Загадката на ледниковите епохи: как малките промени водят до огромни последици

[mnogoznaiko]

Художествено представяне на Земята по време на ледников период при глациален максимум.
Изображение: Wikipedia

Хрониките на ледниковите епохи

Когато хората поглеждали изумителните пейзажи на нашата планета - от заоблените възвишения на скандинавските планини до огромните валуни*, странно разположени насред равнините в Северна Европа - те виждали свидетелства за едно драматично минало. Тези следи разказвали историята на гигантски ледници, които някога покривали обширни територии от Земята, променяйки лицето на планетата по начини, които едва тогава започвали да разбират напълно.

Историята на познанията за ледниковите епохи била удивителен пример за това колко скорошно всъщност било разбирането за планетата, която хората обитавали. Докато Исак Нютон изчислявал движението на звездите и планетите с изумителна точност още през XVII век, едва през XIX век учените постигнали консенсус относно един фундаментален факт за самата Земя - че на няколко пъти в своята история тя била покривана от огромни ледени щитове.

Доказателствата станали твърде многобройни, за да бъдат пренебрегнати. По цялата планета се откривали следи от този замръзнал някога свят: масивни, очевидно произволно разпръснати скални блокове (известни като ератични валуни), скални формации с характерни драскотини и бразди, огромни морени, оставени от отдръпващите се ледници. Геолозите постепенно осъзнали, че тези особености не можели да бъдат обяснени с потопа, както се смятало по-рано, нито с други познати геоложки процеси.

Но най-изненадващото откритие било, че не е имало само една ледникова епоха. Внимателните изследвания разкрили, че Земята преминала през поне пет големи цикъла на заледяване и затопляне. Енергията, необходима за замразяването на планетата, разтопяването ѝ и повторното ѝ замразяване, била умопомрачителна. Каква сила би могла да предизвика такива драматични промени, и то неколкократно?

Първоначалните теории за причините за ледниковите епохи се фокусирали върху мащабни геоложки събития. Някои учени предполагали, че издигането на големи планински вериги като Хималаите променило модела на атмосферните течения, което довело до глобално застудяване. Други смятали, че заледяването можело да е естественото състояние на Земята, периодично прекъсвано от масивни вулканични изригвания, които повишавали температурите.

Тези хипотези, макар и впечатляващи по мащаб, не успявали да обяснят един ключов аспект - цикличността. Издигането на планинска верига или появата на супервулкан биха могли да обяснят една ледникова епоха, но не и регулярното повтаряне на пет такива през определени интервали от време.

Било е необходимо по-деликатен механизъм, който би могъл да действа като точен часовник, отмерващ тези интервали от десетки хиляди години. И такъв механизъм бил предложен от сръбския геофизик Милутин Миланкович през първата половина на XX век.

Миланкович извършил задълбочени изчисления на промените в позицията на Земята спрямо Слънцето, отчитайки влиянието на гравитацията от Луната и другите планети. Той установил, че орбитата на Земята преминавала през периодични промени, които влияели на количеството слънчева енергия, достигаща до различните части на планетата.

Тези промени включвали три основни компонента:

1. Промени в ексцентрицитета на земната орбита (доколко елиптична е тя)
2. Промени в наклона на земната ос
3. Прецесия на земната ос (промяна в посоката, в която е насочена оста)

Комбинацията от тези три цикъла - известни днес като цикли на Миланкович - създавала сложен модел на вариации в количеството слънчева радиация, получавана от различните географски ширини през различните сезони.

Първоначално Миланкович предполагал, че ключовият фактор били особено студените зими - логично заключение, което всеки би направил. Но тук се криела една от най-интригуващите изненади в тази история.

Руският метеоролог Владимир Копен, разглеждайки внимателно изчисленията на Миланкович, направил забележително откритие, което променило разбирането за ледниковите епохи: не изключително студените зими, а прохладните лета били ключът към образуването на ледниците.

Механизмът бил елегантен в своята простота. Всичко започвало, когато летните температури не успявали да се повишат достатъчно, за да разтопят напълно снега от предходната зима. Този остатъчен сняг създавал основа, върху която по-лесно се натрупвал още сняг през следващата зима. Тъй като снегът имал високо албедо (способност да отразява слънчевата светлина), наличието на снежна покривка водело до отразяване на повече слънчева енергия обратно в космоса, което допълнително понижавало температурите.

