерозоя. Но эффект альбедо действует в обоих направлениях: как только начинается таяние ледников, более темный цвет грязного льда, обнажившейся суши и открытой морской воды увеличивает поглощение солнечного тепла, что способствует большему нагреванию, дальнейшему таянию льда и расширению темных поверхностей. Уменьшение альбедо разгоняет маховик потепления, что, в свою очередь, еще больше раскручивает вышеописанный механизм высвобождения углерода.

Процессы положительной обратной связи также могут усиливать охлаждение: например, из-за более ветреных условий в ледниковые эпохи фитопланктонное сообщество в океанах, хронически страдающее от дефицита железа, получало больше питательной пыли и переживало бурный рост; а поскольку часть этой биомассы опускалась на дно без разложения, она уносила с собой все больше атмосферного СО₂. Но пилообразный график, который сразу бросается в глаза при анализе ледяных и морских осадочных кернов, со всей очевидностью показывает имманентную асимметрию в климатической системе Земли: охлаждение планеты всегда занимает гораздо больше времени, чем ее разогревание.

Углеродная болезнь

Для нас, представителей антропоцена, особенно актуальны следующие два вопроса: как быстро разворачивались эпизоды потепления в прошлом и каких концентраций достигали при этом парниковые газы. Максимум последнего оледенения, когда огромные ледниковые языки достигли Висконсина и оставили там гляциальные отложения, исследованные Чемберлином, имел место 18 000 лет назад. В то время концентрация углекислого газа в атмосфере составляла 180 ppm. После этой долгой зимы орбитальные факторы немного увеличили инсоляцию Земли, и уровень CO₂ начал расти. С тех пор Земля вступила в период устойчивого потепления, который прервался лишь однажды непродолжительным резким похолоданием между 12 800 и 11 700 лет назад (в так называемый интервал позднего дриаса), которое, как считается, было вызвано нарушением Гольфстрима — океанического течения, переносящего теплые тропические воды в северные широты, — в результате поступления в Северную Атлантику огромного притока пресной воды от тающих ледяных щитов. К этому времени концентрация CO₂ достигла примерно 255 ppm, увеличиваясь на протяжении этих 6300 лет со средней скоростью 0,01 ppm в год. Когда течение Гольфстрима восстановилось, Земля как будто бы вдруг решила вступить в новую эпоху и приняла совершенно новый кодекс поведения. В течение нескольких десятилетий, около 11 700 лет назад («золотой гвоздь» голоцена), средние глобальные температуры быстро достигли своих голоценовых значений и стабилизировались, оставив прежние дикие скачки в плейстоценовом прошлом.

Переход в голоцен сопровождался еще и масштабными географическими преобразованиями. Талая вода от тающих ледниковых щитов скапливалась в огромных озерах, которые зачастую были ограничены лишь хрупкими ледяными барьерами, неспособными сдержать растущий напор воды. Характерный природный ландшафтный комплекс Чаннелд-Скаблендс на востоке штата Вашингтон свидетельствует о катастрофическом наводнении, случившемся в результате прорыва ледяной плотины, сдерживавшей объем воды, эквивалентный озеру Мичиган (извините, сэр Лайель). На освобожденных от ледникового покрова холмистых рельефах формировалась новая речная дренажная система. В Северной Америке основные притоки Миссисипи — реки Миссури и Огайо — маркируют границы последнего ледникового покрова, куда стекались наибольшие объемы талой воды. По мере того как ледниковые талые воды поступали обратно в океан, уровень моря повышался и за несколько тысячелетий поднялся на десятки метров, затопив прибрежные полосы суши и превратив многие речные долины в эстуарии. Сухопутная перемычка, некогда соединявшая Азию с Северной Америкой, ушла под воду. Британия была отделена от Европы образовавшимся проливом. Но в конце концов береговые линии стабилизировались, погодные условия стали регулярными и предсказуемыми, и наши далекие предки смогли заняться выращиванием сельскохозяйственных культур и строительством цивилизаций.

