В течение последних 50 миллионов лет температура на Земле падала. Связано это, судя по всему, с постепенным уменьшением доли углекислого газа в атмосфере нашей планеты. Если в начале кайнозойской эры его уровень составлял около 1,5–2 тысяч объёмных долей на миллион (ppmv), в ходе палеогеновой эпохи он снизился в пять с лишним раз, достигнув к началу неогена значений около 280 ppmv.
Такое содержание углекислоты в атмосфере с небольшими колебаниями держалось до XVIII века уже нашей эры, но за 300 лет интенсивного развития промышленности содержание CO2 в атмосфере выросло до современных 380–390 ppmv, характерных для Земли 25 миллионов лет назад. Более того, до конца уже наступившего столетия уровень главного парникового газа поднимется, по разным прогнозам, до 500–900 ppmv, что в плане состава атмосферы отбросит нас ещё на 10–20 миллионов лет в прошлое. И хотя о тропическом зное на пляжах Новой Земли мечтать рановато, эти впечатляющие предсказания делают попытки разобраться в устройстве климатической системы в те времена всё более актуальными.
Кайнозойская эра разделена на два периода – палеоген и неоген. Прежде геологи по традиции выделяли ещё четвертичный период (Ч.), в этом вопросе нет согласия также между геологами и палеонтологами. Недавно международная стратиграфическая комиссия начала обсуждать вопрос о выделении нового периода – антропогена, характеризующегося активным влиянием человека на геологию. Палеоген делят на палеоценовую, эоценовую и олигоценовую эпохи, неоген – на эпохи миоцена, плиоцена (Пли.) и плейстоцена (П.); последний иногда считают частью плиоцена.
Возникли две полярные шапки не одновременно – ледник Восточной Антарктики вырос 33–34 миллиона лет назад, причём в одночасье по геологическим масштабам, примерно за 100 тысяч лет (продолжительность события оценивается точнее, чем его абсолютное положение). А вот мощные арктические льды, как полагают учёные, тогда образоваться не могли. Причина в том, что полярная суша на севере расположена гораздо дальше от полюса, чем на юге, и летом она сильнее прогревается, что и не даёт возможность сформировать устойчивую полярную шапку.
В итоге арктическая полярная шапка (и ледник Гренландии) появились гораздо позже – всего 3 миллиона лет назад, в плиоценовую эпоху, когда температура спустилась ещё ниже.
Измерение относительной концентрации тяжёлого и лёгкого («обычного») изотопов кислорода 18O/16O в окаменелостях позволяет оценить скорость изъятия воды в результате её испарения с поверхности. Дело в том, что молекулы воды, содержащие лёгкий изотоп кислорода, более летучи и интенсивнее испаряются с поверхности.
Если никаких изменений в «резервуарах», по которым в процессе круговорота воды в природе движется вода, не происходит, то те же лёгкие изотопы возвращаются в океан, и изменение изотопного состава не происходит. Однако если изъятая из океана вода изымается из круговорота – например, в виде ледников, доля тяжёлого кислорода увеличивается.
В принципе, к таким же изотопным аномалиям приводят и колебания температуры, но их у фораминифер измеряли независимо – по относительным концентрациям магния и кальция, оставшихся в раковинах: эти значения зависят по большей части от температуры, а объём изъятой из круговорота воды ни них влияет слабо.
На эпизодическое оледенение указывают и огромные борозды на дне океана у берегов Гренландии. Наиболее правдоподобное объяснение состоит в том, что их оставили, сползая в океан, огромные ледники и откалывавшиеся от них айсберги. И происходило это тоже задолго до плиоцена.
Учёные из Великобритании и США под руководством Роберта Деконто из Массачусетского университета смогли создать полную самосогласованную модель изменения климата в кайнозойскую эру, в которую уместились все указанные факты. У Деконто и его коллег основной величиной, определяющей климат, стало именно содержание углекислого газа в атмосфере. Работа палеоклиматологов опубликована в последнем номере Nature.
Учёные определили пороговые значения содержания углекислого газа, допускающие образование ледовых шапок.
Для Антарктики это около 750 ppmv, для Арктики – около 280 ppmv. Как и должно, «антарктического порога» уровень CO2 достиг в начале олигоцена 33 миллиона лет назад, хотя и прежде, ещё за 10 миллионов лет до великого оледенения Антарктики, изолированные ледники на южном континенте могли образовываться.
Пробив антарктический пороговый уровень, содержание углекислого газа в атмосфере дальше лишь падало, ненадолго взлетело в конце олигоценовой эпохи и стабилизировалось на последние 25 миллионов лет на «доиндустриальном» уровне около 280 ppmv.
По мнению учёных, именно в это время Арктика впервые за последнюю геологическую эру замёрзла.
Подробное теоретическое описание механизмов влияния астрономических циклов на земной климат было предложено в первой половине XX века выдающимся сербским астрономом и геофизиком Милутином Миланковичем, который разрабатывал теорию периодичности ледниковых периодов; теперь они называются «циклы Миланковича».
Миланкович выдвинул гипотезу, что циклические изменения эксцентриситета орбиты Земли (ее эллиптичность), колебания угла наклона оси вращения планеты и прецессия этой оси могут вызывать существенные изменения климата на Земле.
Например, около 23 миллионов лет назад совпали периоды минимального значения эксцентриситета земной орбиты и минимального изменения наклонения оси вращения Земли (именно этот наклон ответственен за смену времен года). В течение 200 тысяч лет сезонные изменения климата на Земле были минимальными, так как орбита Земли была практически круговой, а наклон земной оси почти не менялся. Как итог, разница в летних и зимних температурах на полюсах составляла всего несколько градусов, льды за лето не успевали таять, и произошло заметное увеличение их площади.
Теория Миланковича подтверждается изотопными исследованиями. Именно периоду между 21,4 и 22,9 миллионы лет назад соответствуют необычно сильные изотопные сигналы, затем есть более слабые сигналы, соответствующие периоду между 22,9 и 23,3 миллионами лет назад. На эти последние 400 тысяч лет и приходится тот самый 200-тысячелетний период минимальных сезонных изменений климата из теории Миланковича.
Вполне возможно, что не окончательно. Если верить пороговым значениям, которые вычислили Деконто и его коллеги, то последние три века уровень CO2 в атмосфере постоянно остаётся выше этого порога. Разрушить уже сформировавшуюся шапку, конечно, не так просто, но у человечества это, похоже, получается. Если поднапрячься – может, осилим и антарктический ледник. По пессимистическим прогнозам, к концу XXI века уровень углекислого газа может подняться и над антарктическим порогом.
