Причины возникновения древних холодных эпох не вполне выяснены и составляют в настоящее время одну из сложнейших проблем четвертичной геологии и палеогеографии.
Полный охват этой проблемы — задача трудная, и мы можем лишь обрисовать круг вопросов, над которыми думали многие ученые и продолжают работать современные исследователи четвертичного периода.
Прежде всего отметим то обстоятельство, что древние холодные эпохи практически всеми исследователями рассматривались преимущественно как периоды возникновения оледенений. Появление материалов об ископаемой мерзлоте в основном лишь расширило представления о перигляциальных зонах.
Вопрос о причинах древних оледенений возник одновременно с первоначальным установлением следов ледниковой деятельности. Можно даже сказать точнее — с нахождением ледниковых (эрратических) валунов. История этой проблемы насчитывает не менее 150 лет, а, по мнению ряда исследователей, древние оледенения изучаются более 200 лет.
Одна из подробных сводок основных гипотез изменения климата и возникновения ледниковых периодов приводится американским ученым Р. Флинтом и занимает целую главу в книге «Ледники и палеогеография плейстоцена». Указывается, что существенные, радикальные изменения климата происходили в истории Земли неоднократно, но они далеко не всегда сопровождались оледенениями.
На характер распределения солнечного тепла, поступающего на поверхность Земли, существенным образом могли влиять изменения параметров орбиты Земли под воздействием Луны и Солнца. Это обстоятельство представляется чрезвычайно важным, тем более что данные о периодическом смещении положения перигелия (ближайшей к Солнцу точки орбиты Земли) показывают, что период этого смещения (период прецессий) составляет немногим более 21 тыс. лет.
Югославский ученый М. Миланкович указывал на колебания количества поступающего на Землю солнечного тепла за счет периодических изменений параметров земной орбиты, в частности изменений наклона земной оси. С этими колебаниями связывались возникновение и исчезновение оледенений.
Солнечно-орографическая концепция также рассматривает колебания солнечной радиации и концентрацию осадков преимущественно на наветренных склонах гор как первоначальный импульс разрастания ледников.
Большинством исследователей подчеркивается, что современные ледники существуют, как правило, в горных, возвышенных районах и древние ледниковые покровы возникали также в горах. Действительно, центры древних обширных материковых оледенений были приурочены к горным массивам Скандинавии, Сибири, Северной и Южной Америки.
Конечно, поднятие гор и материков происходило не вдруг, не в виде каких-то катастроф. Однако, по имеющимся оценкам К. К. Маркова, А. А. Величко, в течение плейстоцена произошло повышение суши на 300—800 м, причем равнины поднялись на 100—500 м, а горы — на 1000—2000 м. Такое поднятие поверхности равносильно понижению температур на 0,6—3°С на равнинах и до 6—12° в горах. Соответственно увеличивалось количество осадков, особенно зимних, выпадающих в виде снега.
К. К. Марков отмечает, что оледенение в горах Евразии началось раньше, чем на равнинах, и было, по-видимому, связано с поднятиями эпохи альпийского орогенеза.
Зависимость возникновения древних ледников от возвышенных участков суши настолько очевидна, что еще в 1856 г. Дж. Дана считал поднятие земной коры возможной причиной формирования ледниковых покровов. Характерно, что сто лет спустя Р. Флинт, анализируя многочисленные гипотезы возникновения ледников, подчеркивал, что при установлении связи древних и современных ледников с процессами горообразования и общей атмосферной циркуляцией «возникновение оледенений не требует какой-либо необыкновенной причины. Требуется лишь понижение температуры, при котором атмосферные осадки будут выпадать в виде снега, а их таяние сократится».
Понижение температуры как первоначальный импульс оледенения, по мнению большинства исследователей, могло быть и не слишком большим. Согласно расчетам Г. Брукса, произведенным еще в 1926 г., скорее всего было достаточно первоначального понижения температур на несколько градусов, а не на десятки. В дальнейшем похолодание могло углубляться за счет отражательной способности снега и льда. Однако при понижении температуры и общем охлаждении ослаблялось испарение с поверхности океана, понижались темпы влагооборота, и в конечном счете уменьшалось количество твердых осадков. Это в свою очередь сокращало питание ледников, и их рост ограничивался.
Охлаждающее и иссушающее влияние древних ледниковых щитов проявлялось со временем настолько сильно, что развитие покровов прекращалось. Отсюда югославским ученым Т. Шеготой был получен вывод о том, что обширные, быстроразвивающиеся покровы имели сравнительно короткий период роста и этим, возможно, определялись колебания ледниковых покровов в четвертичном периоде.
Для возникновения первичного ледникового покрова Скандинавских гор скорее всего было достаточно незначительного понижения температур на 2—5° в основном в летние месяцы. Причина дальнейшего, почти на 10° для самого теплого месяца, понижения температур заключалась в охлаждающем влиянии самих ледников, возрастании ледовитости Полярного бассейна, охлаждении вод Северной Атлантики и росте наземного оледенения в других районах северного полушария.
