ПРИРОДА, №7-12, 1924 год. О происхождении ледниковых эпох на земле.

"Природа", №7-12, 1924 год, стр. 31-52

О происхождении ледниковых эпох на земле.

П. И. Броунов.

В нижеследующем я изложу свой взгляд на происхождение ледниковых эпох на земле, являющееся, как известно, и по сие время еще весьма загадочным. Главным образом я буду иметь в виду последнюю ледниковую эпоху, бывшую вначале переживаемого нами четвертичного периода во-первых потому, что она, как ближайшая к нам, всего лучше изучена, а во-вторых, так как, по моему мнению, ей аналогично происхождение и других ледниковых эпох. Я не стану останавливаться на описании ледниковой эпохи, так как оно всем известно, а ограничусь лишь указанием на наиболее характерные черты ее, особенно требующие объяснения.

Благодаря новейшим исследованиям Гелланда, Штейнмана, Пенка, Дригальского и др., в последнее время окончательно выяснилось, что последняя ледниковая эпоха не ограничивалась одной Европой, но одновременно с нею была и в Северной Америке и в высоких широтах южного полушария.

Экваториальные границы великого ледника несколько раз удалялись в полярные страны, а затем снова наступали, этим обусловливались межледниковые периоды.

На равнинах Азии ледниковой эпохи не было, только некоторые следы ее обнаружены на крайнем северо-востоке Сибири. Уральские горы были свободны от льда, за исключением северной части, где, по исследованиям Ф. Н. Чернышева, был Тимано-Уральский ледник.

Лед лежал не только на суше, но и на дне современных морей, напр., Балтийского, Северного.

Нынешние ледники горных стран, напр., Альп, Алтая, в ледниковую эпоху были более обширны; были ледники и на возвышенностях когда-то более высоких и ныне свободных от льда, напр., Boresax, Шварцвальде, в Овернских горах.

Тропические страны были, повидимому, свободны от льда, но температура их, как и температура Средиземного моря, была несколько ниже теперешней. На высоких горах тропических стран, напр., в Африке на горах Кении и Килиманджаро, были ледники более обширные, чем теперь.

В Европе толщина ледникового покрова достигала нескольких верст; он спускался со Скандинавских и Финляндских гор, бывших гораздо выше, чем теперь. В России южная граница сползавшего льда определена по распространению валунов С. Н. Никитиным; она обнаруживает связь с орографией страны, которая и объясняет, согласно А. А. Тилло, ледниковые языки в долинах Днепра и Дона, направленные к югу.

Ледниковая эпоха в Европе прекратилась лет 10.000—15.000 тому назад, раньше в средних частях Европы, позже в северных. На севере Скандинавии, по де-Геру, следы ее так свежи, что производят впечатление ледника, исчезнувшего не более как за 5000 лет до нашего времени.

Ледниковая эпоха в четвертичный период не была единственной на земле. В последние 20 лет обнаружены следы таких же эпох и в более ранние геологические периоды. Так, обширный ледниковый покров был в до-кембрийский период, затем в кембрийский и притом в обоих полушариях. Следы последнего найдены в Китае, в Индии, в южной Австралии и в других местах. Следующая ледниковая эпоха была в Пермский период. Явные следы ее обнаружены в Индии в слоях Гондваны к востоку от Гималаев, в южной Африке в слоях Карроо, также и в Австралии и Тасмании. Этот период охватывал, повидимому, также страны более близкие к экватору, хотя небольшого оледенения, судя по исследованиям Рамзая и Мюллера, не была чужда и Европа.

Вообще, ледниковые эпохи на земле представляют собою явление периодическое, с неодинаковыми периодами. Повидимому, в более раннюю пору жизни земли эти периоды были более значительны, а затем уменьшались.

Насколько можно судить по имеющимся данным, прежде ледниковые эпохи охватывали страны более близкие к экватору, последующие же — страны более далекие от него. Если это так, то со временем ледниковые эпохи совсем исчезнут с лица земли. Подтверждение этой мысли мы встретим дальше.

По поводу причины ледниковой эпохи было высказано много взглядов, причем все они относятся лишь к ледниковой эпохе четвертичного периода, да и то, главным образом, только к ледниковой эпохе Европы. Их можно разделить на космические, астрономические и телурические. Космическая гипотеза (Пуассона) сводится к прохождению земли, движущейся в пространстве вместе со всею нашею солнечною системою, попеременно через более теплые и более холодные места; эта гипотеза остроумна, но лишена прочного основания. Астрономические гипотезы основываются или на изменениях в прецессии (Адемар) или в эксцентраситете земной орбиты (Кролль), или на изменении наклонности эклиптики (Шмик), или на изменении в состоянии солнца (Дюбуа), в частности солнечных пятен. Астрономические гипотезы, имея дело с явлениями, совершающимися в одном направлении, не в состоянии объяснить периодичности ледниковых эпох, а также межледниковых периодов.

