И наконец, существует вероятность изменения яркости Солнца. Мы знаем – из теорий эволюции Солнца, – что в течение многих миллиардов лет оно постоянно становилось ярче. Это должно было повлиять на климат Земли в самые древние времена, потому что солнечный свет 3 или 4 млн лет назад должен был быть на 30 или 40 % более тусклым, и этого достаточно даже при условии парникового эффекта, чтобы глобальные температуры опустились до отметки ниже температуры замерзания морской воды. Однако существуют многочисленные геологические доказательства того, что в то время было много воды: например, следы подземных вод, закругленные куски лавы, которые получаются в результате охлаждения магмы в океане, и ископаемые строматолиты, продукты жизнедеятельности океанских водорослей[132]. В качестве решения этой проблемы было выдвинуто предположение, что, возможно, в атмосфере ранней Земли присутствовали дополнительные парниковые газы – особенно аммиак, – которые обеспечивали требуемое повышение температуры. Но, если не брать в расчет эту очень медленную эволюцию яркости Солнца, возможны ли более кратковременные изменения яркости? Это важная и нерешенная проблема, но сложности с обнаружением нейтрино[133] – которые должно, согласно современным теориям, испускать Солнце – наводят на мысль, что Солнце сегодня находится в аномально тусклом периоде.

То, что мы не можем выбрать одну из альтернативных моделей изменения климата, может показаться всего лишь досадной интеллектуальной проблемой, если бы не тот факт, что климатические изменения могут иметь определенные практические и незамедлительные последствия. Результаты исследований характера изменений глобальной температуры показывают очень медленное ее повышение начиная с промышленной революции до приблизительно 1940 г. и тревожно резкое понижение после. Этот график объясняется сжиганием ископаемого топлива, которое имеет два последствия – освобождение углекислого газа, являющегося парниковым газом, в атмосферу и одновременное попадание в атмосферу мелких частиц от неполного сгорания топлива. Углекислый газ нагревает Землю, мелкие частицы из-за своего более высокого альбедо остужают ее. Возможно, до 1940 г. преобладал парниковый эффект, а после – повышенное альбедо.

Пугающая вероятность того, что человеческая деятельность может привести к необратимым климатическим изменениям, делает крайне важным изучение климата Земли. Существует вызывающая тревогу положительная обратная связь с понижением температуры на планете. Например, сжигание большего количества ископаемого топлива за короткий промежуток времени в попытке сохранить тепло может привести к более быстрому долгосрочному охлаждению. Мы живем на планете, на которой сельскохозяйственные технологии кормят больше миллиарда людей. Сельскохозяйственные культуры не приспособлены к суровым изменениям климата. Люди больше не могут мигрировать на большие расстояния в ответ на климатические изменения, или по крайней мере это сложнее на планете, которая контролируется национальными государствами. Необходимо срочно понять причины климатических изменений и разработать проект климатической реорганизации Земли.

Как ни странно, некоторые самые интересные намеки на природу таких климатических изменений можно увидеть в исследованиях совсем не Земли, а Марса. «Маринер-9» вышел на орбиту Марса 14 ноября 1971 г. Его научная миссия длилась полный земной год, и он сделал 7200 фотографий планеты от одного полюса до другого, а также запечатлел десятки тысяч спектров и собрал другую научную информацию. Как мы уже знаем, когда «Маринер-9» прибыл на Марс, на поверхности практически ничего не было видно, потому что планета переживала глобальную пылевую бурю. Сразу обнаружилось, что во время пылевой бури температура атмосферы повысилась, а температура поверхности снизилась, и это простое наблюдение дает нам наглядный пример охлаждения планеты при попадании большого количества пыли в атмосферу. В вычислениях, сделанных впоследствии, использовались одинаковые законы физики и для Земли, и для Марса, и обе планеты рассматривались как два разных примера общей проблемы воздействия на климат попадания большого количества пыли в атмосферу планеты.

«Маринер-9» сделал еще одно совершенно неожиданное климатическое открытие – многочисленные извилистые каналы с притоками, покрывающие экватор и средние широты Марса. Во всех местах, которые были обследованы, каналы расположены в должном направлении – сверху вниз. Некоторые из них ветвятся и имеют песчаные отмели, обрывистые берега, обтекаемой формы внутренние «островки» и другие характерные морфологические признаки долин земных рек.

Но марсианские каналы нельзя однозначно интерпретировать как сухие русла рек или ручьев, поскольку вода в жидком виде не может существовать на Марсе в наши дни. Просто давление слишком низкое. Углекислый газ на Земле имеет и твердую, и газообразную форму, но не жидкую (кроме как в резервуарах-хранилищах под высоким давлением). Вот и вода на Марсе может существовать в твердом состоянии (лед или снег) или в виде пара, но не как жидкость. По этой причине некоторые геологи не хотят принимать теорию, что когда-то каналы были наполнены проточной водой. И все же они представляют собой точную копию земных рек, и по крайней мере многие из них имеют форму, не соответствующую другим возможным структурам, таким как разрушенные борозды, проторенные лавой, – то, чем могут оказаться извилистые долины на Луне.

Более того, к марсианскому экватору таких каналов становится больше. Как известно, единственное место на планете Марс, где средняя дневная температура выше температуры замерзания воды, – это область экватора. И только эта жидкость в изобилии представлена в космосе и имеет низкую вязкость и температуру замерзания ниже марсианских экваториальных температур.

Если в таком случае каналы на Марсе были вымыты текущей водой, эта вода, по-видимому, текла в то время, когда окружающая среда на Марсе значительно отличалась от сегодняшней. В наше время на Марсе разреженная атмосфера, низкие температуры и нет воды в жидком состоянии. В прошлом, возможно, давление и температуры были выше и в изобилии присутствовала текущая вода. Такая окружающая среда более благоприятна для форм жизни, функционирующих на основе знакомых земных биохимических процессов, чем окружающая среда на Марсе сегодня.

В ходе тщательного исследования возможных причин таких значительных климатических изменений на Марсе был выделен механизм обратной связи, известный как адвективная[134] нестабильность. Атмосфера Марса состоит преимущественно из углекислого газа. По крайней мере в одной полярной шапке содержится большое количество замерзшего СО2. Давление СО2 в марсианской атмосфере приблизительно равно давлению СО2, ожидаемому в равновесии с замерзшим углекислым газом при температуре холодного марсианского полюса. Эта ситуация весьма схожа с давлением в лабораторной вакуумной системе, которое определяется температурой погружного охлаждающего термостата в системе. В настоящее время марсианская атмосфера настолько разрежена, что горячий воздух, поднимающийся с экватора и оседающий на полюсах, играет очень незначительную роль в нагревании высоких широт. Но давайте представим, что температура в полярных областях каким-то образом слегка повышается. Общее атмосферное давление увеличивается, эффективность передачи тепла посредством адвекции от экватора к полюсам также увеличивается, полярные температуры увеличиваются еще больше, и мы видим возможность резкого возрастания температуры. Таким же образом снижение температуры по какой-либо причине может вызвать резкое ее понижение. Разобраться в физической природе марсианской ситуации проще, чем в похожем случае на Земле, потому что на Земле главные компоненты атмосферы – кислород и азот – не находятся в замерзшем состоянии на полюсах.