Антарктида: ее научное изучение и влияние на будущее Земли

Девяносто процентов площади земного оледенения принадлежит Антарктиде, и от поведения ее ледникового щита во многом будет зависеть будущее Земли. Вот почему нас интересует прошлое Антарктиды. Ведь зная прошлое, можно заглянуть в будущее и не только Антарктиды, но и всей нашей планеты.

Всех интересуют вопросы: что ожидает нашу планету, каков будет лик Земли, что произойдет на ее поверхности через десять, тысячу или десять тысяч лет? Вопросы это не праздные: во-первых, потому, что сейчас мы достаточно хорошо знаем, как сильно менялся облик Земли в недавнем прошлом, когда Европу и Северную Америку покрывали мощные ледники; во-вторых, потому, что уже давно многие государства создают программы и прогнозы развития на десятилетия вперед, а эти прогнозы обязательно должны учитывать изменения окружающей природной среды.

В системе «суша — океан — атмосфера — ледники» идет непрерывный обмен теплом и влагой. Хотя ледники записаны здесь на последнем месте, их роль и вес можно представить себе из таких цифр: для изменения температуры всей атмосферы Земли на 1 градус достаточно, чтобы температура океана изменилась всего на 0,0001 градуса. А если сбросить весь ледниковый лед в океан (а он там растает), то температура воды в океане упадет на 2,5 градуса, а его уровень повысится почти на 70 метров. Но 87 процентов льда на Земле сосредоточено в антарктическом ледниковом покрове, он занимает 90 процентов всей площади оледенения, поэтому в перечень «суша — океан — атмосфера — ледники» вместо слова «ледники» вполне уместно написать: «Антарктида».

Когда и почему возникло оледенение в Антарктиде? Что происходило с ним в прошлом? Ответы на эти вопросы должны помочь ответить и на вопрос о будущем развитии нашей планеты. Еще более двадцати лет назад известный гляциолог Р. Шарп написал: «Ледники являются чем-то вроде дамоклова меча, висящего над головами всех людей, живущих вблизи моря. Наша задача — определить крепость волоса, на котором он подвешен». Результаты исследований в Антарктиде привели ученых к выводу, что наиболее тонок этот волосок именно на ледяном континенте. Американский гляциолог Вертман сказал даже более определенно: «За последние десятилетия наше понимание режима и движения ледников… прогрессировало и в значительной степени улучшилось. Теперь мы знаем достаточно, чтобы определить главную гляциологическую проблему, которую необходимо решить. Эта проблема — ледяной щит Западной Антарктиды».

Сколько лет ледяному щиту?

Лет двадцать назад гляциологи, завороженные исследованиями следов последних оледенений в северном полушарии, считали, что возраст Антарктического ледяного щита невелик, что это остаток последнего оледенения, а значит, ему не более 1 миллиона лет. Первое сообщение о том, что антарктическому льду не менее 5 миллионов лет, было настоящей сенсацией. Однако оказалось, что время возникновения антарктического ледникового покрова надо отодвинуть еще дальше в прошлое, и это подтвердили геологические данные.

В прошлом Западная Антарктида была местом бурной вулканической деятельности. Изучение напластований лав позволило дать новую оценку возрасту оледенения. Вулканические лавы, излившиеся подо льдом, легко отличить от лав, излившихся под водой или на воздухе, а надежные геохимические методы дали возможность определять их возраст.

В Западной Антарктиде обнаружено несколько разновозрастных толщ лав подледного происхождения. На поверхности древних лавовых покровов видны следы ледниковой штриховки, между слоями лав нет осадочных и других отложений, а это значит, что в периоды между извержениями лавы перекрывались льдом. Возраст лав свидетельствует о том, что ледники в Антарктиде существовали уже не менее 25—35 миллионов лет. Этот возраст оледенения был подтвержден и исследователями кернов из скважин, пробуренных в океане вокруг Антарктиды.

