В Балтийском море в 80 километрах южнее Копенгагена лежит датский остров Мён. Фермеры острова всегда будут помнить о том, как некогда они не захотели предложить сено коню Клинтеконгена, чтобы защитить свои посевы. Про Клинтеконгена говорили, что он преемник скандинавского бога Одина, создателя мира, и в обличье птицы защищает остров от врагов. Домом ему служила пещера в утесе Мёнс Клинт, самом впечатляющем из морских утесов Дании.

Взмывающие в небо белоснежные известняковые горы Мёнс Клинт рассказывают геологам не менее захватывающую историю, которая поспорит с любой легендой, о том, как менялся климат в древности и как формировался современный облик мира. Отложения мела накапливались на дне океана 70 миллионов лет назад, когда миром правили тираннозавры и другие гигантские рептилии. На планете было так тепло, что на полюсах не было льда, а динозавры обитали даже в Антарктиде. Уровень моря был очень высоким. Слои карбоната кальция на дне океана предоставляли убежище миллиардам микроскопических водорослей и постепенно нарастали, когда их обитатели погибали. В Балтийском регионе эти накопления образовали отложения мела стометровой толщины.

Мел накапливался по всей планете в широчайших масштабах, отчего этот геологический период и получил название мелового. Не очень далеко от Мёна, в южной Англии, огромный пласт мела позднее вздыбился, и морские ветры и волны вылепили из него Белые скалы Дувра. Там и по сей день слои мела сложены так же аккуратно, как и раньше, когда они много миллионов лет назад лежали на морском дне.

Утесы Мёнс Клинт настолько не похожи на скалы Дувра, что это послужило причиной ожесточенных споров в XIX веке. В 1851 году датский геолог Кристофер Пуггор опубликовал доклад, где выразил свое смятение от того, что он увидел:

 

«Слои мела скручиваются, извиваются и изгибаются во всевозможных направлениях, в виде букв S или Z, в полукруглой форме или форме стремени, или же их разрезают расселины, образующие глубокие провалы, отчего они переплетаются самым невероятным образом. Примерно посередине обрыва, в месте, называемом Дроннингестоль, неразбериха достигает максимума, и именно там находится вершина утеса… В падении пласта слои также чрезвычайно изменчивы, и в некоторых местах они резко переходят от горизонтального положения в вертикальное».

 

Споры между геологами, по-разному объясняющими перемещения меловых пластов в северо-западной Европе, не утихали полвека. Некоторые, к ним принадлежал и Пуггор, отстаивали ту точку зрения, что скалы, находящиеся под мелом, опустились или разрушились. Это, по их мнению, приводило к тому, что мел или более молодые слои других пород скользили вниз, сталкивались и падали, как если бы в помещении вдруг обрушился потолок. Другие предполагали, что причиной возникновения высокого откоса могло стать движение льда.

Сегодня картина стала много понятнее. В течение последнего ледникового периода, начавшегося около 70 тысяч лет назад, большой ледник наступал на запад через область, которую сейчас занимает Балтийское море. Язык ледника взломал мел, словно бульдозер, образовав десятка два отколов, каждый толщиной около ста метров. Ледник беспорядочно толкал их перед собой, пока не остановился. Затем наступило длительное потепление, и остров Мён остался стоять как «конечная морёна» в том месте, где ледник сбросил свой груз.

Таким образом, Мёнс Клинт — это дитя двух контрастных состояний мира, условно их можно назвать «парник» и «ледник». Когда планета гостила в «парнике», организмы, производящие мел, нежились и процветали в спокойных водах. Когда пришел черед переместиться в «ледник» — меловые захоронения раскурочила двигающаяся гора льда. Переход от одного состояния к другому был впечатляющим, но не внезапным.

50 миллионов лет назад температуры заметно упали. А 30 миллионов лет назад долговечные льды уже обосновались в Антарктиде. По-настоящему холодные условия в североатлантическом регионе наступили 2,75 миллиона лет назад, и сейчас мы живем в «леднике», где ледовые поля и снежные покровы составляют неотделимую часть пейзажа.

Специалисты по-разному пытаются объяснить эту поразительную перемену в климате. Может быть, виной всему были географические изменения. Континенты, как обычно, перемещались по земному шару, и Австралия отделилась от Антарктиды, оставив ту в одиночестве на Южном полюсе. Это одиночество усугубило Антарктическое круговое течение, отрезавшее Южный континент от теплых океанских потоков, и Антарктика стала идеальным местом для накопления ледяных запасов. Столкновение Индии с Азией подтолкнуло Гималаи и Тибет выше к небу и создало бассейн прохлады в тропиках. По другим предположениям, причиной похолодания стало уменьшение углекислого газа в атмосфере.

Астрофизик из Института физики им. Дж. Рака в Иерусалиме, Нир Шавив, предложил совершенно иное объяснение такого переключения с теплого периода, благоприятного для накопления мела, на холодный, безжалостно это накопление разрушивший. По мнению ученого, ответ на загадку следует искать в Млечном Пути. И главным образом, утверждает он, в той очень светлой области, называемой рукавом Стрельца — Киля, которая хорошо заметна в Южном полушарии зимними вечерами.

