Сквозь весь фанерозой проходит трехлетняя смена циклов, и столь же постоянны одиннадцатилетние колебания климата. Их можно наблюдать и в нижнем кембрии бассейна Лены, и в ордовике Центральной Сибири, и в каменноугольных отложениях Тянь-Шаня, и в эоценовых сланцах Северной Америки.
А диаграммы слоистости четвертичных отложений с завершающей полнотой подчеркивают общую закономерность. И здесь протяженность планетарных колебаний климата сохраняется прежней: 3, 11 и 25-35 лет.
Проявление трехлетних ритмов можно проследить в колебаниях уровня замкнутых морей (например, Каспийского) и в современном изменении количества ежегодно выпадающих атмосферных осадков. Одиннадцатилетний период соответствует появлению солнечных пятен. Не исключено, что и другие циклы также отражают влияние на климат Земли каких-либо изменений солнечной активности, природа которых сегодня еще не установлена.
Можно только отметить, что если трехлетние циклы соответствуют некоторому «нормальному» состоянию климата, то ритмы более высоких порядков связаны с процессами, вызывающими периодическое понижение среднегодовой температуры и общее ухудшение климатических условий. Такую же роль, по-видимому, играют и семидесятилетние климатические периоды, которые можно проследить и в четвертичное время, например, в дюнных отложениях Средней Азии. Однако циклы более высоких порядков изучены пока еще недостаточно.
В 30-х годах нынешнего века в Берлине была опубликована любопытная работа. Ее автор сербский физик Милютин Миланкович предлагал вниманию специалистов построенную им кривую солнечной радиации. Такие кривые и раньше вычерчивались астрономами, но новое построение отличалось от всех предшествующих: оно охватывало интервал времени протяженностью 600 тыс. лет.
На кривой Миланковича хорошо заметны периоды, приближающиеся к 21 тыс. лет, т. е. отвечающие солнечному циклу предварения равноденствий. Возможно, что отражением этих периодов в геологической истории является чередование ледниковых и межледниковых эпох.
Из анализа фактов, собранных геологами и палеоклимато-логами, напрашивается вывод о планетарном значении и постоянстве крупных климатических циклов на протяжении всего доступного изучению геологического времени начиная с архея или, во всяком случае, с протерозоя. А это в свою очередь заставляет предположить, что существуют некие формирующие климат силы, действующие на планету извне. На передний план снова выступают признаки похолодании и связанных с ними оледенении. Особенно интересны в этом отношении оледенения, сказавшиеся на флоре и фауне всей или почти всей планеты.
Последнее оледенение произошло в четвертичном периоде. Ему предшествовало повсеместное похолодание. Более 2 млн. лет назад появились первые признаки понижения температуры. Они оставили слабые следы в плиоценовых отложениях Черноморского бассейна. Но во второй половине плиоценовой эпохи новые волны холода залили Землю. Горные области покрылись ледниками.
На территории нынешних Испании, Франции, Северной Италии, Австрии и Украины развивались в это время отложения, свидетельствующие об изменении климата. Сходная обстановка наблюдалась и в Азии: на Алтае, на севере Патомского нагорья, в Западном Приверхоянье и в приуральской части Западно-Сибирской низменности. Влияние наступивших холодов сказалось и на температурном режиме морских бассейнов. Беднее и однообразнее стал органический мир морей, далеко на юг проникли водные животные арктического облика. Затем волна холодов ненадолго отхлынула, чтобы вернуться с удвоенной силой.
Около 500 тыс. лет назад началось настоящее материковое оледенение. Оно охватило Европу, Сибирь и Канаду. Временами ослабевая, холод продолжал натиск и около 230 тыс. лет до наших дней достиг своего максимума. После этого оледенение стало отступать. Заметное похолодание коснулось Земли в меловом периоде. Последний раз ледники пытались возобновить свою атаку 25 тыс. лет назад.
Мощное оледенение произошло на грани каменноугольного и пермского периодов. Оно продолжалось несколько миллионов лет. Основное поле его действия располагалось в Южном полушарии, где, по мнению многих геологов, простиралась в это время обширная, ныне не существующая провинция Гондвана.
