Климат минувших времен

Для составления долгосрочных прогнозов погоды требуются сведения о климате далекого прошлого. Между тем систематические наблюдения погоды в России начались только на рубеже XIX и XX вв., хотя первая метеостанция, как известно, была открыта Петром I в 1724 г. Да и в странах Западной Европы регулярные метеорологические наблюдения начались около 200 лет назад.

Конечно, в летописях, наблюдениях астрономов, естествоиспытателей и мореходов прошлого можно найти сведения о засушливых и дождливых годах, однако эти сведения отрывочны и бессистемны. Одна из наиболее полных сводок климатических материалов составлена И. Е. Бучинским ("О климате прошлого Русской равнины", 1957).

Поскольку растительность чутко реагирует на климатические изменения - усиление аридности, увеличение влажности, похолодание, - по ней можно выяснить особенности климата в более или менее удаленные от нас годы.

Хорошими летописцами погоды являются деревья. Ведь многие из них растут сотни и даже тысячи лет. Секвойя, фисташка, мексиканский кипарис, сосна остистая, тис ягодный живут по нескольку тысяч лет. Еще Леонардо да Винчи было известно, что рост дерева, характеризуемый шириной годичных колец, связан с природными условиями, в частности с осадками. Карл Линней отметил, что в северных районах ширина годичных колец зависит от теплового режима. Однако первым, кто сумел по структуре годичных колец древесных растений охарактеризовать климатические изменения в прошлом, был русский физик, профессор Новороссийского университета в Одессе Федор Никифорович Шведов (1840-1905). Именно он стал основоположником дендроклиматологического метода.

В 1892 г. Ф. Н. Шведов опубликовал работу "Дерево как летопись засух", в которой по годичным слоям белой акации, выросшей в Одессе, пытался определить характер погоды прошлых лет. Он предположил, что процесс всасывания питательных веществ корнями дерева из почвы зависит от ее влажности, а следовательно, от количества выпадающих осадков. По этой причине ширина годичных колец может поведать о чередовании сухих и влажных годов. Действительно, на основании анализа структуры годичных колец белой акации ему удалось выявить, что засухи на юге Украины повторяются приблизительно через 9 лет. Дальнейшие исследования, проведенные другими учеными, подтвердили тесную взаимосвязь между ростом дерева и количеством осадков.

Основная идея дендроклиматологического метода заключается в том, что ширина годичного кольца дерева показывает, какими были климатические условия в год образования этого кольца - благоприятными или неблагоприятными для роста растений. Если год был неблагоприятным, кольцо было узким, едва заметным. В благоприятных условиях формировалось широкое кольцо. Следовательно, каждое кольцо древесины служит критерием погодных условий того или иного года. Если по горизонтали откладывать последовательно годы, а по вертикали - ширину колец, то можно составить график, кривая которого покажет, как изменялись климатические условия в течение длительного промежутка времени.

Годичные кольца на поперечном срезе древесины сосны обыкновенной

Разумеется, эта кривая может быть истолкована правильно только в том случае, если верно оценена роль того или иного фактора в формировании годичных колец. Ведь рост растений зависит не от одного, а от ряда факторов, и в первую очередь от температуры и осадков. Какой из этих факторов имеет решающее значение для морфологических особенностей колец? Верный ответ на этот вопрос может быть дан только тогда, когда примем во внимание природные условия местности, в которой произрастает исследуемое растение.

Годичные кольца на поперечном срезе древесины лиственницы сибирской

Эммануэль Ле Руа Ладюри, автор книги "История климата с 1000 года", совершенно правильно отметил, что в полузасушливых областях земного шара, например в Северной Африке и на Юго-Западе США, где хронический дефицит осадков, а тепло не наносит дереву в период его вегетации ущерба, ряд очень тонких "колец в древесине свидетельствует о четко выраженном засушливом периоде, а преобладание широких колец, напротив - о влажном.

В приполярных районах критическим фактором становится не влажность, а температура. Если в этих условиях у дерева формируются узкие кольца древесины, значит, годы были холодными. Широкие кольца служат показателем температур, благоприятных для роста растений.

Что же касается умеренных широт, то здесь прирост деревьев в толщину зависит и от температуры, и от осадков, что затрудняет интерпретацию ширины колец. Неудивительно, что наибольших успехов дендроклиматология достигла именно в переходных климатических областях: в лесотундре Скандинавии, Аляски, в полупустынях Юго-Запада США.