Более многочисленны телурические гипотезы. Аррениус полагал, что на земле происходит попеременное уменьшение и увеличение количества углекислоты в воздухе вследствие то ослабевающей, то усиливающейся вулканической деятельности, углекислота же, будучи мало теплопрозрачной, действует на энергию, излучаемую землей, как экран, отчего, по его мнению, и должны происходить колебания температуры. Линдваль видел причину охлаждения Европы в том, что теплое течение гольфстром в ледниковую эпоху уходило из Мексиканского залива в Тихий океан, там, где теперь Панамский перешеек. Ганн считал возможным объяснить происхождение ледниковой эпохи иным распределением суши и воды; Кокен, Огг и другие сводят причину к поднятию суши.

К числу телурических гипотез надо отнести и метеорологические, которые стали появляться в последнее время (Гейница, Тутковского); в них вопрос сводится к допущению над бывшим ледником области высокого давления. Предположение это, однако, неосновательно, потому что имеет следствием сухость воздуха и отсутствие снега, который, как мы дальше увидим, является в данном случае главным фактором. Телурические гипотезы не в состоянии объяснить одновременности наступления ледниковой эпохи в Европе, Америке и в южном полушарии.

"Все существующие теории", справедливо говорит Огг в своем руководстве геологии, "бессильны объяснить ледниковую эпоху в высоких широтах обоих полушарий".

Вопрос о причине ледниковой эпохи таким образом остается открытым, хотя и несомненно, что орография должна была играть в данном случае известную роль, так как и ныне мы видим обширные ледники в горных странах.

Главный недостаток всех взглядов тот, что они кладут в основу ледниковой эпохи только одно охлаждение, что неправильно: в восточной Сибири средне-годовая температура весьма низка, напр., в Верхоянске она на 20° ниже, чем в Петрограде (около +3), а между тем там ледникового покрова, вследствие сухости воздуха и малого количества выпадающего снега, нет. Наоборот, в западной Патагонии и на южном острове Новой Зеландии обширные ледники находятся даже в тех местах, где средняя годовая температура +10°, что легко объясняется массою выпадающего снега, и именно снега, а не дождя; дождевая вода сейчас же стекает в более низкие места и ледяного покрова не дает. В подтверждение можно привести западную часть Великобритании, где климат очень влажен и выпадают обильные дожди: там ледников нет, а если в горах и бывает снег, то лежит недолго. Очевидно, что дожди не могут служить причиной образования ледника. Повидимому, значительного количества выпадающего снега при несколько пониженной температуре лета и, может быть, несколько уменьшенной продолжительности последнего вполне достаточно для объяснения образования ледяного покрова.

Ни одна из существующих гипотез не в состоянии объяснить, почему несколько десятков тысяч лет тому назад в Европе и Америке, а равно и в высоких широтах южного полушария, притом всюду одновременно, стало выпадать много снегу, и температура несколько понизилась, почему снег целые десятки лет накапливался и накапливался, частью обращаясь в лед, а затем стал стаивать. Не в состоянии они и объяснить, почему по временам экваториальные границы оледенения удалялись в полярные страны. Наконец, они оставляют в полной темноте вопрос об аналогичных случаях выпадения обильных снегов в более ранние периоды жизни земли.

Единственный фактор, производящий обильное выпадение снега, это — восходящее движение воздуха, которым характеризуются вихреобразные движения атмосферы, называемые циклонами. Как известно, область циклона делится на две части — северную и южную, резко отличающиеся одна от другой по ветрам, температуре и осадкам. Будем, для большей определенности, иметь в виду циклоны северного полушария; аналогичное, но обратное относится к циклонам южного. В южной части области циклона ветры дуют от южной половины компаса, или, правильнее, от ЮЮЗ, следовательно теплые и дождливые, тем более, что они несут воздух с океана; в северной — ветры от ССВ половины, холодные, дающие в холодное время года много снегу. В южной части зимою тоже выпадает снег, но все же он больше свойствен северной. Снег, выпадающий в южной части, скоро тает, и получающаяся вода стекает, выпадающий же в северной образует более постоянный снеговой покров. В настоящее время в Европе пути центров циклонов идут преимущественно на СВ вдоль берега Норвегии, а в С. Америке — по северным частям Канады, через Гудзонов залив и южную оконечность Гренландии; Европа, Соединенные Штаты и Канада охватываются по большей части их теплыми и дождливыми половинами, отчего в настоящее время здесь ледников и нет. Раз в ледниковую эпоху выпадали обильные снега и было холоднее, очевидно, что в то время циклоны проходили иначе, именно южнее. Этот вопрос для нас очень важен и потому его надо разобрать подробнее.

Движение циклонов тесно связано с общим движением атмосферы, а последнее — с барическим рельефом земли. Общий барический рельеф земли, т. е. распределение атмосферного давления (на уровне океана), характеризуется двумя полосами повышенного давления (выше 760 мм.), которые тянутся вокруг земли в западно-восточном направлении, одна в северном, другая в южном полушариях. Я их назвал затропическими барическими максимумами, так как их срединные линии или оси в настоящее время расположены за тропиками Рака и Казерога, в небольшом расстоянии от них, в широтах около 33—35° с. и ю. ш. Это, впрочем, относится лишь к южному полушарию и к океанам оеверного; над континентом Америки ось высокого давления отодвинута более значительно к северу, но еще более значительно в Азии, где она доходит до Байкала.

