Ледники и колебания климата
Доктор географических наук О. Чижов
Ледники образовались не потому, что на Земле из-за каких-то внешних причин изменился климат, ледники сами оказали огромное влияние на его изменения.
Ледники образовались не потому, что на Земле из-за каких-то внешних причин изменился климат, ледники сами оказали огромное влияние на его изменения. Такое мнение утвердилось в науке сравнительно недавно. Однако уже почти 50 лет назад эта идея нашла отражение в гипотезе «ледяных лишаев». Ее автором был Е. С. Гернет — советский моряк, капитан дальнего плавания.
В повести К. Паустовского «Золотая роза» есть такой эпизод: «Тогда я только что прочел очень редкую книгу нашего моряка, капитана Гернета, Называлась она «Ледяные лишаи...». Я не могу здесь подробно рассказать о теории Гернета — для этого понадобилось бы слишком много места. Но Гернет неопровержимо доказал, что если бы удалось растопить ледяной панцирь Гренландии, то в Европу вернулся бы миоцен... Я рассказал Горькому о теории Гернета. Он барабанил пальцами по столу, и мне казалось, что он слушает меня только из вежливости. Но оказалось, что он был захвачен этой теорией, ее стройной неопровержимостью. Он долго обсуждал ее, все больше оживляясь, и попросил прислать ему эту книгу, чтобы переиздать ее большим тиражом... Но издать книгу Гернета Алексей Максимович не успел — он вскоре умер».
Книга Гернета, к сожалению, так никогда и не была переиздана. Вероятно, именно поэтому она очень долго оставалась не замеченной учеными. Интерес к теории Гернета появился после опубликования подобных теорий за рубежом.
Кто же такой Гернет? И в чем суть и значение предложенной им теории оледенения?
Ледниковая теория
Совершенно очевидно, что во время ледниковых эпох, а их было не менее четырех за последний миллион лет, климат на Земле был иным, значительно более суровым по сравнению с теперешним — климатом межледниковья.
Огромные ледяные щиты, подобные современному антарктическому леднику, спускались с гор Скандинавии на равнины Восточной Европы, а с Баффиновой Земли и Лабрадора на равнины Северной Америки, погребая подо льдом миллионы квадратных километров. Проходили тысячелетия, и ледники отступали, освобождая Землю от ледяного плена. Потом надвигались снова...
В чем причина наступлений и отступлений ледников?
Самым простым ответом на этот вопрос долгое время казался такой: изменялся климат, при похолодании ледники наступали, при потеплении отодвигались в более высокие широты. Ну, а почему изменялся климат? Гипотезы, предложенные для объяснения этого, не выдерживают критики. К тому же ученые уже давно подметили, что для наступления ледников недостаточно только похолодания, нужны еще обильные снегопады.
Долго не утихала между специалистами полемика о том, что было главной причиной распространения ледников — понижение температуры или увеличение атмосферных осадков. Ясность в этот вопрос внес наш знаменитый климатолог А. И. Воейков, показавший, что ни то, ни другое само по себе, а только соотношение летней температуры, которая определяет таяние льда или снега, и количества зимних осадков, которые питают ледники. В Исландии, где очень мягкая зима с обильными осадками, лежат обширные ледяные шапки, а в очень холодной Восточной Сибири ледников нет. Воейков первый указал на обратное или «встречное» влияние снега и льда на климат. Он писал о том, что снег и лед в самих себе заключают условия своего дальнейшего существования. Этот вывод Воейкова подводит к мысли, что, если возникновение ледников чем-то вызвано, пусть только в малых масштабах, пусть высоко в горах, само это возникновение будет способствовать их распространению. А когда ледяной покров распространится до каких-то определенных, критических размеров, должны (или могут) возникнуть такие изменения климата, которые вызовут сокращение размеров ледника. В этом и заключается основная идея теории автоколебаний климата и оледенения. Эта теория в наше время завоевывает все большее признание и успешно развивается.
Возникновение теории автоколебаний
Впервые гипотезу ледниково-климатических автоколебаний высказал наш соотечественник — Евгений Сергеевич Гернет. Он изложил ее очень четко, ясно, с подкупающей простотой и логичностью в книге «Ледяные лишаи». Именно об этой книге и шел разговор Паустовского с Горьким.
Е. С. Гернет был одним из тех офицеров русской армии и флота, которые с первых дней революции перешли на сторону восставшего народа. Он был потомственным моряком, родился в 1882 году в Кронштадте. В русско-японскую войну проявил себя храбрым, боевым офицером. В 1908 году участвовал в спасательных работах, которые вели русские моряки во время извержения вулкана Этна, на острове Сицилия. В начале первой мировой войны, в 1914 году, был назначен в минную бригаду Черноморского флота.