К 1800 г., незадолго до того, как началось массированное сжигание ископаемых углеводородов, концентрация атмосферного CO₂ увеличилась до 280 ppm — всего на 35 ppm с начала голоцена. Это говорит о том, что на протяжении предыдущих 11 000 лет углеродный цикл Земли находился в равновесном состоянии, когда поступление углерода от вулканических извержений и разложения органического вещества уравновешивалось его потреблением фотосинтетиками и долгосрочной секвестрацией микроорганизмами в виде известняковых отложений. Небольшие эпизодические нарушения этого углеродного баланса обрекали человеческие общества на голод и кровопролитные конфликты.

После промышленной революции мы, как пожирающие торф микробы-переростки, принялись интенсивно потреблять накопившиеся на Земле запасы древних углеводородов — сначала уголь, затем нефть и природный газ. Но фотосинтетики и секвестрирующие углерод морские микроорганизмы не в силах угнаться за нашими темпами. Одна из главных несправедливостей состоит в том, что, тогда как ответственность за львиную долю выбросов CO₂ в XX в. несут Соединенные Штаты и Западная Европа, от последствий этого страдает весь мир. Это связано с тем, что время перемешивания тропосферы (нижнего слоя атмосферы), за которое ветры и погодные условия смешивают воздух на всей планете и делают его однородным, является относительно коротким (всего 1 год) по сравнению с временем пребывания углерода в атмосфере (сотни лет). Если бы перемешивание происходило гораздо медленнее, выброшенный в атмосферу углекислый газ зависал бы в атмосфере над местами эмиссий, подобно мусору, накапливающемуся на помойках, когда бастуют водители мусоровозов, что волей-неволей заставляло бы принимать меры по ограничению выбросов CO₂. Но поскольку эти выбросы невидимы и, более того, равномерно распределяются над всей планетой, у нас мало стимулов что-либо делать в этом направлении[100].

К 1960 г. глобальная концентрация СО₂ в атмосфере достигла 315 ppm, увеличившись за последние 160 лет на столько же, на сколько за предыдущие 11 000 лет. Скорость роста составила 0,22 ppm в год — в 20 раз быстрее, чем в позднем плейстоцене, когда на Земле началось значительное потепление. В 1990 г. мы пересекли отметку в 350 ppm, которую многие климатологи считают верхним порогом для поддержания голоценовой климатической стабильности, после прохождения которого предположительно должны запуститься сокрушительные механизмы положительной обратной связи. К 2000 г. концентрация СО₂ достигла 370 ppm, увеличиваясь со скоростью 2 ppm в год. На момент написания этой книги был пробит потолок в 400 ppm, и скорость роста продолжает нарастать.

Даже в плейстоцене с его дикими климатическими скачками уровень CO₂ в атмосфере никогда не превышал 400 ppm — в последний раз подобная концентрация наблюдалась в плиоцене более 4 млн лет назад. И конечно же, нынешняя скорость роста уровня CO₂ является беспрецедентной для плейстоцена. Ближайший аналог — климатический кризис, случившийся 55 млн лет назад на границе двух самых ранних эпох в начале кайнозойской эры: палеоцен-эоценовый (или позднепалеоценовый) термический максимум, также известный под менее громоздкой аббревиатурой ПЭТМ.