На срезах многих деревьев хорошо видны специфические повреждения, вызванные лесными пожарами. Известно, например, что в Брянских лесах огненная стихия бушевала в 1753, 1776, 1797, 1810, 1836, 1852, 1860, 1872 гг. Это дает основание полагать, что в указанные годы там свирепствовали засухи, благоприятствовавшие лесным пожарам.

Согласно летописям, в самом начале XIV в. на Земле существенно изменился климат, и в Скандинавии зимы стали более суровыми. Отмечалось поднятие уровней Балтийского и Каспийского морей. Изучение срезов деревьев подтвердило этот факт: начиная с 1306 г. у деревьев резко усилился рост годичных колец, что свидетельствует об увеличении количества осадков в этот период.

В США дендроклиматологический метод был использован в начале XX в. А. Е. Дугласом. Благодаря его работам дендроклиматологический и дендрохронологический методы исследования получили широкую известность. В 1938 г. он создал дендрохронологическую лабораторию, в которой были изучены срезы хвойных деревьев, произраставших на Западе США, в том числе секвой в возрасте от 500 до 1500 лет.

Анализ годичных колец секвой, живущих, как известно, до 4 тыс. лет, показал, что 2000, 900 и 600 лет назад сильно увеличивалась влажность (годичные кольца хорошо выражены). Действительно, 2000 лет назад в некоторых нынешних пустынях было много цветущих городов. Там, очевидно, хватало влаги для человека и окружавшей его растительности. После 1290 г. на юго-западе Северо-Американского континента очень сильно возросла аридность, что, по-видимому, и вынудило древних обитателей Меса-Верде (нынешний штат Колорадо) покинуть свои пещерные города.

Для определения климатических изменений в далеком прошлом используются не только секвойи, но и другие деревья-долгожители, в частности сосна остистая (Pinus aristata), возраст которой может достигать 4600 лет. Благодаря изучению ширины ее годичных колец были установлены даты резких похолоданий: 1453, 1601, 1884, 1902, 1941 и 1965 гг. Полученные результаты совпали с результатами наблюдений метеорологов, что свидетельствует о достоверности дендроклиматологического метода.

Отнюдь не каждое дерево может служить индикатором климатических условий прошлого. Еще Ф. Н. Шведов отмечал, что для характеристики засушливых лет с помощью ширины годичных колец нельзя использовать деревья, растущие в поливных условиях, по берегам рек, ручьев и озер, а также на высоких хребтах. Наиболее удобными объектами для этой цели он считал деревья, произрастающие в степи на положительных формах рельефа. В поймах рек деревья слабо реагируют на сухость, поскольку хорошо снабжаются грунтовыми водами. Лишь в исключительно сильные засухи, когда их уровень понижается, у этих деревьев уменьшается прирост древесины. Не удобны для характеристики климата прошлого и деревья, растущие на солонцах, физико-химические свойства которых затрудняют всасывание корнями воды. На солонцах деревья испытывают физиологическую сухость, они плохо растут и имеют очень мелкослойную древесину.

Для реставрации климата прошлых лет ученые рекомендуют использовать наиболее старые деревья, господствующие в древостое и в настоящее время. Наиболее высокие и толстоствольные деревья, по-видимому, не испытывали неблагоприятных воздействий, не связанных с климатом. Их рост определялся в основном погодными факторами. Молодые деревья непригодны для анализа климата прошлого еще и потому, что в первые десятилетия их жизни колебания годичного прироста имеют довольно неопределенную картину. С позиций физиологии это вполне объяснимо: молодые организмы более чувствительны к внешней среде, чем взрослые. Они резко реагируют на изменение не только погоды, но и условий почвенного питания, затенение другими растениями и т. п. Молодые деревья неудобны для дендроклиматологического анализа еще и потому, что дают информацию о приросте за сравнительно короткий срок.

