Хенрик Свенсмарк - Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата
Если говорить о вкладе астрономии в космоклиматологию, то самый важный из намечающихся проектов — это европейский спутник «Гайя»[107], который станет преемником «ГИППАРКОСа», уже составившего карту звездного неба с небывалой доселе точностью. «ГИППАРКОС» скрупулезно измерил расстояния до звезд и тем самым дал астрономам возможность уточнить их возраст, благодаря чему ученые узнали о всплесках звездной рождаемости, а эти «детские бумы», как выяснилось, непосредственно связаны с чрезвычайно холодными периодами «Земли-снежка». Тем не менее «ГИППАРКОС» охватил не так много звезд («всего» миллион), и в его измерениях присутствуют неточности, а это означает, что история звездообразования все еще неполна. Более того, пока нам доступна для анализа лишь та «провинция» Млечного Пути, где находится наша Солнечная система, а это небольшая область диска, сильно удаленная от центра Галактики.
Будучи выведена на орбиту, «Гайя» превзойдет «ГИППАРКОС» в точности и масштабе исследования звезд. Международная команда ученых, собравшаяся в проекте «Гайя», намеревается поведать миру всю историю формирования звезд в Млечном Пути за десять с лишним миллиардов лет его существования — и в центральной перемычке, и в различных кольцах диска, и в звездном гало. Только тогда можно будет получить ясный ответ на вопрос: был ли процесс образования звезд относительно ровным и непрерывным, или же он представлял собой крайне хаотичную цепочку случайных эпизодов? Чем более эпизодичным будет представляться этот процесс, тем шире будет поле поиска тех эффектов, которые мощные потоки космических лучей производят на Земле.
Наградой за долгое ожидание станет для нас более детальное представление о спиральных рукавах. «ГИППАРКОС» составил очень неплохую карту локального рукава Ориона, где сейчас находится Солнце. «Гайя» же отметит все главные рукава на ближайшей к нам стороне Галактики и определит местоположение новорожденных звезд, которые их населяют. Высокоточные измерения дадут наконец ответ на вопросы: с какой скоростью спирали обращаются вокруг галактического центра и что представляет собой орбита Солнца — круг или эллипс. Тогда мы сможем вернее рассчитать, когда Солнце и его планеты посещали спиральные рукава и испытывали на себе воздействие космических лучей, повинных в ледниковых периодах геологического времени.
К сожалению, пока «Гайя» не вышла на орбиту, нельзя ожидать значительного расширения наших знаний о темпах звездообразования на протяжении того срока, что существует планета Земля. Спутник будет запущен не раньше 2012 года, и понадобится не менее пяти лет, чтобы он завершил свою программу. Тем не менее астрофизики уже предоставили нам достаточно информации, включая данные о других спиральных галактиках, чтобы теоретикам было над чем поразмышлять. Например, они могут попробовать разобраться в том, почему столь контрастно поведение галактического магнитного поля и потоков космических лучей в ярких спиральных рукавах, с одной стороны, и в темных областях между ними — с другой.
Другая важная задача — лучше понять гравитационный танец Большого и Малого Магеллановых Облаков и других соседних маленьких галактик, таких как Карлик Стрельца, что гостит сейчас на дальней стороне нашей Галактики. Это помогло бы определить, как и когда схватки с этими галактическими соседями запустили процесс звездообразования в Млечном Пути. Более точные вычисления станут возможны, если ученые научатся делать поправки на невидимую темную материю, значительно увеличивающую массу маленьких галактик. Так как поиск темной материи — одна из важнейших задач астрофизики, это еще один пример того, как прогресс в климатологии будет зависеть от фундаментальных достижений в самых различных областях науки.
Озадачивающие ритмы планетыИзучив непосредственно Землю и ее геологическую историю, мы смогли обобщить свидетельства, доказывающие, что на протяжении миллиардов лет космические лучи сильно влияли на климат нашей планеты. Но пока мы получили лишь приблизительную картину. Для детального анализа необходимо принять во внимание много иных процессов, также воздействующих на климат. К ним относятся: рост континентов, горообразование, хоровые выступления вулканов, движения континентов, влияющие на океанские течения и околополярные ледовые щиты, изменения в составе атмосферы, геохимические процессы и столкновения Земли с кометами и астероидами.