Вблизи экватора давление ниже 760 мм. Это — экваториальный барометрический минимум. Слабее оно и за осями максимумов и убывает в сторону полюсов, до параллелей 65—70°, где давление слабо; это полярные минимумы. Дальше, до самых полюсов, давление немного возрастает.

Вот картина общего барического рельефа земли у поверхности последней, в том виде, как она получается на основании климатологических атласов Ганна, Бартоломью, Главной Физической Обсерватории и пр. На повышенное давление близ тропиков было обращено внимание уже давно (собственно на океанах), главным образом с теоретической стороны. Еще в середине прошлого столетия Феррель, а затем Обербек и Гельмгольц, исходя из общих гидродинамических уравнений, а Сименс на основании принципа сохранения энергии движущейся атмосферы, определили положение повышенного давления — 35° с. и ю. широты.

Барический рельеф остается в общих чертах таким же и в более высоких слоях атмосферы, с тою разницею, что, чем выше, тем затропические максимумы ближе к экватору и на высоте нескольких верст сливаются между собою, образуя максимум давления как раз над экваториальным минимумом.

В непосредственной зависимости от барического рельефа находятся ветры. Имея в виду, что ветер несется от большого давления к меньшему с отклонением в северном полушарии вправо, а в южном влево, тем более значительным, чем больше географическая широта и высота над землею (трение меньше), мы получаем картину общего движения атмосферы относительно земли. Последнее в умеренных широтах направлено от западной половины горизонта в восточную; у земной поверхности преобладают SW ветры, а в более высоких слоях W. От осей максимумов в сторону экватора дуют N и NE ветры.

Такое движение атмосферы в своей основе обусловливается общим термическим градиентом земли, т. е. понижением температуры от экватора к полюсам, и вращением земли вокруг ее оси и, в свою очередь, обусловливает барический рельеф. Центробежная сила, развивающаяся в W потоках умеренных широт, оттягивает воздух в направлении к экватору и накапливает его в некоторой широте, где и образуются повышенные давления. Таково, согласно Анго, происхождение затропических максимумов. Более северное положение Азиатской и Американской частей максимумов, очевидно, обусловливается значительною величиною трения, представляемого обширною сушею.

В данном случае мы встречаемся с любопытным метеорологическим явлением — взаимодействием и взаимною поддержкой воздушного круговорота и барического рельефа; оба они зависят от термического градиента и от скорости вращения земли вокруг ее оси. Это — динамическое равновесие атмосферы, которое может быть нарушено при изменении одного из этих двух факторов.

Замечательно, что затропические максимумы существуют на своих местах целый год, лишь несколько ослабевая на нагретых в летнее время континентах. Ошибочно полагают, что летом на континенте Азии максимум заменяется минимумом; последний находится лишь на юге континента, а несколько севернее его, по параллели 50°, даже в июле тянется полоска повышенного давления, обстоятельство, на которое обратил внимание еще Тейсеран-де-Бор. Правда, максимум в Азии летом ослаблен, но след его, тем не менее, ясно виден. Зимою часть затропического максимума, находящаяся в Азии, весьма значительно усиливается, превращаясь как бы в самостоятельный антициклон, но все же это не более как сильно развившаяся под влиянием охлаждения земли часть затропического максимума. Часть последнего составляет и Азорский максимум, особенно усиливающийся в летнее время.

Покойный проф. А. И. Воейков назвал срединную линию Евразийского зимнего антициклона большою осью континента, но это название не удачно, так как ось повышенного давления проходит не только над континентами, но также и над океанами. Указанное название явилось следствием неправильного взгляда на Аиатский антициклон как на нечто самостоятельное.

Из сказанного видно, что затропические барометрические максимумы не являются следствием различия в тепловых свойствах суши и воды, это результат общих условий — общего термического градиента земли и круговорота атмосферы. Они должны иметь место при каком угодно распределении суши и воды, влияющем не на общий ход их, а на детали в последнем.

Сообразно с барическим рельефом земной поверхности, последнюю легко подразделить на климатические зоны, надо лишь иметь в виду следующие основные положения метеорологии: 1) ветер дует от бо́льшого давления к меньшему о отклонением в северном полушарии вправо, в южном влево, о чем было уже упомянуто выше, 2) ветры с экваториальной составляющей характеризуются большою влажностью, облачностью и дожливостью, 3) ветры с полярной составляющей характеризуются сухостью воздуха и малым количеством или отсутствием осадков, 4) над областью слабого давления происходит восхождение воздуха, сопровождаемое облачностью и осадками (динамическое охлаждение), в области же высокого давления воэдух опускается, он сух, и небо ясно (динамическое нагревание).

У экватора большая облачность и обильные дожди; отсюда до осей затропических максимумов сухие ветры (в северном полушарии N и NE, в южном S и SE), за этими осями, как выше упомянуто, SW ветры (в южн. пол. NW), влажные и дождливые. За осями полярных минимумов ветры N и NE (в южн. полуш. S и SE).

