Считается, что в промежутке между 30 и 10 млн лет назад температура на Земле постепенно понизилась всего лишь на несколько градусов. Но жизненные циклы многих растений и животных приспособлены к определенной температуре, и обширные леса отступили к широтам с более теплым климатом. Отступление лесов постепенно изменило среду обитания небольших покрытых шерстью существ с бинокулярным зрением, которые весили чуть больше килограмма и до этого жили, перепрыгивая с ветки на ветку. Когда леса ушли, остались только эти покрытые шерстью существа, которые смогли выжить в покрытой травянистой растительностью саванне. Спустя несколько десятков миллионов лет эти существа оставили две группы потомков: к одной относятся павианы, а другая называется «люди». Возможно, мы обязаны самим своим существованием климатическим изменениям, которые в среднем составляли всего несколько градусов. Такие изменения привели к возникновению одних видов и вымиранию других. Они сильно повлияли на характер жизни на нашей планете, и становится все более ясно, что климат продолжает меняться и в наши дни.

Существует множество методов определения изменений климата в прошлом. Некоторые из них позволяют заглянуть далеко в прошлое, другие имеют только ограниченное применение. Надежность этих методов также различна. Один из подходов, который применим к периоду времени, относящемуся к миллиону лет назад, основан на определении соотношения изотопов кислорода O18 и O16 в карбонатах раковин ископаемых фораминифер. В этих раковинах, которые принадлежат к виду, очень похожему на те, что можно изучать сегодня, соотношение O18 / O16 меняется в зависимости от температуры воды, в которой они росли. Схож с изотопно-кислородным методом другой метод, основанный на определении соотношении изотопов серы S34 и S32. Существуют и другие, более прямые палеонтологические индикаторы климата: например, повсеместное распространение кораллов, фиговых деревьев и пальм указывает на высокие температуры, а многочисленные остатки крупных покрытых шерстью зверей, таких как мамонты, указывают на низкие температуры. Геологические записи изобилуют многочисленными свидетельствами оледенения – больших перемещающихся пластов льда, которые оставляют характерные валуны и следы эрозии. Также ясными геологическими свидетельствами служат отложения эвапоритов – участки, где соленая вода испарилась и осталась соль. Такое испарение происходит преимущественно в теплом климате.

Если обобщить всю эту климатическую информацию, можно построить замысловатый график колебания температуры. Например, никогда не было, чтобы средняя температура Земли опускалась ниже точки замерзания воды или приближалась к точке кипения воды. Но колебания на несколько градусов более распространены, и даже колебания на 20 или 30° могли происходить, по крайней мере местами. Колебания на несколько градусов по шкале Цельсия происходят с периодичностью раз в десятки тысяч лет, и последняя смена ледникового и межледникового периодов имела эту периодичность и амплитуду температур. Но изменения климата могут происходить и в течение гораздо более долгих периодов времени – самый долгий порядка несколько сотен миллионов лет. Теплые периоды, по всей видимости, наблюдались около 650 млн лет назад и 270 млн лет назад. По стандартам прошлых изменений климата мы сейчас живем в середине ледникового периода. За всю историю Земли на ней не было «постоянных» ледниковых покровов, как в Арктике и в Антарктиде сегодня. За последние несколько сотен лет мы отчасти вышли из нашего ледникового периода вследствие небольших изменений климата, объяснения которым пока еще не найдено, и есть некоторые признаки, что мы можем погрузиться обратно в глобальные холодные температуры, характерные для нашей эпохи, если посмотреть с перспективы огромного промежутка геологического времени. Страшно подумать, что 2 млн лет назад город Чикаго был погребен под километровым слоем льда.