В Северном полушарии следы этого оледенения изучены недостаточно. Может быть, его свидетелями являются неслоистые, мелкозернистые, наполненные валунами породы - тиллиты, найденные близ Бостона в Северной Америке. Не исключена возможность, что к ледниковым относятся также родственные им породы, открытые на р. Сакмаре (Южный Урал). Правда, надо оговориться, что некоторые видные геологи не разделяют этого мнения. Зато можно считать установленным, что на западе Сибирской платформы в это время был прохладный климат с отчетливо выраженной многолетней цикличностью.
Значительное материковое оледенение происходило и в ордовикском периоде. На территории Англии, Тюрингии, на крайнем севере Европы, в бассейне р. Святого Лаврентия (Канада), в Боливийских Андах и Южной Африке встречаются ледниковые отложения этого возраста. Имеются они и на Среднем Урале в бассейнах рек Вишеры и Косьвы.
Куда более сильный холод охватывал Землю еще раньше - на границе позднего протерозоя и кембрия. Нет на земном шаре ни одной значительной области распространения верхне-докембрийских отложений, где не были бы встречены следы этого грандиозного понижения температуры.
Радиологические методы позволили установить абсолютный возраст эпох, в которые наша планета подвергалась нашествию холода. Оказалось, что эти критические моменты истории Земли располагаются через приблизительно равные промежутки времени.
Факты планетарных похолодании известны и в докембрий-ских образованиях. 700 или 800 млн. лет назад, очевидно, произошли какие-то серьезные изменения в химическом составе газовой оболочки Земли. По всей вероятности, они были тесно связаны с изменением климата.
1 млрд. лет до наших дней имело место крупное оледенение, получившее название гуронского. А рубеж в 1,2 млрд. лет охарактеризован еще одним - тимискаминским - наступлением ледника. Таким образом, на протяжении около 1 млрд. лет великие оледенения, по-видимому, повторяются через каждые 190-200 млн. лет. Эти цифры, конечно, весьма приблизительны и требуют уточнения, но общая закономерность отражает действительное положение вещей.
Для более древних отложений имеется значительно меньше данных о времени, характере и площадях распространения оледенении. Но сколь ни скудны эти сведения, обращает на себя внимание интересное совпадение: среди оценок абсолютного возраста предполагаемых ледниковых образований часто фигурируют даты 1200, 1650, 2000 и 2650 млн. лет. Создается впечатление, что и здесь временные интервалы кратны 200 млн. лет.
Интересно, что протяженность вычисленного ныне промежутка между великими оледенениями совпадает с очень важной величиной, которая совершенно независимо от геологов была установлена астрономами. Эта величина - продолжительность космического, или галактического, года, т. е. то время, за которое Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Галактики. Она тоже составляет 190- 200 млн. лет. Едва ли такое совпадение может быть случайным.
Движение Солнечной системы из внутренних, изобилующих звездными мирами областей Галактики в ее разреженные периферические участки (а также обратное перемещение), по всей вероятности, не может не оказывать влияния на нашу планету. Такое перемещение неизбежно должно сказаться на скорости движения Земли, а следовательно, должно отразиться и на характере энергетических процессов, протекающих в атмосфере, гидросфере и твердых оболочках планеты.
Можно предположить, что общее похолодание и великие оледенения наступали в то время, когда Солнечная система находилась на участке своей орбиты, расположенном в наиболее далеко отстоящих от центра Галактики областях, обладающих минимальной звездной плотностью.
За последние 3 млрд. лет по крайней мере 15 раз приходили на Землю подобные космические зимы. Возможно, они не были полностью похожи друг на друга и могли различаться степенью похолодания. Некоторые астрономы предполагают, что Земля и сейчас находится в разреженной наружной зоне Галактики.
Но космическая зима намного короче того периода, когда Солнце/пребывает в пространстве, насыщенном звездными системами. Поэтому одна из ближайших задач геологов - найти/такие признаки, по которым можно было бы изучать тепловую палеоклиматическую зональность космического года.
Галактическая орбита Солнечной системы. Для наглядности размах отклонений траектории Солнечной системы от плоскости Галактики значительно увеличен.
Не подлежит сомнению, что кроме циклов в 200 млн. лет существуют и другие - более короткие - геологические и палеоклиматические ритмы. 10 млн. лет - это примерная продолжительность космической зимы. Но за время каждого оледенения происходило неоднократное чередование волн тепла и холода. Еще предстоит выяснить их периодичность и отыскать причины, вызывающие эти перемены.