Зоны между осями максимумов и минимумов, т. е. умеренные широты, характеризуются обилием движущихся барометрических минимумов, или барометрических депрессий, или, еще иначе, циклонов.

В атмосфере умеренных широт над более теплыми местами, напр., над гольфштромом, над теплыми морями, окруженными холодною сушею и пр., возникают восходящие токи воздуха, привлекающие к себе у земной поверхности воздушные струи. Вследствие отклонения от вращения земли и центробежной силы, эти струи закручиваются, воздух же внутри областей восходящих токов разрежается; получаются вихреобразные движения, называемые циклонами. Атмосфера, движущаяся от W к Е, уносит с собой все, что в ней зарождается, уносит и циклоны, почему последние перемещаются от W к Е, а затем ослабевают и исчезают. Зона умеренных широт между осями затропических максимумов и полярных минимумов представляет собой зону, в которой циклоны особенно часты. Это циклоническая зона. Экваториальные границы ее — оси затропических минимумов.

Положение атмосферы относительно земли, в частности же барического рельефа и областей ветров, связано со скоростью вращения земли вокруг ее оси. Если вращение становится более быстрым, атмосфера в обоих полушариях стягивается в сторону экватора, вместе с тем отклонение горизонтально движущихся тел делаются более значительным, центробежная сила, действующая на W течения умеренных широт, увеличивается, полосы повышенного давления приближаются к экватору. При уменьшении скорости вращения, наоборот, весь барический рельеф земли должен перемещаться в сторону полюсов. Есть основание предполагать, что такое нарушение равновесия атмосферы происходит в действительности. Барический рельеф земли не остается постоянным, а непрерывно, хотя и медленно, тысячелетиями и десятками тысяч лет перемещается вдоль земной поверхности, в общем, в направлении от экватора к полюсам, но иногда и наоборот, в сторону экватора. В этом нас убеждают нижеследующие соображения.

Еще Кант в 1754 г. утверждал, что скорость вращения земли около ее оси, вследствие действия луны на землю, постепенно уменьшается. В 1853 г. Адамс, сопоставляя данныя современных наблюдений над лунными затмениями с данными Птоломея, подтвердил это предположение. Делонэ в 1865 г., идя тем же путем, пришел к такому же выводу и нашел, что в 10.000 лет продолжительность суток увеличивается на 1 сек. В своей статье он указывает на то, что Эри держится того же мнения, что продолжительность суток с течением времени должна увеличиваться. В 1867 г. Майер дал впервые обстоятельное объяснение этого явления, причина которого, как предполагал Кант, заключается в приливо-производительной силе луны и солнца. Одновременно с этим, Майер указал на другие факторы, которые должны оказывать в данном случае действие, во-первых, на охлаждение земли; вследствие его радиус земли уменьшается, но так как момент вращения остается тот же, то это должно иметь последствием ускорение вращения, т. е. укорачивание суток. Во вторых, он указывает на перемещение магмы при извержении вулканов, долженствующее производить замедление. Сочетание причин изменяющегося значения, направленных притом в разные стороны, делает, очевидно, явление сложным и может даже обусловить, по крайней мере по временам, ускорение вращения. Что это так в действительности и есть, было доказано Ньюкомбом в 1896 г. Он сопоставил за 200 слишком лет, с 1677 по 1894 г., времена прохождения Меркурия через диск солнца, наблюдавшиеся с вычисленными, и получил разницы, доходившие в столетие до 5 и даже до 10 сек. Так, от 1677 до 1769 г. сутки укоротились на 5°4±2°5, от 1789 до 1869 г. они удлинились на 6°4±1°5, от 1881 до 1894 они укоротились на 3°1±1°6. В общем, Ньюкомб пришел к выводу, что земля вращается все медленнее, но периодами наступает, напротив того, ускорение вращения.

Вот что дают сравнения астрономических наблюдений с вычислениями, а затем имеется ряд весьма интересных теоретических работ, основанных главным образом на вычислении действия приливной волны в океанах, приливной волны в атмосфере и проч. Лорд Кельвин, произведя такие вычисления, нашел, что сутки удлиняются в столетие на 22.5 с. По Гертцу, если бы не было никаких других причин, кроме действия луны и солнца, увеличение суток в столетие должно было бы быть 22°. В 1908 г. Г. Дарвин нашел, что удлинение суток в столетие может колебаться от 8°3 до 23°4. Тем же вопросом занимались Лиувиль, Гильден, Слудский. Обстоятельная сводка всего полученного сделана у Тиссерана. На основании ее он принимает, что вследствие только действия луны и солнца увеличение продолжительности суток должно было бы быть 22 с. в столетие, но есть целый ряд других факторов, которые могут в сильной степени изменить степень уменьшения скорости вращения и даже превратить уменьшение в увеличение. Причины замедляющие: действие луны, солнца, планет, движение магмы, падение метеоритов; причины ускоряющие вращенье: охлаждение земли, атмосферные волны. По В. Томсону, по этой пооледней причине уменьшение продолжительности суток должно быть 2.76 сек. в столетие. Одним из ускоряющих добавочных явлений служат пертурбации в движении луны.

