дерсоновского института в Глазго, и он начал проводить многие часы в библиотеке, изучая математику, физику и астрономию.
Рис. 25.5 Джеймс Кролль (Кролл). Источник: Wikimedia Сommons
Кролль основывался на трудах астронома Урбена Леверье, который первым продемонстрировал, что орбита Земли вокруг Солнца и наклон ее оси постоянно меняются. Результаты собственных вычислений Кролль представил сэру Чарльзу Лайелю и сэру Арчибальду Гейки. Ученые были впечатлены, а Гейки предложил ему место хранителя геологических карт и корреспонденции Геологической службы Шотландии в Эдинбурге. Здесь у Кролля появились не только необходимые документы, но и много свободного времени для чтения и занятий наукой. В 1875 г. он написал книгу «Климат и время в их геологическом взаимоотношении» (Climate and Time, in their Geologic Relations), в которой изложил свое ви́дение того, как изменения орбиты Земли меняют количество получаемой солнечной радиации и тем самым служат фактором, вызывающим ледниковые периоды. Это принесло автору назначение на должность научного сотрудника и почетную степень от Сент-Эндрюсского университета, а в конечном итоге избрание в Лондонское королевское общество.
Кролль сделал расчеты для известных циклов орбиты Земли вокруг Солнца, чтобы понять, насколько они могут объяснить ледниковые периоды. Он указал, что уже давно астрономы, и в частности Иоганн Кеплер, отметивший это в 1609 г., знали, что орбита, по которой движется Земля, имеет форму не окружности, а эллипса. Этот эллипс очень медленно меняет свои очертания, с почти округлого на более вытянутый, и теперь известно, что продолжительность такого цикла эксцентриситета[107] земной орбиты составляет около 100 000 лет (рис. 25.6А). Другим циклом, известным с Гиппарха, жившего в II в. до н. э., является цикл прецессии, или «покачивания». Древние греки понимали, что Земля покачивается, как волчок, и ось ее вращения меняет направление. Например, ныне эта ось указывает примерно на Полярную звезду, но 14 000 лет назад она была направлена на другую звезду – Вегу. Из-за того, что направление земной оси меняется, на околополюсные зоны падает разное количество солнечного света. Сейчас доказано, что цикл прецессии занимает около 21 000–23 000 лет и представляет собой самый короткий из трех циклов.
Рис. 25.6 Циклы Миланковича. (А) Диаграмма, показывающая три цикла изменений орбиты Земли и угла наклона по отношению к Солнцу. (В) Каждый цикл обладает собственным периодом, и когда все три цикла взаимодействуют, то три синусоидальные волны складываются друг с другом и порождают сложную интерференционную картину, передаваемую пилообразным графиком потепления и охлаждения. Эту закономерность подтвердили измерения температур древнего океана, зафиксированных в глубоководных кернах и в конечном счете в пузырьках древнего воздуха, захваченного в ледяных кернах
Кролль также указал, что лед может очень быстро нарастать или таять из-за обратной связи лед – альбедо (см. главу 16). Когда льда много, планета хорошо отражает лучи, то есть обладает высоким альбедо. Солнечная энергия отражается обратно в космос, и температура понижается, а потому количество льда еще больше увеличивается. При этом, если речь о ледяном ландшафте, для таяния нужно, чтобы появилось немного темной, поглощающей солнечный свет поверхности с низким альбедо (например, морской воды или растительности): эти участки станут поглощать больше тепла, и таяние ускорится.
Книга Кролля была очень смелой, она давала пищу для размышлений и заслуживала серьезного отношения, но, к сожалению, в то время теории автора не поддавались проверке. Не существовало методов надежной датировки, а неполные и скудные сведения о распространении льда на суше не давали возможность оценить его гипотезы. Поэтому идеи шотландского ученого десятилетиями оставались невостребованными среди прочих интересных, но непроверяемых предположений. В 1880 г. Кролль получил сильную травму головы, из-за которой был вынужден уйти на пенсию в 59 лет. Он прожил еще 10 лет и умер в 1890 г., а его новаторские суждения при жизни автора не получили развития.
И все же практически забытые исследования Кролля возродил сербский астроном и математик Милутин Миланкович (рис. 25.7). Он родился на территории нынешней Хорватии (в то время входившей в состав Австро-Венгерской империи) в 1879 г. Милутин блестяще учился и в 1904 г. получил инженерное образование в Венском технологическом институте. Он стал отличным строителем, проектировал и возводил в Австрии мосты, виадуки, акведуки, плотины и другие сооружения, получил шесть патентов на свои изобретения, а затем переехал в Сербию, где возглавил кафедру прикладной математики в Белградском университете.
