Евгений Гернет - Ледяные лишаи

• Название: Ледяные лишаи
• Автор: Евгений Гернет
• Издательство: Наука
• Жанр: Научпоп
• Год: 1981

Эта книга, изданная в 1930 г. очень малым тиражом, долго оставалась мало кому известной. Однако ее выход явился крупным событием в науке; ее автор логически обосновал новую теорию оледенения Земли, заслуживающую пристального внимания. Те же идеи на 25 лет позже были высказаны американскими учеными и получили широкую известность, а многие положения, впервые сформулированные Е. С. Гернетом, стали в настоящее время общепризнанными. Переиздание книги восстанавливает приоритет отечественной науки в важном вопросе ледниковой теории — происхождении и причинах ледниковых эпох. О научном и практическом значении теории Гернета и о ее современном развитии рассказывается в приложении к книге, написанном доктором географических наук О. П. Чижовым.

---

Современным представителем ледяных щитов этого типа является ледяной покров Западной Антарктиды, причленившийся и слившийся с ледяным покровом Восточной Антарктиды в единый ледяной щит. Подледная Западная Антарктида представляет собой архипелаг островов с довольно глубокими морями между ними, более глубокими, чем Баренцево или Карское море, и тем не менее ныне до дна заполненными льдом. Основание льда Западной Антарктиды опускается местами до глубины 2500 м ниже уровня моря, т. е. в ходе своего образования лед вытеснил воду и заполнил глубокие проливы между островами. Многие ученые считают, что в отличие от большей части Антарктического ледника — ледяного щита Восточной Антарктиды, неизменно существующего многие миллионы лет, Западная Антарктида неоднократно разрушалась. Возможность ее деградации не исключена и в недалеком будущем, что повлечет за собой катастрофически быстрое повышение уровня Мирового океана на 5–7 м. Образование материково-морских ледяных щитов следовало за образованием собственно-материковых. Оно облегчалось понижением уровня моря, неизбежным в ходе разрастания оледенения, и растеканием ледяных шапок на островах на освобождающуюся вокруг них от воды часть материковой отмели. Отдельные ледяные шапки на островах разрастались и сливались вместе и за счет многолетнего припая, образовывавшегося на мелководных участках.

Возможность разрастания и сокращения покровных ледников в течение сравнительно короткого времени подтверждают расчеты. После максимального распространения Скандинавского ледника на равнины Восточной Европы, что было 18 тыс. лет назад, к 10 тыс. лет назад его край отступил в Южную Финляндию и Швецию, а к 7 тыс. лет назад сократился до размеров небольших разобщенных ледников в горах Скандинавии. За сравнительно короткое время (приблизительно в 20 тыс. лет) край ледника продвинулся на юг на 1200 км, а затем за 10 тыс. лет отступил на то же расстояние в обратном направлении. Расчеты показывают, что при вероятных (по современным наблюдениям на ледниках) величинах снегонакопления и стаивания такое наступание и последующее отступание за указанное время были вполне возможны. Были рассмотрены две возможности разрастания оледенения: растекание из орографического центра и постепенное накопление фирна и льда на равнине. Первый способ более вероятен по ряду соображений, однако и второй нельзя отвергать, тем более что он на первый взгляд легче объясняет быстрое оледенение огромных пространств. Но расчеты баланса льда по вероятным величинам зимнего накопления снега и летнего стаивания показывают невозможность непосредственного оледенения равнин. Наоборот, расчет растекания льда со Скандинавских гор, где зародились ледники, свидетельствует о реальности распространения и сокращения оледенения за сравнительно короткое время при вполне возможных величинах снегонакопления и таяния[41].

Западная Антарктида — современный покровный ледник материково-морского типа (схема Дж. Мерсера, 1970)

1 — лед на суше; 2 — лед на плаву; 3 — лед на морском дне

По достижении покровным ледником некоторой (сравнительно небольшой) величины — нижнего критического размера — благодаря каким-то изменениям климата, дальнейший рост ледника идет спонтанно (или самосильно, как писал Гернет); ледник растекается независимо от климата до достижения верхнего критического размера. В то же время он охлаждает климат и расширяет этим пределы своего саморазвития[42]. Этот вывод подтверждается математическим анализом, вытекающим из механики движения льда[43]. Растекание льда покровных ледников и изменение ими климата положил в основу своей теории автоколебаний климата и оледенения югославский географ Т. Шегота[44].

