В історії Землі існували тривалі періоди, коли вся планета була теплою — від екватора до полюсів. Але були і настільки холодні часи, що зледеніння досягали тих регіонів, які в даний час відносяться до помірних зон. Швидше за все, зміна цих періодів була циклічною. В теплі пори льоду могло бути відносно мало, і перебував він тільки в полярних регіонах або на вершинах гір. Важлива риса льодовикових періодів полягає в тому, що вони змінюють характер земної поверхні: кожне заледеніння впливає на зовнішній вигляд Землі. Самі по собі ці зміни можуть бути маленькими і незначними, але вони носять постійний характер.
Історія льодовикових періодів
Ми не знаємо точно, скільки льодовикових періодів було протягом історії Землі. Нам відомо як мінімум про п’ять, можливо, сім льодовикових періодів, починаючи з докембрійського, зокрема: 700 мільйонів років тому, 450 мільйонів років тому (ордовикський період), 300 мільйонів років тому — пермо-карбонове заледеніння, один з найбільших льодовикових періодів, що зачепив південні континенти. Під південними континентами мається на увазі так звана Гондвана — стародавній суперконтинент, що включав в себе Антарктиду, Австралію, Південну Америку, Індію та Африку.
Найнедавніше заледеніння відноситься до періоду, у якому ми живемо. Четвертинний період кайнозойської ери почався близько 2,5 мільйонів років тому, коли льодовики Північного півкулі досягли моря. Але перші ознаки цього зледеніння датуються 50 мільйонами років тому в Антарктиці.
Структура кожного льодовикового періоду періодична: є відносно короткі теплі епохи, а є більш довгі періоди зледеніння. Природно, холодні періоди не є наслідком лише одного зледеніння. Заледеніння — це найбільш наочний наслідок холодних періодів. Проте існують досить тривалі інтервали, які є дуже холодними, незважаючи на відсутність зледенінь. Сьогодні прикладами таких регіонів є Аляска або Сибір, де буває дуже холодно взимку, але зледенінь немає, так як недостатньо опадів, здатних забезпечити достатню кількість води для утворення льодовиків.
Відкриття льодовикових періодів
Про те, що на Землі бувають льодовикові періоди, нам відомо з середини XIX століття. Серед безлічі імен, пов’язаних з відкриттям цього феномена, першим зазвичай називають ім’я Луї Аґасіса, швейцарського геолога, який жив у середині XIX століття. Він вивчав льодовики Альп і усвідомив, що колись вони були набагато більшими, ніж сьогодні. Це помітив не тільки він. Зокрема, Жан де Шарпантьє, ще один швейцарець, також відзначив цей факт.
Не дивно, що ці відкриття були зроблені в основному в Швейцарії, так як в Альпах досі існують льодовики, хоч вони і досить швидко тануть. Легко помітити, що коли льодовики були значно більшими — досить подивитися на швейцарський ландшафт, троги (льодовикові долини) і так далі. Однак саме Агасіс першим висунув цю теорію в 1840 році, опублікувавши її у книзі «Еtude sur les glaciers», а пізніше, в 1844-му, він розвинув цю ідею в книзі «Systеme glaciare». Незважаючи на первісний скептицизм, з часом люди стали розуміти, що це дійсно правда.
З появою геологічного картування, особливо в Північній Європі, стало зрозуміло, що раніше льодовики мали величезний масштаб. Тоді йшли великі дискусії на тему того, як ця інформація співвідноситься з Всесвітнім потопом, бо виник конфлікт між геологічними доказами і біблійними вченнями. Спочатку льодовикові відкладення називали делювіальними, тому що їх вважали доказом Всесвітнього потопу. Лише потім стало відомо, що таке пояснення не підходить: ці відкладення були доказом холодного клімату і великих зледенінь. До початку ХХ століття стало зрозуміло, що зледенінь було безліч, а не одне, і з того часу почала розвиватися ця область науки.
