С течением времени меняется не только направление земной оси под влиянием прецессии, но и величина наклона оси Земли. В настоящее время она находится на расстоянии 23,44° от перпендикуляра к плоскости орбиты Земли – Солнца. Наклон будет медленно уменьшаться до минимума в 22,1°, а затем снова постепенно возрастет и достигнет максимума в 24,5°, прежде чем вернуться к своему текущему значению. Интенсивность времен года зависит от величины наклона, поэтому этот процесс также может повлиять на долгосрочный климат. Один цикл от минимального наклона до максимального и обратно занимает 41 000 лет.

Наконец, меняется форма самой орбиты. Сегодня наша эллиптическая орбита на 1,67 % отличается от идеального круга. Даже это небольшое искажение уменьшается и достигнет минимума всего в 0,5 % от круга, а затем снова увеличится до максимального значения в 5,8 %. В этом верхнем пределе разница в количестве солнечной энергии, падающей на Землю между наименьшим расстоянием, на котором она оказывается при максимальном приближении к Солнцу, и наибольшим, которого она достигает шесть месяцев спустя, гораздо более значительна, чем сегодня (12 % против 3 %). Как мы увидим, это оказывает существенное влияние на температуру Земли. Время, необходимое для перехода от максимума к минимуму и обратно, составляет примерно 100 000 лет.

Температура и атмосфера за минувший миллион лет

Циклы, о которых мы говорили, измеряются десятками и сотнями тысяч лет, и понятно, что если мы хотим судить о климате и изучить климатическую историю Земли в долговременном плане, то нам нужны «посредники» с гораздо большей памятью, чем у деревьев. К счастью, такие посредники существуют в трехкилометровом слое гренландского льда и в еще более глубоком слое, укрывшем Антарктический континент. Эти ледники образовались из снега, который накапливался постепенно, год за годом, тысячелетие за тысячелетием. Он несет в себе изотопные характеристики океанской воды, из которой произошел, и тем самым позволяет напрямую измерить мировую температуру более чем за миллион лет.

Более того, крошечные пузырьки воздуха, замороженные во льду, позволяют нам понять, какой была земная атмосфера на момент их возникновения – как если бы у нас был дальновидный химик, который собирал бы ампулы с газом каждый год на протяжении тысячи тысячелетий, датировал их и оставлял бы для нас. Кроме того, лед фиксирует радиоактивные изотопы, возникшие под влиянием космических лучей, что позволяет нам оценить активность Солнца на протяжении периода, охват которого в сто раз превышает пределы летописи годичных колец. Тонкие отложения вулканической пыли от далеких извержений позволяют нам расширить хронику геологической истории нашей планеты, а грязь из таких далеких регионов, как пустыня Гоби, обнаруженная во льдах Гренландии, указывает на усиление и ослабление штормовых условий. Некоторые даже предполагали, что в ледяной летописи могут присутствовать изотопы от ближайших взорвавшихся звезд.

Чтобы прочесть эту историю, очень долгую и полную драматических событий, мы просто пробуриваем во льду вертикальную шахту и извлекаем керн диаметром около 10 см и длиной от одного до нескольких метров. Керны каталогизируются и часто временно хранятся в снежной пещере, вырытой недалеко от места бурения. В конце концов их перемещают в постоянное место хранения, например, в хранилище ледяных кернов Национального научного фонда в Лейквуде, штат Колорадо, где в помещении объемом 1560 кубических метров при температуре –36 °C содержится 17 километров льда. Именно сюда приезжают ученые со всего мира, чтобы извлечь образцы из ядер и изучить множество оберегаемых ими тайн.

Один из важных параметров, который нам удается узнать благодаря льду – история температуры на протяжении долгого времени. Как и при работе с деревьями, мы используем соотношения тяжелых и легких изотопов Кислорода и Водорода. Венский стандарт определяет начальное значение в океане, из которого вода испаряется, образуя облака. Как отмечалось выше, более тяжелому изотопу 18O немного сложнее освободиться от своих жидких соседей, поэтому в возникающих облаках соотношение 18O/16O примерно на 0,8–1,0 % ниже, чем в воде, из которой они появились. По мере того как облако дрейфует на север или юг и остывает, его водяной пар снова конденсируется в капли дождя. Более тяжелые и медленно движущиеся молекулы воды, содержащие 18O, уплотняются быстрее и выпадают раньше, в результате чего в облаках становится еще меньше тяжелого изотопа. К тому времени, когда они достигают Гренландии или Антарктиды, содержание 18O в выпадающем там снеге может быть на 5,0 % ниже.

Конечно, точные значения зависят от температуры: чем она выше, тем быстрее колеблются молекулы H2 18O и тем легче им освободиться и взлететь. При ее повышении на каждые 1,5 °C содержание 18O увеличивается примерно на 1 миллионную долю, или на 0,05 % от обычного значения. Такое изменение легко измерить, поэтому мы можем восстановить среднюю температуру с точностью до доли градуса по всей длине керна, даже если он возник 800 000 лет тому назад, как керн с «Купола С», добытый в ходе Европейского проекта по отбору ледяного керна в Антарктиде (EPICA)19. Это соотношение в недавно образовавшемся льду на 3,4 % ниже стандартного, в то время как на пике последнего ледникового периода, который пришелся на время от 25 000 до 30 000 лет назад, оно было на 4,6 % ниже нормы20. Это соответствует глобальному изменению температуры примерно на 10 °C. Величины для Гренландии и Антарктиды, хотя и получены в разных частях океана, прекрасно соответствуют друг другу; наибольшее расхождение составляет 0,05 %, а более типичное – менее 0,015 % (или 0,4 °C).

Еще один невероятно важный показатель, измеренный в ледяных кернах, – это состав атмосферы в захваченных воздушных пузырьках. Один пузырек диаметром 1 мм содержит около 10 000 триллионов молекул воздуха, поэтому даже следовые компоненты (например N2O, содержание которого составляет 0,3 миллионной доли) будут представлены миллиардами молекул. Благодаря этому мы можем с высокой точностью измерить состав. Результаты поразительны. Например, уровень метана, сильнодействующего парникового газа, увеличивался и уменьшался каждые 100 000 лет синхронно с тем, как менялась форма орбиты Земли, и его доля варьировалась от 400 до 600 миллиардных долей. Но примерно в 1820 году его количество начало резко возрастать, и сегодня его концентрация составляет 1920 миллиардных долей – иными словами, она возросла на 380 %21. Картина с N2O аналогична, хотя и с более скромным увеличением на 30 %.