Сезонная слоистость связана с движением Земли вокруг Солнца, наклоном земной оси вращения относительно плоскости ее орбиты (или солнечного экватора, что практически одно и то же), характером циркуляции атмосферы и многим другим. Но как мы уже упоминали, некоторые исследователи видят в сезонной слоистости и отражение тридцатитрехлетних циклов солнечной активности, хотя если и можно говорить об этом, то только для так называемых ленточных отложений[15] (в глинах и песках) эпохи последнего оледенения. Но если это так, то получается, что по меньшей мере миллионы лет действует удивительный и пока плохо нами изученный механизм солнечной активности. Следует все же еще раз заметить, что в геологических отложениях трудно вполне четко выделить какие-либо определенные циклы, связанные с солнечной активностью. Колебания климата в давние эпохи связаны прежде всего с изменениями на поверхности Земли, с увеличением или, наоборот, уменьшением общей площади морей и океанов — этих главных аккумуляторов солнечного тепла. Действительно, ледниковым эпохам всегда предшествовала высокая тектоническая активность земной коры. Но эта активность, в свою очередь (о чем будет сказано далее), может стимулироваться повышением солнечной активности. Об этом как будто говорят данные последних лет. Во всяком случае в этих вопросах еще много неясного и потому дальнейшие рассуждения в этой главе следует рассматривать лишь как одну из возможных гипотез.
Еще в прошлом веке было замечено, что максимумы солнечной активности не всегда одинаковы. В изменениях величин этих максимумов намечается «вековой» или, точнее, восьмидесятилетний цикл, примерно в 7 раз больший одиннадцатилетнего. Если «вековые» колебания солнечной активности сравнить с волнами, циклы меньшей продолжительности будут выглядеть как «рябь» на волнах. «Вековой» цикл достаточно ясно выражен в частоте солнечных протуберанцев, колебаниях их средних высот и других явлениях на Солнце. Но особенно примечательны его земные проявления.
«Вековой» цикл ныне выражается в очередном потеплении Арктики и Антарктики. Через некоторое время потепление сменится похолоданием и эти циклические колебания продолжатся неопределенно долго. «Вековые» колебания климата отмечены и в истории человечества — в летописях и других исторических хрониках. Порой климат становился необычно суровым, порой непривычно мягким. Например, в 829 г. покрылся льдом даже Нил, а с XII по XIV век несколько раз замерзало Балтийское море. Наоборот, в 1552 г. необычно теплая зима осложнила поход Ивана Грозного на Казань. Впрочем, в колебаниях климата замешан не только «вековой» цикл. Если на графике изменений солнечной активности соединить прямыми линиями точки максимумов и точки минимумов двух соседних «вековых» циклов, то окажется, что обе прямые почти параллельны, но наклонены к горизонтальной оси графика. Иначе говоря, намечается какой-то длительный, многовековой цикл, продолжительность которого удается установить лишь средствами геологии.
На берегах Цюрихского озера есть древние террасы — высокие обрывы, в толще пород которых хорошо различимы слои разных эпох. И в этой слоистости осадочных пород, по-видимому, зафиксирован 1800-летний ритм. Тот же ритм заметен в чередовании илистых отложений, движении ледников, колебаниях увлажненности и, наконец, в циклических изменениях климата. С 1800-летним циклом, вероятно, связаны периодические усыхания и увлажнения Сахары, сильное и длительное потепление Арктики, во время которого норманны заселили Гренландию (Зеленую землю) и открыли Америку. На волнах 1800-летнего цикла даже вековой цикл выглядит «рябью».
Если средняя температура Земли понизится всего на 4–5 °C, то наступит новая ледниковая эпоха. Ледовые панцири покроют почти всю Северную Америку, Европу и большую часть Азии. Наоборот, повышение среднегодовой температуры Земли всего на 2–3 °C заставит растаять ледяной покров Антарктиды, что повысит уровень Мирового океана на 70 м со всеми вытекающими отсюда катастрофическими последствиями (затоплением значительной части материков). Таким образом, небольшие колебания средней температуры Земли (всего в несколько градусов) могут бросить Землю в объятия ледников или, наоборот, большую часть суши покрыть океаном.
