Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

ДНК выявила одну Х-хромосому – перед нами оказался мужской экземпляр. Первые полтора года он жил вблизи реки Юкон, скитаясь от полуострова Сьюард до дельты, а следующие четырнадцать лет провел в странствиях, преодолев более 1000 км, в основном к югу от хребта Брукс. Пятнадцать лет – это примерно тот возраст, когда молодые самцы изгоняются из матриархального стада (по крайней мере, у современных слонов) и отправляются в путь самостоятельно. Наш мамонт расширил свой ареал. Когда ему было девятнадцать, двадцать, двадцать два и двадцать три года (но не двадцать один, не двадцать четыре и не двадцать пять), соотношение Стронция раз в год систематически падало, что свидетельствует о сезонной миграции. Последние два года он провел к северу от хребта Брукс. Резкий скачок соотношения ¹⁵N/¹⁴N в конце жизни указывал на то, что он, вероятно, умер от голода (вспомните беременных с утренним недомоганием).

В аналогичном исследовании 13 200-летнего мастодонта из Индианы также удалось засвидетельствовать заметное изменение ареала обитания животного в период, когда ему было от двенадцати до четырнадцати лет и пришла пора покинуть родное стадо. Используя зависящее от температуры соотношение ¹⁸O/¹⁶O, Дж. Миллер и его коллеги пришли к выводу, что мастодонт возвращался на северо-восток Индианы каждый год весной или в начале лета, и на его клыках остались боевые шрамы, полученные в течение по крайней мере последних восьми лет – по всей видимости, во время стычек за самок; он умер от колотой раны в голову в последнем бою, не дожив до своего тридцатипятилетия²⁹. Подобные исследования открывают путь к детальному воссозданию жизни крупной фауны Северной Америки незадолго до вымирания, которое произошло в конце последнего ледникового периода, когда люди проникли на континент.

Изменения в соотношениях изотопов, которые мы обсуждали, невелики. Как правило, они измеряются в десятых долях процента – или, иными словами, в тысячных долях. Значение 0,1 % в большинстве случаев настолько мало, что вы вполне могли бы его проигнорировать: если бы счет вашей кредитной карты, на котором лежало 850 долларов, уменьшился бы на 85 центов, вы бы, наверное, даже этого не заметили. Однако если речь идет об оценке изотопного содержания, то такая величина, во-первых, легко измерима, а во-вторых, раскрывает очень многое и позволяет нам получить сведения об истории диеты и сельского хозяйства – недоступные в ином случае, – а также предлагает по-новому взглянуть на питание и болезни наших предков и на историю их жизни и мира вокруг них.

Глава 11

Палеоклимат: измерение температуры Земли в давние времена

В 1975 году Уоллес Брокер¹, мой покойный коллега из Колумбийского университета, опубликовал в журнале Science статью под названием «Изменение климата: стоим ли мы на пороге резкого глобального потепления?»². В том году глобальная температура была на 0,03 °C ниже среднего показателя за XX век; среднее значение за предыдущие десять лет в точности совпадало со среднемноголетним. Брокер предсказал, что современные тенденции «по истечении примерно десяти лет сменятся выраженным потеплением, причиной которого станет углекислый газ». Кроме того, он предсказал, что «тенденция, в соответствии с которой экспоненциальный рост содержания углекислого газа в атмосфере становится значимым фактором, останется неизменной и к началу следующего столетия выведет среднюю планетарную температуру за пределы, наблюдавшиеся в течение последнего тысячелетия»³. В сущности, с 1977 года, по прошествии полутора лет с момента публикации статьи, и по сей день глобальная температура каждый год превышала среднемноголетнюю с постоянным повышением на 0,14 °C за десятилетие – и так продолжалось до 2015 года, после чего потепление ускорилось. В 2020 году температура была на целый градус Цельсия выше средней температуры XX века – этот показатель на Земле был выше, чем за несколько тысяч минувших лет.

Если учесть типичные условия, характерные для десятилетия, предшествовавшего 1975 году, то станет ясно, что Брокер не высказывал предположение о будущем, экстраполируя существующую тенденцию, а делал четкий и точный прогноз, в основе которого лежала физика. В этой главе мы уделим внимание выявлению температур в далеком прошлом – это поможет увидеть, что может ждать нас в будущем. Поэтому, наверное, стоит потратить немного времени и понять, что именно определяет температуру Земли (или любой планеты).

Настройка термостата

Есть очень простое уравнение, позволяющее вычислить температуру любого объекта, будь то планета или ваша невестка:

Входящая энергия = исходящая энергия

Более 99,97 % энергии, поступающей на поверхность Земли, приходит к нам от Солнца⁴. В главах 3 и 4 мы уже говорили о том, что именно температура на поверхности Солнца становится мерой того, насколько быстро там движутся атомы (в основном ионы), и скорость этих частиц определяет длину волны излучаемого ими света. Температура поверхности Солнца составляет 5780 К, отчего излучается желто-зеленый свет с длиной волны около 500 нанометров, который находится в самом центре октавы длин волн, доступных нашему зрению⁵.