Что определяет температуру Земли? Как видно из космоса, это вращающийся голубой шар, испещренный изменчивыми пятнами облаков, красновато-коричневыми пустынями и ярко-белыми полярными шапками. Энергия для нагревания на Землю поступает почти исключительно из солнечного света; энергия, которая поднимается вверх из горячих недр Земли, составляет менее одной тысячной процента той энергии, что приходит в форме видимого света от Солнца. Но не весь солнечный свет поглощается Землей. Некоторое его количество отражается обратно в космос от полярного льда, облаков, скал и воды на поверхности Земли. Средняя отражательная способность, или альбедо Земли, измеренное непосредственно со спутников и косвенно – по так называемому пепельному свету, возникающему в результате освещения темной стороны Луны отраженными от Земли солнечными лучами, – составляет около 35 %. Те 65 % солнечного света, которые поглощает Земля, нагревают ее до температуры, которую можно вычислить. Эта температура составляет около –18 °C, что ниже температуры замерзания морской воды и на 30 °C холоднее средней температуры Земли.

Причина этой разницы заключается в том, что в этих вычислениях не учитывается так называемый парниковый эффект. Видимый свет от Солнца проникает в прозрачную атмосферу Земли и достигает поверхности планеты. Поверхность, однако, пытается отразить его обратно в космос, но ограничена законами физики и не может сделать этого в инфракрасном диапазоне. Атмосфера не столь прозрачна в инфракрасном диапазоне, и при некоторых длинах волн инфракрасного диапазона – например, при длине волны 6,2 мкм или 15 мкм – излучение, пройдя в атмосфере лишь несколько сантиметров, будет поглощено атмосферными газами. Поскольку атмосфера Земли плотная и поглощает инфракрасное излучение при многих длинах волн, тепловое излучение, которое исходит от поверхности Земли, задерживается, прежде чем уйти в космос. Чтобы излучение, получаемое Землей от Солнца, и излучение, которое Земля отдает в космос, были уравновешены, температура поверхности Земли должна повышаться. Парниковый эффект возникает не благодаря главным компонентам атмосферы Земли, таким как кислород и азот, а почти исключительно из-за второстепенных, особенно углекислого газа и водяного пара.

Как мы знаем, планета Венера, вероятно, представляет собой тот случай, когда поступление большого количества углекислого газа и в меньшей степени водяного пара в атмосферу планеты привело к такому значительному парниковому эффекту, что вода не может находиться на поверхности в жидком состоянии; поэтому температура планеты поднимается до чрезвычайно высокой отметки – в случае Венеры до 480 °С.

Пока что мы говорили о средней температуре. Температура Земли меняется в зависимости от места. Она холоднее на полюсах, чем на экваторе, потому что в основном солнечные лучи попадают на экватор под прямым углом, а на полюса – по касательной. Разница температур на Земле между экватором и полюсами сглаживается атмосферной циркуляцией. Горячий воздух поднимается на экваторе и перемещается на большой высоте к полюсам, где он опускается и возвращается на поверхность; затем он перемещается в обратном направлении, от полюса к экватору, но на небольших высотах. Это общее движение – усложненное вращением Земли, ее топографией и фазовыми переходами воды – отвечает за погоду.

Сегодняшнюю среднюю температуру на Земле – около 15 °C – можно объяснить наблюдаемой интенсивностью солнечного света, глобальным альбедо, наклоном оси вращения и парниковым эффектом. Но все эти параметры могут, в принципе, меняться; климатические изменения и в прошлом, и в будущем можно приписать изменению любого из них. На самом деле существует почти сотня разных теорий климатических изменений на Земле, и даже сегодня на этот счет нет единого мнения. Не потому что климатологи по своей природе невежественны или любят поспорить, а потому что эта тема чрезвычайно сложная.