Така се създавала положителна обратна връзка: повече сняг означавал повече отразена слънчева светлина, което означавало по-ниски температури, което на свой ред означавало повече сняг. Постепенно, в рамките на няколкостотин години, сезонната снежна покривка се превръщала в постоянен континентален леден щит с дебелина километри.

Може би най-удивителният аспект на теорията на Миланкович бил колко малка промяна в първоначалните условия била необходима, за да задейства тази трансформация. Промените в орбиталните параметри на Земята водели до отклонения в получаваната слънчева радиация от само няколко процента - количество, което на пръв поглед изглеждало незначително.

И все пак тази малка промяна била достатъчна, за да задейства каскада от ефекти, водещи до радикална промяна на планетарния климат. Както казвала глациоложката Гуен Шулц: "Не непременно количеството сняг причинявало ледената покривка, а фактът, че снегът, макар и малко, оставал траен."

Този механизъм работел и в обратна посока. Когато орбиталните параметри се променяли така, че северното полукълбо получавало повече слънчева радиация през лятото, ледниците започвали да се топят. Намаляването на снежната и ледена покривка означавало, че повече слънчева енергия се абсорбирала от земната повърхност, а не се отразявала. Това водело до допълнително затопляне, ускоряващо топенето - отново положителна обратна връзка, но в обратната посока.

Макар теорията на Миланкович да била формулирана през първата половина на XX век, решаващите доказателства за нейната правота се появили едва през 70-те години на миналия век. Тогава учените анализирали седиментни ядки от океанското дъно, съдържащи останки от микроскопични морски организми. Съотношението на изотопите на кислород в тези останки служело като индикатор за древните температури и обема на ледниците.

Анализът разкрил ясни цикли, съответстващи почти точно на предсказаните от Миланкович периоди. Това убедително потвърждение превърнало теорията на Миланкович от интересна хипотеза в общоприет научен факт.

Разбирането на механизмите, стоящи зад естествените климатични цикли на Земята, имало значителни импликации за дебата относно климатичните промени.

Първо, то напомняло, че климатичната система на Земята била изключително чувствителна към малки промени в първоначалните условия. Малки причини можели да доведат до големи последици чрез сложни вериги от обратни връзки.

Второ, то подчертавало важността на позитивните обратни връзки в климатичната система. Тогава се наблюдавали подобни механизми, като например намаляването на арктическата ледена покривка, което водело до по-голямо абсорбиране на слънчева енергия от тъмните океански води, ускорявайки затоплянето.

И накрая, историята на ледниковите епохи показвала, че климатът на Земята никога не бил статичен. Той винаги се променял, понякога драматично, в отговор на различни фактори. Разликата тогава била, че човешката дейност се превърнала в нов, безпрецедентен фактор в това уравнение.

Теорията на ледниковите епохи на Миланкович представлявала един от най-елегантните примери за научното разбиране на сложните системи. Тя показвала как малки промени в космическите параметри можели да предизвикат драматични последици на Земята чрез поредица от каскадни ефекти.

От философска гледна точка, тя също така илюстрирала колко контраинтуитивна можела да бъде природата. Интуицията би накарала хората да мислят, че причината за ледниковите епохи били особено студените зими, но истината се оказала по-деликатна - прохладните лета, които не успявали да разтопят зимния сняг.

Може би най-важният урок от тази история бил, че за да разберат сложните системи като земния климат, учените трябва да надминат интуитивното мислене и да следват внимателно данните и изчисленията, дори когато те ги водят към неочаквани заключения. Точно този подход позволил на Миланкович и Копен да разрешат една от най-големите загадки на планетарната наука и да дадат прозрение за циклите, които оформили историята на нашата планета.

*Валунът е голямо заоблено парче скала с диаметър над 20 см. Заоблената му форма се получава при транспортиране от ледници или водни потоци на дълги разстояния, както и под въздействието на вятъра в пустинни условия. Срещат се в състава на ледниковите отлагания, алувиалните, пролувиалните и делувиалните наноси.