Вот данныя, которые имеются по рассматриваемому вопросу. В качественном отношении все они согласны между собой, но в количественном расходятся, особенно если сравнить результаты Делонэ и теоретические исследования последнего времени. Все признают постепенное замедление вращательного движения земли, прерываемое по временам периодами ускорения; все считают явление весьма сложным и зависящим от ряда причин. Все эти причины не постоянные и, разнообразно сочетаясь, могут давать разнообразные результаты. Игнорировать этим явлением при изучении жизни эемли невозможно, и я положил его в основу своей теории. Мне могут заметить, что этот фундамент недостаточно прочен, недостаточно обоснован; может быть, но пусть дальнейшие исследования его проверят. Если он окажется верным, излагаемое представит собою, на мой взгляд, важный шаг вперед в изучении такого замечательного явления, как ледниковые эпохи. Во всяком случае, я не счел возможным не сообщить своих соображений в этом отношении.

Возрастание продолжительности суток, сменяемое по временам укорачиванием их, это факт, наблюдаемый на протяжении последних 2000 лет, но нет сомнения, что он имел место во все геологические эпохи, вообще, так как те же самые силы действовали и раньше. Суммируя действия этих сил, мы, очевидно, должны получить периодическое колебание рассматриваемого явления, с которым необходимо считаться при объяснении различных явлений, происходящих на земле.

В связи с изменением скорости вращения земли и происходящим от этого изменением величины отклоняющей и центробежной сил, очевидно, должно находится перемещение барического рельефа земли. Все линии последнего (изобары) при увеличении скорости, не изменяя своего общего хода, должны передвигаться в сторону экватора, а при уменьшении скорости в обратную сторону, что одинаково относится к обоим полушариям земли. Вместе с барическим рельефом должны перемещаться и непосредственно связанные с ним климатические зоны, в том числе и зоны W—Е воздушных течений и циклонические зоны.

Необходимо принять, что перед последней ледниковой эпохой теперешний барический рельеф был ближе к экватору; оси затропических максимумов давления шли тоже ближе к последнему. Та, которая в настоящее время проходит по средней Европе и южной России, проходила где-то южнее, может быть по Средиземному морю и Азиатской Турции. Циклоны в Европе двигались южнее, пути наиболее частого движения их лежали не по северной окраине Европы, как теперь, а по средней Европе; север Европы охватывался по-преимуществу северными частями циклонических областей, сопровождаемыми обильными снегопадами и пониженной температурой. Естественно, что тут и должно было получиться оледенение. Аналогичное, очевидно,относится и к Северной Америке, и к южному полушарию.

Тропические страны, напр. север Африки, охватывались южными частями циклонов, сопровождающимися пасмурною погодою и дождями, в результате чего в них явилось некоторое охлаждение. Поэтому естественно допустить, что в ледниковую эпоху Средиземное море было холоднее теперешнего, а на высоких горах, напр., на Кении и Килиманджаро, лежали более обширные ледники.

Через несколько десятков тысяч лет после этого скорость вращения земли уменьшилась, и барический рельеф занял теперешнее положение. Циклоны стали двигаться севернее и северную Европу стали охватывать своими южными, более теплыми и дождливыми частями. Лед постепенно таял, и ледниковая эпоха прекратилась. Повторные перемещения экваториальных границ ледниковой эпохи, обусловливающие межледниковые периоды, легко объясняются повторными ускорениями и замедлениями вращения земли.

На равнинах Азии ледникового периода не было, потому что там, как уже было замечено, очень сухо: содержание водяного пара в Азии в 20—30 раз меньше, чем в Европе.

Аналогично объясняются ледниковые эпохи и более ранних геологических периодов. Каждая наступала после того как от увеличения скорости вращения земли барический рельеф смещался к югу.

В более раннюю пору жизни земли, когда скорость вращения была больше, барический рельеф перемещался дальше на юг и обусловливал более экваториальные оледенения, чем, повидимому, и можно объяснить то обстоятельство, что более ранние ледниковые эпохи наступали в местах более близких к экватору.

Результаты суммирования вышеуказанных сил можно себе представить в виде волнистой линии, состоящей из повышений и понижений. Расстояния между первыми или между вторыми соответствуют периодам. В виде волнистой же линии можно изобразить и эффекты, производимые этими силами. Вполне возможно и даже вероятно, что многие из повышений второй линии не найдут себе соответствующих в первой, что периоды в производимых силами эффектах значительно длиннее периодов в действии самих сил. Это легко объясняется тем, что в более раннюю пору жизни земли земная кора была тоньше, и больше давала себя знать внутренняя теплота земли, в воздухе же было больше углекислоты, задерживающей охлаждение земли от лучеиспускания. По этим двум причинам земная поверхность была теплее, и льду было труднее образоваться; оледенение наступало лишь в случаях особенной напряженности сил. Этим, в свою очередь, объясняется и большая продолжительность промежутков между ледниковыми эпохами более ранних геологических периодов.