В 1917 году Е. С. Гернет был уже капитаном второго ранга, командиром эсминца «Калиакрия». Команда эсминца принимала участие в установлении Советской власти в Крыму. Именно командиру «Калиакрия» Е. С. Гернету было поручено, после того как Одессу захватили немецкие войска, уве¬сти Черноморский флот из Севастополя в Новороссийск, а затем, в июне 1918 года, Гернет был в числе тех, кто выполнял приказ потопить корабли, чтобы они не достались врагам революции.
В июне же 1918 года началось формирование Волжской военной флотилии. Ее командующим назначили Е. С. Гернета.
Когда окончилась гражданская война, капитан Гернет плавал на судах советского торгового флота на Дальнем Востоке.
В 1927—1931 годах Е. С. Гернет был представителем СССР в Японии по фрахту судов (найму для перевоза грузов). Он жил в Кобе и там в 1928—1929 годах в свободное от основных дел время продумал и изложил в небольшой книжке «Ледяные лишаи (Новая ледниковая теория, общедоступно изложенная)» свою гипотезу. Он сам вручную набрал спою книгу и издал ее в Токио тиражом 500 экземпляров. «Никаких источников и справочников по геологии на доступных мне языках не было»,— вспоминал Гернет. Он использовал только два курса общей геологии: «Историю Земли и М. Неймайра (русский перевод 1897— 1898 годов) и «Физическую геологию» И. В. Мушкетова (1924 или 1926 года издания). «Вероятно, — пишет Гернет в предисловии к своей книге,— будь у меня возможность использовать более обширный материал,— книжка была бы полнее и лучше». О представлениях Воейкова Гернет знал только из курса Мушкетова. Ледниковая теория Гернета совершенно самобытна и поражает близостью к современным представлениям.
Вернувшись из Японии, Гернет работал в области гидрографии. Он был редактором лоций полярных морей, участвовал в гидрографических экспедициях, читал лекции по навигации и мореходной астрономии. О результатах этих его работ свидетельствуют написанные им статьи, внесшие немалый вклад в картографию и навигацию.
Е. С. Гернет умер в 1943 году в возрасте 61 года. Его жизнь и деятельность связаны с революцией и гражданской войной. Все сделанное им как гражданином, солдатом, ученым заслуживает нашей благодарной памяти.
Только через 25 лет после выхода книги Гернета появилась статья американского геолога В. Стокса под названием «Иной взгляд на ледниковый период». Стокс, по всей видимости, никогда ничего не слышал о Гернете и его «Ледяных лишаях». Взгляд Стокса действительно иной, противоречащий тому, который был принят в науке, но этот иной взгляд полностью согласуется с тем, что было высказано Гернетом. И по Гернету и по Стоксу не какие-то изменения климата, вызванные некой внешней причиной, способствовали распространению ледников, а сами ледники в ходе своего развития изменяли климат.
Гернет считал, что нормальное состояние Земли — это «безледное состояние», равномерно теплый климат по всей земной поверхности. Такой климат, какой был на Земле в третичное время — в миоцене. Оледенение Гернет уподобляет болезни — «ледяному лишаю», «самосильно» распространяющемуся по телу планеты. Общее в работе Гернета и Стокса то, что они рассматривают взаимодействие материкового оледенения, термического состояния океана (ледовитость Полярного океана и Северной Атлантики) и атмосферы.
В первой главе своей книги Гернет очень просто и обстоятельно излагает (по Неймайру и Мушкетову) историю оледенения и показывает несостоятельность гипотез, предложенных для объяснения причин наступления и отступления ледников. Он пишет, что такие гипотезы, «как-то о прохождении солнечной системы через холодные и теплые части мирового пространства, уменьшении количества тепла, посылаемого солнцем, и другие ссылаются на явления не только не доказанные, но и предположенные-то только для того, чтобы объяснить ими климатические перемены на Земле, не будь которых они теряют всякий смысл и вероятность». Нужно искать не внешнюю причину охлаждения, а понять тот основной факт, что именно массы льда самим своим существованием охлаждают климат. «Нормальным состоянием Земли является доледниковое; лед, впоследствии появившийся, распространился по Земле самосильно и явился причиной изменения климата, а не является следствием какого-либо изменения климата, происшедшего от посторонних причин».