Хорошо известно, что в истории Земли много раз повторялись ледниковые эпохи и периоды, а между ними наступали эпохи потепления. Это были очень медленные, но грандиозные климатические изменения, на которые накладывались меньшие по амплитуде, но зато более частые и быстрые колебания климата, когда ледниковые периоды сменялись периодами теплыми и влажными. Интервалы между ледниковыми эпохами или периодами можно характеризовать лишь в среднем: ведь и здесь действуют циклы, а не точные периоды. Ледниковые эпохи повторялись в истории Земли примерно каждые 180–200 млн. лет (по другим оценкам 300 млн. лет). Ледниковые же периоды в пределах ледниковых эпох чередуются чаще, в среднем через несколько десятков тысяч лет. И все это зафиксировано в толще земной коры, в отложениях пород различного возраста.
Причины смены ледниковых эпох и периодов достоверно неизвестны. Предложено немало гипотез, объясняющих ледниковые циклы космическими причинами. В частности, некоторые ученые полагают, что, обращаясь вокруг центра Галактики с периодом в 180–200 млн. лет, Солнце вместе с планетами регулярно проходит через толщу рукавов Галактики, обогащенных пылевой материей, которая ослабляет солнечное излучение. Однако на галактическом пути Солнца не видно туманностей, которые могли бы играть роль темного фильтра. А главное, космические пылевые туманности столь разрежены, что, погрузившись в них, Солнце для земного наблюдателя осталось бы по-прежнему ослепительно ярким.
По гипотезе М.С. Эйгенсона, все циклические колебания климата, начиная от самых незначительных и кончая чередующимися ледниковыми эпохами, объясняются одной причиной — ритмичными колебаниями солнечной активности. А так как в этом процессе Солнце подобно струне, то и в колебаниях земного климата должны проявиться все циклы солнечной активности — от «основного» цикла в 200 или 300 млн. лет до самого короткого, одиннадцатилетнего. Сам же «механизм» воздействия Солнца на Землю в этом случае сводится к тому, что колебания солнечной активности тотчас же вызывают изменения геомагнитосферы и циркуляции земной атмосферы.
Если бы Земля не вращалась, то циркуляция воздушных масс была бы предельно простой. В теплой тропической зоне Земли нагретый и потому менее плотный воздух поднимается вверх. Разность давлений у полюса и экватора заставляет эти воздушные массы устремиться к полюсу. Здесь, охладившись, они опускаются вниз, чтобы затем снова переместиться к экватору. Так в случае неподвижности Земли работала бы «тепловая машина» планеты. Осевое вращение Земли и обращение ее вокруг Солнца осложняет эту идеализированную картину. Под действием так называемых кориолисовых сил (заставляющих реки, текущие в меридиональном направлении, в северном полушарии размывать правый берег, и в южном — левый) воздушные массы циркулируют от экватора к полюсу и обратно по спиралям. В те же периоды, когда воздух у экватора нагревается особенно сильно, возникает волновая циркуляция воздушных масс. Спиралеобразное движение сочетается с волновым, и поэтому направление ветров постоянно меняется. К тому же неравномерный нагрев различных участков земной поверхности и рельеф усложняют и эту непростую картину. Если воздушные массы перемещаются параллельно земному экватору, то циркуляция воздуха называется зональной, если вдоль меридиана — меридиональной.
Для одиннадцатилетнего солнечного цикла доказано, что с повышением солнечной активности ослабляется зональная циркуляция и усиливается меридиональная. Земная «тепловая машина» работает энергичнее, усиливая теплообмен между полярными и экваториальными зонами. Если в стакан с холодной водой налить немного кипятка, то вода скорее нагреется в том случае, если ее размешать ложкой. По той же причине в периоды повышенной солнечной активности «взбудораженная» солнечным излучением атмосфера обеспечивает в среднем более теплый климат, чем в годы «пассивного» Солнца. Сказанное верно для любых солнечных циклов. Но чем длиннее цикл, тем сильнее реагирует на него земная атмосфера, тем значительнее меняется климат Земли. Поэтому физической первоосновой климатических различий является общая циркуляция атмосферы.