Сделаем маленькое отступление. Интересно вычислить, насколько перемещается ось затропического максимума, т. е. барический рельеф, со всеми его климатическими зонами, вследствие того или другого изменения скорости вращения земли. Это вопрос чрезвычайно сложный, но может быть упрощен, если допустить однородную земную поверхность, т. е. сплошь состоящую из воды, или из суши, всюду одинакового строения и состава. Далее, необходимо принять, что общая циркуляция атмосферы есть следствие постоянного термического градиента между экватором и полюсами, действие которого значительно видоизменяется влиянием вращения земли вокруг ее оси, в результате чего в высших широтах являются ветры (движение воздуха относительно земли) с W, а в низших — с Е составляющей.

Соображения, высказанные Феррелем 1), Сименсом 2) и Гельмгольтцем 3), дают возможность решить вопрос при вышеуказанных допущениях. Феррель исходил из применения к движению тел вдоль земной поверхности закона сохранения площадей, Сименс из принципа сохранения движущейся атмосферой энергии, а Гельмгольтц из гидродинамических уравнений. Несмотря на различия в приемах и в деталях полученных ими результатов, все три исследователя пришли к одному и тому же выводу по отношению к положению промежуточной между W и Е воздушными течениями полосы высокого давления (затропический максимум), а именно 35° с. и ю. ш. при современной скорости вращения земли.

Какими соображениями указанных лиц воспользоваться в данном случае, совершенно безразлично, тем более, что вопрос по самому существу своему точного решения и не требует; в самом деле, когда окончилась ледниковая эпоха, мы в точности не внаем, еще менее известно нам время начала ее. Мне показались наиболее простым соображения Сименса, которые я и применил к решению вопроса.

Идея Сименса заключается в следующем:

Представим себе атмосферу вращающуюся вокруг земной оси вместе с землею и находящуюся всюду в покое относительно поверхности последней; назовем это движение, для простоты, абсолютным; атмосфера обладает некоторой живой силой К. Перемешаем воздух, так, чтобы он из умеренных широт перешел в экваториальные, а из экваториальных в умеренные; Сименс принимает, что тогда скорость вращения атмосферы всюду от полюсов до экватора будет одна и та же С, а живая сила К останется прежней. Очевидно, что частички воздуха, пришедшие из умеренных широт в экваториальные, отстанут от земли в ее вращении, отчего тут явятся ветры Е, или, правильнее, с восточной составляющей, пришедшие же в умеренные широты опередят землю и послужат причиною W ветров; в месте соприкосновения Е и W ветров будет расположена полоса, в которой не будет ни отставания, ни опережения, и воздух останется относительно земли в покое. Согласно Сименсу, здесь, вследствие столкновения противоположных воздушных течений, должно явиться повышенное давление. Вычислив тем или другим способом С, подыщем параллель, на которой воздух находится в абсолютном движении со скоростью С; это будет скорость движения земли на этой параллели. Мы получим географическую широту оси высокого давления.

Все дело, очевидно, сводится к нахождению С.

Обозначив массу некоторого объема воздуха через m, а абсолютную скорость вращения через V (положит. в направл. к Е), получим живую силу этой массы
 m V 2   .
2

Здесь V может быть заменено выражением
 v = ωR Cos ϕ 

где R — радиус земли (принимаем ее за шар), а ϕ — географическая широта.

Вообразим по параллели узкое воздушное кольцо; радиус его R Cos ϕ, а ширина Rdϕ. Обозначив через μ массу воздуха над единицею площади земной поверхности, получим массу этого кольца
 dM = 2μπR2 Cos ϕdϕ 

где M есть масса всей атмосферы.

Живая сила каждой кольцевой массы равна
dMV 2  = μπR2 Cos ϕ·dϕ·μ2R2 Cos2ϕ.
2

Суммируя все эти массы в пределах от одного полюса до другого, т. е.
π  до + π  ,
2 2

получаем
K = μR4ω2π   + π ϕdϕ
2
Cos3
 — π
2

или
K =      + π ϕdϕ
2
R4π3μ  Cos3
T2
   — π
2

где T есть время оборота земли.

Вообще, как известно,
Cos3ϕdϕ =  Sin ϕ  (2 + Cos2ϕ),
3

что в вышеуказанных пределах превращается в
  4  
3

Поэтому
K =   16   ·  R4π3µ
3 T2

С другой стороны, раз конечная скорость C (линейная) должна быть одна и таже, имеем:
K =    C2 dM C2 dM,
2 2

или
C2 2K
dM
   

но
dM = 2µR2πCos ϕdϕ = 4 µR2π

Следовательно
C 2Rπ  ·   2   .
T 3

Вычислив C, надо сравнить величину ее со скоростью вращения земли по параллелям и взять ту параллель, на которой скорость вращения равна С. Это и будет параллель с неподвижным относительно земли воздухом, т. е. ось высокого давления.