Что же происходило на нашей планете в то время, когда возник и стал развиваться ледяной щит на шестом континенте? Для последних 60 миллионов лет по всем палеотемпературным данным получаем ход изменения температуры на Земле в средних широтах. Возникновению оледенения в Антарктиде предшествовало существенное понижение температуры на планете, и само формирование и развитие оледенения шло на фоне непрерывного равномерного понижения температуры 10 градусов за 60 миллионов лет. А вот в последнем миллионе лет мы видим неоднократные понижения температуры на те же 10 градусов, но в промежутки времени гораздо более короткие — всего за 100 тысяч лет. Именно это время было эпохой неоднократного появления и исчезновения ледников в северном полушарии, а южнополярный ледяной щит существовал при этом постоянно. Поэтому надо искать ответа на вопрос, не только почему возникло оледенение на Земле, но и почему после его возникновения начались грандиозные колебания размеров оледенения на нашей планете.

Ледниковые гипотезы

В чем причина оледенений, а следовательно, изменений климата на Земле? Это один из немногих вопросов в науках о Земле, в ответ на который можно было бы изложить более сотни гипотез. Все они разделяются на две группы: одна возникновение оледенений объясняет воздействием внеземных причин, вторая — чисто земными причинами.

Можно придумать достаточно много внеземных причин, которые при современном уровне развития науки не поддаются никакой проверке: облака космической пыли, хвосты комет, затмевающие Солнце, и многое другое — все зависит от богатства «астрономического» воображения.

Многие гипотезы объясняли возникновение оледенений изменениями поступления тепла от Солнца. Так, довольно хорошо изучены изменения активности поверхности нашего светила продолжительностью 11, 22, 100 и больше лет. Сторонники этой идеи допускали совпадение минимумов разных периодов, и это считали причиной похолоданий. Однако, хотя поверхностная активность Солнца действительно меняется во времени, общее количество солнечной радиации, или «солнечная постоянная», меняется незначительно.

Начиная с конца XIX века, проведено множество измерений солнечной постоянной, то есть количества тепла, которое поступает на единицу поверхности верхней границы атмосферы в единицу времени. Более чем за семидесятилетний период наблюдений с использованием различных методов и аппаратов получены весьма противоречивые сведения о ее изменениях. По одним данным, она меняется в пределах 2,5 процента, по другим — ее колебания не превышают долей процента, но и 2,5 процента не могут объяснить того понижения температуры, которое наблюдалось за последние 60 миллионов лет, так как изменение потока тепла от Солнца на 1 процент меняет температуру в средних широтах только на 1 градус.

Одну из интересных гипотез выдвинул сербский ученый Миланкович, который показал, что в процессе движения Земли вокруг Солнца и ее вращения вокруг собственной оси происходят периодические изменения положения земной поверхности относительно потока солнечного тепла: меняется наклон земной оси в пределах почти 3 градусов, сама ось подобно оси волчка описывает в пространстве круги и, наконец, меняется вытянутость земной орбиты. Однако периодичность этих явлений, не превышающая сотни тысяч лет, и изменения потока тепла, вызываемые ими, не в состоянии объяснить равномерного снижения температуры за последние 60 миллионов лет; не совпадают ни продолжительность, ни размеры пульсаций температуры.

Несостоятельны и многие гипотезы, объясняющие причины оледенения чисто земными причинами. Например, запыление атмосферы в периоды бурного развития вулканической деятельности. Да, такие периоды были, и их следы найдены в кернах из скважин в ледяных щитах Гренландии и Антарктиды. Но, во-первых, чтобы понизить температуру только на 1 градус, надо, чтобы вулканическая деятельность на Земле была в 10 раз более интенсивной, чем сейчас; во-вторых, по геологическим данным установлено, что вспышки вулканической активности максимальной продолжительности не превышали одного миллиона лет; в-третьих, и это очень важно, наблюдения со спутников показали, что насыщение атмосферы аэрозолем может иметь и охлаждающее и отепляющее влияние.

Выдвигалась и такая занимательная гипотеза: причина оледенений — это жизнь. Живые организмы, съедая углекислоту в теплые, безледные периоды, когда они особенно бурно развиваются, вызывают заметное уменьшение содержания углекислоты в атмосфере. А так как атмосферная углекислота играет ту же роль, что и стекла в оранжерее, создавая тепличный эффект, то ее удаление приводит к похолоданию и возникновению ледников. Ледники разрастаются, уничтожают растительность, вдавливают своим весом большие участки земной коры, что активизирует вулканическую деятельность. Вулканы при извержениях выбрасывают большое количество углекислоты, и опять наступает потепление. Но расчеты говорят, что если даже удалить 90 процентов углекислоты из атмосферы, это приведет к снижению температуры не более, чем на 3 градуса, не говоря уже о том, что океан в 50—100 раз более мощный потребитель и поставщик углекислоты, чем вся растительность нашей планеты.