Далекое зеркало

Подобно сообщениям очевидцев землетрясений, керны морских осадочных отложений, взятые в десятках точек по всему земному шару, хранят яркие свидетельства о позднепалеоценовом термическом максимуме. Все они рассказывают одинаковую историю о пережитом шоке: резкий рост температур на 5–8 °C (зафиксированный в соотношениях изотопов кислорода в микроокаменелостях) сопровождался одновременным скачком кислотности воды в океане (отмеченным резким уменьшением количества материала кальцитовых раковин в осадках) и огромным притоком углерода из какого-то биогенного источника (о чем свидетельствует его необычно высокое обогащение изотопом 12C по сравнению с 13C)[101]. Летопись окаменелостей подтверждает, что в экосистеме океана произошел серьезный сбой: значительно сократилась численность многих видов планктона, а вымирание донных микроорганизмов, называемых бентосными фораминиферами, указывает на то, что были затронуты даже глубоководные слои океана. Эти потрясения, в свою очередь, вызвали масштабную реорганизацию всей морской пищевой цепи. На суше более жаркие и засушливые условия спровоцировали массовое переселение многих видов млекопитающих и стали причиной вымирания пятой части всех видов растений, неспособных к такой быстрой миграции. Морские и наземные данные указывают на то, что после ПЭТМ океанам и биосфере потребовалось около 200 000 лет, чтобы достичь нового равновесия[102].

Изменения в соотношениях изотопов углерода позволяют рассчитать вероятное количество углерода, выделенного в атмосферу на протяжении всего ПЭТМ: большинство оценок попадает в диапазон от 2000 до 6000 млрд метрических тонн, или гигатонн (Гт), углерода{14}. Чтобы вы могли лучше представить себе, что значит 2000–6000 Гт углерода, сравните: на сегодняшний день совокупные антропогенные выбросы углерода составляют около 500 Гт, четверть из которых приходится на период после 2000 г. Учитывая, что уровень эмиссии по-прежнему растет, к 2100 г. мы можем достичь и даже превзойти нижний предполагаемый порог углеродных выбросов в ходе ПЭТМ.

Важный вопрос, на который пока нет точного ответа, касается того, что именно могло быть источником такого количества биогенного углерода в ходе ПЭТМ (задолго до появления людей с их страстью жечь ископаемые углеводороды). Основные кандидаты — это: (1) горение угля или торфа, вызванное магматической активностью в процессе открытия северной части Атлантического океана (вспомните печально известный подземный пожар в угольных пластах под городком Сентрейлия в Пенсильвании, который тлеет вот уже больше 50 лет), и (2) внезапное испарение метана, заключенного во льду в форме клатратов или газогидратов в отложениях под морским дном. Эти газогидраты, образующиеся в результате взаимодействия воды и метана, производимого микробами при переработке органики в низкокислородной среде, стабильны в очень ограниченном диапазоне температур и давления. Если морская вода нагревается или, например, подводный оползень обнажает слой, богатый газогидратами, последние стремительно распадаются, порождая гигантскую метановую «отрыжку». Газогидраты были открыты только в 1980-х гг.; до этого ученые ломали голову над тем, почему во взятых с морского дна кернах обычно присутствовали большие пустоты: было очевидно, что прежде там находилось какое-то вещество, которое при подъеме на поверхность бесследно исчезало. Более эффективные технологии извлечения кернов позволили установить, что этим таинственно исчезающим веществом был «горючий» метановый лед. По оценкам, объемы метанового гидрата в морских отложениях в настоящее время составляют от 1000 до 10 000 Гт. Как и тундровый торф, эти запасы законсервированного углерода становятся нестабильными при повышении глобальных температур, а их внезапное испарение может запустить кошмарный самоусиливающийся парниковый эффект.

К сожалению, осадочная летопись, имеющая разрешение порядка нескольких тысячелетий, не позволяет точно определить, как именно произошло насыщение атмосферы углеродом в ходе ПЭТМ: почти мгновенно, в результате выброса метана с морского дна, или же постепенно, в результате длительного (на протяжении тысячи лет) горения угля или торфа. Это различие представляет не только научный интерес. Если знаменатель в скорости выброса углерода в ходе ПЭТМ равен году, это дает нам возможность цепляться за утешительную мысль о том, что Земле уже приходилось переживать нечто похожее на антропогенную эмиссию. Но, если знаменатель составляет тысячелетия, нам придется признать, что эмиссия углерода в антропоцене является не имеющей аналогов аномалией в истории планеты.