Есть немало проблем, не дающих ученым покоя. Один из примеров такого рода — это эффект Миланковича, названный по имени сербского инженера, климатолога и геофизика Милутина Миланковича, который в 1920-е годы предложил свое объяснение последних ледниковых периодов. Он показал, что поступление солнечного света в разных областях земного шара и в разные сезоны менялось на протяжении веков. Причина этого, как полагал Миланкович, заключается в том, что гравитационное воздействие других объектов Солнечной системы изменяет положение Земли в космосе и, соответственно, параметры ее орбиты.
В нынешнюю эпоху Антарктика всегда покрыта льдом, следовательно, критические моменты связаны с наступлением и отступлением льда в Северном полушарии. А это зависит (так гласит теория) от того, достаточно ли сильно светит летнее Солнце, чтобы растопить лед, образовавшийся за зиму. Иногда Солнце находится относительно близко и стоит высоко в небе в течение северного лета — тогда ему под силу прогнать снег и лед прочь. Однако низкое Солнце, находящееся дальше, может посмотреть на лежащий снег сквозь пальцы — и тот будет накапливаться год от года, собираясь в ледовые пласты.
Астрономы могут просчитать эти изменения. Ось Земли медленно колышется, как у неустойчиво вращающегося волчка (это называется прецессией), что устанавливает для сезонного солнечного освещения в Северном полушарии ритм примерно в 20 тысяч лет. К тому же Земля покачивается, как корабль, соответственно покачивается и мачта, то бишь ось (такие долгопериодические колебания угла наклона земной оси к плоскости ее орбиты носят название нутации), и это задает еще один цикл — примерно в 40 тысяч лет. Наконец, есть третий, более медленный цикл — приблизительно в 100 тысяч лет, — в ходе которого меняется форма орбиты (так называемые долгопериодические колебания эксцентриситета орбиты), и Земля в разные сезоны оказывается то ближе, то дальше от Солнца.
В середине 1970-х годов исследователи обнаружили, что содержание тяжелого кислорода в кернах, поднятых с морского дна, четко отражает ритмы Миланковича. К этим морским приключениям некоторое время был причастен и Найджел Колдер — ему тогда очень хотелось принять участие в научной экскурсии. В 1976 году американские и английские ученые назвали изменения земной орбиты «ритмоводителем ледниковых периодов». С тех пор подтверждения ритмов Миланковича обнаружились в самых древнейших отложениях, уходящих в прошлое на сотни миллионов лет — даже в те эпохи, когда не было никаких ледниковых периодов. В сущности, геологи наших дней используют эти ритмы как камертон, чтобы настраивать свои временные инструменты. Нет никакого сомнения в их истинности.
С другой стороны, роль эффекта Миланковича в последние ледниковые периоды, с которых началась наша научная история, выглядит менее выразительной или, во всяком случае, более озадачивающей. Самое поразительное, что за прошедший миллион лет переключения с ледниковых интервалов на относительно теплые промежутки и обратно происходили приблизительно каждые сто тысяч лет. Загадка в том, почему довольно слабые изменения в эксцентриситете земной орбиты должны были вызывать столь трагические последствия. Так или иначе, кажется, что влияние солнечного освещения сильно преувеличено.
В климатическом дневнике планеты записаны более короткие интервалы потеплений или похолоданий, и они твердо ассоциируются со значительными изменениями в потоках космических лучей. Эти потепления и похолодания скорее были связаны с магнитной активностью Солнца, чем с его положением в небе. Эффекты, производимые высокой или низкой интенсивностью космических лучей, четче всего прослеживаются в периоды прошлых оледенений и потеплений, а вот нынешняя тепловая интерлюдия в этом смысле не столь типична. Вероятно, Земля могла изменить свою чувствительность по отношению к климатическому воздействию любого рода, будь то солнечное освещение по Миланковичу, космические лучи или любой другой агент.
Следовательно, если мы установим, почему изменилась климатическая чувствительность Земли, мы сможем решить загадку, которую задают нам ритмы планеты. Первый очевидный фактор — это уровень моря, который во времена ледникового периода был крайне низким, так как на создание ледовых покровов на Земле ушло колоссальное количество воды. В те времена огромные площади континентальных шельфов были свободны от воды — в частности, Ла-Манш, Северное, Ирландское, Адриатическое моря, Берингов пролив и значительная территория северной Сибири, называемая Берингией, Южно-Китайское море. Большинство морских путей между островами Индонезии также «пересохли», и ход важных океанских течений был нарушен. Если уровень моря был низкий, это помогает понять, почему мир во время ледниковых периодов был более чувствителен к климатическим воздействиям, а вот объяснить быстрое переключение на теплые условия межледниковья гораздо труднее.