До недавнего времени было предпринято много попыток объяснить оледенения как результат процесса образования гор, поглощающего большое количество энергии. Гипотеза о связи оледенении с горообразованием, казалось, находила подтверждение при изучении местных горных оледенении. Однако закономерности материковых оледенении никак не укладывались в рамки этой гипотезы.
Было установлено, что крупные этапы горообразования проявляются примерно каждые 38-45 млн. лет. Эти цифры никак не согласовываются с возрастом великих оледенении. Время формирования гор не совпадает с эпохами похолодании и даже не предшествует им.
В 1954 г. советский астроном Павел Петрович Паренаго установил, что в процессе движения по своей орбите Солнечная система совершает плавные волнообразные колебания, направленные перпендикулярно к плоскости Галактики. Период таких колебаний равен приблизительно 85 млн. лет.
Эта величина сразу заинтересовала геологов. Она была в среднем вдвое больше, чем интервал между соседними фазами горообразования. Так наметился еще один цикл в развитии планеты, равный полупериоду колебания Солнечной системы по отношению к плоскости ее движения. И уже имеются соображения, что горообразующие силы наиболее интенсивно проявляются в те отрезки времени, когда Солнечная система (и Земля в том числе) пересекает плоскость Галактики.
Нет сомнения, что космические причины влияют не только на климат нашей планеты. Их видимая связь с горообразовательными процессами заставляет искать и другие отзвуки космической жизни Земли, которые позволили бы установить продолжительность геологических явлений.
Проходя по лесу, остановитесь у старого замшелого пня. Сотрите мохнатый покров со среза. Перед вами откроется похожая на паутину сеть концентрических кругов, перечеркнутая радиальными трещинами, - кольца дерева. Они могут поведать о рождении растения, о долгих осенних дождях и ярком июльском солнце, о месяцах цветения, плодородных годах, безводных временах...
Тщательно изучая древесные кольца, ученые шаг за шагом восстанавливают историю леса, историю природы, историю жизни. Десятилетие за десятилетием всплывают перед глазами человека, сумевшего разгадать язык деревьев.
Совсем недавно родилась эта наука, получившая название дендрохронологии, - наука о закономерностях изменения толщины колец роста растений.
В Сибири и на Украине, в преддверии Аляски и на солнечных склонах Апеннинских гор - в любом месте умеренной и холодной зон деревья обладают замечательным свойством, известным любому из нас с детства: каждый год, будь то злая засуха или сплошные ливни, на стволе деревьев нарастает новый слой древесины. Эти слои прироста известны под названием годичных колец, ибо за год обычно образуется одно такое кольцо.
Ширина годичных колец крайне изменчива. Температура, количество выпавших осадков, число солнечных дней, режим окрестных водоемов, нападения насекомых-вредителей - все эти причины либо способствуют росту дерева, либо приостанавливают его. На толщину ежегодного прироста влияют еще и внутренние биологические силы, например, возраст растения, периодичность, с которой оно плодоносит, обильность плодоношения в нынешний год, интенсивность питания и обмена веществ, а также положение интересующего нас слоя древесины в стволе.
Все эти обстоятельства, складываясь вместе, воздействуют на организм дерева и создают благоприятную или неблагоприятную обстановку для его роста. В те годы, когда условия внешней среды неблагоприятны для растения, годичные кольца его выглядят угнетенными - это тонкие окружности, порой едва различимые даже на свежем срезе. Если же год был благоприятным для дерева, образуются отчетливые широкие кольца.
Одни и те же природные факторы могут оказывать неодинаковое влияние на разные породы деревьев. Жаркое солнечное лето способно оживить одно растение и приблизить гибель другого. В таком случае и кольца роста этих деревьев разовьются по-разному. Другое дело - условия неблагоприятные. Будет ли чрезмерное увлажнение, повеют ли устойчивые иссушающие ветры, нападут ли на лес насекомые или вдруг оскудеет почва - все это не замедлит сказаться на каждом растении. На десятки и сотни километров окрест зеленые обитатели леса ответят на эти явления одинаково: их кольца прироста, образовавшиеся в этот год, будут тонкими, болезненными.
Толщина колец роста во многом зависит и от возраста дерева. Чем моложе растение, тем шире его кольца. В один и тот же год у старых и молодых деревьев образуются кольца различной толщины. Случается иногда даже так, что при самых неблагоприятных условиях на молодых деревьях возникают кольца более широкие, чем появившиеся на древесине старого дерева в самые благоприятные для него годы. Зная эту особенность роста деревьев, можно заключить, что сравнивать между собой годовые кольца деревьев разного возраста бесполезно.
