Среди гипотез, объясняющих чередование ледниковых и межледниковых эпох, на первом месте по известности стоит идея югославского ученого М. Миланковича, высказанная им в 30-х гг. нашего века.
С современными поправками, суммированными У. Брэкером и Я. Ван Донком из Колумбийского университета США, она выглядит следующим образом. Взаимное притяжение тел Солнечной системы обусловливает периодические изменения наклона земной оси по отношению к орбитальной плоскости с амплитудой 2°. Период этого цикла — около 41 тыс. лет. Изменения наклона земной оси отражаются на сезонной контрастности климата и на поступлении солнечной радиации в полярные области планеты. Кроме этого, тяготение Солнца и Луны создает дополнительную пару сил, стремящуюся совместить земной экватор с плоскостью лунной орбиты и эклиптики. Возникающий гироскопический эффект заставляет земную ось описывать в пространстве коническую поверхность. При этом происходит постоянное смещение по орбите точки равноденствия. Периодичность этого процесса, получившего название прецессии, определяется в 21 тыс. лет. Орбита Земли имеет слегка эллиптическую форму. Находясь в «ближнем» конце эллипса, Земля получает несколько больше энергии, чем в его «дальнем» конце. Если бы орбита была идеальной окружностью, то прецессия не сказывалась бы на контрастности климата. Но это не так, и в периоды, когда лето приходится на «ближний» конец орбиты, оно бывает жарче, чем в эпохи, когда лето приходится на «дальний» конец. В свою очередь, степень влияния прецессии зависит от эксцентриситета земной орбиты — чем сильнее последняя отличается от окружности, тем значительнее роль прецессии. Эксцентриситет также изменяется во времени с периодичностью около 90 тыс. лет. Сложная интерференция этих разнопериодических процессов приводит к существенным колебаниям прихода солнечной радиации (до ± 5% в летнее время) на поверхность планеты.
Результирующая кривая колебаний солнечной инсоляции, построенная сторонниками идей Миланковича, очень хорошо совпадает с ритмикой природных процессов, наблюдавшейся в прошлом. Но, к сожалению, этот механизм не дает ясного представления о причинах направленного похолодания климата. Что же касается совпадения с эмпирическими данными, то приходится признать, что все прочие гипотезы согласуются с ними не хуже.
Другая концепция, вернее, группа концепций, объясняющих колебания климата, может быть названа гипотезой автоколебаний. Общая идея такого процесса выглядит следующим образом. Достаточно крупный ледниковый покров способен к саморазвитию: это определяется его способностью вымораживать влагу из воздуха, заметно снижать температуру земной поверхности за счет резкого увеличения отражательной способности и потребления огромного количества энергии на таяние. Рост ледника, однако, не может быть бесконечным — раньше или позже он сам себя лишит питания, закрыв поверхность океана. Кроме этого, над обширным ледниковым куполом устанавливается антициклональный режим атмосферной циркуляции, как это наблюдается в наше время в Антарктиде. Это значит, что ветры чаще дуют с ледника, чем на ледник, и снег на его поверхность попадает тем реже, чем больше площадь оледенения. Достигнув этой «критической точки», ледник по инерции продолжает свое движение, переваливает через нее и затем начинает неизбежно сокращаться. Такие пульсации в условиях массо — и энергообмена в системе «ледники — океан — атмосфера» могут повторяться неоднократно. Первым толчком, приводящим систему в действие, могло быть тектоническое поднятие крупного участка суши и его охлаждение, временное понижение прихода тепла от Солнца или любой другой внешний фактор. Автоколебательный механизм климатических флуктуаций моделировался на ЭВМ советскими учеными С. Я. Сергиным и В. Я: Сергиным, и результирующие кривые, как и в случае с гипотезой Миланковича, вполне удовлетворительно согласуются с ритмикой природных колебаний в прошлом. Впрочем, это не удивительно, если учесть, что в программу в качестве исходных данных включались именно эти эмпирически полученные факты.
