АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ДЖЕЙМСА КРОЛЛЯ

Смотрите также:

ДРЕВНЕЕ ОЛЕДЕНЕНИЕ И ЖИЗНЬ

Великое оледенение

Как часто были ледниковые эпохи в истории Земли...

Люди эпохи великого оледенения - Рисское

Климатические условия ледниковых эпох

Где были ледники на территории России

Сколько длилась ледниковая эпоха

Ледниковые периоды. Причины оледенений

История оледенений Евразии ...

Климаты Четвертичного периода, плейстоцена

В 1842 году, когда появились «Революции океана», человек, которому было суждено подхватить идею Адемара и развить ее в новую астрономическую теорию климата, еще работал механиком в шотландском городке Банхори близ Абердина. Уже в юношеские годы Джеймс Кролль обладал глубоко научным складом ума, однако жизнь обходилась с ним сурово. Позже он рассказывал: «Все время мотался с фермы на ферму, так что каждую неделю ночевал в среднем на трех разных постелях, и все они были не из самых удобных. Мы, механики, обычно останавливались в лачугах деревенских рабочих... и ночами нередко приходилось прятаться под куртку, чтобы уберечься от крыс».

Детство Кролля прошло на ферме родителей в маленькой деревне Вульфхилл. Отец был каменщиком, и большую часть года сын. его не видел. В тринадцать лет Джеймсу пришлось оставить школу и помогать матери. Однако он занялся самообразованием и очень скоро увлекся книгами по философии и теологии. Но вот его впечатление от первой прочитанной книги по физической науке: «Сначала я был сбит с толку, но вскоре простота и прелесть излагаемых понятий вызвали во мне такое восхищение и изумление, что я взялся всерьез за изучение предмета». Кролль решил непременно понять законы природы, и очень скоро его усердие перешло в настоящую одержимость. Позже он писал:

«Чтобы понять тот или иной закон, мне, в общем случае, приходилось знакомиться и с предыдущим законом, от которого он зависел. Я хорошо помню, как, прежде чем продвинуться вперед в физической астрономии, я должен был вернуться назад, чтобы проштудировать законы движения и фундаментальные принципы механики. Таким же образом я познавал основы пневматики, гидростатики, учения о свете, теплоте, электричестве и магнетизме».

К шестнадцати годам Кролль приобрел, по его собственным словам, «довольно-таки сносные познания в области общих принципов перечисленных физических наук». Однако, чтобы стать ученым-профессионалом, он должен был получить университетское образование, последнее же оставалось недостижимым из-за ограниченности семейных средств. Между тем необходимость выбирать профессию встала перед ним уже летом 1837 года.

«После нескольких дней размышлений я решил стать механиком. Я думал: раз мне нравится теоретическая механика, то, вероятно, придется по душе и эта профессия... Но как я понял несколько позже, это было ошибкой; хоть я и знал теорию, как механик-практик я едва дотягивал до среднего уровня. По-видимому, моя врожденная склонность к абстрактному мышлению вступала в противоречие с мелкими задачами, возникавшими в ходе рутинной работы».

Конфликт между простой потребностью в заработке и неуемной жаждой научных знаний на протяжении многих лет омрачал жизнь Кролля. Только осенью 1842 года его научные устремления как будто бы взяли верх-он оставил работу механика и вернулся домой, чтобы посвятить себя математике и философии. Однако ему по-прежнему приходилось заботиться о хлебе насущном. И в последующие годы он был и плотником, и приказчиком в чайной лавке, и агентом страховой компании. Даже став владельцем собственного магазина, он должен был стоять за прилавком, а сделавшись хозяином гостиницы - мастерить для нее мебель.