Атмосфера Земли почти полностью прозрачна для волн такой длины, поэтому сквозь нее проходит почти вся эта энергия, за исключением той части, которую облака отражают обратно в космос. С дополнительной порцией, достигающей Земли, происходит то же самое – она уходит в космические пространства, отскакивая от ледяных щитов, пустынь и других блестящих поверхностей. Никакая часть этого отраженного света не вносит вклад в энергетический баланс нашей планеты. В общей сложности около 69 % энергии Солнца, падающей на верхние слои атмосферы, поглощается Землей, а оставшийся 31 % отражается в космос.

Если бы этим все и ограничилось, Земля становилась бы все жарче и жарче, как духовка без термостата. Чтобы поддерживать достаточно стабильную температуру, наша планета должна излучать обратно в космос ровно то же количество энергии, которое она поглощает, – и она это делает. Однако у излучаемой энергии – по сравнению с поглощаемой – есть одно невероятно важное отличие. Поскольку температура Земли (в среднем) составляет 16 °C = 289 К, наша планета излучает эту энергию на длинах волн значительно более высоких, чем те, на которых к ней приходит энергия от Солнца с температурой 5780 К. Поскольку Земля примерно в двадцать раз холоднее, пик исходящего света приходится на инфракрасную часть спектра, со средней длиной волны в двадцать раз выше, или около 10 000 нанометров. И атмосфера не прозрачна для всех этих длин волн. В частности, молекулы водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂), озона (O₃), метана (CH₄), закиси Азота (N₂O) и других веществ, содержащихся в воздухе, поглощают часть исходящих длин волн и излучают их обратно к земной поверхности.

Опять же, если бы происходило только это, мы оказались бы в духовке. Но наличие слоя поглощающих газов, отбрасывающих обратно излишек энергии, приводит к тому, что поверхность нагревается (напомним, что энергию необходимо сохранять, она не может просто так взять и исчезнуть). Из-за этого молекулы океана и суши, в свою очередь, вибрируют немного более энергично, повышая температуру и сокращая длины излучаемых волн до тех пор, пока они не станут достаточно короткими, чтобы пройти сквозь преграду и уйти в космос. Это явление называется парниковым эффектом, поскольку стекло теплицы примерно так же пропускает солнечный свет, но оказывается частично непрозрачным для исходящего инфракрасного излучения и, таким образом, нагревает воздух внутри теплицы. Если бы не атмосферный покров, средняя температура Земли составляла бы около –5 °C, и планета, вероятно, представляла бы собой заледеневший мир, на котором жизнь вполне могла бы никогда не возникнуть. Парниковый эффект, как одеяло в промозглый вечер, – вещь хорошая.

Однако хорошего может быть слишком много. Если холодным вечером вы укроетесь пятью одеялами, то, скорее всего, через час проснетесь в поту – вы заблокировали все тепло, которое пытается покинуть ваше тело в форме инфракрасного излучения, и поскольку ваша пищеварительная система беспечно работает, высвобождая энергию из того мороженого, которое вы съели на десерт, ваша температура начинает повышаться.

Глобальное потепление, предсказанное Брокером, представляет собой именно такое явление. Углекислый газ выбрасывается в атмосферу, когда атомы Углерода в ископаемом топливе (давно вымершие растения, поглощавшие CO₂ из воздуха 100 с лишним миллионов лет назад, в эпоху динозавров) сгорают (иными словами, соединяются с O₂) и снова выделяют углекислый газ, CO₂. А растущее количество молекул атмосферного CO₂ действует подобно лишнему одеялу. С начала промышленной революции, начавшейся в конце XVIII века, мы выбросили в атмосферу примерно 1000 миллиардов тонн CO₂. Поэтому, как и предсказывал Брокер, температура земной поверхности возрастает до уровня, которого не наблюдалось уже долгие тысячи лет.

Хотя изменение температуры на 1 °C может показаться не очень значительным, его последствия уже очевидны – это и более интенсивные и долгие периоды аномальной жары, и лесные пожары от Амазонки до Сибири, и более сильные шторма, и таяние ледников, и повышение уровня моря, и изменение характера засухи, вполне способной подорвать сельскохозяйственное производство, необходимое для того, чтобы прокормить 8 миллиардов человек, живущих на планете. Как отмечалось выше, рост температуры, похоже, ускоряется, и лучшие современные модели предсказывают, что, если мы продолжим идти нынешним путем, среднее повышение глобальной температуры составит как минимум 4 °C к концу нынешнего столетия. Прогнозируемый рост температуры приведет к колоссальным потрясениям во всем мире, в том числе и к вынужденной миграции сотен миллионов людей; к массовой нехватке продовольствия; к повышению уровня моря на метр и более, что приведет к затоплению многих прибрежных городов; и ко многим другим пагубным последствиям. Насколько мы уверены в этих предсказаниях?