Что лед не следствие, а причина охлаждения, показывает средняя температура южного и северного полушарий. Средняя годовая температура южного полушария на 2 градуса ниже, чем северного. Это происходит из-за влияния мощного ледяного покрова Антарктиды. Такое объяснение ныне общепринято и представляется бесспорным. Гернет показал несостоятельность иных объяснений этого факта — астрономических, географических и других, указал на охлаждающее влияние Гренландского ледяного щита. Если бы ледяной покров Гренландии можно было уничтожить, климат северного полушария вернулся бы к миоценовому, к «артмиоцену» (искусственному миоцену), как его называет Гернет.
В безледных условиях миоцена климат был много теплее именно в полярных областях, ныне охлажденных льдом. Идея коренного улучшения климата в высоких северных широтах особенно интересовала Гернета. Ради ее обоснования он и продумал свою теорию больших климатических изменений.
Основы теории. Снегоизбыточный слой атмосферы
На некотором расстоянии от поверхности Земли (в низких широтах выше, а в высоких ниже) находится слой атмосферы, благоприятствующий зарождению и развитию ледников. Гернет назвал его снегоизбыточным слоем. В этом слое зимой снега может выпасть больше, чем солнечное тепло способно растопить за лето. Внутри снегоизбыточного слоя возможен положительный баланс массы снега. Нижняя и верхняя границы этого слоя — снегонулевые поверхности. На них снегонакопление равно таянию и (или) испарению снега. Там, где земная поверхность поднимается до снегоизбыточного слоя и входит в него, могут существовать вечные снега и ледники. Нижняя граница их существования издавна получила название снеговой линии.
Медленные поднятия и опускания суши (эпейрогенез) приводят к тому, что куполообразные возвышенности касаются снегоизбыточного слоя и на них скапливается не стаивающий за лето снег. Образовавшийся ледник, или «ледяной лишай», как его называет Гернет, охлаждает местный климат, понижает над собой снегонулевую поверхность и этим сам способствует своему распространению.
С поднятием земной коры, начавшемся в третичном периоде, стали образовываться и ледники. В северном полушарии благоприятные условия для образования «ледяного лишая» возникли раньше всего в Гренландии — на большом острове в высоких широтах, омываемом с юга теплыми водами Североатлантического течения, что вызывает обильные осадки. Лед покрыл весь остров и стал сползать выводными ледниками в море. Айсберги, заполнившие прибрежные воды, сильно охладили их. Лабрадорское течение выносило айсберги к берегам Северной Америки, что способствовало охлаждению этих берегов, снижению снегонулевой поверхности и образованию «рефлекторных ледяных лишаев» на острове Баффинова Земля и полуострове Лабрадор. Так возник и стал развиваться Лаврентьевский ледяной покров, затем Скандинавский. Прогрессирующее охлаждение привело к тому, что льды постепенно, начиная от Канадских берегов, покрыли всю акваторию Северного Ледовитого океана. Одновременно с охлаждением шел и другой процесс: над всей этой территорией уменьшалось испарение, уменьшалось количество выпадающих осадков.
Все увеличивающаяся сухость климата, связанная с разрастанием «ледяного лишая» и замерзанием Северного Ледовитого океана в конце концов положила предел распространению оледенения. Уменьшилось питание ледяных покровов. И вот уже стаивание превышает снегонакопление. Начинается обратный ход событий: лед отступает, происходит потепление климата, и, наконец, Северный Ледовитый океан освобождается ото льда. Через какое-то время потепление и увлажнение будут способствовать образованию новых ледников и их разрастанию.
Так представил себе механизм автоколебаний (здесь он изложен лишь в самых основных чертах) Гернет, а позже, независимо от него, В. Стокс и затем М. Юинг и B. Л. Донн, под чьими именами эта теория получила известность в зарубежной литературе.
Возможность автоколебаний по теории Гернета — Стокса была в наше время проверена на математической модели системы «Земная поверхность — атмосфера» и подтверждена. Понятие о снегоизбыточном слое атмосферы, предложенное Гернетом, независимо от него было введено в науку C. В. Калесником под названием хионосфера (снежная сфера). Понятие это широко применяется в гляциологии.
Антарктический и гренландский «ледяные лишаи»
История Антарктиды, освещенная исследованиями последних десятилетий, установивших очень древний возраст ее оледенения, не была известна Гернету. Но никто не только до него, но и позже не установил столь определенно основное различие в ходе оледенения в северном и южном полушариях.