В 1857 году в связи с болезнью жены Кролль оказался в Глазго. Работы там для него не было, и он использовал вынужденный досуг для приведения в порядок своих заметок по метафизике теизма. В результате была написана книга «Философия теизма», увидевшая свет через два года в Лондоне. А еще через пару лет он стал привратником в Андерсонов- ском колледже с музеем. «Сравнив все плюсы и минусы,-писал он впоследствии,-я вижу, что еще никогда не имел работы, которая подходила бы мне так хорошо... Конечно, жалованье маленькое, и его хватает только на то, чтобы не умереть с голоду; однако это компенсируется преимуществом совсем другого рода». Это преимущество - свободный доступ к хорошей научной библиотеке, возможность удовлетворять свою «почти неодолимую тягу к научной работе, ту тягу, которая была готова поглотить всю мою энергию, ничего не оставив для других родов занятия».

Сначала Кролль вплотную занялся физикой, и в 1861 году вышла его статья об электрических явлениях. Вскоре, однако, его интересы сместились в сторону геологии. «В тот период,-рассказывал Кролль,- геологи заинтересованно обсуждали вопрос о причине ледниковых эпох. Весной 1864 года и я обратил на него внимание». Тогда он и натолкнулся на книгу Адемара, опубликованную на двадцать пять лет раньше. И сразу понял, что утверждение французского математика о связи древних оледенений с изменениями в продолжительности холодных и теплых сезонов ошибочно. Однако сама идея о том, что эти оледенения были вызваны какими-то астрономическими механизмами, показалась ему и здравой, и плодотворной.

Кролль знал новые работы выдающегося французского астронома Урбена Леверье, в которых было доказано, что степень удлиненности земной орбиты, или, как говорят специалисты, ее эксцентриситет, испытывает медленные, но непрерывные изменения. Именно в этом Кролль увидел, тот астрономический фактор, который ускользнул от внимания Адемара. Ведь последний, как было показано выше, построил всю свою теорию ледниковых эпох на одних лишь прецессионных качаниях земной оси, считая форму самой орбиты постоянной. Кроллю же пришло в голову, что, может быть, как раз ее изменения - изменения эксцентриситета орбиты-и были подлинной причиной оледенений. Эта догадка стала темой его статьи, вышедшей в августе 1864 года в «Философском журнале». Вот его воспоминания:

«Та статья привлекла довольно широкое внимание, и я получил много советов дать более полное изложение предмета; и поскольку ее идея самому мне казалась новой и интересной, • я решил это сделать. Но в тот момент я не мог и подозревать, что вступаю на такой трудный путь, что смогу выпутаться лишь спустя целых двадцать лет».

Прежде всего Кролль решил сам познакомиться с математической теорией, на основе которой были сделаны расчеты Леверье.

Эта теория оказалась результатом прямого приложения ньютоновского закона всемирного тяготения: Земля испытывает притяжение со стороны планет Солнечной системы, и это притяжение искажает нормальную форму ее эллиптической орбиты.

 А так как каждая планета вращается вокруг Солнца со своей собственной скоростью, суммарное притяжение, оказываемое на Землю всеми планетами, испытывает сложные, но предсказуемые изменения во времени. Что касается Леверье, то он взял имевшиеся тогда данные по орбитам и массам планет и рассчитал те изменения, которые должна была претерпеть орбита Земли (а заодно и наклон ее оси к плоскости эклиптики) за период последних ста тысяч лет. Целых десять лет ушло на сложные расчеты, прежде чем французский математик смог указать размах орбитальных изменений и их возраст. Эти расчеты использовали информацию по семи известным в то время планетам; мы знаем, что их публикация, имевшая место в 1843 году, повлекла за собой открытие планеты Нептун.

Леверье выражал эксцентриситет орбиты через отношение, в процентах, расстояния между фокусами эллипса к размеру его длинной оси. Если эллипс приближается к кругу, его фокусы сближаются, а эксцентриситет стремится к нулю (). И наоборот, если эллипс вытягивается, его фокусы расходятся и эксцентриситет стремится к 100%. В настоящее время земная орбита вытянута очень незначительно (около 1%), но, по данным Леверье, за последние сто тысяч лет степень ее эксцентриситета колебалась от еще более низкой, близкой к нулю, до высокой, составлявшей около 6%.