Таким образом, подавляющее большинство внеземных и земных гипотез оледенения не выдерживают проверки расчетами. Однако именно в последнее время появились основания для создания еще одной гипотезы, которая объясняет возникновение оледенений на Земле.

Тиллиты и дрейф материков

О прошлых оледенениях рассказывают тиллиты — плотные, окаменевшие под длительным давлением вышележащих слоев глины с включениями крупных и мелких штрихованных валунов. Они найдены в Канаде, Китае, Бразилии, Сахаре, Южной Африке, Сибири и в Антарктиде. Тиллиты оказались разновозрастными, а это значит, что на Земле было несколько эпох оледенений.

Совершенно невозможно допустить, что оледенение в Сахаре или Бразилии могло произойти, когда эти районы находились в тропиках или субтропиках. Это означало бы полное оледенение всей Земли, а полностью оледенелая Земля — это самое устойчивое состояние нашей планеты. Но геологические данные свидетельствуют о том, что не менее 3—4 миллиардов лет назад на нашей планете уже существовала жидкая вода, в которой около 3 миллиардов лет назад возникла жизнь.

По-видимому, континенты, ныне находящиеся в тропиках, в прошлом, передвигаясь, как льдины по воде, по «жидкому» подкоровому веществу, оказывались в околополюсном положении. Рассуждая именно так, известный геофизик и исследователь Гренландского оледенения Альфред Вегенер пришел к идее о дрейфе континентов. Мы не будем останавливаться на теории дрейфа континентов, или теории мобильности литосферных плит, об этом уже было много написано. Для новой гипотезы оледенения важны выводы из нее. А выводы о прошлых перемещениях континентов, полученные геофизическими методами и затем подтвержденные палеонтологическими и геологическими данными, свидетельствуют о том, что все оледенения Земли в прошлом совпадали с выходом в околополюсное пространство целых континентов. Менялся лик Земли и тепловой баланс ее поверхности.

Вот краткая история путешествий континентов за последние 600 миллионов лет. В Южном полушарии 600 миллионов лет назад существовал огромный материк — Гондвана, включавший Африку, Южную Америку, Антарктиду, Австралию и нынешний Индостан. Этот континент располагался у Южного полюса — завершалась эпоха докембрийского оледенения, которая продолжалась около 200 миллионов лет . 350 миллионов лет назад Гондвана снова входит в район Южного полюса таким образом, что в районе полюса оказываются южные оконечности Южной Америки и Африки, частично Антарктида и Индостан. Возможно, это был период наиболее широкого распространения ледников на нашей планете, так называемое пермо-карбоновое оледенение, продолжавшееся около 100 миллионов лет, следы которого, тиллиты, обнаружены на всех этих континентах.

Постепенно Гондвана перемещается в сторону тропиков, где объединяется с Лавразией — единым материком северного полушария, включавшим Евразию и Северную Америку. Образуется один материк — Пангея. В переводе с греческого это слово означает «вся земля». Оледенения на Земле не было. Это была эпоха теплого климата и слабо выраженных географических зон, эпоха господства динозавров, болот и пышной растительности. Безледный период жизни нашей планеты продолжался почти 200 миллионов лет. Теперь мы подошли к тому моменту, когда началось последнее оледенение Земли.

Как оледенела Антарктида?

Примерно 130 миллионов лет назад Пангея раскололась. Антарктида вместе с Австралией начала двигаться к Южному полюсу и уже 70 миллионов лет назад оказалась за Южным полярным кругом. Но температура на поверхности планеты все еще оставалась высокой, близкой к температуре времен существования Пангеи — в средних широтах несколько выше 20 градусов. Это тоже было связано с движением плит: в Тихом океане началось раздвижение краев гигантских плит, которое оказалось таким быстрым, что молодая океаническая кора, которая возникала на месте раздвижения, не успевала остывать и сжиматься в результате остывания. Поэтому океан был мелким. Поскольку объем воды Мирового океана неизменен, это привело к повышению его уровня примерно 80 миллионов лет назад на 300—500 метров; было затоплено 30—40 процентов суши. Это подтверждают многочисленные геологические данные. Сокращение размеров суши и понижение высоты материков способствовали сохранению относительно высокой температуры на Земле в этот период.