Говоря о недостатках такого подхода, следует прежде всего отметить, что он не способен объяснить ритмику оледенений на тех участках, где в межледниковые эпохи льды исчезали полностью, а также колебания климата, которые имели место до появления первого покровного оледенения.
В наиболее смелой и потому наиболее уязвимой для критики форме идея автоколебаний ледников развита в интересной книге капитана Е. С. Гернета «Ледяные лишаи», недавно переизданной издательством «Наука». В свое время эта оригинальная работа произвела большое впечатление на К. Г. Паустовского, упомянувшего о ней в своей «Золотой розе». Было бы нечестно, опираясь на весь багаж современных знаний, вступать в полемику с Е. С. Гернетом и уличать его в незнании законов гляциологии, которых он по независевшим от него причинам и не мог знать. Напротив, следует с большим уважением отнестись к человеку, который впервые сумел посмотреть на проблему оледенений с принципиально новых позиций, предположив, что не ледники являются следствием перестройки климата, а перестройка климата является следствием «самосильного» развития ледников. В этом, безусловно, есть рациональное зерно: в системе «климат — оледенение* неизбежно должны присутствовать обратные связи. Вопрос только в их относительной значимости. И вот здесь следует прямо сказать, что Е. С. Гернет в своих рассуждениях совершил принципиальную ошибку, которую обязан был не допускать даже при полном отсутствии специальных знаний. Предположив, что зародившееся на «ледородной возвышенности» оледенение ведет к охлаждению окружающих территорий и соответственно увеличивает свои размеры, он был прав. Но, сделав отсюда вывод, что это увеличение будет бесконечным, он сделал очевидную промашку. Охлаждающее влияние ледника остается величиной, более или менее близкой к постоянной, но по мере спуска с возвышенности лед попадал бы во все более и более теплые климатические пояса. Следовательно, раньше или позже энергия саморазвития компенсируется возрастающей энергией противодействия леднику, и его движение приостановится. Е. С. Гернет, увлеченный новизной своей идеи, не смог или не захотел заметить этого простого несоответствия. Он утверждал, что стоит придать Африке куполообразную форму, с тем чтобы середина купола достигла хионосферы, и мы «…неизбежно получим оледенение Африки от океана до океана — ледниковый лишай с этой центральной площадки расползется во все стороны, уничтожит прибрежную тропическую растительность, достигнет моря, где, отламываясь вследствие плавучести… заполнит айсбергами тропические моря».
Конечно, это ошибка. Но ошибка небесполезная. Она совершенно ясно дает понять, что к соображениям о «самосильном» росте ледников надо подходить не с позиций умозрительного моделирования, а с позиций жестких балансовых расчетов, которые должны показать, как далеко способен продвинуться лед под влиянием саморазвития.
Существуют и другие модификации гипотезы автоколебаний климата. Вот одна из них. По мере увеличения растительной биомассы на планете в процессе фотосинтеза потребляется все большее количество углекислого газа. Соответственно падает его содержание в атмосфере, исчезает «тепличный эффект», наступает похолодание климата и оледенение. Значительная часть растительности гибнет от холода, углекислый газ вновь накапливается в атмосфере, возрождая защитный экран вокруг Земли. Климат постепенно улучшается, оледенение деградирует, и вновь наступает бурный расцвет растительности.
Некоторые специалисты считают, что все дело в изменении направления теплых и холодных течений в океане, которые опять же контролируются площадью оледенения и, в свою очередь, определяют климат в древнеледниковой области. Можно привести и другие примеры.
