И снова первоначальная шумиха сменилась несогласием. По-прежнему оставалась проблема с тем, что изменения инсоляции слишком малы и не могут сами по себе управлять ледниковыми циклами. Были и трудности со временем. Некоторые европейские ледниковые отложения, которые вроде бы совпадали по возрасту с вычисленными Миланковичем годами с прохладным летом и поэтому использовались для подтверждения его идей, на самом деле оказались вовсе не ледниковыми отложениями. Когда в 1950-е годы появилось радиоизотопное датирование с помощью углерода-14, его тут же применили к гляциальным отложениям Северной Америки. Полученные данные показали гораздо более сложную картину, нежели простые изменения климата, предсказанные Миланковичем. Астрономическую теорию снова отодвинули на второй план.
Однако сегодня она служит основой для изучения плейстоценового ледникового периода, и ее обычно именуют теорией Миланковича или изредка — теорией Кролля — Миланковича. Нет никаких сомнений, что изменения климата определяются именно теми факторами, которые исследовали эти ученые — эксцентриситетом, наклоном оси и прецессией, хотя до сих пор ведутся серьезные дискуссии, как именно это происходит. Для плейстоценового ледникового периода чередование ледниковых и межледниковых эпох, похоже, сильнее всего коррелирует с изменениями инсоляции примерно на 65° северной широты.
Прорывом, подтвердившим астрономическую теорию, стали исследования кернов в глубоководных отложениях 1970-х годов. В них температуру морской воды оценивали по измерениям соотношений между изотопами кислорода в крохотных раковинах ископаемого планктона (эти величины зависят от температуры). Оказалось, что температура морской воды менялась синхронно с изменениями инсоляции, вычисленными по теории Кролля — Миланковича. Такие колебания температуры обнаруживаются по данным кернов из осадочных пород со всего мира, а это говорит о том, что перемены были глобальными.
Керны из морских отложений продолжают играть важную роль в исследованиях ледниковых периодов. Однако революцию в изучении плейстоценового ледникового периода произвели сведения из другого источника: ледяные керны из Гренландии и Антарктиды. Ледяные керны не уходят в прошлое так далеко, как осадочные, однако дают непрерывную фиксацию множества циклов ледниковых и межледниковых эпох в плейстоцене. Важно отметить, что лед залегает различимыми годовыми слоями, что позволяет точно датировать многие из этих циклов. В ледяной ловушке спрятаны сведения о температуре, составе атмосферы и даже силе ветра в конкретный период времени, а также детали извержения вулканов. Такая информация оказывается бесценной для проверки теоретических моделей климата, потому что надежно спрогнозировать будущий климат может только та модель, которая способна воспроизвести десятки тысяч лет реальных климатических изменений, зафиксированных в ледяных кернах.
Идея, что с помощью ледникового льда можно заглянуть в прошлое, восходит как минимум к 1930-м годам, когда немецкий ученый Эрнст Зорге участвовал в метеорологической экспедиции в Гренландии. Условия были суровыми: зиму он провел, скрываясь от непогоды в снежной пещере. Но когда погода позволяла, он выбирался из укрытия и рыл неподалеку глубокую яму. Зорге тщательно исследовал и описал слои, составлявшие стены этой ямы. Он пришел к выводу, что слои фиксируют условия в центральной Гренландии, простирающиеся на неопределенное время в прошлое. Однако современное бурение ледяных кернов для использования этих данных началось только в 1950-х годах — в основном благодаря инженерным войскам США. В те времена холодной войны американская армия хотела знать, можно ли построить на ледниках Гренландии аэродром и сажать на него тяжелые самолеты. Но прежде всего нужно было выяснить как можно больше о физических свойствах льда и снега. В условиях такого своеобразного симбиоза с военными многие ученые интересовались чисто научными аспектами изучения ледников — например, как поверхностный снег превращается в твердый лед, как меняется лед с увеличением глубины, и особенно тем, можно ли восстановить условия прошлого по кернам льда.
Первое по-настоящему глубокое бурение в Гренландии провели в 1966 году на американской базе Кэмп Сенчури. Масштабная операция, потребовавшая практически шесть лет, дала первый сплошной ледяной керн, проходящий через ледник сверху донизу и в итоге достигший коренной породы на уровне 1387 метров ниже поверхности. Буровой бригаде пришлось решать проблемы бурения сквозь постоянно движущийся лед (даже внутри массивного ледяного щита происходят постоянные перемещения), а также проблемы с прочностью скважины (давление окружающего льда пыталось ее разрушить). Работа велась в крайне сложных условиях: ледяная шапка Гренландии не особо гостеприимна в любое время года, не говоря уже о разгаре зимы. Справившись с бурением в Кэмп Сенчури, бригада не стала почивать на лаврах. Всего через несколько месяцев после завершения работы на острове специалисты отправили оборудование на другой край Земли и установили его на антарктической научной станции Бэрд. Имея за плечами гренландский опыт, они уже через полтора года добились еще одного достижения — получили сплошной керн, проходящий через антарктический ледяной щит на глубину более двух километров.