Вероятно, существуют механизмы и отрицательной, и положительной обратной связи. Предположим, например, что температура Земли понизилась на несколько градусов. Количество водяного пара в атмосфере определяется почти полностью температурой и уменьшается, превращаясь в снег, когда температура падает. Меньшее количество воды в атмосфере подразумевает меньший парниковый эффект и дальнейшее понижение температуры, которое может привести к дальнейшему уменьшению количества водяного пара в атмосфере и так далее. Также понижение температуры может привести к увеличению количества полярного льда, увеличению альбедо Земли и дальнейшему понижению температуры. С другой стороны, понижение температуры может привести к уменьшению облачности, что уменьшит среднее альбедо Земли и повысит температуру – возможно, в достаточной степени, чтобы компенсировать первоначальное понижение температуры. Недавно была предложена идея, что атмосфера планеты Земля функционирует как своего рода термостат, чтобы предотвращать слишком сильные отклонения температуры, которые могут иметь опасные глобальные биологические последствия. Например, понижение температуры может привести к увеличению числа разновидностей морозоустойчивых растений, которые способны образовывать на почве сплошной покров и имеют низкое альбедо.

Я приведу три наиболее известные и интересные теории изменения климата. Первая включает изменение параметров небесной механики: форму орбиты Земли, наклон ее оси вращения и прецессию этой оси, которые меняются с течением времени вследствие взаимодействия Земли с ближайшими небесными телами. Точные вычисления степени таких изменений показывают, что они могут вызывать колебания температуры по крайней мере на несколько градусов, и с вероятностью положительной обратной связи эти изменения сами по себе могут быть достаточным объяснением главных изменений климата.

Второй класс теорий включает изменения альбедо. Одна из самых поразительных причин таких изменений заключается в попадании в атмосферу Земли большого количества пыли: например, от извержения вулкана, такого как извержение Кракатау в 1883 г. Хотя велись споры по поводу того, нагревает или охлаждает Землю такая пыль, текущие вычисления показывают, что мелкие частицы, очень медленно падающие из стратосферы Земли, увеличивают альбедо Земли и, следовательно, охлаждают ее. Недавно были найдены седиментологические доказательства того, что прошлые периоды интенсивного поступления вулканических частиц соответствуют по времени прошлым периодам оледенения и низких температур. К тому же в результате образования гор и возникновения земной поверхности увеличивается глобальное альбедо, потому что земля ярче, чем вода.

И наконец, существует вероятность изменения яркости Солнца. Мы знаем – из теорий эволюции Солнца, – что в течение многих миллиардов лет оно постоянно становилось ярче. Это должно было повлиять на климат Земли в самые древние времена, потому что солнечный свет 3 или 4 млн лет назад должен был быть на 30 или 40 % более тусклым, и этого достаточно даже при условии парникового эффекта, чтобы глобальные температуры опустились до отметки ниже температуры замерзания морской воды. Однако существуют многочисленные геологические доказательства того, что в то время было много воды: например, следы подземных вод, закругленные куски лавы, которые получаются в результате охлаждения магмы в океане, и ископаемые строматолиты, продукты жизнедеятельности океанских водорослей. В качестве решения этой проблемы было выдвинуто предположение, что, возможно, в атмосфере ранней Земли присутствовали дополнительные парниковые газы – особенно аммиак, – которые обеспечивали требуемое повышение температуры. Но, если не брать в расчет эту очень медленную эволюцию яркости Солнца, возможны ли более кратковременные изменения яркости? Это важная и нерешенная проблема, но сложности с обнаружением нейтрино – которые должно, согласно современным теориям, испускать Солнце – наводят на мысль, что Солнце сегодня находится в аномально тусклом периоде.

То, что мы не можем выбрать одну из альтернативных моделей изменения климата, может показаться всего лишь досадной интеллектуальной проблемой, если бы не тот факт, что климатические изменения могут иметь определенные практические и незамедлительные последствия. Результаты исследований характера изменений глобальной температуры показывают очень медленное ее повышение начиная с промышленной революции до приблизительно 1940 г. и тревожно резкое понижение после. Этот график объясняется сжиганием ископаемого топлива, которое имеет два последствия – освобождение углекислого газа, являющегося парниковым газом, в атмосферу и одновременное попадание в атмосферу мелких частиц от неполного сгорания топлива. Углекислый газ нагревает Землю, мелкие частицы из-за своего более высокого альбедо остужают ее. Возможно, до 1940 г. преобладал парниковый эффект, а после – повышенное альбедо.