Но вот скорость раздвижения плит в Тихом океане уменьшилась, дно его в результате охлаждения и сжатия начало опускаться, обнажились равнины, которые были затоплены морскими водами, высота материков увеличилась и началось понижение температуры. Только за счет изменения отражательной способности Земли за счет увеличения площади суши температура должна была упасть на 2—3 градуса. Совершенно невозможно оценить, насколько она упала в результате исчезновения мелководных, хорошо прогреваемых морей и лагун.

Передвижение материков в более высокие широты, где суша получала значительно меньше тепла, привело к исчезновению пышной флоры безледного периода, уменьшило плотность растительного покрова. Современные наблюдения со спутников показывают, что исчезновение растительности, например, с песчаной почвы приводит к существенному увеличению ее отражательной способности.

В общепринятых моделях атмосферы увеличение отражательной способности на 1 процент приводит к понижению температуры на Земле на 1 градус. Если бы отражательная способность Земли увеличилась только за счет образования пустынь, которые сейчас занимают такую же площадь, как и ледники,— 15 миллионов квадратных километров,— то это привело бы к падению температуры на 0,5 градуса. Однако отражательная способность должна была измениться больше в связи с общим уменьшением плотности растительного покрова. Понижение температуры в результате должно было составить не менее 1—2 градусов.

Изменения отражательной способности Земли на этом не кончились. Все более близкое положение материков к полюсам, их охлаждение, понижение температуры на земле в результате снижения уровня моря привели к появлению на суше и море пространств, покрытых постоянным и сезонным снежным покровом и льдом. Если взять за основу расчета те площади, которые сейчас покрыты снегом и льдом, то они должны были изменить отражательную способность Земли на такую величину, которая соответствует понижению температуры на 2—3 градуса.

И, наконец, разделение океана в результате распада Пангеи на меридиональные сегменты с полной сменой океанической циркуляции, образование почти замкнутого бассейна-охладителя — Северного Ледовитого океана и охлаждение суши в высоких широтах привели к дополнительному падению температуры на 2—4 градуса. Таким образом, дрейф континентов объясняет падение температуры на Земле за последние 70 миллионов лет на 10 градусов. Сам ход, продолжительность и плавность понижения температуры хорошо согласуется с характером движения литосферных плит и временем их перемещения к околополюсным пространствам, которое исчисляется десятками и сотнями миллионов лет.

Как же возникло и развивалось Антарктическое оледенение на фоне этого медленного понижения температуры? Оказавшись вместе с Австралией в районе Южного полюса примерно 70 миллионов лет назад, Антарктида омывалась двумя теплыми течениями тогда еще теплого океана. Одно из них шло вдоль Атлантико-Индийского побережья и отбрасывалось Австралией в экваториальную часть Тихого океана. Второе течение шло вдоль тихоокеанского побережья Антарктидо-Австралии и затем вдоль побережья Южной Америки, которая оставалась соединенной с Антарктидой перешейком, уходило к тропикам.

Возможно, в Антарктиде на высоко поднятых горных вершинах в это время возникли горные ледники. Не исключено, что они появились несколько позже, когда примерно 50 миллионов лет назад Австралия откололась от Антарктиды и двинулась в сторону тропиков. С расширением и углублением пролива между ними начала формироваться круговая система течений вокруг Антарктиды. Трудно определить момент возникновения горных ледников в Антарктиде, но то, что они были, не подлежит сомнению.

Радиолокационная съемка обнаружила в трансантарктических горах под толщей льда крупные долины, выпаханные ледником, которые стекали с гор по направлению к Южному полюсу.

Расширение пролива между Антарктидой и Австралией привело к понижению температуры вод вокруг шестого континента. Это подтверждается появлением холодолюбивой фауны в колонках донного грунта возрастом 40—35 миллионов лет. Возможно, в это время в Антарктиде горные ледники сливаются, образуя ледяные купола и покровы, которые затем достигают края континента, и лед начинает поступать в море.

