Великая оттепель, или Почему закончился ледниковый период

Последний большой ледниковый период начался около 120 тыс. лет назад. Один язык толщиной местами более трёх километров охватил практически всю Канаду и даже добрался до Манхэттена. Другой распространился по большей части Сибири и Северной Европы, остановившись лишь близ Лондона.

Обширные районы планеты превратились в тундры и пустыни, ибо на планете стало суше. Уровень моря опустился на 120 м ниже сегодняшнего: Великобритания и Ирландия были частью континентальной Европы, Австралия, Тасмания и Новая Гвинея составляли единый материк под названием Сахул.

Затем, около 20 тыс. лет назад, началась великая оттепель. В течение 10 тыс. лет среднемировая температура выросла на 3,5 °C, и основная часть льда растаяла. Низменные районы затопило: образовались Ла-Манш и Северное море, нашим предкам пришлось покинуть поселения, бывшие некогда прибрежными.

В чём же причина столь резкой трансформации планеты?

Первый этап великой оттепели: в Северном полушарии становится чуть более солнечно, и в Атлантику попадает огромное количество талой воды. (Здесь и ниже инфографика NewScientist.)

В 1830-х гг. один из основоположников гляциологии Луи Агассис заметил, что характерные следы движения ледников (например, царапины на породе и эрратические валуны — камни, которые оттащило далеко от места происхождения) можно обнаружить вдали от современных ледников. Вскоре стало ясно, что планета пережила целый ряд ледниковых периодов.

Что заставляло лёд приходить и уходить? В 1864 году шотландский климатолог Джеймс Кролл выдвинул гипотезу о том, что изменения в количестве солнечного света, достигающего Земли, связаны с колебаниями орбиты планеты. Он также предположил, что это влияет на механизмы обратной связи: теплоотражающие снег и лёд тают, меняются морские течения.

Кролл ошибся во многих деталях, но был на верном пути. В начале XX века сербский астроном Милутин Миланкович рассчитал изменения орбиты Земли за 600 тыс. лет и пришёл к выводу, что именно увеличение яркости летнего солнца в Северном полушарии становилось главным фактором потепления. Современники не приняли эту идею, и лишь в 1970-х гг. исследования донных отложений показали, что наступление и окончание ледниковых периодов совпадает с так называемыми циклами Миланковича.

Но это не решило всех загадок. Начать с того, что вариативность солнечного излучения, достигающего планеты, невелика. Даже если учесть, что в результате таяния снега и льда Земля поглощает больше тепла, этим нельзя объяснить окончание ледникового периода. Более того, когда летнее солнце становится ярче в Северном полушарии, Южное полушарие получает меньше излучения. Кстати, Кролл из-за этого предположил, что, когда север замерзает, юг оттаивает, и наоборот. Но в действительности весь мир нагревается примерно в одно и то же время.

Казалось, разгадку удалось получить в 1980-х гг, когда керны льда Антарктиды показали удивительно сильную корреляцию между атмосферным уровнем углекислого газа и температурой. Если в Северном полушарии вскоре после начала оттепели стала расти концентрация углекислого газа, этим можно объяснить потепление и в Южном полушарии. Однако примерно десять лет назад стало ясно, что Антарктика начала нагреваться за несколько сотен лет до роста уровня двуокиси углерода. Выходит, что, хотя углекислый газ, без сомнения, внёс вклад в парниковый эффект, он не был первопричиной.

Второй этап: талая вода останавливает Атлантическую циркуляцию, Север замерзает, на Юге теплеет ещё сильнее.

И это не единственная тайна. В 1930-х годах исследования донных отложений, содержащих пыльцу цветка Dryas octopetala и других растений, показали, что почти сразу же после потепления в Европе вновь стало холодно. Этот так называемый древнейший дриас продолжался примерно 17,5−14,7 тыс. лет назад. Через какое-то время выяснилось, что аналогичное похолодание пережила и Гренландия.

Однако в тот же период Антарктика продолжала стабильно нагреваться. Этот парадокс невозможно объяснить ни солнечным излучением, ни углекислым газом. Остаются морские течения. Дело в том, что в результате таяния ледников в Северную Атлантику поступило огромное количество пресной воды. Судя по морским отложениям близ ирландских берегов, всего за несколько сотен лет уровень моря поднялся на 10 м.

Нынче солёная вода, прибывая в Северную Атлантику из тропиков, остывает, становится более плотной и опускается на дно, после чего отправляется обратно в Южное полушарие. На поверхности же тёплая вода (Гольфстрим и другие течения) движется на север. Эта система называется Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляцией.

