Орбита Земли не идеально круглая, а имеет эллиптическую форму. Солнце при этом находится не в центре, а слега смещено в одну сторону. Поэтому время от времени наша планета оказывается то ближе к светилу, получая от него больше тепла, то дальше.
Если совместить два указанных выше эффекта (наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты и эллиптическую форму орбиты), то выяснится интересная деталь. В настоящее время наша планета обращена к Солнцу северным полушарием в тот момент, когда она находится в самой дальней части орбиты, а южным полушарием – в самой ближней точке орбиты. Это приводит к тому, что лето в южном полушарии жарче, чем в северном, а зима в северном полушарии мягче, чем в южном.
Описанная схема правдива для настоящего времени. Однако так будет не всегда. Во-первых, форма орбиты не остаётся постоянной. Она меняется от почти круглой до вытянутой эллиптической. Во-вторых, угол наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты не остаётся постоянным. Иногда он становится больше, иногда меньше. В-третьих, сама ось вращения Земли время от времени разворачивается в другую сторону. От этого ситуация с летом и зимой в разных полушариях меняется на противоположную. То есть лето в северном полушарии становится жарче, чем в южном, а зима в южном полушарии становится мягче, чем в северном.
Описанные процессы влияют на то, сколько именно Земля получит энергии от Солнца, какое полушарие и в какое время года будет освещаться дольше и сильнее, достанется ли живительное тепло полярным областям, или только тропическим. Всё это в конечном итоге сказывается на климате. Изменение упомянутых космических параметров занимает десятки и сотни тысяч лет, поэтому проследить за ними в течение одной человеческой жизни не удастся. Описанные процессы объясняются в рамках астрономической (орбитальной) теории палеоклимата, разработанной в классическом виде Дж. Кроллем и М. Миланковичем [4] и усовершенствованной другими авторами [например, 10]. Чаще всего эти процессы называют циклами Миланковича. Они в большой степени ответственны за возникновение ледниковых периодов [125].
Глава 7. ВНАЧАЛЕ БЫЛО…
Земля возникла примерно 4,6 миллиарда лет назад. С этого момента начинается геологическое время – время, в которое в глубинах планеты и на её поверхности формировались горные породы. Под действием ветра, воды, температуры и живых существ они разрушались, преобразовывались, оседали на дно морей, озёр и болот, перемещались в пространстве. Каждый новый слой осадочных горных пород ложился поверх старого. Изучая эти слои, учёные могут установить, в какое время жил тот или иной организм, какой тогда был климат, уровень океана и даже где находились магнитные полюса. Описание истории Земли заняло бы целую библиотеку. Поэтому я рассмотрю только те события и процессы, которые имели наибольшее влияние на климат прошлого.
Всё геологическое время поделено на эоны, эоны на эры, эры на периоды, а периоды на эпохи (Таблица 1).
Первый эон называется Катархей (4,6–4,0 миллиарда лет назад). Это время, когда образовалась Земля, её детство, заглянув в которое можно узнать, почему она такая, какая есть. Когда возникла наша планета, Луны ещё не существовало. Не было ни материков, ни магнитного поля, атмосфера состояла из водорода и гелия, не существовало смены времён года, длинные дни сменялись длинными ночами. Всё изменилось, когда примерно 4,5 миллиарда лет назад в Землю врезалась планета Тейя. Это был поистине судьбоносный момент. Если бы не эта космическая катастрофа, Земля, какой мы знаем её сегодня, не существовала бы. В результате столкновения часть материи обеих планет была выброшена в космос. Из неё образовалась Луна. Тяжёлые вещества расплавились и опустились в центр Земли, образовав ядро. Оно, в свою очередь, породило магнитное поле, без которого жизнь на нашей планете не смогла бы ни зародиться, ни существовать [57]. Лёгкие вещества, наоборот, «всплыли» на поверхность. Из них позднее образовались материки. С Катархея начинается история нашей планеты, а вместе с ней и история климата.
Глава 8. ЗАРОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
Следующий эон называется Архей (4,0–2,5 миллиарда лет назад). В это время по всей планете происходило множество извержений вулканов, в результате чего в атмосферу выделялось огромное количество углекислого газа, аммиака и водяного пара. Они стали основой нового «воздуха». На Архей приходится формирование второй по счёту атмосферы Земли (после водородно-гелиевой). Мы с Вами не смогли бы дышать тем древним воздухом, ведь кислорода в нём ещё не было. Несмотря на это, именно в Архее возникла жизнь. Была ли она занесена кометами с других планет или появилась самостоятельно в первом Земном океане? Над этой загадкой человечество бьётся уже давно. Но точно известно, что, родившись тогда, миллиарды лет назад, несмотря на все катастрофы, о которых ещё будет сказано, жизнь не просто сохранилась, а заполнила всё свободное пространство, породив бесчисленное множество видов и форм.
В конце Архея появились фотосинтезирующие организмы. Они начали получать энергию от реакции углекислого газа и воды при солнечном свете. Самое ужасное, что при этом процессе в окружающую среду выделялся отход – кислород. Он был смертельно опасен для всех прочих существ, живших в то время. В будущем увеличение концентрации кислорода в атмосфере приведёт к нескольким глобальным экологическим катастрофам. Пока же он поглощался океаном и породами морского дна.
В Архее произошло ещё одно событие, на которое стоит обратить внимание, и связано оно с солнечной активностью [4]. Воздух нагревается от поверхности Земли. А она, в свою очередь, от энергии, полученной от Солнца. Из-за изменений формы орбиты и наклона оси вращения Земли до нашей планеты долетает то больше, то меньше солнечного тепла. Но и само светило не постоянно! Из-за сложных процессов, связанных с магнитным полем Солнца, временами оно излучает больше энергии, а временами меньше. Соответственно, поверхность Земли нагревается по-разному, что влечёт за собой изменение температуры воздуха. В Архее Солнце излучало примерно на 30% меньше энергии, чем в наши дни [57]. При таких условиях вся вода на Земле должна была замёрзнуть, и никакой жизни не должно было возникнуть. Но нет, в те времена климат на Земле был тёплый и влажный [57]. «Почему?» – спросите Вы. Помог парниковый эффект! Да-да, тот самый, с которым сейчас все усердно борются. Тогда, 4 миллиарда лет назад, азот, углекислый газ и другие парниковые газы [57; 94] создали «тепличку», которая удержала драгоценное тепло у поверхности Земли и не дала ей превратиться в ледяную пустыню. Это событие из-за своего кажущегося противоречия называют Парадоксом слабого молодого Солнца.
Глава 9. ПОТЕПЛЕНИЯ ПРИВОДЯТ К ПОХОЛОДАНИЯМ
Огромное влияние на климат оказывает так называемая термохалинная циркуляция (температурно-солевая) [1; 16; 58]. Объясню, что это такое. Вода в океане имеет разную плотность. Более «тяжёлая» вода «тонет», а более «лёгкая» «всплывает». Если включить воображение, то море можно представить как жидкий слоёный пирог. Плотность воды зависит от двух факторов: её температуры и солёности. Тёплые слои «легче» холодных, пресные «легче» соленых. Как правило, из двух факторов «важнее» оказывается солёность. Поэтому холодная, но более пресная вода, может оказаться на поверхности, а тёплая, но более солёная – ближе ко дну.