Во время бурения в Кэмп Сенчури ученые изучали и фотографировали участки ледяного керна по мере их извлечения, вели различные измерения, а сам лед сохраняли при низких температурах для будущих исследований. Образцы также отослали в Копенгаген датскому гляциологу Вилли Дансгору (самому ему не разрешили посетить место бурения и взять образцы, поскольку работы шли в американской военной зоне). Ранее Дансгор обнаружил, что изотопы кислорода в дожде и снеге являются индикаторами температуры, и высказал предположение, что ежегодные отложения гренландских снегов могут сохранять данные о температурах в прошлом нашей планеты. Первоначально он считал, что керн из Кэмп Сенчури может дать образцы для нескольких сотен лет, но оказалось, что он охватывает более ста тысяч лет истории. Его измерения — первые из тысяч измерений изотопов кислорода, которые позже проводили ученые с кернами из полярных льдов — детально показали, как менялась температура в Гренландии за этот период (рисунок 22).
Изотопы кислорода были краеугольным камнем исследований ледяных кернов с самых первых лет их проведения. Однако для отслеживания температуры разработаны и другие методы, и они подтверждают данные, полученные с помощью изотопов кислорода. Гренландский лед дает фиксацию только одного из многочисленных циклов ледниковых и межледниковых эпох, составлявших плейстоценовый ледниковый период, однако керны из Антарктиды дают информацию по многим циклам, а разрешение в мелком масштабе, обеспечиваемое слоями льда, позволяет изучать периоды потепления и остывания с мельчайшими подробностями. Наличие нескольких разных кернов из Гренландии и Антарктиды дает возможность сравнить графики температур, полученных из разных мест бурения, и тем самым проверить правильность хронологии для отдельных кернов. Особенно показательными оказались сравнения отдаленных кернов — из Гренландии и Антарктики: хотя они показывают, что изменения температуры во время ледниковых циклов были глобальными и примерно совпадали, они также демонстрируют, что в разных частях Земли их интенсивность была разной — отражение сложностей в климатической системе, которые до сих пор полностью не изучены.
Хотя информация о температуре важна, не менее ценны сведения, которые проливают свет на содержание парниковых газов в атмосфере. Но как получить изо льда информацию о парниковых газах? На самом деле довольно просто. Когда снег падает на ледники, сжимается и превращается в лед, в нем остаются крохотные пузырьки воздуха. Верхние слои ледяных кернов из Гренландии и Антарктиды полны видимых пузырьков — фактически крохотных капсул времени, содержащих образцы атмосферы, существовавшей на момент образования льда. Глубже в кернах пузырьки становятся меньше, и в конечном итоге исчезают из-за высокого давления, но воздух все же можно добыть, просто растопив лед. Полученные таким образом образцы воздуха оказываются очень маленькими, но современные аналитические приборы способны фиксировать даже исчезающе малое количество микропримесей газов, которые они содержат — например, двуокиси углерода или метана.
Рисунок 22. Первоначальные данные Вилли Дансгора по изотопам кислорода в ледяных кернах, полученных в 1966 году в Кэмп Сенчури (Гренландия). Ось времени логарифмическая и показывает время в годах перед 1968-м. Дансгор использовал временную шкалу, основанную на простой модели накапливания льда; сейчас известно, что она становится несколько неточной за пределами промежутка в 15 000 лет: на основании недавних корректировок на вертикальной оси показано истинное положение уровня 100 000 года. Как отмечено на диаграмме, меньшие значения для изотопов кислорода соответствуют более низким температурам, а большие — более высоким. Сплошная вертикальная линия соответствует современному состоянию. (Основано на рисунке 6–1 из работы Dansgaard, W. 2000; авторские права принадлежат Центру льда и климата Института Нильса Бора).
Во внутренних частях Антарктиды температуры оставались достаточно низкими, чтобы предотвратить таяние ледников даже в межледниковые эпохи, и поэтому ледяные керны с этого континента уходят в прошлое гораздо дальше, чем гренландские. Рисунок 23 показывает данные, полученные от одного из таких кернов: температура и другие свойства фиксируются с беспрецедентной точностью. Из этих данных можно сделать несколько выводов. Во-первых, хотя видны периодические изменения температур, эти колебания не идеально правильны. При беглом взгляде кажется, что пики (теплые периоды) на графике температур на рисунке 23 выглядят так, будто они случаются регулярно каждые 100 000 лет, од