Ловушки для углерода

Сегодня мы, люди, выбрасываем в атмосферу более 10 Гт углерода в год — через сжигание ископаемого топлива (основной источник эмиссии), производство цемента (сопровождающееся обжигом известняка) и уничтожение лесов, — превосходя в этом все земные вулканы более чем в 100 раз. Но нельзя ли найти способы имитировать биогеохимические циклы, чтобы выводить выбрасываемый нами углерод из атмосферы? Сегодня предлагается множество возможных стратегий, от сложных инженерных систем до прямого воспроизведения природных процессов. Но высокотехнологичные подходы пока слишком дороги, чтобы быть осуществимыми в нынешних условиях, а низкотехнологичные не смогут быстро улучшить ситуацию; такова уж специфика нашей планеты: она любит неспешные геологические процессы.

Последние годы американская угольная промышленность усиленно продвигает оксюморонную идею «чистого угля», в основе которой лежит маловероятный сценарий, согласно которому на всех угольных электростанциях страны могут быть установлены эффективные системы УХУ — улавливания и хранения углекислого газа (Сarbon capture and sequestration, CCS). Технологически это вполне осуществимо; система включает захват CO₂, выделяемого при сжигании угля, сжатие газа под высоким давлением и его закачивание в пористые породы глубоко под землей, в идеале — под электростанцией или рядом с ней (если позволяют геологические условия). Для электростанций, расположенных вблизи побережья, предлагается хранить уловленный CO₂ в глубоководных отложениях на морском дне, но это рискованная схема, поскольку подкисление (повышение кислотности) океана является одним из главных негативных последствий повышения концентрации СО₂, на борьбу с которым направлены технологии УХУ.

В начале 2000-х гг. казалось возможным, что достаточно мощные экономические стимулы, такие как налог на выбросы углерода или система квот и торговли квотами на выбросы, подтолкнут широкомасштабное внедрение технологий УХУ, но этим надеждам было не суждено сбыться из-за появления технологий добычи сланцевого газа посредством горизонтального бурения и гидроразрыва пластов. Резкое падение цен на энергоносители, а также более низкий чистый выброс СО₂ при сжигании природного газа по сравнению с углем погасили импульс зарождающегося движения по внедрению УХУ. (Хотя природный газ действительно выделяет примерно на 50 % меньше СО₂ на единицу произведенной энергии, его нельзя назвать действительно «экологически чистым топливом», как это утверждают представители газовой промышленности; здесь следует учитывать и факт значительных утечек метана из плохо запечатанных скважин и некачественно обслуживаемых газопроводов.)[103] Работающие на газе электростанции также могут использовать системы УХУ, но стоимость строительства таких электростанций будет вдвое выше обычной, а себестоимость улавливания CO₂, которая определяет нижнюю планку для эффективного налога на выбросы углерода или их рыночной стоимости, будет составлять примерно $70 за тонну, без учета транспортировки и хранения[104]. Таким образом, при нынешнем экономическом и политическом климате использование таких технологий представляется крайне маловероятным.

Но даже если бы технологии улавливания и хранения углекислого газа были экономически жизнеспособными, они вряд ли стали бы панацеей. Тогда как прямые выбросы CO₂ электростанциями действительно можно было бы сократить на 80–90 %, сам по себе процесс УХУ требует значительных энергозатрат, и эти энергозатраты возрастают еще больше, если хранение уловленного CO₂ нельзя обеспечить на месте и требуется его транспортировка. Наконец, закачка CO₂ в глубокие геологические «резервуары» также сопряжена с определенными проблемами. Породы-коллекторы должны быть достаточно пористыми, чтобы удерживать большое количество сжатого газа, но недостаточно проницаемыми, чтобы не позволить ему просачиваться наружу, — а это все равно что желание иметь общительного и разговорчивого друга, который умеет надежно хранить ваши секреты. Кроме того, многократная закачка в глубинные пласты жидкости под высоким давлением, будь то сжиженный СО₂ или вода с химикатами для гидроразрыва пластов, может спровоцировать непреднамеренный побочный эффект — землетрясения, которые могут нарушить целостность резервуара углекислого газа и выпустить его на поверхность.