Используя формулы Леверье, Кролль рассчитал эксцентриситет земной орбиты для ряда моментов последних трех миллионов лет и проиллюстрировал его изменения графиками (). Кстати, это была первая кривая, построенная для изучения истории орбитальных изменений. В результате Кролль установил, что изменения эксцентриситета имеют циклический характер, а именно что интервалы высокой степени вытянутости орбиты, длившиеся по нескольку десятков тысяч лет, чередовались с длительными интервалами низкой степени эксцентриситета. Заметив, что примерно сто тысяч лет назад орбита Земли имела высокую степень эксцентриситета, а в последние десять тысяч лет-низкую, он пришел к заключению, что причина ледниковых эпох должна быть непременно как-то связана с условиями максимально вытянутой орбиты. И он занялся поисками этой связи.

Первые шаги на этом пути оказались обескураживающими, поскольку из работы Леверье следовало, что общее количество тепла, получаемое Землей за весь год, практически не зависит от изменений эксцентриситета орбиты. Это, однако, лишь на время смутило Кролля, и вскоре он смог доказать, что интенсивность радиации, которая поступает на Землю в каждый из сезонов, от этих изменений зависит весьма заметно. Он начал разрабатывать собственную теорию, которая базировалась на сезонных эффектах изменений эксцентриситета орбиты.

Кролль рассуждал так: если уменьшение количества солнечной энергии, получаемой за зиму, способствует накоплению снега, то любое, даже самое небольшое начальное расширение площади снежного покрова должно приводить к дополнительной потере тепла, связанной с усилением отражательной способности земной поверхности. Отсюда следует, что любое, даже незначительное изменение солнечной радиации, вызванное астрономическими причинами, будет неизбежно усилено климатическим воздействием снежных полей. Таким образом, Кролль стал первым ученым, выдвинувшим важнейшую идею о тех механизмах климатообразования, которые сейчас называют «положительными обратными связями».

Покончив с обоснованием вывода о том, что сезоном, имеющим критическое значение для инициации ледниковых эпох, является зима, Кролль занялся выяснением характера тех астрономических факторов, от которых зависит количество поступающего за этот сезон тепла. По его расчетам, решающую роль в изменениях прихода солнечной энергии за зиму играет явление предварения равноденствий. Если зимы приходятся на период, когда Земля располагается ближе всего к Солнцу, то есть когда ситуация аналогична той, которая наблюдается в Северном полушарии сейчас, эти сезоны будут несколько теплее, чем обычно. Если же, наоборот, они приходятся на периоды, когда наша планета максимально удалена от Солнца, температуры зимы будут ниже обычных; Кролль полагал, что примером этапа таких, холодных, зим может служить время около 11 000 лет назад.

Итак, по Кроллю, в результате прецессионных циклов каждые 11 000 лет зимы одного полушария оказывались холоднее зим другого; это значит, что его вывод по существу совпал с выводами Адемара, сделанными двадцать пять лет назад, хотя и тот и другой оперировали совершенно различными аргументами.

Но Кролль пошел дальше, продемонстрировав, что эффективность прецессионных качаний как инструмента изменения сезонных температур целиком определяется текущим состоянием земной орбиты. Например, если форма последней близка к правильному кругу, то климатический эффект прецессии будет нулевым, так как все сезоны будут начинаться в условиях одинакового удаления Земли от Солнца. В подобные эпохи нулевого эксцентриситета температуры зим должны быть средними-ни чересчур низкими, ни чересчур высокими. Кролль обратил внимание на то, что современные условия соответствуют именно этому случаю-как мы уже говорили, сейчас орбитальный эксцентриситет не превышает 1%. В подобные эпохи зимние сезоны оказываются недостаточно холодными, чтобы вызывать оледенения, причем независимо от того, на какой пункт орбиты приходится зимнее солнцестояние. Зато в эпохи высокой степени удлиненности орбиты зимы будут либо ненормально теплыми, либо ненормально холодными-в зависимости от того, на какие точки орбиты падает зимнее солнцестояние: близкие к Солнцу или удаленные от него.