Около 20—22 миллионов лет назад устраняется последнее препятствие, мешавшее установлению замкнутого кругового течения вокруг Антарктиды: перешеек между Антарктидой и Южной Америкой исчезает, образуется пролив Дрейка. Круговое течение вокруг шестого континента невидимой стеной отделило антарктические воды от остального океана. В движение вовлечена вся толща морской воды до дна, а расход воды в этой «реке» в 10 тысяч раз больше расхода рек всего мира. В результате создаются благоприятные условия для завершения формирования антарктического ледникового покрова.

Образование колоссального источника холода в южном полушарии вызвало общее похолодание, а потому и в северном полушарии возникают горные ледники и появляется Гренландское оледенение, которое начало формироваться около 10 миллионов лет назад.

Почему оледенение колеблется

Самое новое время, или плейстоценовый период (так называют последние 0,7—1 миллион лет), по колебаниям температуры совершенно отличается от предшествующей эпохи длительного равномерного снижения температуры. В это время в средних широтах Земли через промежутки времени примерно в сто тысяч лет температура понижалась по сравнению с современной на 10—12 градусов. При этом широко распространялись покровные оледенения на материках северного полушария и наступали края Антарктического ледяного щита. В чем же причина таких колебаний?

Огромные ледяные покровы сами влияли на понижение температуры. Попробуем оценить их вклад. Подсчеты максимальных размеров последнего оледенения, выполненные гляциологами, показали, что вызванное ими за счет изменения отражательной способности Земли понижение температуры было не менее 4—7 градусов. Падение уровня моря в результате изъятия из него воды на сооружение ледяных тел достигало 150 метров, а ледяные покровы заметно повысили поверхности материков. Все это также должно было понизить температуру не менее, чем на 2—3 градуса. Следовательно, недостает лишь двух градусов, для того чтобы температура упала на те 10 градусов, которые вызывают оледенение. А именно такое изменение температуры вызывают причины, высказанные в гипотезе Миланковича.

Еще одно подтверждение гипотезы Миланковича получено «со дна моря». Изотопные методы позволили по кернам донных отложений восстановить колебания температуры за последний миллион лет. Анализ этих кривых показал, что они имеют колебания с периодом 21 000, 43 000 и 100 000 лет. А ведь это и есть периоды изменения тех величин, которые Миланкович положил в основу своей гипотезы.

Но, как это ясно нам сейчас, эта гипотеза не объясняет причин возникновения оледенений. Эта гипотеза помогает объяснить колебания оледенений на нашей планете в последний миллион лет. При этом, несмотря на гигантский размах колебаний оледенений в северном полушарии, с периодом до 100 тысяч лет, Антарктическое оледенение непрерывно существует десятки миллионов лет. Такая устойчивость обусловлена околополюсным положением материка, естественной границей оледенения, которой служит море, и географической границей, созданной океаническим течением вокруг Антарктиды.

Это ледяное образование при существующем распределении суши и моря не позволяет подняться температуре в средних широтах выше критического предела 10—12 градусов. В то же время, когда в результате развития покровных ледников в северном полушарии температура на Земле падает в средних широтах почти до 0 градусов, Антарктический ледник прекращает свое наступление просто потому, что есть физический предел распространению этого ледяного щита — зона континентального склона, то есть переход от мелководья к большим глубинам, над которыми ледник не может существовать.

Трудно сказать, как далеко зашел бы процесс оледенения нашей планеты, будь шестой материк много больше по своим размерам. Таким образом, Антарктический ледник подобен терморегулятору, удерживающему среднюю температуру в средних широтах в диапазоне от 0 до 10 градусов Цельсия при нынешнем распределении суши и моря.

Грозят ли нам наступления ледников в будущем?

Ответ зависит от того, какой отрезок времени мы называем «будущим». Если говорить о миллионах лет, то вряд ли лик Земли существенно изменится, а значит, будет существовать оледенелый южнополярный материк. Если же говорить о сотнях тысяч лет, то при существовании Антарктического ледяного щита должен неотвратимо работать механизм роста и распада ледниковых покровов в северном полушарии, объясняемый гипотезой Миланковича. Нам известно, что мы живем в конце межледниковья северного полушария, а так как такие межледниковья были короткими, около 10—15 тысяч лет, то в ближайшие 5 тысяч лет можно ожидать возврата ледников на материки северного полушария.