Сотрудники лаборатории кибернетики живой природы Сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева рекомендуют использовать для анализа годичного прироста сосны, произрастающие в крайних условиях существования: сосняки сухие (сухие боры) и болотные (мшары). Хвойные породы давно уже признаны лучшими летописцами погоды. У них по сравнению с лиственными породами более четко выражены годичные кольца. К сожалению, в сухих борах возраст деревьев редко превышает 150-180 лет. Болотные сосняки имеют то преимущество, что позволяют использовать для составления дендроклиматологических шкал деревья, находящиеся в толще торфа, т. е. "законсервированные" в болотах. Благодаря изучению их удается познакомиться с климатом, существовавшим не два столетия назад, а значительно раньше.

Рост годичных колец деревьев зависит не только от годовой суммы осадков за период вегетации, но и от числа дней с активными температурами и суммы активных температур. Детальное изучение срезов деревьев позволило установить, что растительность реагирует не столько на годичные колебания температур и осадков, сколько на десятилетние. Установлено, что деревья Хибин и Полярного Урала не отвечают на снижение температуры в течение одного сезона вегетации и реагируют на десятилетние колебания летних температур.

Исследование срезов сосен, выросших в сухих борах и на болотах, выявило циклические изменения, охватывающие двух-четырехлетний период. Существование таких циклов объясняется тем, что засуха сказывается на росте растений в течение не только одного какого-то года, но и нескольких последующих лет в зависимости от ее интенсивности. Падение прироста в год после засухи во многом обусловлено уже не недостатком осадков, а другими причинами, например обильным плодоношением, которое обычно бывает за засушливым годом. Иногда падение прироста, вызванное засухой, обнаруживается на третьем и даже четвертом году после нее.

Следует учитывать и то обстоятельство, что в некоторых случаях летняя засуха может и не сказаться на ширине кольца дерева, соответствующего засушливому году, особенно если зимой и весной выпало достаточное количество осадков.

Климат прошлых времен реставрируют не только по ширине годичных колец, но и по срокам фенологических дат. Этот метод был весьма успешно применен Эммануэлем Ле Руа Ладюри, который считал, что дата созревания плодов, например винограда, в основном зависит от температур, воспринятых растением за вегетационный период - от формирования почек до созревания плодов. Чем теплее и солнечнее он был, тем быстрее и раньше созревает урожай культурных растений. Если в это время было холодно, облачно, мало солнечного света, то вызревание плодов и сбор урожая запаздывают. Исследователь обратил внимание на то, что дата сбора урожая винограда довольно регулярно фиксировалась в исторических документах. Во Франции эту дату устанавливали эксперты, назначаемые городской или сельской общиной, а затем ее оглашали. Разумеется, на сроки созревания винограда помимо климата влияли и другие факторы. Тем не менее фенологическая кривая, построенная по датам сбора винограда в XIX в., прекрасно согласуется с кривой средних температур вегетационного периода за соответствующие годы, составленной по данным обсерватории в Париже.

Фенологические кривые дат сбора винограда совпадают с дендроклиматологическими диаграммами для дуба. На основании полученных результатов автор пришел к выводу, что с 1540 по 1560 г. число мягких зим уменьшилось, а менее знойных летних сезонов увеличилось. Все это создавало предпосылки для роста ледников.

Японский исследователь Аракава Хидетоси отметил тесную взаимосвязь между температурой воздуха весной и датами цветения растений. Мягкая и теплая погода весной является предпосылкой для раннего зацветания растений, тогда как прохладная - для позднего. Зацветание вишневого дерева в Киото ежегодно отмечалось приемом во фруктовых садах, который устраивался императором или его наместником. Даты этих приемов фиксировались в летописях начиная с IX в.

Анализ фенологических наблюдений в Ленинграде, проводившихся с середины XIX в., привел Д. О. Святского и Л. С. Берга к выводу о том, что с каждым новым десятилетием фенологические фазы многих растений смещаются ближе к началу года. Это обстоятельство авторы объясняли потеплением климата. Аналогичные наблюдения имеются и для других районов России. Так, например, в городе Купянске (Харьковская область) с 1866 по 1916 г. сроки зацветания сирени сместились на 6 дней, а чистотела - на 10.

Для характеристики климата прошлого могут быть использованы и некоторые другие фенодаты, например даты созревания хлебов, которые также нередко фиксировались в исторических документах. Однако они менее точно отражают климатические сдвиги, чем даты сбора винограда, поскольку время уборки хлебов определяется не только погодными условиями, но и сроками сева. А те в свою очередь зависят от обилия осенних дождей, состояния почвы, радивости крестьянина и т. п.