Рис. 25.7 Милутин Миланкович. Источник: Wikimedia Сommons
Несмотря на повседневную загрузку профессиональными обязанностями, Миланкович больше всего интересовался фундаментальными исследованиями, и к 1912 г. он увлекся решением проблем, связанных с тем, как могут влиять на климат изменения инсоляции. «Метеорология, – жаловался он, – по большей части просто набор бесчисленных эмпирических фактов, в основном количественных данных, с минимальными следами физики, используемой для объяснения некоторых из них… Математику применяли еще меньше, на уровне элементарных вычислений… Высшая математика не играла в этой области никакой роли». В 1912–1913 гг. он опубликовал несколько работ, в которых вычислил инсоляцию для каждой широты и определил, как она влияет на положение климатических поясов. В июле 1914 г. в Сараеве был убит эрцгерцог Франц Фердинанд, и противоречия между Сербией и Австро-Венгерской империей переросли в Первую мировую войну. Миланкович был сербом; его арестовали в Австрии во время медового месяца и заключили в крепость Осиек. О своей первой ночи в качестве военнопленного он писал:
За мной закрылась тяжелая железная дверь… Я сел на кровать, оглядел комнату и начал осваиваться с новыми социальными обстоятельствами… Среди взятых вещей были уже опубликованные или только начатые работы по моей космической задаче; было даже немного чистой бумаги. Я просмотрел свои записи, взял верную перьевую ручку и начал писать и считать… Когда после полуночи я оглядел комнату, мне понадобилось время, чтобы понять, где я нахожусь. Это крохотное помещение показалось мне разовым ночлегом на моем пути сквозь Вселенную[108].
К счастью, у него оказались хорошие связи в Вене, поэтому ученого перевели в Будапешт, и, формально оставаясь пленным, он даже получил доступ к материалам, необходимым для исследований[109]. Используя предоставленное время и библиотеку Венгерской академии наук, он добился огромных успехов в области математической метеорологии и с 1914 по 1920 г. опубликовал несколько статей с изложением полученных результатов. Наконец война закончилась, и в марте 1919 г. Миланкович с семьей вернулся в Белград, где снова стал профессором Белградского университета.
Затем Миланкович использовал свои исследования, чтобы точно рассчитать на моделях, как циклы инсоляции могут вызывать ледниковые периоды. Он понял, что ключевой фактор – количество света, получаемого земной поверхностью в летнее время; именно этот параметр определяет, сколько льда растает, а сколько останется. Миланкович опирался на концепцию циклов эксцентриситета и прецессии, описанных Кроллем, и добавил третий цикл, открытый Людвигом Пилгримом в 1904 г.: цикл изменения наклона оси вращения. Ведь ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости ее орбиты, а наклонена под углом 23,5° (рис. 25.6А). Этот угол не постоянен, он меняется в диапазоне приблизительно между 22 и 24,5°. Когда угол доходит до 24,5°, полюсы получают гораздо больше солнечного света, и количество льда там уменьшается; при угле 22° полярным регионам достается света меньше, и количество льда увеличивается. Длительность такого цикла изменения угла от 22 до 24,5° и обратно составляет около 41 000 лет. У Миланковича было все необходимое, чтобы заняться кропотливыми расчетами и построением графиков (он исписывал массу бумаги, в одиночку выполняя все вычисления, без компьютеров и калькуляторов). Написав десятки научных статей и небольших книг на тему солнечной радиации и климата Земли, к концу 1930-х гг. Миланкович решил собрать все их в один том под названием «Канон инсоляции и его применение к проблеме ледниковых эпох».
Однако в жизнь и деятельность Миланковича снова вмешался кризис в международных отношениях. В 1941 г., через четыре дня после отправки книги в типографию, немцы напали на Югославию, и типография разрушилась при бомбежке Белграда. К счастью, отпечатанные листы находились на складе и не пострадали. После начала оккупации в мае 1941 г. к Миланковичу пришли два немецких офицера, которые ранее изучали геологию в Германии, и предложили свою помощь. Он отдал им единственный имевшийся у него переплетенный экземпляр книги – на случай, если что-либо произойдет с ним или его трудом. Годы войны он провел в своем доме, работая над мемуарами. Когда война закончилась, ученый вернулся к своим обязанностям в Белградском университете, а также занял должность вице-президента Сербской академии наук. Несмотря на полученные почетные звания и награды, Миланкович не почивал на лаврах, а продолжал работать над важными задачами. Он проявлял интерес к пересмотру календаря, занимался проблемой так называемого блуждания полюсов и после выхода в отставку в 1954 г. писал статьи по истории науки. В 1958 г. ученый перенес инсульт и умер в возрасте 79 лет, так и не узнав, подтверждают ли геологические данные его теорию.
Решение: планктон и ритмоводитель ледниковых периодов
Хотя Миланкович продвинул теорию астрономических циклов и причин ледниковых периодов настолько далеко, насколько это было реально сделать для астронома или математика, у геологов не существовало четких доказательств, подтверждающих его расчеты. Найденные на суше отложения по-прежнему показывали всего лишь четыре или пять крупных продвижений ледников, и даже в конце 1950-х гг. не были решены проблемы с их датировкой. Вся теория астрономических циклов и ледниковых периодов оставалась неподтвержденными умозрительными рассуждениями.