По данным В. Г. Ходакова, требовалось понижение средней летней температуры приземного воздуха в центре ледниковой области на 8° по сравнению с современной при дополнительном охлаждающем эффекте самого ледника на 5°.
Многие специалисты подчеркивают следующую деталь: рост ледника и его максимальное развитие происходили позднее, чем возникали холодные условия и понижались среднегодовые температуры. Величина этого «запаздывания» оценивается различно, но, по мнению А. А. Асеева, скорее всего составляла около 5 тыс. лет.
Отметим еще одну существенную сторону многих гипотез: оледенение, однажды возникнув и перешагнув порог критического размера, превращалось в саморазвивающееся явление, «само себя поддерживающее». Ледник переставал «подчиняться» климату, а впоследствии входил в противоречие с окружающими климатическими условиями. В продвижении ледникового покрова в более южные широты при одновременном потеплении климата заключалась одна из основных причин прекращения роста ледника и начала его разрушения. Этим же определяется и невозможность возникновения полного оледенения Земли ни в прошлые, ни в будущие эпохи.
Детальный разбор факторов, которые могли обусловить древние оледенения, проводится О. П. Чижовым. Он критически рассматривает основные теории, объясняющие причины оледенений, и более пристальное внимание обращает на два направления: обусловленность возникновения древних оледенений процессами горообразования (орографическая гипотеза) и влияние самих ледников на климат, понижения температур и количество осадков.
Смена ледниковых и межледниковых эпох, наиболее отчетливо проявившаяся в течение плейстоцена, так же как и возникновение оледенений, требовала объяснений. О. П. Чижов отмечает, что (именно на этот вопрос не получен общепризнанный ответ. Этой проблемой занимались за рубежом Ф. Лашингер, Дж. Симпсон, у нас — А. И. Воейков, П. А. Шумский, К. К. Марков.
Существо предложенных этими авторами гипотез сводится к построениям, предполагающим колебательный характер температур, количества «осадков и роста ледников. Часть исследователей считает, что менялась интенсивность солнечной (радиации, но другие ученые подчеркивают, что смена холодных и теплых эпох могла иметь автоколебательный характер.
Влага, необходимая для начала образования ледников, находится в атмосфере. Еще М. В. Ломоносов высказывал мысль о «морозном слое» атмосферы, а впоследствии С. В. Калесник сформулировал понятие о хионосфере — слое атмосферы, в пределах которого возможно возникновение и существование ледников. С процессами, возникающими в хионосфере, или «снегоизбыточном слое атмосферы», как назвал его Е. С. Гернет, связана выдвинутая им теория возникновения, разрушения и даже борьбы с ледниками.
Русский капитан дальнего плавания Е. С. Гернет в книге «Ледяные лишаи» древние и современные ледяные покровы считал болезнью планеты, как бы лишаями, «самосильно» распространившимися по ее поверхности. Их первоначальное возникновение объяснялось поднятиями земной коры и вхождениями участков суши в снегоизбыточный слой, или хионосферу.
Е. С. Гернет придавал большое значение возникновению и разрастанию Гренландского «ледяного лишая» и считал, что его рост обусловил оледенение Арктики, а в последующем — формирование Скандинавского и Лаврентьевского ледниковых щитов. Новизна взглядов, Е. С. Гернета заключалась в том, что распространение ледников обусловливали не какие-то внешние причины, а сами ледники, которые, развиваясь, изменили климат.
Теория Гернета не являлась чем-то фантастическим и нереальным в смысле оценки значения ледников и существования автоколебательных циклов. В последующих работах В. Стокса, М. Юинга, В. Донна и других исследователей рассматривались в принципе те же идеи, но с привлечением новейших геологических и гляциологических данных. Чрезвычайно оригинальными были рекомендации Е. С. Гернета по предотвращению нового, современного разрастания ледниковых покровов. Согласно его представлениям, нормальное состояние Земли — безледное; существующие Антарктический и Гренландский ледниковые щиты являются наростами на поверхности планеты. Поэтому ближайшая задача человечества — уничтожить эти наросты, в первую очередь Гренландский. В результате ежегодной уборки снега с его поверхности рост Гренландского щита прекратится, человечество будет избавлено от угрозы нового оледенения, а в полярных странах, освободившихся от льдов, установится мягкий и теплый климат — «артмиоцен», как называет его Е. С. Гернет.
Со второй половины XX в. появляются работы, в которых феномены древнего холода — ледники и мерзлота анализируются взаимосвязанно. Эти проблемы рассматриваются для ряда европейских стран, например, в работах Я. Дылика, М. Печи, Ж. Трикара, для территории Северной Америки — А. Уошборном и др. Для территории Англии сведения о древних мерзлотных формах приводятся Б. Спарксом и Р. Вестом в книге «Ледниковый век на территории Англии», краткие характеристики «перигляциальных обстановок» содержатся в монографии Д. Боуэна. Эта проблема в глобальном масштабе разбирается К. К. Марковым и А. А. Величко а монографии о четвертичном периоде (1967) и последующих трудах А. А. Величко.