Около 60 миллионов лет назад Солнце в компании Земли и остальных планет посетило эту область — тогда, как, впрочем, и сейчас, она была населена яркими, но недолговечными звездами. Солнечная система пришла с дальней стороны того яркого рукава, который мы видим в небе и сегодня, называя его «Млечный Путь». И вынырнула на ближней стороне приблизительно 30 миллионов лет назад. В этом спиральном рукаве было огромное количество взрывающихся звезд, и, соответственно, интенсивность космических лучей, производимых ими, была также очень высока.

Шавив взял на вооружение открытие Свенсмарка о том, что космические лучи могут влиять на климат и остужать мир, создавая низкую облачность. Согласно этой трактовке, в период между отметками на шкале времени «60 миллионов лет назад» и «30 миллионов лет назад» среднемировая температура резко снизилась, и Антарктику сковали льды. Когда рукав Стрельца — Киля отступил, похолодание приостановилось, и снова наступило бы потепление, если бы прогулка по Галактике не привела нашу планету к еще одному району, где сконцентрировались яркие звезды, — рукаву Ориона. Мы и сейчас находимся в нем, все еще в глубине «ледника», в комнатке, где относительно теплые условия позволяют Земле отдохнуть в перерыве между ледниковыми периодами. Нам просто дали отсрочку от оледенения, подобного тому, что перетряхнуло меловые отложения острова Мён.

Работа Шавива была опубликована в 2002 году, и там объяснялся не только самый последний переход от теплой к холодной фазе, но и все четыре главных похолодания, включая и то, когда многоклеточные впервые стали играть заметную роль на планете, что случилось немногим ранее 500 миллионов лет назад.

Все, что мы успели рассказать вам о космических лучах и климате, касается недавних событий, настолько краткосрочных с геологической и астрономической точек зрения, что приток заряженных частиц из Галактики в Солнечную систему можно считать почти неизменным. В течение последних ста тысяч лет основной причиной, по которой менялась интенсивность космических лучей, проникающих в нижние слои земной атмосферы, были изменения в поведении Солнца. Но так как Солнце и Земля путешествуют по обширным царствам времени и пространства, измеряемым миллионами лет и тысячами световых лет, им приходилось сталкиваться и с другими, более значительными и более длительными колебаниями потоков космических лучей.

Послания в метеоритах

Хотя вы не сможете обойтись без телескопа, чтобы рассмотреть в подробностях какую-нибудь из спиральных галактик, поверьте, что они — одно из самых прекрасных явлений на небе. Эти рои из многих миллиардов звезд так организованы, что самые яркие и голубые звезды рассеяны главным образом вдоль изящно изогнутых рукавов, исходящих из центрального шара или перемычки, где находятся более старшие красные звезды. Гравитация сплющивает спиральную галактику, и сбоку она похожа на глазунью из одного яйца (как если бы вы и глазунью рассматривали тоже сбоку) с выпуклостью посередине.

Так как мы с вами находимся внутри нашей Галактики, нам она кажется просто лентой света, идущей по небу, — ее назвали Млечным Путем задолго до того, как люди узнали, что это «островная вселенная», похожая на многие далекие объекты, разбросанные по всему ночному небу. До 1950-х годов, пока один датский радиотелескоп не снабдил ученых данными о распределении водорода в обозримой части Вселенной, астрономы не могли с уверенностью сказать, что Млечный Путь представляет собой спиральную галактику, такую же, как галактика Андромеды, галактика Водоворот и многие другие.

Сила притяжения, действующая между звездами, порождает волны вещества с большей или меньшей плотностью. Эти волны приводят к образованию спиралей, медленно кружащихся вокруг центра Млечного Пути. Волны плотности возмущают межзвездный газ и заставляют его собираться в относительно плотные облака, из которых потом рождаются новые звезды, омолаживая Галактику. В результате рукава украшают массивные яркие голубые звезды, но их жизнь слишком коротка, и они взорвутся и извергнут из себя космические лучи, прежде чем смогут уйти далеко от места своего рождения.

Маленькие звезды, такие как Солнце, живут достаточно долго, чтобы совершить много оборотов вокруг центра Галактики. Но так как их скорость отличается от скорости вращения галактических рукавов, они периодически входят в спиральные рукава, а затем выходят с противоположной стороны. Поток космических лучей достигает максимума в то время, когда Солнце и сопровождающие его планеты выходят из спирального рукава. Причина кроется в том, что в «передней» кромке рукава находится много больших звезд, и они движутся даже немного впереди этой кромки, прежде чем взорвутся. Согласно расчетам Нира Шавива, спиральные рукава должны оказывать колоссальный эффект на климат:

 

«Изменения потока высокоэнергетических космических лучей, связанные с нашим галактическим путешествием, в десять раз значительнее, чем изменения, вызванные солнечной активностью, при этом именно космические лучи высоких энергий ответственны за ионизацию нижних слоев атмосферы Земли. Если Солнце отвечает за колебания среднемировой температуры Земли примерно на 1 градус Цельсия в ту или иную сторону, то эффект от прохождения через спиральный рукав может составить около 10 градусов. Этого более чем достаточно, чтобы переключить Землю с режима „парник“, когда умеренный климат охватывает полярные области, на режим „ледник“, когда полюса обрастают ледниковыми шапками, которые мы наблюдаем и сегодня. В сущности, можно ожидать, что для периодов, исчисляемых сотнями миллионов лет, главный двигатель изменений климата — это эффект галактических рукавов».

