Если обобщить всю эту климатическую информацию, можно построить замысловатый график колебания температуры. Например, никогда не было, чтобы средняя температура Земли опускалась ниже точки замерзания воды или приближалась к точке кипения воды. Но колебания на несколько градусов более распространены, и даже колебания на 20 или 30° могли происходить, по крайней мере местами. Колебания на несколько градусов по шкале Цельсия происходят с периодичностью раз в десятки тысяч лет, и последняя смена ледникового и межледникового периодов имела эту периодичность и амплитуду температур. Но изменения климата могут происходить и в течение гораздо более долгих периодов времени – самый долгий порядка несколько сотен миллионов лет. Теплые периоды, по всей видимости, наблюдались около 650 млн лет назад и 270 млн лет назад. По стандартам прошлых изменений климата мы сейчас живем в середине ледникового периода. За всю историю Земли на ней не было «постоянных» ледниковых покровов, как в Арктике и в Антарктиде сегодня. За последние несколько сотен лет мы отчасти вышли из нашего ледникового периода вследствие небольших изменений климата, объяснения которым пока еще не найдено, и есть некоторые признаки, что мы можем погрузиться обратно в глобальные холодные температуры, характерные для нашей эпохи, если посмотреть с перспективы огромного промежутка геологического времени. Страшно подумать, что 2 млн лет назад город Чикаго был погребен под километровым слоем льда.

Что определяет температуру Земли? Как видно из космоса, это вращающийся голубой шар, испещренный изменчивыми пятнами облаков, красновато-коричневыми пустынями и ярко-белыми полярными шапками. Энергия для нагревания на Землю поступает почти исключительно из солнечного света; энергия, которая поднимается вверх из горячих недр Земли, составляет менее одной тысячной процента той энергии, что приходит в форме видимого света от Солнца. Но не весь солнечный свет поглощается Землей. Некоторое его количество отражается обратно в космос от полярного льда, облаков, скал и воды на поверхности Земли. Средняя отражательная способность, или альбедо Земли, измеренное непосредственно со спутников и косвенно – по так называемому пепельному свету, возникающему в результате освещения темной стороны Луны отраженными от Земли солнечными лучами, – составляет около 35 %. Те 65 % солнечного света, которые поглощает Земля, нагревают ее до температуры, которую можно вычислить. Эта температура составляет около –18 °C, что ниже температуры замерзания морской воды и на 30 °C холоднее средней температуры Земли.

Причина этой разницы заключается в том, что в этих вычислениях не учитывается так называемый парниковый эффект. Видимый свет от Солнца проникает в прозрачную атмосферу Земли и достигает поверхности планеты. Поверхность, однако, пытается отразить его обратно в космос, но ограничена законами физики и не может сделать этого в инфракрасном диапазоне. Атмосфера не столь прозрачна в инфракрасном диапазоне, и при некоторых длинах волн инфракрасного диапазона – например, при длине волны 6,2 мкм или 15 мкм – излучение, пройдя в атмосфере лишь несколько сантиметров, будет поглощено атмосферными газами. Поскольку атмосфера Земли плотная и поглощает инфракрасное излучение при многих длинах волн, тепловое излучение, которое исходит от поверхности Земли, задерживается, прежде чем уйти в космос. Чтобы излучение, получаемое Землей от Солнца, и излучение, которое Земля отдает в космос, были уравновешены, температура поверхности Земли должна повышаться. Парниковый эффект возникает не благодаря главным компонентам атмосферы Земли, таким как кислород и азот, а почти исключительно из-за второстепенных, особенно углекислого газа и водяного пара.

Как мы знаем, планета Венера, вероятно, представляет собой тот случай, когда поступление большого количества углекислого газа и в меньшей степени водяного пара в атмосферу планеты привело к такому значительному парниковому эффекту, что вода не может находиться на поверхности в жидком состоянии; поэтому температура планеты поднимается до чрезвычайно высокой отметки – в случае Венеры до 480 °С.

Пока что мы говорили о средней температуре. Температура Земли меняется в зависимости от места. Она холоднее на полюсах, чем на экваторе, потому что в основном солнечные лучи попадают на экватор под прямым углом, а на полюса – по касательной. Разница температур на Земле между экватором и полюсами сглаживается атмосферной циркуляцией. Горячий воздух поднимается на экваторе и перемещается на большой высоте к полюсам, где он опускается и возвращается на поверхность; затем он перемещается в обратном направлении, от полюса к экватору, но на небольших высотах. Это общее движение – усложненное вращением Земли, ее топографией и фазовыми переходами воды – отвечает за погоду.

Сегодняшнюю среднюю температуру на Земле – около 15 °C – можно объяснить наблюдаемой интенсивностью солнечного света, глобальным альбедо, наклоном оси вращения и парниковым эффектом. Но все эти параметры могут, в принципе, меняться; климатические изменения и в прошлом, и в будущем можно приписать изменению любого из них. На самом деле существует почти сотня разных теорий климатических изменений на Земле, и даже сегодня на этот счет нет единого мнения. Не потому что климатологи по своей природе невежественны или любят поспорить, а потому что эта тема чрезвычайно сложная.

Вероятно, существуют механизмы и отрицательной, и положительной обратной связи. Предположим, например, что температура Земли понизилась на несколько градусов. Количество водяного пара в атмосфере определяется почти полностью температурой и уменьшается, превращаясь в снег, когда температура падает. Меньшее количество воды в атмосфере подразумевает меньший парниковый эффект и дальнейшее понижение температуры, которое может привести к дальнейшему уменьшению количества водяного пара в атмосфере и так далее. Также понижение температуры может привести к увеличению количества полярного льда, увеличению альбедо Земли и дальнейшему понижению температуры. С другой стороны, понижение температуры может привести к уменьшению облачности, что уменьшит среднее альбедо Земли и повысит температуру – возможно, в достаточной степени, чтобы компенсировать первоначальное понижение температуры. Недавно была предложена идея, что атмосфера планеты Земля функционирует как своего рода термостат, чтобы предотвращать слишком сильные отклонения температуры, которые могут иметь опасные глобальные биологические последствия. Например, понижение температуры может привести к увеличению числа разновидностей морозоустойчивых растений, которые способны образовывать на почве сплошной покров и имеют низкое альбедо.

Я приведу три наиболее известные и интересные теории изменения климата. Первая включает изменение параметров небесной механики: форму орбиты Земли, наклон ее оси вращения и прецессию этой оси, которые меняются с течением времени вследствие взаимодействия Земли с ближайшими небесными телами. Точные вычисления степени таких изменений показывают, что они могут вызывать колебания температуры по крайней мере на несколько градусов, и с вероятностью положительной обратной связи эти изменения сами по себе могут быть достаточным объяснением главных изменений климата.

Второй класс теорий включает изменения альбедо. Одна из самых поразительных причин таких изменений заключается в попадании в атмосферу Земли большого количества пыли: например, от извержения вулкана, такого как извержение Кракатау в 1883 г. Хотя велись споры по поводу того, нагревает или охлаждает Землю такая пыль, текущие вычисления показывают, что мелкие частицы, очень медленно падающие из стратосферы Земли, увеличивают альбедо Земли и, следовательно, охлаждают ее. Недавно были найдены седиментологические[131] доказательства того, что прошлые периоды интенсивного поступления вулканических частиц соответствуют по времени прошлым периодам оледенения и низких температур. К тому же в результате образования гор и возникновения земной поверхности увеличивается глобальное альбедо, потому что земля ярче, чем вода.