Гернет считал, что зарождение ледников в Антарктиде происходило точно так же, как и в Гренландии. Антарктический «ледяной лишай», распространившись по всей поверхности материка, дошел до моря и начал порождать айсберги. Эти айсберги почти сплошной массой заняли всю полярную часть океана, приблизительно до 64-й параллели. И тут «наступило равновесие между избытком снега, выпадающего на ледяной лишай выше снегонулевой поверхности и избытком таяния его ниже таковой, и лишай прекратил дальнейшее распространение, достигнув своего максимума. В этом положении лишай и застыл; застыл в том смысле, что принял постоянные размеры...» Такой ледник Гернет назвал «локализованным, стационарным» в отличие от гренландского — «локализуемого пульсацией», то есть такого, который вызывает «зимнюю сухость климата» и из-за этого сначала перестает расти, а потом начинает сокращаться.
Совсем без льда или полное оледенение
Земля без ледников — такое состояние Гернет считает для нашей планеты естественным и устойчивым. Возникновение «ледяных лишаев» переводит ее в неустойчивое, частично оледенелое состояние.
А что было бы, спрашивает Гернет, если бы, например, с западной стороны Гренландии существовал широкий пролив, через который лед и айсберги свободно выносило из Северного Ледовитого океана? Зимняя сухость климата тогда бы не создавалась и «ледяной лишай» распространился бы по всем материкам, айсберги заполнили бы и охладили до полного замерзания весь Мировой океан. Земля перешла бы в полностью оледенелое состояние, которое было бы устойчивым.
Гернет показывает, что в этом случае возвращение в безледное состояние было бы невозможно. И современные расчеты подтверждают это. Но саму возможность такого глобального оледенения Гернет, очевидно, все-таки преувеличивает. Он не учитывал того, что в низких широтах, куда продвигается ледяной покров, идет более интенсивное таяние. Геологическая история Земли говорит о том, что, хотя отдельные языки ледяного покрова выдвигались в Северной Америке и Европе очень далеко на юг, ледники никогда не охватывали низкие широты общим фронтом.
Проект уничтожения гренландского «ледяного лишая»
Итак, ледниковая теория Гернета предполагает автоколебательный процесс: смену ледниковий межледниковьями. Мы живем в очередное межледниковье, человечеству угрожает следующий ледниковый период. По естественному ходу событий он неизбежен. Но Гернет предлагает способ избежать этого. Теоретически все очень просто. Нужно уничтожить источник распространения льдов — Гренландский «ледяной лишай». Но это два миллиона квадратных километров ледяного покрова мощностью до трех тысяч метров! На первый взгляд задача кажется невыполнимой. Гернет предлагает свой проект уничтожения ледяного покрова Гренландии. Для этого не нужно лед как-то искусственно плавить или колоть на куски и отвозить к экватору. Все сделает на месте солнце, но ему надо немного помочь. Надо только убирать весь вновь выпадающий снег, и тогда ледяной покров растает сам собой. Солнце вместо того, чтобы плавить, как теперь, снег данного года, будет плавить все более старые слои льда, причем с каждым годом все быстрее. Конечно, организовать уборку снега технически тоже нелегко, но, наверное, можно что-то придумать.
Одновременно будет постепенно улучшаться климат, будет освобождаться ото льда Северный Ледовитый океан. Весь Север вернется к миоценовому климату.
Дальнейшее развитие теории автоколебаний климата и оледенения
Идея уничтожить ледяной покров Гренландии для того, чтобы предотвратить следующее ледниковье, для того, чтобы коренным образом улучшить климат северных краев,— основная идея книги Е. С. Гернета. Он ставит перед собой определенную практическую цель, которую считает благом для всего человечества.
Большинство современных гляциологов, мерзлотоведов придерживается иного взгляда и не считает такую глобальную перестройку климата желательной.
Уменьшение ледяного покрова приведет к повышению уровня Мирового океана. Если Гренландия совсем освободится ото льда, уровень воды поднимется на 6,5 метра. Значит, будут затоплены многие густо населенные низменности, большие города и целые страны, такие, как, например, Голландия. Гернет совершенно не касался этого вопроса, по-видимому, он не вполне представил себе, какой огромный объем льда накопился в Гренландии.
По современным представлениям, приблизительная продолжительность циклов ледниково-межледниковых колебаний климата и оледенения от 40 до 70 тысяч лет. Максимум последнего оледенения был 18—20 тысяч лет назад. Следующее наступление ледников можно поэтому ожидать что-нибудь через 10 тысяч лет, вряд ли раньше. Для человечества это еще довольно далекое будущее. Думать о мерах предотвращения нового ледникового периода представляется еще преждевременным.