Некоторые исследователи для реконструкции климата прошлого используют массовые замеры слоевищ накипных лишайников. Этот так называемый лихенометрический метод вместе с дендрохронологическими исследованиями позволил выделить на Кавказе три периода активизации ледников: 1640-1660, 1730 - 1750, 1790-1840 гг.

О похолодании или потеплении климата можно судить также по распространению современной растительности. Уменьшение ареала представителей тундровой флоры, распад его на отдельные фрагменты, распространение тундровых растений к северу свидетельствуют о потеплении климата. Наоборот, уменьшение ареала представителей теплолюбивой флоры говорит о его похолодании.

На протяжении нескольких столетий в Арктике наблюдалось похолодание, которое в последние десятилетия сменилось потеплением, на что указывают постепенное облесение тундры, зарастание ее кустарниками.

Длительные многолетние изменения климата, как отмечает В. И. Турманина, наиболее четко прослеживаются в динамике границ древесно-кустарниковой растительности в предельных условиях существования - в субальпийском поясе гор, в лесостепи и лесотундре, где годичный прирост деревьев испытывает наибольшие колебания. Неудивительно, что для выяснения климатических сдвигов исследователи чаще всего обращаются именно к этим местообитаниям растений.

Если в течение какого-либо десятилетия летом была прохладная погода, то древесно-кустарниковая растительность оставалась преимущественно на южных склонах гор, так как на северных она постепенно деградировала из-за горных ледников, которые в такие периоды приобретали тенденцию к продвижению вниз. Поэтому оба показателя - прирост деревьев и динамика границ древесно-кустарниковой растительности - В. И. Турманина считает надежными критериями для реконструкции климата прошлых времен. Большое внимание ученые уделяют исследованиям ископаемых остатков растений, по которым можно установить очередность смены растительных формаций в данном месте. Для этих целей часто используется пыльца растений. С помощью пыльцевого метода удалось определить, что в прошлом под Полтавой был влажный и жаркий климат, в котором пышно развивались пальмы, миртовые и мангровые растения. Таковы основные приемы использования растительности для реконструкции климата давно минувших времен. А теперь попытаемся выяснить, как изменялся климат на территории нашей страны хотя бы с XVI столетия.

Основываясь на летописных источниках, историки отмечают в начале этого столетия частые засухи (в 1507, 1508, 1516, 1525, 1530, 1533 гг.). Так, например, летом 1533 г. пыль и смрадная гарь окутали русские города. Стало так темно, что нельзя было рассмотреть солнце или облака. Путники сбивались с дороги, а плывущие на лодках по рекам и озерам не знали, куда плыть. С конца июня на землю не упало ни капли дождя. От страшной жары пересохли болота, иссякли ключи, горели подмосковные леса, в которых погибло много зверей и птиц. От недостатка воды по селам пало немало скота. Почти то же самое летописи сообщают и о засухе 1525 г.

Засушливая погода наложила отпечаток на растительность: в начале XVI столетия в условиях резко континентального климата степи начинались сразу же за Рязанью. Результаты изучения растительности подтвердили сведения, почерпнутые из летописных источников.

Как отмечает В. И. Турманина, в Европе в конце XVI в. усилились снегопады, а в начале XVII в. началась "малая ледниковая эпоха", что отразилось в интенсивном продвижении ледников в Альпах и на Кавказе. В это время на Северном Урале леса не возобновлялись. В 40-х годах XVII в. наметилась тенденция к изменению климата, о чем свидетельствует появление в районе Центрального Кавказа поколения молодых сосен, многие из которых сохранились и поныне. На Северном Урале начало расти новое поколение лиственницы, которая стала продвигаться вверх по горным склонам и поднялась на высоту 500 - 700 м. В настоящее время деревья этого поколения довольно обильны в редколесьях. Многие из них имеют вполне здоровый вид.

Для второй половины указанного столетия характерны мягкие зимы и сухие лета.

В самом конце XVII - начале XVIII в. в Карпатах плохо росли сосны, а на Северном Урале прекратилось возобновление древесных пород. Наступившее похолодание привело к изреживанию древостоев и некоторому снижению верхней границы леса. На существование в это время резко континентального климата указывает распространение к северо-западу некоторых представителей степей и полупустынь, например солодки голой (Glycyrrhiza glabra), тюльпана Шренка (Tulipa schrenkii), грудницы мохнатой (Linosy-ris villosa).

