Тепловой удар
Есть и еще одно, более важное расхождение между предсказанными комбинированными эффектами орбитальных циклов и наблюдаемыми климатическими данными, которое также подтверждает способность Земли импровизировать на темы циклов Миланковича. Эти циклы, по сути, представляют собой синусоиды — симметричные, палиндромические горбы и впадины. При наложении они создают более сложные функции, но в целом в них нет систематической направленности — при взгляде на них неясно, в каком направлении течет время. В отличие от этого, реальные климатические данные из морских отложений и льда дают асимметричные пилообразные графики, где длительные периоды похолодания, когда Земля медленно соскальзывала в ледниковые эпохи, перемежаются с короткими интервалами резкого потепления. Это можно объяснить только тем, что в каждом цикле небольшой орбитальный импульс к более теплым условиям усиливался какими-то процессами в земной системе и превращался в относительно короткую, но мощную волну разогревания климата, словно у Земли ломался термостат. Причина такого усиления тоже сохранилась в ледяной летописи: парниковые газы, особенно углекислый газ и метан (CH4), известный также как болотный газ.
При выпадении снега в его толще остается множество воздушных полостей (именно благодаря такой изоляции внутри вырытых в снегу укрытий так тепло). На полюсах, где снег не тает от сезона к сезону и нарастает все новыми слоями, нижележащие слои снега постепенно спрессовываются и на глубине около 60 м кристаллизуются и превращаются в лед. В процессе этого воздушные полости выдавливаются, но часть воздуха остается в виде пузырьков, взвешенных во льду, как насекомые в янтаре. Хотя между слоями может происходить некоторая миграция воздуха, газовые пузырьки, пойманные в ловушку в полярном льду, являются надежными хранилищами атмосферных проб с разрешением порядка десятилетий и даже меньше. И эти крошечные пузырьки говорят нам, что за последние 700 000 лет глобальные температуры коррелировали на самом высоком уровне статистической значимости с концентрациями парниковых газов — углекислого газа и метана — в атмосфере.
Но каким образом парниковые газы могут превращать небольшой импульс к потеплению, заданный циклами Миланковича, в полномасштабный «тепловой удар»? Ответ кроется в многочисленных механизмах положительной обратной связи — самоусиливающихся процессах, которые присущи климатической системе Земли. Рассмотрим, например, один из них. В ходе длительных периодов похолодания в плейстоцене на не покрытых ледяными щитами территориях существовали тундровые экосистемы, состоявшие из медленно растущих лишайников, мхов и мелких сосудистых растений (такие мы видим сегодня на Шпицбергене). Когда эта растительность умирала, низкие температуры препятствовали ее разложению (на нашей планете за разложение отвечают в основном микробы, но на холоде они становятся инертными), поэтому органическая материя на протяжении тысячелетий просто накапливалась, слой за слоем, в виде толстых пластов торфа. Однажды, забыв про этот факт, я едва не стала виновником экологической катастрофы на Шпицбергене. Как-то во время летней экспедиции мы с коллегой решили очистить берег от старых пластиковых контейнеров и гниющих канатов, которые моряки выбрасывают за борт, вероятно считая море бездонной помойкой. Мы стащили мусор в кучу и развели костер. К нашей радости, мусор хорошо горел, но спустя какое-то время мы обнаружили, что полоса тундры, которая прилегала к пляжу и прежде зеленела влажным, сочным мхом, высохла, побурела и, казалось, слегка дымилась. Мы с ужасом осознали, что от нашего костра загорелся слой торфа, скрытый под пляжной галькой. Несколько минут мы лихорадочно носились с чайниками в руках между морем и медленно продвигающимся фронтом торфяного пожара и в конце концов сумели загасить тлеющий под землей огонь.
Огонь — яркий пример быстрого окисления; разложение делает то же самое, только медленно и незаметно. Итак, в определенные моменты в плейстоцене, когда циклы Миланковича вызывали небольшое потепление, тундровые микробы просыпались и принимались активно перерабатывать накопившийся торф, высвобождая секвестрированный в нем углерод в форме углекислого газа (или метана, если процесс происходил в низкокислородной среде). Эти парниковые газы разогревали планету, что еще повышало активность микробного сообщества, а это, в свою очередь, приводило к дальнейшему увеличению выработки парниковых газов — и так далее, в классическом цикле положительной обратной связи.
Альбедо, или отражательная способность поверхности Земли, — еще один самоусиливающийся феномен, который, в частности, сыграл важную роль в охлаждении планеты до состояния «снежного кома» в конце протерозоя. Но эффект альбедо действует в обоих направлениях: как только начинается таяние ледников, более темный цвет грязного льда, обнажившейся суши и открытой морской воды увеличивает поглощение солнечного тепла, что способствует большему нагреванию, дальнейшему таянию льда и расширению темных поверхностей. Уменьшение альбедо разгоняет маховик потепления, что, в свою очередь, еще больше раскручивает вышеописанный механизм высвобождения углерода.
Процессы положительной обратной связи также могут усиливать охлаждение: например, из-за более ветреных условий в ледниковые эпохи фитопланктонное сообщество в океанах, хронически страдающее от дефицита железа, получало больше питательной пыли и переживало бурный рост; а поскольку часть этой биомассы опускалась на дно без разложения, она уносила с собой все больше атмосферного СО2. Но пилообразный график, который сразу бросается в глаза при анализе ледяных и морских осадочных кернов, со всей очевидностью показывает имманентную асимметрию в климатической системе Земли: охлаждение планеты всегда занимает гораздо больше времени, чем ее разогревание.
Углеродная болезнь
Для нас, представителей антропоцена, особенно актуальны следующие два вопроса: как быстро разворачивались эпизоды потепления в прошлом и каких концентраций достигали при этом парниковые газы. Максимум последнего оледенения, когда огромные ледниковые языки достигли Висконсина и оставили там гляциальные отложения, исследованные Чемберлином, имел место 18 000 лет назад. В то время концентрация углекислого газа в атмосфере составляла 180 ppm. После этой долгой зимы орбитальные факторы немного увеличили инсоляцию Земли, и уровень CO2 начал расти. С тех пор Земля вступила в период устойчивого потепления, который прервался лишь однажды непродолжительным резким похолоданием между 12 800 и 11 700 лет назад (в так называемый интервал позднего дриаса), которое, как считается, было вызвано нарушением Гольфстрима — океанического течения, переносящего теплые тропические воды в северные широты, — в результате поступления в Северную Атлантику огромного притока пресной воды от тающих ледяных щитов. К этому времени концентрация CO2 достигла примерно 255 ppm, увеличиваясь на протяжении этих 6300 лет со средней скоростью 0,01 ppm в год. Когда течение Гольфстрима восстановилось, Земля как будто бы вдруг решила вступить в новую эпоху и приняла совершенно новый кодекс поведения. В течение нескольких десятилетий, около 11 700 лет назад («золотой гвоздь» голоцена), средние глобальные температуры быстро достигли своих голоценовых значений и стабилизировались, оставив прежние дикие скачки в плейстоценовом прошлом.