Но если мы проследим, как изменяется толщина слоев нарастания по сравнению с предшествующими и последующими годичными кольцами, перед нами откроются широкие возможности для тех или иных выводов. Среди различных сил, способствующих росту дерева, главнейшую роль играют свет, тепло и влажность. Изменения климата: долгие дожди или затяжной зной, морозы, зимние заносы или бесснежные зимы - обычно наблюдаются на огромных территориях. Поскольку погодные условия связаны с активностью Солнца и состоянием атмосферы, единообразное действие их проявляется на большой площади, оказывая влияние на развитие всего живого.
Отражаются эти изменения и на древесине, обусловливая на ней кольца роста различной толщины. Но поскольку силы, побуждающие рост дерева, и особенно те из них, которые оказывают на растения отрицательное влияние, действуют на больших участках земной поверхности одновременно, то и колебания толщины годичных колец деревьев должны быть синхронными.
Различные породы деревьев по-разному реагируют на изменения внешней среды. Одни из них отчетливо запечатлевают историю природы в своих ежегодных слоях прироста, другие проявляют большее безразличие к внешним условиям. Поэтому и «книга» годичных колец читается то легко, а то с трудом.
Самые отчетливые годичные кольца мы находим у сосны. Не уступают ей и многие другие хвойные деревья, с которыми обычно и предпочитают работать специалисты-дендрохроно-логи. Зато у лиственных деревьев кольца роста, как правило, менее отчетливые, иногда совсем неясные, и восстанавливать по ним минувшую обстановку намного сложнее.
Колебания толщины годичных слоев можно изобразить на графике. Если потом сравнивать такие графики, построенные для нескольких деревьев, срубленных одновременно, можно увидеть, что закономерность, с которой чередуются узкие и широкие кольца на каждом из срезов, повторяется на всех чертежах. Рассматривая зигзагообразные линии, характеризующие интенсивность роста дерева, мы можем представить себе, как изменялись климатические условия на протяжении десятилетий.
Изучать поперечные срезы древесины сравнительно несложно. Поперечный разрез ствола рассматривается под микроскопом, и на нем измеряется ширина каждого годичного слоя. По этим данным строится график изменений толщины колец. Там, где кольца толще (благоприятная обстановка), кривая графика идет вверх; там, где они наиболее узкие, - опускается вниз, свидетельствуя о суровых и трудных для растения годах.
Взяв дерево, срубленное в нынешнем году, и построив для него график роста годичных колец, мы получим эталон - краткую запись изменений природной обстановки за весь период жизни растения. Предположим теперь, что где-то в той же климатической зоне мы нашли спиленный ствол другого дерева, и нам нужно определить его абсолютный возраст. Для этого необходимо изготовить биологический срез древесины интересующего нас ствола и тоже составить для него график роста. Сравнивая оба графика, мы увидим, что более старые слои только что срубленного дерева чередуют свою толщину с той же закономерностью, которую мы наблюдаем на молодой половине дерева, спиленного раньше.
Возраст эталонного дерева нам известен. Допустим, что оно было срублено в 1985 г. в возрасте 50 лет. График роста этого дерева за первые 20 лет его жизни совпал с кривой, характеризующей последние 20 лет жизни найденного нами дерева. Подсчитаем теперь общее число годовых колец на определяемом дереве; пусть, к примеру, их оказалось 65. Стало быть, можно утверждать, что интересующее нас дерево было спилено в 1955 г., а расти оно начало в 1890 г.
Картину изменения климатических условий за последние 50 лет мы прочли по стволу, срубленному последним - в 1985 г., но теперь у нас появились новые данные, позволяющие восстановить природную обстановку, существовавшую на нашей территории с 1890 по 1935 год. С этим вторым эталоном можно сравнивать срезы древесины других - еще более старых - деревьев и, надстраивая графики годичных колец, проникать все дальше в глубь истории леса.
Казалось бы, этот простой метод позволит углубиться в прошлые времена на многие десятки и сотни лет, стоит лишь изучить срезы старых деревьев и бревен из старинных строений, время закладки которых известно по древним летописям. Ученые многих стран Европы стали пытаться применить дендрохронологический метод к датированию материалов, полученных при раскопках городов.