19 тыс. лет назад поток пресной воды привёл к тому, что солёная вода стала менее густой, и циркуляция замедлилась. Морские отложения показали в 2004 году, что около 17,5 тыс. лет назад она практически остановилась. Получились своего рода качели: потепление в Северном полушарии приводит к таянию ледников и попаданию большого количества пресной воды в Северную Атлантику. Перенос тепла из тропиков прекращается, и Северное полушарие начинает охлаждаться. Напротив, в тропиках и субтропиках Южного полушария потепление ускоряется, ибо они отдают северу меньше тепла. Это объясняет очень многое, в том числе рост уровня углекислого газа.

В 1990-х годах поиск источника углекислого газа сосредоточился на Южном океане. Изотопы из донных отложений рассказали о том, что во времена ледникового периода на большой глубине находились большие залежи двуокиси углерода. Причиной тому послужили отсутствие вертикального перемешивание и морской лёд. Во время оттепели океан «раскрылся», и значительная часть газа попала в атмосферу. Детальный анализ, проведённый в начале этого года, показал то же самое.

Сегодня считается общепризнанным, что за выброс углекислого газа в атмосферу несёт ответственность активизация вертикального перемешивания в Южном океане. Например, в 2009 году там было обнаружено значительно увеличение роста планктона с кремниевыми панцирями во время древнейшего дриаса. Повышение концентрации растворённого в воде кремния, скорее всего, было связано с подъёмом глубинных вод, богатых нужными веществами.

Что же вызвало этот процесс? На этот счёт есть две идеи. Дэниэл Сигмен из Принстонского университета (США) указывает на то, что Антарктида стала теплеть почти одновременно с водой чуть южнее экватора (см. выше про «отключение» Атлантической циркуляции). В 2007 году он и его коллеги предположили, что результатом стало возникновение временной опрокидывающей циркуляции близ Антарктиды.

А Боб Андерсон из Земной обсерватории Ламонт-Доэрти (США) и его коллеги полагают, что всё дело в изменении розы ветров в связи с изменением разницы температур. Во времена ледникового периода полоса западных ветров Южного полушария (моряки зовут эти ветры ревущими сороковыми в соответствии с их географической широтой) располагалась дальше на север. Упомянутые выше «качели» сдвинули её на юг вплоть до берегов Антарктиды, результатом чего и стал апвеллинг.

В этом году Джереми Шакун из Гарвардского университета (США) и его коллеги опубликовали своего рода итоговую реконструкцию климатических процессов последних 22 тыс. лет на основании 80 различных источников. Их выводы во многом подтвердили предыдущие исследования и догадки. С большой долей уверенности можно говорит о том, что события развивались следующим образом.

Около 20 тыс. лет назад ледники Северного полушария зашли так далеко на юг, что даже небольшого увеличения солнечного излучения оказалось достаточно для начала обширного таяния. Пресная вода наполнила Северную Атлантику, закрыла местную циркуляцию, ускорив тем самым потепление в Южном полушарии. Перераспределение тепла привело к тому, что за период 20−17,5 тыс. лет назад среднемировая температура повысилась всего на 0,3 °C.

Ветры, течения или же и то, и другое привели к тому, что глубокая вода Южного океана поднялась, и в атмосферу вышел углекислый газ, остававшийся запертым на протяжении нескольких тысяч лет. Когда его уровень превысил 190 частей на миллион, тёплой стала вся планета. Далёкий север реагировал на это медленно, но примерно 15 тыс. лет назад атмосферная концентрация двуокиси углерода достигла уже 240 частей на миллион, Атлантическая опрокидывающая циркуляция вновь заработала в полную силу, и в Северное полушарие окончательно вернулось потепление. В Южном полушарии это имело обратный эффект: потепление замедлилось, и выход углекислого газа из океана прекратился.

«Качели» снова дали о себе знать примерно 12,9 тыс. лет назад. Температура в северных широтах упала. Этот период — поздний дриас — продолжался около 1 300 лет. По-видимому, причиной стал внезапный прорыв колоссального североамериканского озера талой воды в Атлантику. История повторилась: циркуляция замерла, Южный океан начал выпускать углекислый газ, концентрация последнего выросла до 260 частей на миллион... Где-то 10 тыс. лет назад планета вновь преобразовалась: лёд отступил, море поднялось, наши предки начали возделывать землю.

За последние миллионы лет лёд несколько раз расширялся и отступал, так что едва ли то был последний ледниковый период. Но на этот раз свои коррективы внёс человек. Подумайте вот над чем: потребовался лишь небольшой рост солнечного излучения и увеличение атмосферной концентрации углекислого газа на 70 частей на миллион, чтобы растопить крупные ледники, покрывавшие Евразию и Америку. Однако с начала индустриальной революции этот уровень возрос уже на 130 частей на миллион. Если мы не остановимся, Гренландия и Антарктида впервые за миллионы лет полностью лишатся льда.

На это уйдут тысячи лет, и не факт, что наша цивилизация продержится столько времени в непривычных условиях. Возможно, геологам, гляциологам и климатологам будущего придётся заново открывать всё, что изложено в этой статье, когда закончится следующий ледниковый период.

Подготовлено по материалам NewScientist.