При современной скорости вращения земли (в сутках 86400 сек. ср. звездн. врем.) получаем
C = 379 м.

этой величине соответствует параллель 35°16" 4).

Примем, согласно Кельвину и др., что продолжительность суток в 100 лет увеличивается на 20 сек. Продолжительность суток Т за 20.000 лет до нашего времени была
86400 — 4000 сек. = 82400 сек.

С получается равным 397, что соответствует ϕ = 31° 4). Следовательно в 20.000 лет ось затропического максимума перемещается на 4°.

Примем, что ледниковая эпоха началась 100.000 лет тому назад. За это время ось максимума переместилась на 20°, а так как в настоящее время она в России проходит приблизительно по параллели 50°, то она тогда шла по параллели 30° — по Средиземному морю через о. Кипр и по Малой Азии между Дамаском и Бейрутом.

Можно идти и другим путем для решения нашего вопроса. Сименс и Феррель дали формулы, по которым, при отсутствии трения, можно вычислить скорости ветров в разных широтах.

Формула Сименса
v = Rω  (   2   — Cosϕ  )   .
3

Формула Ферреля
v = Rω  (   2   — Cosϕ  )   .
 3Cos ϕ 

Для современной скорости вращения получается следующая таблица.
  Скорость ветра м. в сек.  
  По Сименсу По Феррелю  
.............. 85 .............. 155 от Е
20° .............. 57 .............. 107
35° .............. 0 .............. 0
 
45° .............. 51 .............. 110 от W
54° .............. 106 .............. 254
70° .............. 220 .............. 747
90° .............. 379 ..............  

Результаты обоих исследователей очень отличаются между собою; скорости получаются слишком большие и не соответствующие действительности, потому что оба не приняли во внимание трения, но положения полос высокого давления одинаковы. Такого рода таблички, по Сименсу или Феррелю, это безразлично, можно составить для разных скоростей вращения земли, а по ним уже легко судить о соответствующих положениях оси затропического максимума.

После этого отступления, имеющаго целью затронуть количественную сторону вопроса, вернется к разсматриваемой теории.

Земля все медленнее и медленнее вращается вокруг своей оси, и можно думать, что со временем ледниковые эпохи совсем исчезнут, но пока дело до этого не дошло: есть некоторые намеки на то, что на нас надвигается новый ледник, и, может быть, не единственный, что мы переживаем не более, как межледниковую эпоху. К рассмотрению этого вопроса теперь и перейдем.

Как мы видели, с барическим рельефом тесно связано распределение климатов, а так как растительность зависит от климата, то является зависимость ее от барического рельефа. Для большей простоты будем говорить лишь о северном полушарии; аналогичное относится и к южному.

Сопоставляя барический рельеф с распределением растительных формаций, например, по ботанико-географическому атласу Друде, легко обнаружить следующее замечательное обстоятельство: область между осью затропического максимума и осью полярного минимума с ее влажными ветрами представляет собою древесную зону умеренных широт; к югу от оси, где преобладают сухие NE, ENE и Е ветры, идет район травянистых степей, пустынь и ксерофильных растений. В этом последнем лес растет, так сказать, неохотно, а искусственно насажденный нередко гибнет от недостатка влаги. Исключение представляют места более влажные, например, берега рек и оврагов, и более высокие, следовательно более холодныя (крымская яйла и пр.).

Указанная зависимость растительности от барического рельефа весьма резкая и притом общая для старого и нового света, для северного и южного полушарий.

При перемещении барического рельефа к северу или к югу, очевидно, должны вместе с ним перемещаться и климатические и растительные зоны; при перемещении, например, к северу в северном полушарии, степь должна наступать на лес, потому, что во влажный район с SW ветрами вторгается сухой район с N и NE ветрами; наоборот, при перемещении барического рельефа с осью затропического максимума к югу, в сухой район вторгается область с влажными ветрами, он становится более влажным и лес завоевывает степь.

Можно сделать и обратное заключение: если бы исследования обнаружили наступление тысячелетиями одной растительной формации на другую, то это указало бы на соответствующее перемещение барического рельефа. Допустим, например, что лес наступает на степь и завоевывает ее: это показывает, что степь становится влажнее, что сухие ветры или заменяются влажными или теряют свою интенсивность, а это, в свою очередь, обнаруживает перемещение барического рельефа к югу.

Почти по середине нашей черноземной полосы от WSW к ENE, с небольшим изгибом к N в средней части, проходит ось затропического максимума. Как выше замечено, к северу от нее расположена лесная область, однако она начинается не непосредственно от самой оои, а к последней примыкает с севера промежуточная полоса — лесостепь, или дубовое предстепье, в которой лес чередуется со степью, и лесные почвы с черноземными. Лесостепь занимает губернии: Волынскую, Киевскую, Полтавскую, Курскую, Харьковскую, Воронежскую, Тамбовскую, Пензенскую, Симбирскую, Самарскую, Уфимскую.