И тем не менее, когда говорится о древних холодных эпохах, в большинстве работ имеется в виду возникновение и развитие покровных ледников. Советский климатолог М. И. Будыко считает, что основные причины естественных изменений климата известны. Похолодание, происходившее на протяжении последних десятков миллионов лет, по его представлениям, было обусловлено снижением количества углекислого газа (СО2) в атмосфере. Рассматривая данные о содержании количества углерода в осадочных породах, М. И. Будыко приходит к выводу о том, что «концентрация углекислого газа в раннем или среднем плиоцене, т. е. 6—7 млн. лет тому назад, достигала значения, превышающего современное (0,033%) в 2 раза. (В то время морские полярные льды практически отсутствовали, а наземные оледенения были, вероятно, меньше современных.)» В последующие периоды количество СО2 в атмосфере понизилось, уменьшился отепляющий эффект воздушной оболочки, и начался рост ледников.
Распределение тепла на земном шаре, а следовательно, и климат существенно зависят от характера океанических течений. Высказываются предположения об изменениях направления Гольфстрима, об изменении циркуляции вод Мирового океана при понижении его уровня, но каковы климатические последствия этих изменений — неясно.
Анализ причин древних оледенений, изучение современной природной среды и проведенные работы по созданию геофизических и математических моделей привели ученых к выводу, который сформулирован известным советским гляциологом В. М. Котляковым следующим образом: «Главным элементом природной среды, определяющим ее облик в прошлом, настоящем и будущем, является климат — эта результирующая процессов в атмосфере, океане и на поверхности суши, достаточно постоянная (условно на протяжении 20—30 лет) для любого района земного шара… При разработке моделей климата мы должны иметь дело с глобальной природной системой: Атмосфера — Океан — Суша — Оледенение».
Итак, механизм возникновения оледенений почти выяснен, известны его основные детали, и он мог бы работать, что показывают математические модели. Но каков был в действительности первоначальный импульс? И снова после всех гипотез, теорий и построений сидит занозой: почему? Почему началось похолодание, первоначальное накопление льда и рост ледников?
В этой связи уместно привести некоторые высказывания ведущих советских ученых. А. А. Асеев писал, что обсуждение проблемы оледенений «требует привлечения данных по общепланетарным и даже космическим явлениям и не может основываться на материалах изучения одной, хотя и очень обширной области. Разнообразие взглядов на причины возникновения материковых оледенений лишает нас возможности даже перечислить все существующие по этому поводу гипотезы». «Вместе с тем ни одна из десятков предложенных гипотез не является полностью удовлетворительной…» — заключает Л. Р. Серебрянный.
Проблема вероятности возникновения новых оледенений на Земле и предполагаемые сроки начала оледенения рассматриваются многими исследователями. В основном ее решение сводится к построению по принципу интерполяции от прошлого в будущее, от минувших природных условий к тем, которые возникнут через сотни и тысячи лет.
Незнание основных причин начала оледенений позволяет решать проблемы только с помощью косвенных данных. А. А. Величко подчеркивает, что, согласно мнению Н. А. Хотинского и анализу развития природы современной эпохи, можно считать, что оптимум голоцена — нынешнего межледниковья остался в прошлом. Длительность предшествовавших межледниковий не вполне определенна, и поэтому прогнозные построения неоднозначны.
Во время «малого ледникового периода», который переживало человечество в XV—XIX вв., увеличивались площади современных горных ледников, и они даже начинали спускаться в долины.
Огромное значение имеет возможность наблюдения за состоянием земной поверхности из космоса и с помощью космических снимков. Так, В. М. Котляков приводит материалы американского ученого Дж. Куклы, согласно которым в период с 1950 по 1975 г. происходило увеличение общей площади снега и льда в северном полушарии, отмечалось похолодание, достигавшее 0,1—0,2° за десятилетие.
Оценивая возможность возникновения нового существенного похолодания Земли, Л. Р. Серебрянный анализирует датировки молодь(х подвижек ледников в горных странах. Он считает, что на фоне современных разнонаправленных колебаний ледников «очередной период резкой активизации оледенения следует ожидать только около 4300 года… От начала очередного материкового оледенения нас отделяет не менее 15 тыс. лет» (1980).
С другой стороны, увеличивается число данных, согласно которым в течение плейстоцена было значительно больше циклов оледенении. Так, Д. Боуэн считает, что в плейстоцене происходило 17 циклов оледенений (количество было определено преимущественно по морским отложениям). В таком случае от начала нового оледенения нас отделяет отрезок времени протяженностью менее 10 тыс. лет.
Характерно, что скорее всего результаты нынешнего колебания климата сказываются на режимах и температурах мерзлых пород в области их современного распространения. По данным Н. А. Шполянской, намечаются черты общего похолодания, наибольшее развитие которого возможно через 10 тыс. лет, что и повлечет за собой расширение области многолетней мерзлоты.
Но и в настоящее время, как указывает О. П. Чижов, во многих горных районах, например на севере Британских островов, соотношение температуры и количества осадков таково, что возможно возникновение и разрастание ледников. Для этого необходимо лишь сохраняющееся некоторое время небольшое (на несколько градусов) понижение зимних температур.