Известно также, что мы живем в период максимума потепления, но вот пройден ли его пик? Многие исследователи считают, что пик пройден, и, следовательно, в ближайшие столетия температура будет медленно падать. Однако этому противоречит факт непрерывного подъема уровня моря, который объясняется сокращением ледников. Кроме того, предыдущее межледниковье северного полушария было теплее, объем льда был меньше, а уровень моря, по крайней мере, на 6 метров выше современного.

Наконец, наши подсчеты баланса массы Антарктиды и отдельные сведения об изменении уровня ее поверхности заставляют полагать, что это гигантское ледяное тело сокращается. В то же время теоретические расчеты показывают, что наземно-морское (так как его основание лежит ниже уровня моря) оледенение Западной Антарктиды неустойчиво и при повышении уровня океана и температуры может быстро разрушиться примерно за 100 лет. Если это произойдет, то уровень океана повысится на 6 метров. Это может повлечь за собой катастрофические последствия для многих стран. По расчетам для начала разрушения Западной Антарктиды достаточно, чтобы температура там повысилась не менее чем на 5 градусов. Возможно ли это?

По данным станции Мак-Мердо, расположенной на шельфовом леднике Росса, температура в этом районе за 20 лет повысилась на 2 градуса. Сейчас делаются попытки найти в Западной Антарктиде следы прошлых распадов или признаки начала распада, чтобы подкрепить выводы теории.

Итак, вопрос о том, что нас ждет в ближайшие сотни лет, остается неясным: понижение или повышение температуры с последующим распадом оледенения Западной Антарктиды и подъемом уровня океана на 6 метров? Ученые проанализировали ход температуры в средних широтах за последние тысячелетия, использовав, в частности, сведения, полученные по ледяным кернам из глубоких скважин Гренландии и Антарктиды. Все кривые изменения температуры говорят о похолодании как наиболее вероятной альтернативе. Так значит, нас ждет понижение температуры? Но ответ не так прост. В игру природы сейчас вмешался человек. Сжигание человеком углеводородов достигло таких масштабов, что сохранение этой тенденции приведет к 2050 году к увеличению вдвое содержания углекислого газа в атмосфере, а это будет означать повышение температуры в средних широтах на 2—3 градуса. Поэтому в ближайшую сотню лет нас ожидает или сохранение нынешних климатических условий, или скорее некоторое повышение температуры. Вот почему изучение ледяного щита Антарктиды и оценка устойчивости его отдельных частей остаются актуальнейшей задачей гляциологии.

Итак, можно утверждать: в системе «Солнце — Земля — космос» существовал в прошлом по крайней мере миллиард лет, относительно стабильный энергетический баланс, позволявший воде оставаться жидкой в условиях, близких к точке замерзания. А на Земле были два основных состояния энергообмена между высокими и низкими широтами: периоды свободных от льда полюсов (например, время существования Пангеи) и периоды оледенелых полюсов (например, наше время). За последние 800 миллионов лет около половины времени существовали ледники, иными словами, оледенения не были краткими эпизодами в истории нашей планеты. Безледная система энергообмена обеспечивала температуру в средних широтах не менее 20 градусов Цельсия с небольшими колебаниями в пределах нескольких градусов на протяжении десятков и сотен миллионов лет.

«Ледяная» система обеспечивала температуру в средних широтах около 10 градусов С на таких же отрезках времени с колебаниями температуры до 10 градусов. Безледные периоды способствовали наивысшему биологическому процветанию и накоплению огромных количеств биомассы, а ледяные, не обеспечивая столь благоприятных условий, возможно, являлись ускорителями эволюции жизни на Земле, так как значительные колебания температуры за короткие в геологическом смысле промежутки времени требовали всесторонне подготовленных к таким условиям животных и растений.

Появление человека разумного также связано с эпохой оледенений. Весь ход развития жизни планеты приводит нас к выводу, что будущий климат Земли определяется теперь системой «суша — океан — атмосфера — Антарктида — человек».

Автор: К. Лосев, кандидат географических наук.