 

Во время своего тура по Галактике Солнце и Земля пересекают четыре главных рукава, или, если быть точным, четыре сегмента рукавов. Эти рукава названы по именам созвездий, за которыми они кажутся более заметными в ночном небе. Небольшой коридор ярких звезд, называемый рукавом Ориона, где мы находимся сейчас, отходит от главного рукава — Персея, — к которому мы и движемся. Наше вхождение в рукав Персея состоится через 50–100 миллионов лет. В далеком будущем Земля снова посетит рукава Наугольника, Щита — Южного Креста и Стрельца — Киля.

Продвигаясь вместе с Солнцем сквозь спиральные рукава Млечного Пути, Земля подвергается обстрелу космическими лучами различной интенсивности, и, соответственно, условия на планете меняются от парниковых к ледниковым и обратно. Изучение истории изменений климата может помочь избавиться от сомнений относительно точного маршрута Солнца в Галактике и расположения спиральных рукавов, обозначенных на рисунке кривыми линиями и тенями различного характера. (Масштаб дан в килопарсеках (кпк): 15 килопарсеков соответствуют 49 000 световых лет)

Хотя астрофизики пришли к единому мнению относительно скорости Солнца, путешествующего по своей галактической орбите, скорость вращения спиральных рукавов все еще остается предметом научных споров. За последние сорок лет ученые называли разные цифры: от половины скорости движения Солнца до даже большей, чем его скорость. Чтобы связать между собой вхождения в спиральные рукава и изменения климата, происходившие на Земле, необходимо установить, с какой скоростью движется Солнце относительно спиральных рукавов. Эту величину можно определить исходя из того, как часто и когда интенсивность космических лучей падала или росла.

Можем ли мы заглянуть так далеко в бездну времени и пространства, чтобы узнать, что происходило с космическими лучами сотни миллионов лет назад? Шавив дает замечательный ответ: да, можем. Заново проанализировав данные о радиоактивности железных метеоритов, собранные немецкими учеными, он обнаружил ритм, в котором космические заряженные частицы поступали на Землю.

Когда астероиды сталкиваются друг с другом где-то далеко в Солнечной системе, их фрагменты, выбрасываемые в пространство, могут включать в себя кусочки железа. Эти фрагменты продолжают вращаться вокруг Солнца сотни миллионов лет, и, пока они кружатся, под ударами космических заряженных частиц в них образуются радиоактивные атомы. В конце концов некоторые обломки астероидов попадают на Землю — мы называем их «железными метеоритами». Если вы попытаетесь узнать, сколько лет провел метеорит, блуждая в космосе, то, вероятно, вы захотите измерить соотношение атомов радиоактивного калия и стабильных атомов. Однако колебания интенсивности космических лучей в Солнечной системе исказят полученные результаты.

Когда космических лучей мало, часы метеоритов идут медленно и «омолаживают» своих обладателей. Приступая к исследованию, Нир Шавив сперва исключил метеориты, похожие по характеру и возрасту, предположив, что они произошли в одинаковых космических обстоятельствах. После этого у него все еще оставалось около пятидесяти железных метеоритов, возраст которых доходил до миллиарда лет. Тщательно изучив их, Шавив пришел к выводу, что мощность космических лучей росла и падала циклично, и этот цикл длился 143 миллиона лет (плюс-минус 10 миллионов лет), что согласуется с движением Солнечной системы сквозь спиральные рукава Галактики.

Этот результат поразительным образом совпал с многолетними записями изменений климата. За последние полвека геологи многое узнали о медленных чередованиях теплых и холодных фаз климата, и датировка смен этих состояний все время уточнялась. Шавив попытался найти возможную периодичность в изменениях климата и обнаружил климатический цикл в 145 миллионов лет, что оказалось очень близко к его циклу космических лучей.

Анализ Шавива охватывал, как уже упоминалось, последний миллиард лет. Первая часть этого периода включала космические и климатические потрясения другого вида, оставим их до седьмой главы. А в данный момент давайте посмотрим, что может сказать астрономия об испытаниях, выпавших на долю многоклеточных. Окаменелости, хорошо сохранившиеся с кембрийской эпохи, которая началась 542 миллиона лет назад, говорят о появлении и бурном расцвете разнообразных организмов.

Весь временной этап с начала кембрия до сегодняшних дней носит название «фанерозойский эон», что означает «время явной жизни».