Дослідження льодовикових періодів
Відомі геологічні підтвердження льодовикових періодів. Основні докази зледенінь відбуваються з характерних відкладень, сформованих льодовиками. Вони зберігаються в геологічному зрізі в формі товстих впорядкованих шарів особливих наносів (седиментів) — діаміктона. Це просто льодовикові нагромадження, але вони включають в себе не тільки відкладення льодовика, але і наноси талої води, сформовані її потоками, льодовиковими озерами або льодовиками, що рухаються в море.
Існує кілька форм льодовикових озер. Їх основна відмінність полягає в тому, що вони являють собою водне тіло, огороджене льодом. Наприклад, якщо у нас є льодовик, який піднімається в долину річки, то він блокує долину, як корок у пляшці. Природно, коли лід блокує долину, річка все ще буде текти, а рівень води буде підвищуватися до тих пір, поки не переллється через край. Таким чином, льодовикове озеро формується через прямий контакт з льодом. Існують певні відкладення, які містяться в таких озерах і які ми можемо виявити.
Через те, як тануть льодовики, що залежить від сезонних змін температури, відбувається щорічне сходження льоду. Це призводить до щорічного приросту незначних відкладень, що потрапляють з-під льоду в озеро. Якщо ми потім подивимося в озеро, ми побачимо там шаруватість (ритмічні шаруваті опади), які також відомі під шведською назвою «варви» (varve), що означає «щорічні накопичення». Таким чином, ми дійсно можемо побачити щорічну шаруватість у льодовикових озерах. Ми можемо навіть порахувати ці варви і дізнатися, як довго існувало озеро. Загалом за допомогою цього матеріалу ми можемо отримати дуже багато інформації.
В Антарктиці ми можемо побачити величезного розміру шельфові льодовики, які сходять з землі в море. І природно, лід плавучий, тому він тримається на воді. По мірі того як він пливе, він несе з собою гальку і незначні відкладення. Через тепловий вплив води лід тане і скидає цей матеріал. Це призводить до формування процесу так званого рафтингу порід, які йдуть в океан. Коли ми бачимо викопні відкладення цього періоду, ми можемо дізнатися, де був льодовик, як далеко він простягнувся і так далі.
Причини зледенінь
Дослідники вважають, що льодовикові періоди виникають тому, що клімат Землі залежить від нерівномірного прогріву її поверхні Сонцем. Так, наприклад, екваторіальні регіони, де Сонце знаходиться практично вертикально над головою, є найтеплішими зонами, а полярні регіони, де воно знаходиться під великим кутом до поверхні, — найхолоднішими. Це означає, що різниця в обігріві різних ділянок поверхні Землі управляє океанно-атмосферною машиною, яка постійно намагається перенести тепло з екваторіальних регіонів до полюсів.
Якби Земля була звичайною кулею, цей перенос був би дуже ефективним, а контраст між екватором і полюсами дуже малий. Так було в минулому. Але так як зараз є континенти, вони стають на шляху цієї циркуляції, і її структура потоків стає дуже складною. Прості потоки стримуються і змінюються — багато в чому через гори, що призводить до тих схем циркуляції, які ми бачимо сьогодні і які управляють пасатами і океанічними течіями. Наприклад, одна з теорій про те, чому льодовиковий період почався 2,5 мільйона років тому, пов’язує це явище з виникненням Гімалайських гір. Гімалаї все ще дуже швидко ростуть, і виявляється, що існування цих гір в дуже теплій частині Землі управляє такими речами, як система мусонів. Початок четвертинного льодовикового періоду також асоціюється із закриттям Панамського перешийка, що з’єднує північ і південь Америки, що запобігло перенесенню тепла з екваторіальної зони Тихого океану в Атлантичний.