Пугающая вероятность того, что человеческая деятельность может привести к необратимым климатическим изменениям, делает крайне важным изучение климата Земли. Существует вызывающая тревогу положительная обратная связь с понижением температуры на планете. Например, сжигание большего количества ископаемого топлива за короткий промежуток времени в попытке сохранить тепло может привести к более быстрому долгосрочному охлаждению. Мы живем на планете, на которой сельскохозяйственные технологии кормят больше миллиарда людей. Сельскохозяйственные культуры не приспособлены к суровым изменениям климата. Люди больше не могут мигрировать на большие расстояния в ответ на климатические изменения, или по крайней мере это сложнее на планете, которая контролируется национальными государствами. Необходимо срочно понять причины климатических изменений и разработать проект климатической реорганизации Земли.

Как ни странно, некоторые самые интересные намеки на природу таких климатических изменений можно увидеть в исследованиях совсем не Земли, а Марса. «Маринер-9» вышел на орбиту Марса 14 ноября 1971 г. Его научная миссия длилась полный земной год, и он сделал 7200 фотографий планеты от одного полюса до другого, а также запечатлел десятки тысяч спектров и собрал другую научную информацию. Как мы уже знаем, когда «Маринер-9» прибыл на Марс, на поверхности практически ничего не было видно, потому что планета переживала глобальную пылевую бурю. Сразу обнаружилось, что во время пылевой бури температура атмосферы повысилась, а температура поверхности снизилась, и это простое наблюдение дает нам наглядный пример охлаждения планеты при попадании большого количества пыли в атмосферу. В вычислениях, сделанных впоследствии, использовались одинаковые законы физики и для Земли, и для Марса, и обе планеты рассматривались как два разных примера общей проблемы воздействия на климат попадания большого количества пыли в атмосферу планеты.

«Маринер-9» сделал еще одно совершенно неожиданное климатическое открытие – многочисленные извилистые каналы с притоками, покрывающие экватор и средние широты Марса. Во всех местах, которые были обследованы, каналы расположены в должном направлении – сверху вниз. Некоторые из них ветвятся и имеют песчаные отмели, обрывистые берега, обтекаемой формы внутренние «островки» и другие характерные морфологические признаки долин земных рек.

Но марсианские каналы нельзя однозначно интерпретировать как сухие русла рек или ручьев, поскольку вода в жидком виде не может существовать на Марсе в наши дни. Просто давление слишком низкое. Углекислый газ на Земле имеет и твердую, и газообразную форму, но не жидкую (кроме как в резервуарах-хранилищах под высоким давлением). Вот и вода на Марсе может существовать в твердом состоянии (лед или снег) или в виде пара, но не как жидкость. По этой причине некоторые геологи не хотят принимать теорию, что когда-то каналы были наполнены проточной водой. И все же они представляют собой точную копию земных рек, и по крайней мере многие из них имеют форму, не соответствующую другим возможным структурам, таким как разрушенные борозды, проторенные лавой, – то, чем могут оказаться извилистые долины на Луне.

Более того, к марсианскому экватору таких каналов становится больше. Как известно, единственное место на планете Марс, где средняя дневная температура выше температуры замерзания воды, – это область экватора. И только эта жидкость в изобилии представлена в космосе и имеет низкую вязкость и температуру замерзания ниже марсианских экваториальных температур.

Если в таком случае каналы на Марсе были вымыты текущей водой, эта вода, по-видимому, текла в то время, когда окружающая среда на Марсе значительно отличалась от сегодняшней. В наше время на Марсе разреженная атмосфера, низкие температуры и нет воды в жидком состоянии. В прошлом, возможно, давление и температуры были выше и в изобилии присутствовала текущая вода. Такая окружающая среда более благоприятна для форм жизни, функционирующих на основе знакомых земных биохимических процессов, чем окружающая среда на Марсе сегодня.