Жизнь в спиральной галактике полна стрессов

Пройдя через рукав Стрельца — Киля, Земля наконец вырвалась из ледяных оков. Жесткий климат, кажется, заставил жизнь задуматься над тем, что было бы неплохо разработать некоторые эволюционные новшества. В 1970-е годы Джеймс Валентайн из Калифорнийского университета в Беркли обнаружил, что, конструируя будущие тела животных, природа начала ставить эксперименты уже на первых поколениях червей, ползавших по морскому дну. Черви весьма неуязвимы к сезонным и долгосрочным изменениям климата, без жалости оставляющим других животных голодными.

Когда наступили теплые времена фанерозоя, предшественники всех основных ветвей царства животных уже были на месте. Пока Солнце и Земля двигались по отрезку между двумя спиральными галактическими рукавами, количество космических лучей было низким, а уровень моря — высоким. Жизнь нежилась на континентальных шельфах. Среди великого разнообразия беспозвоночных животных были похожие на головастиков личинки, получившие в дар от природы раннюю половую зрелость. Они основали династию, потомками которой стали рыбы и все остальные позвоночные.

Теплые условия сохранялись и в ордовикский период, но затем Солнечная система нанесла визит в рукав Персея. Около 445 миллионов лет назад ордовик внезапно закончился, на Землю пришла стужа, и уровень моря упал. Хотя этот период был относительно недолгим, ледники стартовали сразу, как по сигналу, — по схеме Шавива, это произошло, как только Солнечная система вышла из рукава Персея и попала в район максимальной интенсивности космических лучей.

В силурийский период вместе с теплом, вернувшимся после того ужасного перерыва, объявились и новые обитатели суши — первые растения и животные. Тогда же появились и костные рыбы, ставшие наиболее удачливыми из всех позвоночных животных. Следующий, девонский, период также был теплым.

В первом варианте работы Шавива оставались неточности, касающиеся местоположения следующего спирального рукава, куда предстояло отправиться Земле. Астрономические прогнозы расходились с предположениями Шавива, основанными на изучении им железных метеоритов. Впоследствии он разработал более четкую интерпретацию рисунка спиральных рукавов, и расхождения сошли на нет. Во всяком случае, метеоритные данные, касающиеся космических лучей, теперь вполне совпадали с геологическими данными, свидетельствующими о сильном похолодании, максимум которого пришелся на конец каменноугольного периода, около 300 миллионов лет назад.

Этот эпизод «ледника», давно известный геологам как пермско-каменноугольное оледенение, длился довольно долго. Он накрыл каменноугольный период, названный так из-за больших залежей угля, откладывавшегося в болотистых лесах. Тогда появились первые рептилии и позвоночные животные, способные жить исключительно на суше. Леса разрастались, но при этом ледовые поля и ледники наступали на континенты, лежавшие в те времена ближе к Южному полюсу. «Ледник» продолжился и в начале пермского периода.

Конец пермского и весь следующий за ним триасовый период Солнечная система провела в темном пространстве между галактическими рукавами, в условиях «парника». Катастрофа разразилась в конце пермского периода, 245 миллионов лет назад. Предположительно ее вызвало столкновение Земли с кометой или астероидом, грубо нарушившим все правила игры, и это привело к массовому вымиранию видов. Комета возвестила наступление мезозойской эры, самой известной из всех благодаря динозаврам. Но Земля все еще не покинула «парник», что в данном случае говорит об отсутствии связи между эволюционными изменениями и климатом.

Проход через рукав Центавра вновь принес с собой холод, державшийся в течение юрского и раннего мелового периодов. Среди новых видов, появившихся тогда, были первые цветковые растения и первые птицы. Приблизительно 120 миллионов лет назад холод сменился «парником» позднего мелового периода, что возвращает нас к началу этого рассказа, к белым скалам Мёнс Клинт.

Любой, кто радуется тому, как сходятся друг с другом научные дисциплины после целого столетия разделения на узкие специализации, наверняка получит удовольствие, увидев, как тесно связаны между собой названия спиральных рукавов Млечного Пути и холодные геологические периоды, во время которых Земля посетила эти места.

 

Рукав Персея — от ордовикского периода до силурийского.

Рукав Наугольника — каменноугольный период.

Рукав Щита — Южного Креста — юрский период и начало мелового периода.

Рукав Стрельца — Киля — эпоха миоцена, почти сразу (по геологическим меркам) переходящая в

Рукав Ориона — от плиоцена к эпохе плейстоцена.

 

События и эволюционные последствия перехода к рукаву Ориона мы рассмотрим в седьмой главе. А пока мы хотели бы привести ошеломительный пример того, как астрономический прогноз был сразу же поддержан и геологическими свидетельствами, и найденными окаменелостями. Речь идет о происхождении птиц.

Перья, чтобы не замерзнуть

Когда 230 миллионов лет назад первые маленькие динозавры и млекопитающие впервые выступили на арену, Солнце и Земля были приблизительно там, где они находятся и сейчас. В течение этого времени Солнечная система сделала полный оборот вокруг центра Галактики. И большую часть путешествия динозавры были властителями Земли, оставив млекопитающих на низшем уровне, хотя самим динозаврам так и не удалось завершить великое путешествие.