Якби розташування континентів відносно один одного і відносно екватора дозволяло циркуляції ефективно працювати, то на полюсах було б тепло, а відносно теплі умови зберігалися б по всій земної поверхні. Кількість тепла, одержуваного Землею, було б постійною і лише трохи варіювалася. Але так як наші континенти створюють серйозні перешкоди циркуляції між північчю і півднем, ми маємо яскраво виражені кліматичні зони. Це означає, що полюса відносно холодні, а екваторіальні регіони — теплі. Коли все відбувається так, як зараз, Земля може змінюватися під впливом варіацій у кількості сонячного тепла, яке вона отримує.
Ці варіації практично повністю постійні. Причина цього полягає в тому, що з часом земна вісь змінюється, як змінюється і земна орбіта. З урахуванням такого складного кліматичного зонування зміна орбіти може посприяти довгостроковим змінам у кліматі, що призводить до коливання клімату. Саме тому ми не маємо суцільне обледеніння, а періоди зледенінь, які перериваються теплими періодами. Це відбувається під впливом орбітальних змін. Останні орбітальні зміни розглядаються як три окремих явища: одне довжиною в 20 тисяч років, друге — в 40 тисяч років, а третє — у 100 тисяч років.
Це призвело до відхилень у схемі циклічних змін клімату під час льодовикового періоду. Обледеніння, швидше за все, виникло під час цього циклічного періоду у 100 тисяч років. Остання міжльодовикова епоха, яка була такою ж теплою, як нинішня, тривала близько 125 тисяч років, а потім настала тривала льодовикова епоха, яка зайняла близько 100 тисяч років. Зараз ми живемо в чергову міжльодовикову епоху. Цей період не буде тривати вічно, тому в майбутньому нас чекає чергова льодовикова епоха.
Чому завершуються льодовикові періоди
Орбітальні зміни змінюють клімат, і виявляється, що льодовикові періоди характеризуються чергуваннями холодних періодів, які можуть тривати до 100 тисяч років, і теплих періодів. Ми називаємо їх льодовиковими (гляціал) і міжльодовиковими (інтергляціал) епохами. Міжльодовикова епоха зазвичай характеризується приблизно такими ж умовами, що ми спостерігаємо і сьогодні: високий рівень моря, обмежені території обмерзання і так далі. Природно, і зараз існують зледеніння в Антарктиді, Гренландії та інших подібних місцях. Але в цілому кліматичні умови відносно теплі. В цьому суть інтергляціала: високий рівень моря, теплі температурні умови і в цілому досить рівний клімат.
Але під час льодовикової епохи середньорічна температура значно змінюється, вегетативні пояса змушені зміститися на північ або південь залежно від півкулі. Регіони на зразок Кембриджа стають безлюдними, принаймні взимку. Хоча вони можуть бути жилими влітку через сильно виражені контрасти між сезонами. Але що насправді відбувається: холодні зони істотно розширюються, середньорічна температура знижується, і загальні кліматичні умови стають дуже холодними. У той час як найбільші льодовикові події обмежені за часом (можливо, близько 10 тисяч років), весь довгий холодний період може тривати 100 тисяч років або навіть більше. Так виглядає льодовиково-міжльодовикова циклічність.
Завдяки тривалості кожного періоду важко сказати, коли ми вийдемо з поточної епохи. Це обумовлено тектонікою плит, розташуванням на поверхні континентів Землі. В даний час Північний полюс і Південний полюс ізольовані: Антарктика знаходиться на Південному полюсі, а Північний Льодовитий океан на півночі. Через це існує проблема з циркуляцією тепла. До тих пір поки не зміниться розташування континентів, цей льодовиковий період триватиме. У відповідності з довгостроковими тектонічними змінами можна припустити, що це займе ще 50 мільйонів років у майбутньому, поки не відбудуться суттєві зміни, які дозволять Землі вийти з льодовикового періоду.
