История климата
Климат — это множество состояний, которые проходит система океан—суша—атмосфера за периоды времени в несколько десятилетий. При этом важно знать, как часто встречается в этом множестве каждое из возможных состояний,— тогда можно находить среднее значение по всему множеству для любой количественной характеристики этих состояний.
Мгновенное состояние системы океан—суша—атмосфера называют погодой. Она характеризуется некоторым набором глобальных полей, т. е. распределений по земному шару ряда характеристик морской воды, атмосферного воздуха, поверхности Земли и верхнего слоя почвы. Для воды и воздуха нужно брать температуру, давление, концентрации термодинамически активных примесей (для морской воды — соль, для воздуха — парообразная влага, жидкая вода и лед в облаках и туманах, углекислый газ, пыль различной природы) и векторные скорости движения. На поверхности Земли нужно знать потоки тепла и ТАН (прежде всего — испарение и осадки), наличие снежного и ледового покрова (и их толщину), для суши, кроме того,— характер растительности, влажность почвы, сток влаги.
Периоды времени в несколько десятилетий, указанные в определении климата, выбраны так, чтобы определяемые но этим периодам характеристики климата были наиболее устойчивыми, т. е. меньше всего менялись бы при переходе от одного такого периода к другому. Действительно, фактические данные (например, о температуре воздуха) показывают, что при меньших периодах осреднения (скажем, за год или за несколько лет) средние значения оказываются более изменчивыми (это — так называемая между годичная, а также и более коротко-периодная изменчивость погоды). Более интенсивной оказывается и значительно более длиннопериодная изменчивость климата, скажем, с периодами в тысячи лет.
Климат формируется под действием ряда факторов, которые можно разбить на три группы.
1. Внешние, или астрономические, факторы — светимость Солнца, положение и движение планеты и Солнечной системе, наклон ее осп вращения к плоскости орбиты и скорость вращения, определяющие воздействия на планету со стороны других тел Солнечной системы,— ее инсоляцию (облучение солнечной радиацией) и гравитационные воздействия внешних тел, создающие приливы и колебания характеристик орбитального движения и собственного вращения планеты (а потому и колебания в распределении инсоляции по внешней границе атмосферы).
2. Геофизические и географические факторы — ряд особенностей планеты, из которых для климата Земли наиболее важными являются свойства нижней границы атмосферы — подстилающей поверхности — и прежде всего те свойства, которые определяют ее динамическое и тепловое взаимодействие с атмосферой и обмен с нею термодинамически активными примесями. Из этих свойств, по-видимому, па первом месте должно быть названо географическое распределение континентов и океанов.
3. Атмосферные факторы — масса и состав атмосферы (включая и основные ее составные части, и специфические ТЛП).
Мы еще не знаем, определяется ли климат всеми этими факторами однозначно, или же при одних и тех же фиксированных значениях всех климатообразующих факторов могут получаться разные климаты. Второе из этих предположений возникает в связи с тем, что за последние 0,6— 1 млн лет каких-либо резких изменений климатообразующих факторов как будто не происходило, однако имели место резкие колебания климата — чередование ледниковых и межледниковых периодов продолжительностью в десятки тысяч лет. Их мы подробно проанализируем ниже, здесь же рассмотрим изменения климатообразующих факторов, происходившие в течение истории Земли, и порождавшуюся ими эволюцию климата.
Кажется легче всего приписывать изменения климата и даже погоды изменениям солнечной радиации. Действительно, разница в температурах воздуха у поверхности Земли между днем и ночью, экваторами и полюсами, летом и зимой создается разницей в количестве приходящей солнечной радиации: чем больше это количество, тем выше температура; так нельзя ли допустить по аналогии, что в периоды с теплым климатом приходящая на Землю солнечная радиация была повышенной, а во время ледниковых периодов она снижалась (эту гипотезу предложил ирландский астроном Е. Эник). Однако такое простое рассуждение может оказаться неверным, если небольшие повышения солнечной радиации будут приводить на Земле к увеличению испарения, росту облачности, усилению зимних снегопадов, снеготаяния из-за повышенной облачности и, как следствие, к росту ледников и понижению температуры (Г. Симпсон), Впрочем, большинство специалистов по эволюции звезд в противоположность Е. Эпику считает, что Солнце и другие звезды такого же типа («желтые карлики» спектрального класса G-2) имеют весьма стабильное излучение, мало меняющееся в течение времени порядка 10 млрд. лет (времени их пребывания па так называемой главной последовательности звезд на диаграмме светимость—цвет). Отметим, что не наблюдается и короткопериодных колебаний суммарной светимости Солнца — идущий от него поток энергии, на среднем расстоянии Земли от Солнца составляющий 1,952 кал на 1 см2 в минуту, по-видимому, не испытывает сколько-нибудь валютных изменении во времени (и потому эта величина именуется солнечной постоянной).
По изложенным причинам в дальнейшем будут рассматриваться лишь факторы, не связанные с какими-либо изменениями в светимости Солнца. Представляется, что из таковых наиболее медленные изменения климата могли создаваться геохимической эволюцией гидросферы и атмосферы, а также приливной эволюцией системы Земля-Луна.