Таким образом, теория Кролля использовала два астрономических фактора - прецессионные циклы и циклы изменения формы орбиты. Она предсказывала, что условия для начала оледенения в одном из полушарий могут появиться тогда, когда произойдет совпадение двух условий: высокой степени эксцентриситета орбиты и расположения кардинальной точки зимнего солнцестояния на максимальном удалении от Солнца. Рис. 19 как раз и иллюстрирует представления Крол- ля о совместном воздействии этих двух факторов на климат Земли через изменение расстояния Земля - Солнце; когда 21 декабря приходится на момент максимального значения указанного расстояния, оледенением охватывается Северное полушарие, а когда эта дата падает на момент близости к Солнцу - оледенение происходит в Южном полушарии. Отдельные оледенения продолжаются по 10000 лет и образуются сначала в одном полушарии, потом во втором-в ответ на 22000-летние ритмы прецессии. Кролль внес точность и в определение понятий: длительные интервалы высоких значений эксцентриситета орбиты, на которые приходились оледенения того или иного полушария, он называл ледниковыми эпохами, а разделяющие их интервалы - межледниковыми эпохами. Согласно его представлениям, последняя ледниковая эпоха началась около 250000 лет назад и закончилась около 80000 лет назад, а все последующее время относится к межледниковой эпохе, которая продолжается до сих пор.

Кролль не сомневался в справедливости астрономической теории климатических изменений, однако его смущало, что амплитуда этих изменений, реконструируемая по геологическим данным, выглядит несоразмерно большой по сравнению с предлагаемыми для ее объяснения механизмами-и с прямыми эффектами колебаний геометрии орбиты, имеющими, в общем-то, очень небольшие значения, и с результатами усиления этих эффектов через обратные связи температур со снежным покровом. В самом деле, можно ли полагать, что увеличение эксцентриситета орбиты на какие-то 2 или 3% было способно вызывать к жизни ледниковые покровы столь грандиозных размеров, что они погребали большую часть Европы и Северной Америки? Эти опасения Кролля предвосхитили возражения, которые позже выдвигались многими исследователями. Взявшись за решение данной проблемы, Кролль со свойственной ему остротой ума быстро понял, что главная роль, которую фактически играют орбитальные изменения,-это роль специфического триггера, или спускового крючка, приводящего в действие особые механизмы климатической системы. А поиск этих механизмов привел его к идее о климатическом значении теплых течений Атлантического океана.

Известно, что крупнейшие из этих течений ориентированы на запад; в настоящее время одно из крупнейших течений такого рода-Южное Пассатное-отклоняется к северу берегами Бразилии, пересекает экватор и присоединяется к Гольфстриму. Вместе с ним из Южного полушария в Северное поступает и большое количество тепла. Но если бы некая сила сдвинула это течение таким образом, чтобы оно подходило к материку Южной Америки не севернее мыса Кабу- Бранку, как теперь, а южнее, то его водная масса отклонялась бы на юг и пополняла Бразильское течение, а транспортируемое им тепло оставалось бы в Южном полушарии.