Путешествие началось в теплый триасовый период. Путеводитель по Галактике для динозавров, учитывающий потоки космических лучей, сообщил бы, что приближается рукав Щита — Южного Креста, и пообещал бы «ледник» в юрском и меловом периодах. До сих пор поколениям студентов и поклонников гигантских рептилий говорили, что на протяжении всей динозаврьей мезозойской эры условия жизни на планете были едва ли не курортными: тепло, льда на суше практически нет. Если какие-либо геологические представления и входили в противоречие с расчетами космических лучей, то это были именно стереотипы, сложившиеся вокруг мезозоя, и Нир Шавив это хорошо понимал.

 

«Когда я начал работать над этой идеей, я искал данные по оледенениям и в одной книге, выпущенной в 1970-е, нашел сводку данных, в которой никакое среднемезозойское оледенение не фигурировало. Я подумал: „Ну что ж, космические лучи не объясняют все изменения климата“. Только позже я обнаружил другой обзор, где говорилось, что средний мезозой был холоднее, чем эпохи до и после него. Улыбка не сходила с моего лица целый день, так как я нашел потерянную ледниковую эпоху. Тогда я понял, что моя теория верна».

 

В 2002 году, когда Нир Шавив впервые рассказал свою историю о спиральных рукавах, нашлись и отчетливые материальные следы среднемезозойского похолодания — они обнаружились на океанском дне, среди обломков пород, принесенных дрейфующими льдами. Еще в 1988 году Ларри Фрейкс из университета Аделаиды представил свидетельства того, что дрейфующий лед сбрасывал песок и гравий в субполярных областях. Но так как ничто не говорило о том, что на суше тоже был лед, среднемезозойское оледенение оставалось наименее убедительным из всех.

Всего через несколько недель после публикации Шавива, в начале 2003 года, из университета Аделаиды поступило известие, что ученым впервые удалось отыскать следы наземного льда в меловой период. Невилл Элли и Ларри Фрейкс сообщили, что поблизости от хребта Флиндерс в Западной Австралии обнаружены глина, мелкие камни и зерна кварца, перемешанные ледником. А датируются они ранним меловым периодом, то есть им 140 миллионов лет. Так что динозаврам действительно пришлось покататься на климатических «американских горках», как верно предсказала астрономия.

Если вы предпочитаете живое доказательство того давнего похолодания, посмотрите на птиц. Они — единственные уцелевшие из всего великого племени динозавров и обязаны своим существованием холодному среднемезозойскому периоду. В ту пору небольшие рептилии нашли пристанище на деревьях или в болотистой местности и тем самым смогли избежать челюстей своих грозных собратьев, но тут крылся и подвох. Они теряли тепло намного быстрее, чем большие животные. У крохотных млекопитающих были меховые шкурки, а маленькие динозавры в холодный ранний меловой период научились сохранять тепло, преобразуя чешуйчатую кожу в пух и перья.

Одновременно с австралийским открытием было найдено доказательство в Китае, не оставляющее сомнений в том, что в среднемеловой период существовали маленькие, покрытые перьями динозавры, затем эволюционировавшие в современных птиц. Следы их существования сохранились на дне бывших озер в провинции Ляонин в северном Китае. Человек, нашедший ископаемых птиц в этой области, Чжоу Чжунхэ из Института палеонтологии позвоночных и палеоантропологии в Пекине, ясно понимал значение своей находки:

«Новые открытия позволяют предположить, что перья не уникальная принадлежность птиц и что полет как таковой мог взять свое начало от планирующих прыжков, которые совершали создания, обитавшие на деревьях».

 

Когда вы любуетесь птицами, поющими в ваших садах, радуйтесь, что пернатым созданиям хватило времени, чтобы утвердиться в роли нового класса позвоночных до того, как 65 миллионов лет назад ужасные события смели с лица Земли всех динозавров — и больших, и маленьких. Многие птицы, равно как и млекопитающие, пережили массовое вымирание, когда небесное тело — комета или астероид — врезалось в Землю в области, которая ныне именуется Мексикой, и огромное количество лавы выхлестнулось из вулканов в Индостане по другую сторону планеты. Оледенение, случившееся за 75 миллионов лет до этого, побудило маленьких динозавров поэкспериментировать с перьевым жакетом и определить, для чего еще он мог бы им понадобиться.