И. Вертман рассчитал растекание льда покровных ледников северного полушария, вызванное колебаниями инсоляции по астрономическим причинам[45]. При этом он не рассматривал колебания температуры у земной поверхности из-за колебаний инсоляции, а просто использовал тот факт, что с широтой инсоляция уменьшается. Ослабление- инсоляции равносильно увеличению широты или понижению климатической снеговой линии (точнее говоря, нижнего уровня хионосферы). Изменения инсоляции можно свести к изменению высоты снеговой линии. Его расчеты показывают, что повышение и понижение снеговой линии параллельно самой себе возможны в пределах от 500 м ниже уровня моря до 1300 м выше его (ее современная высота на 70–80° с. ш. — 200–300 м над уровнем моря). Уклон снеговой линии Вертман принимает равным 0,001, т. е. 100 м на 1° широты.

Пользуясь моделью растекания льда в покровном леднике как твердого тела совершенной пластичности, Вертман рассчитывает пределы растекания и сокращения ледника в соответствии с колебаниями инсоляции. Его расчетный ледник растекается на юг и на север. На северном крае он стекает в море, обламываясь айсбергами, а на южном стаивает. Стаивание на южном крае равно расходу на айсберги на северном.

Расчеты Вертмана по принятой им модели покровного ледника хотя и не настолько точны, чтобы прогнозировать будущее наступание ледников по предвычисленному ходу инсоляции, все же очень интересны. Они показывают, что колебания климата и оледенения, возникшие в определенных географических условиях, сложившихся к началу четвертичного периода, связаны с колебаниями инсоляции, но последние действуют не непосредственно, не сами по себе, а лишь через оледенение. Не будь ледников, климатическое влияние изменений инсоляции было бы малозаметным.

Системный анализ колебаний оледенения и климата. Ледниковая теория (или теория колебаний оледенения и климата) развивается также и в связи с успехами прикладной математики и вычислительной техники, с применением быстродействующих электронных вычислительных машин (ЭВМ). Методы теории систем управления позволили составить математическую модель динамики системы «Земная поверхность — Атмосфера», т. е. показать изменения в этой системе, вызванные взаимодействиями внутри нее.

На первых этапах исследования математическое моделирование подтвердило возможность автоколебаний в системе без какого-либо участия внешних воздействий, было так же показано, что последние лишь изменяют продолжительность циклов и амплитуду колебаний[46]. В дальнейшем в ходе исследований, проводившихся в Тихоокеанском институте географии Дальневосточного научного центра АН СССР во Владивостоке, было проведено моделирование системы с учетом реально существующих внешних воздействий — колебаний инсоляции и повышения суши[47].

Рассматриваемая система — атмосфера с подстилающей ее земной поверхностью — включает ледники, морские льды, океан и сушу. Климатическое значение суши в этой системе относительно невелико из-за небольшой ее теплоемкости и средней величины альбедо. Наибольшим альбедо обладает снег, отражающий 80 % падающей солнечной энергии, а наименьшим — вода, альбедо которой не превышает 10 %. Поэтому снег и лед нагреваются солнечными лучами очень мало. Наибольшим аккумулятором тепла является океан. Альбедо суши — 20–30 %.

Систему «Земная поверхность — Атмосфера» будем в дальнейшем называть, следуя Сергиным, системой «Ледники — Океан — Атмосфера». Первые два ее звена обладают большой тепловой инерцией, что оказывается очень важным для динамики всей системы. Вода имеет самую большую теплоемкость — 1 кал/г на 1 °C, она медленно нагревается и также медленно остывает. Ледники — холодильники планеты; на таяние 1 г льда нужно затратить 80 кал тепла, и пока лед не растаял, температура талой воды не поднимается выше 0 °C, а масса покровных ледников огромна (вспомним, что она равна 60—80-метровому слою воды, разлитому равномерно по поверхности Мирового океана, — 360 млн. км2). Через атмосферу же происходит основной обмен теплом.

Пользуясь методами теории систем управления, была составлена функциональная схема системы «Ледники — Океан — Атмосфера». Эта схема дает понятие о замкнутой цепи взаимосвязей, возникающих под действием постоянного источника энергии вне системы — солнечного тепла. Она затем заменяется так называемой операторной схемой, в которой для каждой связи между величинами подбирается математическая зависимость. Их совокупность представляет собой систему дифференциальных уравнений, решение которой в численном виде производится на ЭВМ; Полученный результат показывает ход изменений во времени всех входящих в систему величин.

Функциональная схема системы «Ледники — Океан — Атмосфера» (по В. Я. и С. Я. Сергиным)

Схема показывает, как влияют друг на друга учитываемые ею величины. Например, испарение зависит от температуры и интенсивности атмосферной циркуляции. Испарение, в свою очередь, определяет осадки и облачность, которые, изменяясь, влияют на температуру через изменение притока к земной поверхности солнечной энергии, и т. д.