Континентальный климат сменился морским во второй половине XVIII в., и растительность довольно чутко прореагировала на это. На Кольском полуострове, в Хибинах, леса стали подниматься в горы. Это явление наблюдалось с 1710 по 1760 г. Устремилась вверх по склонам и лиственница на Северном Урале. Она поднялась в горы на высоту 500 - 600 м. Менее засушливым стал климат Крыма, где около Феодосии появились пресные озера. В исторических документах часто упоминается о чрезвычайно сильных разливах русских рек (1777, 1779, 1783, 1785, 1786, 1787, 1788, 1789, 1792, 1797 гг.).

О благоприятных для растений условиях, существовавших во второй половине XVIII в., свидетельствуют и относящиеся к этому времени массовые посадки широколиственных деревьев в садах и парках. Многие из них сохранились до наших дней.

Иным был климат в XIX в. Во втором десятилетии отмечалось существенное похолодание. Языки ледников устремились в долины Кавказа. Неудивительно, что прирост сосновых деревьев в Баксанской долине в 1814-1860 гг. был весьма незначительным. Однако позднее, с 1860 по 1880 г., сосны дали хороший прирост. Благоприятный климат был в это время в Крыму и много севернее его. На территории Украины травы в степи достигали такой высоты, что скрывали всадника. Даже на Урале в 60-х годах стали интенсивно разводить сады.

С 80-х годов XIX в. начался относительно холодный период. Он продолжался до 1920 г. В это время широколиственные деревья средней полосы европейской части нашей страны возобновлялись чрезвычайно слабо. На Северном Урале верхняя граница леса понизилась почти на километр. Отмирание древесной растительности на склонах Уральских гор обусловлено массовым усыханием молодых побегов, вызванным, по-видимому, сильными зимними морозами. Молодые ели в возрасте до 20 лет, произраставшие по опушкам лесов, также подверглись усыханию. В это время погибло немало южных растений, украшавших сады и парки России столетие назад. Так, в парках П. А. Демидова в Москве и в поместье А. К. Разумовского в Горенках под Москвой не сохранилось ни одного дерева, в изобилии привезенных сюда с юга во второй половине XVIII в. Плохо возобновлялись в 90-х годах прошлого столетия дубы на Воробьевых (ныне Ленинских) горах в Москве.

В 20-х годах нашего столетия климат постепенно становился теплее, начали отступать горные ледники, на севере удлинился вегетационный период. На Северном Урале лиственницы дали молодое поколение, а взрослые деревья отреагировали на потепление увеличением размера годичных колец. То же самое отмечалось и у сосен на Кавказе.

Это потепление было прервано кратковременным похолоданием, последовавшим в самом конце 30-х годов, когда в садах вымерзали яблони, вишни и сливы. Но уже в начале 40-х годов вновь произошло потепление, на которое трехвековые деревья сибирского кедра (Pinus sibirica) в низовьях Оби отреагировали в последние десятилетия необычайно бурным приростом древесины. То же самое наблюдается на срезах лиственницы из Прибайкалья. В ответ на потепление современные леса устремились вверх по склонам гор и на север. Как и 200 лет назад, в парках средней полосы снова появились теплолюбивые растения: белая акация, грецкий орех, конский каштан, которые цветут и плодоносят без укрытия в Москве, Смоленске и в других городах средней полосы России.

Приведенные факты свидетельствуют о том, что на территории Восточно-Европейской равнины климат испытывает вековые колебания, вызванные, по всей вероятности, колебаниями солнечной активности с интервалом в 80-90 лет. Последний подъем солнечной активности начался около 1910 г. Она постепенно возрастала и в конце 50-х годов достигла весьма значительной величины. Это привело к потеплению в Арктике, к уменьшению полноводности рек, текущих по Восточно-Европейской равнине, к учащению засух в южных районах нашей страны.

Итак, мы показали, как изменялся климат с XVI в. Дендроклиматологи надеются на то, что изучение годичных колец деревьев, погруженных в торфяники и песчано-гравийные отложения рек, позволит определить, как изменялся климат на протяжении последних тысячелетий, что в свою очередь облегчит составление его долгосрочных прогнозов.