Чтобы ответить на вопрос о возможной природе этой силы, Кролль разработал оригинальную (и в принципе верную) гипотезу, которая объясняла географию течений Мирового океана. Он, в частности, показал, что движущей силой всех течений-и тех, которые направлены вдоль экватора на запад, и тех, которые, подобно Гольфстриму, несут воду к полюсам,-являются пассатные ветры и что скорость этих ветров в свою очередь зависит от температур полярных областей. Таким образом, чем холоднее полюса и чем больше температурный контраст между полярными и низкими широтами, тем сильнее пассаты. На этом основании Кролль сделал вывод, что когда в силу описанных выше прецессионных циклов происходило разрастание ледниковых покровов, охватывая, как он считал, поочередно то одно полушарие, то другое, то так же поочередно - сначала в одном, а потом в другом полушарии - усиливались и пассатные ветры. А усиление этих ветров в одном полушарии вело к отклонению теплых экваториальных течений в противоположное полушарие, вследствие чего общие тепловые потери «ледникового» полушария еще более возрастали. По мысли Кролля, особенно благоприятные условия для проявления этих эффектов существовали в низких широтах Атлантического океана, где клиновидный выступ побережья Бразилии мог отклонять теплое течение к югу или к северу. Следовательно, по идее Кролля, прямой климатический эффект астрономически обусловленных изменений инсоляции испытывал двойное усиление: и через обратные связи температур со снежным покровом, и через изменения в теплообмене между полушариями, связанные со смещением океанских течений.

При всем желании Кролль не мог бы выбрать более благоприятного момента для публикации своей теории. К этому времени - 1864 году - Уильям Бакленд и Чарлз Лайель успели стать решительными сторонниками ледниковой теории. Теория получила широкое признание и среди других геологов, так что на передний план выступила задача поиска причин циклических повторений ледниковых эпох. Кролль же как раз и предложил геологам тщательно продуманную теорию, которую к тому же можно было проверить путем сравнения геологических данных истории климата с результатами астрономических расчетов.

Неудивительно, что многие серьезно задумались над идеями, высказанными в статье Кролля, и среди них был Арчибальд Гейки, накануне занявший пост директора Геологической службы Шотландии. В 1867 году по приглашению Гейки Кролль перешел на работу в Геологическую службу; он оставил Глазго и перебрался в Эдинбург, где продолжил свои исследования.

В 1875 году Кролль опубликовал монографию «Климат и время», в которой не только суммировал свои идеи о причинах оледенений, но и развил их дальше, рассмотрев возможные эффекты еще одного астрономического фактора-колебаний наклона земной оси к плоскости эклиптики. Эти колебания были также установлены Леверье, который показал, что указанный наклон, который сейчас составляет 23,5°, периодически изменяется от своего минимума в 22° до максимума в 25°. По гипотезе Кролля, развитию оледенения благоприятствовали минимальные углы наклона оси, так как с ее приближением к вертикали количество солнечного тепла, поступающее в полярные области, должно уменьшаться. К сожалению, Леверье не выяснил хронологию данных изменений, в связи с чем и соответствующая часть разработок Кролля не могла быть доведена до конца.

Через год после выхода книги Кролль стал членом Лондонского Королевского общества, а затем и почетным доктором университета Сент-Эндрюс. Таким образом, человек, который начал как простой механик, затем без особых успехов заведовал чайной лавкой и гостиницей и, наконец, был привратником в Глазго, сделался всемирно известной фигурой в науке (рис. 20).

Однако судьба недолго была к нему благосклона. В 1880 году, в возрасте пятидесяти девяти лет, Кролль серьезно заболел и был вынужден уйти из Геологической службы. Последующие десять лет жизни ушли на безуспешные попытки добиться полагавшейся ему полной пенсии...

В конце концов, получив денежные пособия от нескольких научных обществ, Кролль смог поселиться в скромном доме вблизи Перта; здесь, преодолевая мучительные, головные боли, он еще некоторое время пытался продолжить занятия развитием ледниковой теории. Но в 1885 году он окончательно отошел от естественных наук и вернулся к своему раннему увлечению-философии. В 1890 году, незадолго до смерти, последовавшей на семидесятом году его жизни, Кролль подвел итог этому этапу, выпустив небольшую книгу «Философская основа эволюции».

К содержанию книги: Джон Имбри - Тайны ледниковых эпох