Покрытые снегом и льдом полярные области во многом определяют современную атмосферную циркуляцию. Каким будет ее характер в безледных условиях и будет ли он более благоприятным, далеко не ясно.
Нарушение сложившегося в природе за миллионы лет экологического равновесия может привести, как известно, к крайне неблагоприятным последствиям. Вот почему проекты коренного изменения климата северных полярных областей должны быть продуманы прежде всего не столько в смысле их технического выполнения, сколько в смысле обоснованного прогноза последствий. Для прогноза же нужно знание причинно-следственной цепи событий.
Такие исследования ведутся. Практическое значение проблемы ледниково-межледниковых колебаний в наше время ясно осознано. Например, международная научная программа «КЛИМАП» (климатические долгопериодные исследования, картирование и предвидение) поставила своей задачей создание наиболее достоверных реконструкций климата и оледенения прошлых ледниковых и межледниковых эпох и их датирования. Для этого широко используется метод математического моделирования и составления карт природной обстановки и атмосферной циркуляции для ряда важнейших моментов (временных срезов) гляциоклиматической истории.
Но эти модели статические. Они воспроизводят картину природной обстановки в определенный отрезок времени. Динамическая модель гляциоклиматических изменений, показывающая ход изменений во времени, смену ледниковий межледниковьями, была разработана у нас в Тихоокеанском институте географии В. Я. и С. Я. Сергиными. Пользуясь методами теории сложных систем и автоматического регулирования, они предложили математическую модель системы «Земная поверхность — атмосфера», то есть составили схему важнейших взаимосвязей между атмосферой (ее состояние определяет климат) и земной поверхностью (более двух третей ее занято океаном, а основные изменения теплового ее состояния зависят от большего или меньшего распространения ледников и морских льдов).
Результат моделирования оказался качественно подобным палеографическим данным и соответствующим теории Гернета-Стокса. Моделирование перехода от условий плиоцена, когда материковые ледяные покровы в умеренных широтах еще не сформировались, к условиям плейстоцена, когда они продвинулись на равнины Северной Америки и Европы, показало, что для автоколебаний климата и оледенения необходимо второе инерционное звено в системе, то есть ледники (материковые ледяные покровы). При одном инерционном звене, которым является океан, автоколебания не возникают. Моделирование для одного южного полушария показывает, что ледяной покров Антарктиды, размеры которого ограничены океаном, не вызывает автоколебаний, что также подтверждает представления Гернета о стационарном Антарктическом и пульсирующем Гренландском оледенении.
Выполненная Сергиными работа, конечно, еще не решает проблему до конца. Модель построена в так называемых сосредоточенных параметрах, то есть использует только средние для северного и для южного полушарий величины. Чтобы учесть все неравномерности изменений на земной поверхности (например, температуры), модель должна быть составлена в распределенных параметрах, что пока встречает большие математические трудности. Шкала времени в модели условна. Авторы сделали это умышленно, потому что они не считают возможным пока использовать модель для реконструкции прошлого и тем более для прогноза будущего. Однако амплитуда колебаний температуры и объема материковых льдов, продолжительность циклов колебаний получились очень близкими к тем, какие известны по палеографическим данным. Таким образом, ледниковая теория автоколебаний климата и оледенения, предложенная Е. С. Гернетом и лишь 25 лет спустя В. Стоксом, получила математическое обоснование и успешно развивается.
Литература
Будыко М. И. Тепловой режим Земли. «Природа», № 8. 1962.
Гернет Е. С. Ледяные лишаи (Новая ледниковая теория, общедоступно изложенная). Токио. 1930.
Котляков В. М. Мы живем в ледниковый период. Л., «Гидрометеоиздат». 1966.
Паустовский К. Г. Теория капитана Гернета (повесть). «Север», № 9, Петрозаводск, 1974.
Сергин В. Я., Сергин С. Я. Как возникали оледенения Земли. «Природа», № 9, 1960.
Чижов О. П. Ледники и климат. «Природа», № 7. 1966.
Чижов О. П. Оледенение Северной Полярной области. Изд-во «Наука», М., 1976.
Статьи по теме
- Льды — это сама жизнь
- Снег и лёд — в природе и в жизни
- В ГЛУБЬ ЛЕДНИКА
- На «полюсе снежности». Гляциологическая экспедиция по Камчатке
- Когда цветут ледники
- Ледник Федченко
Читайте в любое время