Непосредственно из ледника: в Китае найден ископаемый эмбрион птицы в своем собственном яйце. Находке 121 миллион лет. У эмбриона видны даже перышки, более четко прорисованные художником при обработке фотографии. Холодный климат, воцарившийся на Земле, после того как планета нанесла визит в один из спиральных рукавов Галактики, заставил мелких динозавров искать средства утепления, — и ящеры нашли их, обретя перья. Впоследствии кое-кто из динозавров нашел перьям иное применение, но это уже другая история — история птиц. (Чжоу Чжунхэ, Институт палеонтологии позвоночных и палеоантропологии, Пекин)

Первые свидетельства удара, уничтожившего динозавров, появились в 1980 году. В Италии, в ущелье неподалеку от Губбио, в слое красной глины, врезанном в пласт известняка, были обнаружены вкрапления редких элементов внеземного происхождения. Это всего лишь одно из вмешательств небесных тел в ход эволюции, но были и другие, вызвавшие более продолжительные изменения глобального климата. После промежутка хаоса, сопровождающего каждый удар, климат всегда возвращался к холодным или теплым условиям, господствовавшим до того, как комета или астероид врезались в Землю. На стенах ущелья близ Губбио явственно видно: цвет пласта известняка над слоем глины лишь чуть-чуть отличается от цвета породы под полоской глиной — как будто ничего значительного не произошло.

Размолвка по поводу диоксида углерода

Журнал «Дискавер» назвал работу Нира Шавива по проблемам Галактики и климата лучшим научным открытием 2003 года. По мнению ученого, его идея была хороша тем, что представляла собой рискованную попытку вступить на неизведанную территорию, где, казалось, он никому не сможет наступить на ногу. Сам Шавив и не представлял, что его рассказ о космических лучах может иметь какие-то последствия в свете нынешних дебатов об изменениях климата, пока израильский ученый не присоединился к команде выдающегося геолога Яна Вейзера.

Основное место научной деятельности Вейзера — университет Оттавы, но он также работал в Рурском университете в Бохуме (Германия). Вейзер собрал большую коллекцию ископаемых раковин, хозяева которых обитали в тропических океанах в течение последних 550 миллионов лет, и подсчитал в них количество атомов тяжелого кислорода. Согласно этим данным, температура поверхностного слоя морской воды в тропиках поднималась и падала приблизительно на 4 градуса Цельсия, более или менее идя в ногу с переходами от условий «парника» к «леднику» и наоборот.

В 2000 году совместно со своими коллегами из Льежа Вейзер понял, почему его данные противоречат широко распространенному поверью, будто содержание углекислого газа в атмосфере повинно в температурных колебаниях. Это особенно ясно, если обратиться к оледенениям, случившимся 150 и 450 миллионов лет назад. Концентрация двуокиси углерода в воздухе была высока, и морским температурам следовало быть значительно выше тех, о которых рассказывает коллекция раковин Вейзера. Однако ракушки настаивали на том, что температура меняется циклично и что цикл этих колебаний составляет примерно 135 миллионов лет. Температурный цикл Вейзера был очень похож на цикл Шавива в 143 миллиона лет. Готовя к публикации в 2003 году расширенную версию своей работы о спиральных рукавах, Шавив включил туда и графики Вейзера.

Затем астрофизик и геолог поняли, что, объединив свои усилия, они могли бы более точно подсчитать, насколько сильно космические лучи влияют на климат. Ученые совместно написали провокационную статью под названием «Небесные силы как главный фактор фанерозойского климата?», которую Геологическое общество Америки (ГОА) опубликовало в весьма популярном среди геологов журнале — «ГОА сегодня». Помимо того, что они представили свои собственные данные о связи космических лучей и климата, ученые рассказали и о результатах, полученных Свенсмарком. Возможно, тогда многие читатели впервые услышали о датском ученом и его исследованиях.

Шавив и Вейзер пришли к заключению, что связь между климатом фанерозоя и космическими лучами не подлежит сомнению, в то время как влияние двуокиси углерода на климат древности должно быть меньше, чем обычно заявляют. Они внимательно изучили геологические данные, обращая внимание на несоответствия между уровнями двуокиси углерода и морскими температурами, и сделали вывод, что в будущем повышение температуры, связанное с удвоением содержания двуокиси углерода, будет намного ниже, чем предсказывала Межправительственная группа экспертов по изменению климата. И в одну секунду Шавив и Вейзер оказались персонами нон грата.

Спустя шесть месяцев группа из одиннадцати ученых яростно напала на их ересь, опубликовав статью в геофизическом журнале «Эос». Ведущим автором был Штефан Рамшторф из Потсдамского института климатических исследований. Статья начиналась с того, что ставила под сомнение влияние космических лучей на климат, опираясь при этом на возражения, уже успевшие устареть. И поскольку критики даже собственную статью не прочитали внимательно, Шавив и Вейзер легко опровергли многие пункты, просто повторив то, что они написали изначально.

Споры были слишком запутаны и темны, чтобы излагать их здесь, но один пример даст вам почувствовать их аромат. Рамшторф и его собратья по критике предположили, что данные о морских температурах были подтасованы, чтобы выделить колебания, совпадающие с вариациями космических лучей. Здесь приведено опровержение Шавива и Вейзера, поставившее критиканов на место: «Рассчитанные тренды температур… были уже опубликованы Вейзером и др. в 1999 и 2000 годах, при полном неведении относительно будущей работы Шавива».