В ходе тщательного исследования возможных причин таких значительных климатических изменений на Марсе был выделен механизм обратной связи, известный как адвективная нестабильность. Атмосфера Марса состоит преимущественно из углекислого газа. По крайней мере в одной полярной шапке содержится большое количество замерзшего СО2. Давление СО2 в марсианской атмосфере приблизительно равно давлению СО2, ожидаемому в равновесии с замерзшим углекислым газом при температуре холодного марсианского полюса. Эта ситуация весьма схожа с давлением в лабораторной вакуумной системе, которое определяется температурой погружного охлаждающего термостата в системе. В настоящее время марсианская атмосфера настолько разрежена, что горячий воздух, поднимающийся с экватора и оседающий на полюсах, играет очень незначительную роль в нагревании высоких широт. Но давайте представим, что температура в полярных областях каким-то образом слегка повышается. Общее атмосферное давление увеличивается, эффективность передачи тепла посредством адвекции от экватора к полюсам также увеличивается, полярные температуры увеличиваются еще больше, и мы видим возможность резкого возрастания температуры. Таким же образом снижение температуры по какой-либо причине может вызвать резкое ее понижение. Разобраться в физической природе марсианской ситуации проще, чем в похожем случае на Земле, потому что на Земле главные компоненты атмосферы – кислород и азот – не находятся в замерзшем состоянии на полюсах.

Чтобы давление на Марсе значительно увеличилось, количество тепла, поглощенного в полярных областях планеты, должно увеличиваться на 15–20 % по крайней мере в течение столетия. Были определены три возможных источника изменения уровня нагревания полярной шапки, и они, что примечательно, очень похожи на три известные модели изменения климата Земли, которые обсуждались выше. Во-первых, играют роль изменения наклона оси вращения Марса по отношению к Солнцу. Эти изменения гораздо более впечатляющие, чем на Земле, потому что Марс находится ближе к Юпитеру, самой огромной планете в Солнечной системе, и на него действует мощное гравитационное поле Юпитера. Поэтому колебания глобального давления и температуры происходят в течение сотни тысяч – миллиона лет.

Во-вторых, значительные климатические изменения может вызывать изменение альбедо полярных областей. Мы уже можем наблюдать песчаные и пыльные бури на Марсе, из-за которых полярные шапки темнеют и светлеют по сезонам. Было выдвинуто одно предположение, что климат Марса мог быть более благоприятным, если бы можно было вырастить морозоустойчивые виды полярных растений, которые бы понизили альбедо марсианских полярных областей.

И наконец, существует вероятность изменения яркости Солнца. Некоторые из каналов на Марсе имеют кратеры от падения метеоритов, и приблизительное определение возраста каналов по частоте падения метеоритов из межпланетного пространства показывает, что некоторым из них около миллиарда лет. Это напоминает последнюю эпоху высоких среднегодовых температур на планете Земля и увеличивает вероятность синхронных значительных изменений климата на Земле и Марсе.

Последующие миссии «Викинга» на Марс дополнили наши знания о каналах, обеспечили довольно независимые доказательства существования более плотной атмосферы в древние времена и продемонстрировали наличие значительных количеств замерзшего углекислого газа в полярных льдах. Когда результаты, полученные «Викингом», будут обобщены, они обещают значительно дополнить наши знания об окружающей среде (касающиеся как настоящего времени, так и прошлого планеты), а также о сравнительных характеристиках климата Земли и Марса.

Когда ученые сталкиваются с чрезвычайно сложными теоретическими проблемами, всегда есть возможность проведения экспериментов. При исследовании климата целой планеты, однако, проводить эксперименты дорого и сложно, и они могут иметь неприятные социальные последствия. По счастливой случайности природа пришла к нам на помощь, обеспечив нас ближайшими планетами со значительными отличиями в климате и разными физическими характеристиками. Возможно, самая точная проверка теорий климата заключается в том, могут ли они объяснить климатические особенности всех ближайших планет – Земли, Марса и Венеры. Результаты, полученные в ходе исследования одной планеты, неизбежно помогут исследованию других. Сравнительная климатология планет – это дисциплина, которая находится в процессе зарождения, вызывает огромный научный интерес и имеет практическое применение.