Геологічні наслідки
Це вивільняє величезні ділянки континентального шельфу, які сьогодні затоплені. Це буде означати, наприклад, що одного разу можна буде пройти пішки з Британії до Франції, Нової Гвінеї в Південно-Східну Азію. Одне з найбільш критичних місць — це Берингова протока, що зв’язує Аляску зі східним Сибіром. Вона досить мілка, близько 40 метрів, так що якщо рівень моря опуститься до ста метрів, то ця ділянка стане сушею. Це важливо також тому, що рослини і тварини зможуть мігрувати через ці місця і потрапляти в регіони, куди сьогодні потрапити не можуть. Таким чином, колонізація Північної Америки залежить від так званої Берінгової протоки.
Тварини і льодовиковий період
Важливо пам’ятати, що ми самі є «продуктами» льодовикового періоду: ми еволюціонували протягом нього, тому ми можемо його пережити. Однак справа не в окремих індивідах — це питання всієї популяції. Проблемою сьогодні є те, що нас занадто багато і наша діяльність суттєво змінила природні умови. У природних умовах багато тварин і рослини, яких ми бачимо сьогодні, мають довгу історію і відмінно переживають льодовиковий період, хоча є і ті, що еволюціонують незначно. Вони мігрують, адаптуються. Існують зони, в яких тварини і рослини пережили льодовиковий період. Ці так звані рефугіуми розташовувалися далі на північ або південь від їхнього сьогоднішнього місця поширення.
Але в результаті людської діяльності частина видів загинула або вимерла. Це відбувалося на всіх континентах, — можливо, за винятком Африки. Величезна кількість великих хребетних, а саме ссавців, а також сумчастих в Австралії, було винищено людиною. Це було викликано або безпосередньо нашою діяльністю, наприклад полюванням, або опосередковано — руйнуванням середовища їх проживання. Тварини, що мешкають в північних широтах сьогодні, в минулому жили в Середземномор’ї. Ми зруйнували цей регіон настільки, що цим тваринам і рослинам, швидше за все, буде дуже складно знову колонізувати його.
Наслідки глобального потепління
У нормальних умовах за геологічними мірками ми б досить скоро повернулися в льодовиковий період. Але через глобальне потепління, яке є наслідком людської активності, ми відтерміновуємо його. Ми не зможемо зовсім йому запобігти, так як причини, що його викликали в минулому, існують і зараз. Діяльність людини, непередбачуваний природою елемент, що впливає на атмосферне потепління, яке вже, можливо, викликало затримку наступного гляціала.
Сьогодні зміни клімату — це дуже актуальне і важливе питання. Якщо Гренландський крижаний щит розтане, то рівень моря підніметься на шість метрів. В минулому, під час попередньої міжльодовикової епохи, яка була приблизно 125 тисяч років тому, Гренландський крижаний щит рясно танув, а рівень моря став на 4-6 метрів вище сьогоднішнього. Це, звичайно, ще не кінець світу, але і не тимчасова складність. Врешті-решт, Земля оправлялася від катастроф і раніше, вона зможе пережити і цю.
Довгостроковий прогноз для планети непоганий, але для людей це інше питання. Чим більше ми проводимо досліджень, чим краще розуміємо, як Земля змінюється і до чого це веде, тим краще ми розуміємо планету, на якій живемо. Це важливо, тому що люди нарешті почали замислюватися про зміну рівня моря, глобальне потепління і вплив всіх цих речей на сільське господарство і населення. Багато чого з цього пов’язане з вивченням льодовикових періодів. За допомогою цих досліджень ми дізнаємося механізми зледенінь, і ми можемо використовувати це знання з попередженням, намагаючись пом’якшити деякі з цих змін, які самі викликаємо. Це і є один з основних результатів і одна з цілей досліджень льодовикових періодів.
Звичайно, головний наслідок льодовикового періоду — це величезні льодовикові щити. Звідки береться вода? Звичайно, з океанів. А що відбувається під час льодовикових періодів? Льодовики формуються як наслідок опадів на суші. Саме тому, що вода не повертається в океан, рівень моря падає. У часи найбільш сильних зледенінь рівень моря може впасти більш ніж на сто метрів.