«ГОА сегодня» выпустило более обоснованный комментарий, озаглавив его: «СО₂ как главный фактор фанерозойского климата». Авторами выступили пять ученых под руководством Даны Ройера из университета штата Пенсильвания. Они утверждали, что график температур, основанный на содержании тяжелого кислорода в древних отложениях карбоната, должен быть уточнен с поправкой на кислотность морской воды в те времена. Тогда, как предполагали авторы статьи, связь между температурами и двуокисью углерода станет намного очевиднее:

 

«Колебания потока космических лучей могут воздействовать на климат, но не они играли ведущую роль в течение многих миллионов лет».

 

Решайте сами, кто прав. Уровень двуокиси углерода опускается и поднимается только дважды за 550 миллионов лет, в то время как на графиках космических лучей вы можете увидеть по четыре всплеска и падения. И так как было четыре основных холодных и четыре теплых периода, модель безоговорочно поддерживает Шавива и Вейзера, когда они утверждают, что космические лучи — главная движущая сила климата. Но ледниковые периоды были не одинаковы по своей мощности, и, следовательно, помимо космических лучей действовали и иные силы.

Попытку прекратить разногласия о том, что важнее — космические лучи или углекислый газ, — предпринял Клаус Вальман из Института морских исследований ГЕОМАР в Киле (Германия). Он написал в журнал «Геохимия Геофизика Геосистемы» статью, где заявил, что не мог бы воспроизвести диаграммы температур с поправкой на кислотность без добавления охлаждающего эффекта космических лучей. С другой стороны, по его словам, двуокись углерода играет значительную роль в усилении или ослаблении изменений климата:

 

«Теплые периоды (кембрий, девон, триас, меловой) характеризуются низким уровнем космических лучей. Холодные периоды, от позднего каменноугольного до раннего пермского и поздний кайнозойский [следовательно, настоящее время], отмечены высоким притоком космических лучей и низким значением двуокиси углерода. […] Два умеренно холодных периода, совпадающие с ордовикско-силурийской и юрско-раннемеловой эпохами, характеризуются и высоким содержанием двуокиси углерода, и большим количеством заряженных частиц, так что парниковое потепление компенсировалось охлаждающим воздействием низких облаков».

 

Как сильно влиял углекислый газ на климат далекого прошлого? Когда мы видим провалы в графиках, 300 миллионов лет назад и в сегодняшней ледниковой эре, количество двуокиси углерода в воздухе составляет всего лишь несколько сотен частиц на миллион, но на подъемах оно вырастает до 5000 и 2000 частиц на миллион. Если захотите перевести это на язык, используемый для современного описания изменений климата, вам придется спросить, насколько поднимутся температуры, если содержание двуокиси углерода возрастет с 280 до 560 частиц на миллион — то есть увеличится в два раза по сравнению с уровнем, существовавшим до промышленной революции? Межправительственная группа экспертов по изменению климата полагала, что цифры будут в пределах от 1,5 до 4,5 градуса Цельсия.

Первоначально Шавив и Вейзер, основываясь на данных за 500 миллионов лет, предполагали, что чувствительность климата к двуокиси углерода могла составить 0,5 градуса Цельсия. Однако они согласились с тем, что следует откорректировать цифры с учетом кислотности морской воды, хотя и полагали, что Дана Ройер с коллегами переоценивают ее влияние. Шавив и Вейзер также подчеркивали, что подсчет атомов тяжелого кислорода, используемый для определения температуры, должен быть скорректирован с поправкой на количество льда в мире, потому что если образуются ледовые щиты, то в морской воде остается больше тяжелого кислорода. Шавив и Вейзер пересмотрели свою оценку чувствительности климата к двуокиси углерода, и в этот раз она составила 1,1 градуса Цельсия.

Их оценка совпала с мнением знаменитого метеоролога Ричарда Линдзена из Массачусетского технологического института о сегодняшнем состоянии атмосферы. Линдзен неоднократно высказывался об умеренном влиянии на климат двуокиси углерода. Как он объяснил в выступлении перед английской Палатой лордов в 2005 году:

 

«Если главные парниковые субстанции — водяной пар и облака — остаются неизменными, то удвоение количества СО₂ приводит, согласно простым расчетам, к повышению среднемировой температуры в среднем на 1 градус Цельсия».

 

Итак, древние ископаемые дали Шавиву и Вейзеру возможность получить цифры, очень близкие к расчетам Линдзена, который основывался на исследованиях современной атмосферы. Есть над чем задуматься. Свенсмарк не был уверен, стоит ли учитывать климатическую эффективность двуокиси углерода в своих расчетах. Его также интересовало, оставалось ли количество углекислого газа постоянным на протяжении всей истории и, если его концентрация была разной, как это могло отражаться на климате. Как бы то ни было, результаты Шавива и Вейзера убеждают нас в том, что климат не настолько чувствителен к увеличению углекислого газа, чтобы тревожные предсказания о неминуемом глобальном потеплении, спровоцированном промышленной деятельностью, выглядели убедительными. И, таким образом, эти результаты добавили Свенсмарку оптимизма в его размышлениях о причастности космических лучей к судьбе планеты в промышленную эпоху.