Много приверженцев у идеи о колебании солнечной активности. Здесь необходимо упомянуть блестящую работу А. Л. Чижевского «Земное эхо солнечных бурь» (последнее издание 1976 г.), в которой показано значение солнечных ритмов для жизни Земли и землян. Естественно, у многих исследователей появилось желание по аналогии с выводами Чижевского объяснить и колебания более крупного масштаба — вариации климата. Специальные исследования показали, что изменения яркости Солнца и его тепловой радиации могут достигать 1—2%, в то время как для возникновения существенных перестроек климата достаточно отклонения солнечной постоянной от обычного значения на 0,1%. К сожалению, судить о колебаниях солнечной активности в прошлом мы можем только по тому, как они отражались в природе нашей планеты. Это означает, что предложенная гипотеза не поддается пока даже косвенной проверке: сколько климатических ритмов ни выявили бы мы в прошлом, столько ритмов активности придется в рамках этой концепции констатировать в истории нашего светила. То же самое можно сказать и о прогностическом значении этой гипотезы. Очень может быть, что она верна, но до тех пор, пока остается неясным сам по себе механизм солнечных пульсаций, неизвестно, когда можно ожидать следующей холодной эпохи.
Часто в качестве возможной причины ледниковых эпох упоминаются миграции географических и магнитных полюсов планеты. В последнем случае подразумевается, что вместе с магнитным полюсом перемещается область северных сияний и связанных с ней ионосферных процессов. В свою очередь, это приводит к сдвигу атмосферной циркуляции и перестройке климата.
Несколько особняком в ряду перечисленных предположений стоит мысль советского климатолога М. И. Будыко об изменении состава атмосферы как причине колебаний климата. Имеется в виду, что в эпохи увеличивающейся активности вулканов в высокие слои атмосферы поступало огромное количество вулканической пыли, которая отражала значительную часть энергии, направленной к Земле от Солнца. Соответственно происходило похолодание климата. Эта идея обоснована не лучше и не хуже любой из предыдущих. Ее достоинство в другом. В наши дни человеческое общество оказывает на лик Земли воздействие, ничуть не меньшее, чем воздействие стихийных геологических сил. И с точки зрения климатологии деятельность человека сводится главным образом к искажению отражательной способности планеты (распашка земель, вырубка лесов, создание новых водных зеркал и пр.) и изменению состава атмосферы. В этом аспекте человечество как бы дублирует деятельность вулканов, поставляя в атмосферу миллионы тонн техногенной пыли и углекислого газа, возникающих при сжигании топлива. Ежегодно в мире сгорает в топках около 5 млрд. т углерода и эта цифра растет на 4% в год. При этом происходит интересное противоборство двух тенденций: накопление CO2 приводит к разогреву планеты за счет тепличного эффекта (удвоение количества углекислого газа в атмосфере вызовет среднее потепление на 2—3°С), а запыление атмосферы уменьшает приход солнечной радиации и охлаждает Землю.
Пока, видимо, верх берет тенденция к нагреванию, обусловленная вмешательством человека в ход естественных климатических ритмов: по данным английских специалистов, за последние 50 лет среднегодовые температуры в мире увеличились на 0,6°С, причем особенно заметное потепление наблюдалось в высоких широтах. По независимым данным прогнозируется примерно такое же повышение температур к 2000 г. С другой стороны, по данным М. И. Будыко, взвешенная в атмосфере пыль антропогенного происхождения снижает среднюю температуру воздуха у земной поверхности на те же самые 0,5°С. Мероприятия по очистке атмосферы позволили стабилизировать объем твердых частиц, поступающих в нее, но количества углекислого газа и тепла, выделяемые горящим топливом, контролю не поддаются. Поэтому можно ожидать медленного, но неизбежного потепления климата в ближайшие десятилетия.
Как видно, ритмика природных процессов быстро и неумолимо нарушается вмешательством человека. Соответственно и полюс научных интересов смещается к изучению антропогенных закономерностей изменения окружающей среды. Но реконструкции, основанные на изучении древних оледенений, по-прежнему сохраняют свое большое значение, во-первых, как методологическая основа для вычленения естественных и антропогенных составляющих процесса перестройки климата и, во-вторых, как основной фон, на котором протекает природообразующая работа человечества.