Но что, если улавливать углекислый газ не на выходе с электростанций, а извлекать его непосредственно из воздуха, имитируя деятельность фотосинтетиков? Вот уже на протяжении как минимум двух десятилетий ряд ученых и частных компаний занимаются разработкой «искусственных деревьев», чьи «листья» будут абсорбировать CO₂ из воздуха и пропускать через химическую среду с сильным основанием, например щелочью (гидроксидом натрия, NaOH) или полимерной смолой. Убежденный апологет этой технологии физик Клаус Лакнер из Аризонского университета утверждает, что в конечном итоге можно создать «дерево», которое будет поглощать тонну углекислого газа в день, т. е. примерно в 1000 раз больше, чем обычное дерево. Но даже при таком максимальном уровне эффективности потребуется 30 млн искусственных деревьев, чтобы нейтрализовать наши текущие выбросы углерода, достигающие 10 Гт в год, и еще сотни миллионов, чтобы обратить вспять последствия столетней эмиссии или хотя бы вернуться к уровню 1990 г. в 350 ppm, который многие климатологи считают критическим порогом.

По оценкам Американского института физики, себестоимость прямого извлечения CO₂ из воздуха с использованием даже самых многообещающих (но еще непроверенных) технологий будет составлять $780 за тонну CO₂ — почти в 10 раз больше, чем его улавливание на электростанциях[105]. Кроме того, под «леса» из искусственных деревьев придется отвести значительные по площади участки суши, а собираемый ими углерод будет требовать дальнейшей утилизации — либо закачки в подземные хранилища, либо захоронения в какой-либо твердой форме.

Старый добрый фотосинтез

С учетом всех этих сложностей, старый добрый естественный фотосинтез кажется невероятно выгодной сделкой, и не надо ничего изобретать! Почему бы не задействовать эту природную технологию более интенсивно, просто посадив как можно больше деревьев и других растений? Как показывает геологическая летопись, чтобы произошло заметное снижение концентрации СО₂ в атмосфере, поглощение углерода посредством фотосинтеза в каждом отдельно взятом году должно значительно превышать его высвобождение в результате разложения растительной массы. (Горькая ирония состоит в том, что причиной наших сегодняшних проблем является как раз неразложившийся в прошлом органический углерод, из которого образовано ископаемое топливо.) Если же углерод, фиксируемый растениями весной и летом, в том же количестве высвобождается осенью и зимой при их разложении, чистый эффект изъятия углерода равняется нулю. Таким образом, самыми эффективными с точки зрения секвестрации углерода являются быстрорастущие деревья с максимально длительным сроком жизни. Хотя они не хранят углерод вечно, они, по крайней мере, выводят его из циркуляции на несколько десятилетий и даже веков.

Но даже такая простая «технология» борьбы с СО₂, как посадка деревьев, проблематична в реализации. Прежде всего очевидно, что есть предел тому, какую часть суши мы можем отвести под леса, поскольку нам нужно выращивать продовольственные культуры (хотя в конце прошлого века на севере США, в частности в Висконсине и Новой Англии, началось частичное возвращение под лесные угодья сельскохозяйственных земель, на которых леса были вырублены в XIX в.). Кроме того, интуитивное предположение, что активно растущие молодые деревья поглощают больше углерода, поэтому имеет смысл вырубать старые леса и засаживать эти территории новыми, оказывается в корне неверным. Последние исследования показали, что деревья многих видов с возрастом улавливают и фиксируют все больше углерода благодаря тому, что их общая листовая поверхность, а также объем стволов и ветвей продолжают все время увеличиваться[106]. Таким образом, оптимальная стратегия в данном случае — позволить расти старым деревьям и сажать как можно больше новых, но не стоит забывать о том, что деревья имеют конечный срок жизни и в итоге возвращают весь изъятый углерод в атмосферу.