Ракушки в качестве телескопов

Когда в 2002 году вышли в свет любопытные расчеты Нира Шавива, говорящие о той роли, которую сыграли космические лучи в истории земного климата, Свенсмарк решил взяться за написание собственного труда. Однако доступные ему геологические данные были неполными, и это сильно затрудняло работу, до тех пор пока на встрече на Гавайях в 2005 году Шавив не указал ему на более качественную базу данных. Эксперимент в подвале также сильно отвлекал Свенсмарка. Однако начиная с момента, когда были обработаны первые результаты эксперимента «SKY», Свенсмарк смог уделить больше внимания тем мелодиям, которые с незапамятных времен напевают камни и звезды; ему нужно было лишь постараться расслышать созвучия в их песнях.

Колебания климата в прошлом, увязанные с движением Солнца по Млечному Пути, помогут усовершенствовать наши астрономические знания о Галактике.

Свенсмарка поразили противоречивые мнения астрономов о Млечном Пути и тех временах, когда, по их предположениям, Солнечная система проходила через галактические рукава. В каком-то смысле это разочаровывало даже больше, чем любые геологические данные, не соответствующие изменениям климата. Свенсмарк решил подойти к проблеме с другого конца и использовать данные Яна Вейзера о морских температурах, «записанных» в ископаемых, чтобы помочь астрономии. «Шутки ради, — заметил Свенсмарк, — я назвал это: „Как измерить массу Галактики с помощью термометра“».

 

Обитатели морских раковин действуют как чувствительная природная аппаратура, записывая события, происходящие в вечно меняющейся звездной среде, окружающей нас, и они начали выполнять эту работу задолго до того, как человек изобрел астрономические инструменты. С позиций сегодняшнего дня мы можем рассматривать их как телескопы, которые фиксировали интенсивность космических лучей путем усвоения тяжелого кислорода в процессе жизнедеятельности. Так что идея использовать морские ракушки для астрономических целей — не пустая прихоть.

Согласно показаниям окаменелостей, температуры моря колебались, и амплитуда этих колебаний была относительно невысока, зато ритм был более частый, чем тот, который задают климату спиральные рукава. А дело в том, что наше Солнце ведет себя как игривый дельфин. Двигаясь по орбите, оно к тому же как бы выпрыгивает из галактического диска, затем погружается обратно и вновь выпрыгивает, и так все время. Срединная плоскость диска — не просто математический вымысел. Там концентрируются заряженные частицы, поскольку магнитное поле, управляющее ими, удерживается на месте гравитацией — той же самой силой притяжения, которая не дает звездам и газовым облакам разбегаться от диска.

Итак, когда бы Солнце ни пересекало срединную плоскость, идет ли оно наверх или катится вниз, Земля в это время страдает от всплеска космических лучей, и это происходит с интервалом в 32–34 миллиона лет. Когда Солнце покидает срединную плоскость, оно поднимается «в гору» по склону длиной 300 световых лет, доходит до «хребта» и начинает спуск вниз. На этой фазе поток космических лучей слабеет. Такие колебания происходят независимо от того, находится Солнечная система внутри или вне спирального рукава. Но если Солнце заходит в спиральный рукав, то там цикл космических лучей ускоряет свой шаг из-за более высокой концентрации межзвездного газа. Морские температуры позволяют довольно точно устанавливать границы временных отрезков, так как самые холодные периоды каждого геологического цикла с продолжительностью 32–34 миллиона лет совпадают с тем, когда Солнечная система пересекала срединную плоскость Галактики.

Свенсмарк не хотел узнавать заранее, насколько быстро движется Солнце по отношению к спиральным рукавам. То был один из вопросов, которые он хотел выяснить сам. Для этого ему было нужно взять температурные данные Вейзера за последние 200 миллионов лет и «примерить» их на Галактику. Это было похоже на то, как человек, купивший костюм в магазине готового платья, ходит и ищет того, на ком костюм будет сидеть идеально. И нашлась только одна комбинация ключевых цифр, правильно отображающая волнообразное движение Солнца.

Анализ Свенсмарка позволил получить цепочку ответов на вопросы о ближайших к нам областях Млечного Пути и движении Солнца. Относительно вращающихся спиральных рукавов Галактики Солнце перемещается со скоростью 12 километров в секунду. Визит в рукав Щита — Южного Креста Солнце нанесло 142 миллиона лет назад, а в рукав Стрельца — Киля — 34 миллиона лет назад. Ширина рукавов приблизительно 1170 и 910 световых лет соответственно. Плотность вещества в спиральных рукавах на 80 процентов выше, чем в областях между рукавами. Вот уж действительно: колебания температуры позволили измерить Галактику!

Ни одна из цифр не противоречит предыдущим предположениям. Но там, где до этого было много неясного, окаменелости подсказывают астрономам, какие цифры более верны. Этот удачный перевертыш аргументации — от климата к астрономии — подтверждает, что климат Земли прочно находится во власти галактического термостата. Следующая глава расскажет о том, как благодаря двум большим открытиям, сделанным в последние десятилетия, ученые убедились, что звездное небо наносило куда более жестокие удары по климату Земли.