На распространение льда влияют небольшие периодические изменения орбиты планеты вокруг Солнца и наклона ее оси, которые меняют количество энергии, достигающей Земли. Какой бы небольшой ни была реакция планеты, по человеческим меркам она весьма серьезна: 20 000 лет назад, во время максимума последнего оледенения (пика последнего ледникового периода), лед покрыл большую часть Северного полушария, от Канады до России, и большинство гор, от Альп до Гималаев. Во многих местах толщина ледяных щитов превышала километр. Лед вобрал в себя столько воды, что общемировой уровень океана находился примерно на 130 метров ниже, чем сегодня. Вопросы, почему и как относительно небольшие изменения в освещенности могут приводить к такой серьезной реакции, до сих пор вызывают серьезные споры. Однако почти во всех объяснениях ключевую роль играет сама вода. Осознание этой роли требует понимания того, как вода взаимодействует с солнечной энергией.
Солнце создает электромагнитное излучение в широком спектре длин волн, пик которого приходится на промежуток от четверти до трех четвертей микрометра, и эту полосу человеческий глаз интерпретирует как видимый свет[3]. Когда этот солнечный свет достигает поверхности Земли, он нагревает ее. Затем поверхность планеты отправляет обратно в космос инфракрасное излучение, длина волны которого намного больше[4]. Кислород и азот, составляющие более 99 % объема атмосферы, поглощают и рассеивают видимый свет (отсюда голубой цвет неба), однако для инфракрасного излучения они в значительной степени прозрачны.
Если бы атмосфера состояла исключительно из этих двух газов, тепло у поверхности практически бы не улавливалось, и планета стала бы намного, намного холоднее. Однако водяной пар в значительной степени прозрачен для видимого света, и при этом слегка изогнутая молекула воды из трех атомов оказывается особенно эффективной при перехвате и поглощении инфракрасного излучения. В результате водяной пар становится огромным одеялом над планетой, который удерживает уходящее тепло: он основной парниковый газ. Из всех форм, в которых вода существует на Земле, самая главная – водяной пар, поскольку именно его наличие в атмосфере и делает планету пригодной для жизни.
Однако вода действует не только как парниковый газ. Это также усилитель изменений. Атмосфера поглощает водяной пар до насыщения, но эта точка насыщения сама по себе зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше воды может поглотить атмосфера: на каждый лишний градус температуры – на 7 % больше воды. Чем больше воды в атмосфере, тем она более непроницаема для инфракрасного излучения. Чем она более непроницаема, тем выше ее температура. Такая обратная связь водяного пара оказывается мощным усилителем.
Небольшое изменение