Лесостепь, это — арена борьбы леса со степью, на которой первый одерживает верх. Севернее лесостепи расположена полоса так называемых доисторических степей. Исследования показывают, что здесь когда-то были степи, но вследствие увеличения влажности произошла деградация чернозема, и вместо степи здесь теперь уже находится лес. Полоса доисторических степей занимает части губерний — Люблинской, Волынской, Киевской, Орловской, Тульской, Рязанской, Нижегородской, Казанской, Пермской.

Борьба леса со степью служила предметом многих исследований: некоторые полагают, что лес сам по себе действует увлажняющим образом и тем дает место развитию почвенных и биологических процессов, обусловливающих деградацию чернозема. Но тут является вопрос, нет ли и другой причины увлажнения, более общей, зависящей от изменения характера ветров. Вопрос можно было бы, повидимому, до известной степени решить, если рассмотреть, как за последние 40—50 лет в лесостепи, в области доисторических степей и, вообще в России, изменяется влажность воздуха. Материал могли бы дать наши метеорологические станции, как те, которые находятся у опушек лесных массивов, так и расположенные вдали от них, среди степей. Если влажность увеличивается на всех этих станциях, то это покажет, что происходит общее увеличение ее; если у лесных опушек увеличение идет быстрее, очевидно, что, помимо общего увеличения влажности, происходит увеличение ее и под непосредственным влиянием лесов.

Возможно, что наши станции, вследствие сравнительной малости числа лет наблюдений, не дадут определенного ответа на вопрос. Однако, и тогда никоим образом не следует отнестись к общему возрастанию влажности отрицательно. Есть другого рода исследования, которые заставляют это возрастание признать, а именно, исследования озер и рек. Оказывается, что в последние тысячелетия уровень воды в наших озерах повышается, соленые оэера и реки становятся пресными 5). Трудно сомневаться в том, что более сухой период, бывший после схода великого ледника, землею уже пережит, что теперь наступил период более влажный.

С другой стороны, сводка весьма многих данных, касающихся колебаний температуры, показывает, что пережит и бывший после схода льда более теплый период, и теперь наступил более холодный.

Исследования проф. Г. И. Танфильева на нашем севере свидетельствуют о том, что там происходит борьба тундры с лесом, который постепенно заболачивается и все более и более отступает к югу. Возможно, что причина этого явления заключается в усилении суровости климата.

Все это вместе взятое заставляет думать, что барический рельеф находится в настоящее время в стадии движения к югу. Во время ледниковой эпохи, как уже выше отмечено, ось затропического максимума шла где-то на юге, примерно по Средиземному морю и Азиатской Турции, во всей России преобладали SW ветры, влажность была больше теперешней, в южной части России, непокрытой льдом, были леса, или, по крайней мере, существовали условия благоприятные для произрастания лесов. После ледникового периода ось затропического максимума отодвинулась к северу и приняла положение севернее полосы доисторических степей; во всей южной половине России наступили сухие N и NE ветры; лес заменился травянистой растительностью. Вслед за этим ось затропического максимума пошла к югу, и область к северу от нее, занятая перед этими степями, стала понемногу от севера к югу заполняться лесами. Так покрылась лесом область доисторических степей. В этом движении к югу ось, а вместе с тем и весь барический рельеф находится и в настоящее время. Все климатические зоны и зона наиболее частых циклонов сопровождают его. На нас с севера надвигается снежная и более холодная зона, которая, по всей вероятности, через несколько тысяч лет приведет весь север Европы к новому оледенению. Все говорит за то, что мы переживаем межледниковый период.


1) W. Ferrel, The Winds and the currents of the ocean. Nashville Journal. Okt. Nov 1856. Его же. The motions of fluid and solids. New-York. 1860. Эта работа вновь отпечатана в Profess. Pap. Sign. Serv. № 8, part. I. Washington, 1882. См. также Ferrel, Beccent Advances to Meteorology, Washington, 1886. Прекрасное изложени взглядов Ферреля в книге: Sprung, Lehrbuch der Meteorology 1885. (стр. 44.)

2) Werner v. Siemens, Ueber die Erhaltung der Kraft im Luftmeere der Erde. Sitzungsberichte der Akad. zu Berlin, 1886, стр. 261. Критика Шпрунга в Meteor.-Zeitschr. 1890, стр. 161. См. также Siemens в Ber. der Akad. 1890. (стр. 44.)

3) Н. V. Helmholtz, Ueber atmosphärische Bewegungen. Ber. der Akad. zu Berlin 1888, 31 мая Перепеч. в Met. Z. 1888, стр. 329. (стр. 44.)

4) В нижеследующей табличке даны скорости вращения земли в разных параллелях, вычисленные по формуле:
 2πR Cosϕ 
 
Геогр. шир.   Скор. вращ.
(м. в сек.)
20° .............. 486
30° .............. 402
31° .............. 397
32° .............. 393
33° .............. 388
34° .............. 384
35° .............. 380
35° 16 .............. 379
40° .............. 356
50° .............. 298
60° .............. 282
(стр. 47.)

5) Л. С. Берг, Об изменении климата в историческую эпоху. Землеведение, 1911 г. (стр. 50.)