Масса водяного пара имеет положительную обратную связь с парниковым эффектом, так как насыщающая концентрата водяного пара растет с повышением температуры: «ем больше в атмосфере водяного пара, тем сильнее парниковый эффект, выше температура и поэтому больше допустимое, т. е. насыщающее, содержание водяного пара. Сколько-нибудь падежных расчетов изменений в течение истории Земли масс водяного пара и углекислого газа В атмосфере пока нет, так что возможность соответствующих изменений климата (прежде всего температуры воздуха) еще не исключена. Однако палеонтологические данные, убедительно демонстрирующие непрерывность развития жизни, свидетельствуют о том, что никаких климатических катастроф на Земле не происходило.
Перейдем теперь к возможным климатическим последствиям приливной эволюции системы Земля—Луна. Эту систему можно рассматривать как сложный волчок, состоящий из двух тел, вращающихся вокруг своих осей и вокруг общего центра тяжести (все эти вращения имеют одинаковое направление: если смотреть со стороны Полярной звезды, то против часовой стрелки). Чтобы упростить описание этой системы, пренебрежем воздействием на нее со стороны других небесных тел. Тогда суммарный момент количества движения всех указанных вращений не будет изменяться со временем. С высокой точностью можно считать, что векторная сумма моментов количества движения собственного вращения Земли и орбитального движения Луны постоянна.
Если бы в теле Земли не было никакого трения, то приливные горбы, образующиеся на поверхности Земли из-зa притяжения Луны, были бы направлены точно по линии, соединяющей центры этих тел. Но из-за трения они увлекаются вращением Земли, много более быстрым, чем угловое движение Луны по орбите, так что их ось образует с линией центров Земля—Луна некоторый угол запаздывания б (и в каждой точке Земли максимальный прилив наступает позже момента наибольшей высоты Луны на небе). Ближний к Луне приливный горб притягивается ею сильнее, чем дальний, и это создает на Земле момент сил, стремящийся повернуть планету противоположно ее собственному вращению. Вращение Земли должно замедляться, так что ее собственный момент количества движения будет уменьшаться. Соответственно момент количества движения Луны увеличатся. Но из третьего закона Кеплера вытекает, что момент количества движения планеты на орбите пропорционален квадратному корню из среднего радиуса орбиты (или кубическому корню из периода обращения планеты). Следовательно, Луна додаем отходить от Земли (и ее угловое движение на орбите замедлится).
Расчеты показали, что из-за приливного трения вращение Земли замедляется так, что продолжительность суток увеличивается на 0,0017 с за столетие. Из-за этого крошечного прироста за тысячелетия набегает уже весьма заметная разница. Так, средняя за последние 2000 лет продолжительность суток была на 0,017 с меньше современных, следовательно, набежала разница в 3,5 часа. Значит, если мы рассчитаем время какого-либо солнечного затмения, происходившего 2000 лет тому назад, пользуясь сегодняшней продолжительностью суток, то ошибемся против истинного времени затмения на 3,5 часа. За это время Земля поворачивается на 52,°5 по долготе — столь большой будет наша ошибка в определения места наблюдения данного затмения. Этот расчет показывает, что одного только свидетельства древнего историка о наблюдении солнечного затмения в таком-то году в том или ином пункте, скажем в Древней Греции или в Вавилоне, может быть достаточно для довольно точной оценки приливного замедления вращения Земли. Получающиеся таким способом оценки оказываются очень близкими к приведенной выше цифре 0,0017 с за столетие.
Дж. Уэллс (1963) нашел еще один способ эмпирической оценки приливного замедления вращения Земли — по обнаруженным им на разрезах некоторых ископаемых кораллов микроскопическим годичным в суточным кольцам роста, позволяющим подсчитывать число дней в году в соответствующую геологическую эпоху. Согласно астрономическим теориям устойчивости планетных движений длину года можно считать практически неизменной. Поэтому, например, полученная по кораллам среднего девона, возраст которых около 380 млн. лет, цифра 400 дней в году означает, что продолжительность суток в ту эпоху составляла 21,7 часа. Эти оценки очень неплохо согласуются с приведенными выше.
Исключительно большое значение для климата имеет наклон е экватора планеты к плоскости ее орбиты к Солнечной системе. На Земле в прошлом наклон е был меньше современного, так что сезонные изменения погоды оказывались слабее, а разница между экватором и полюсами больше (па полюсы попадало меньше солнечного тепла), широтная зональность выражена резче, общая циркуляция атмосферы была более зональной и интенсивной. Эти условия были благоприятными для развития оледенении в полярных районах, особенно при наличии в них континентов, и этим, по-видимому, можно пытаться объяснять обнаруживаемые геологами следы множества докембрийскнх оледенений.
После геохимической эволюции гидросферы и атмосферы и приливной эволюции Земли следующим по темпам изменений фактором эволюции климата представляется движение континентов и полюсов. Оно происходит со скоростями порядка сантиметров в год, так что изменения глобальных масштабов, т. е. смещения на тысячи километров, образуются за сотни миллионов лет. Без знания распределения континентов в ту пли иную геологическую эпоху невозможно правильно интерпретировать показания палеоклшматических индикаторов о палеоклиматах конкретных регионов.
Вследствие того что суточные суммы приходящего на верхнюю границу земной атмосферы солнечного тепла не зависят от долготы, климат, несмотря на различия, создаваемые континентами и океанами, обладает ярко выраженной широтной зональностью. Раньше, когда массы океана и атмосферы были меньше, Земля вращалась быстрее и наклон экватора к эклиптике был меньше современного, каждый из этих факторов делал широтную зональность климата еще более резкой, чем теперь. Эта зональность выглядит следующим образом. В экваториальной зоне сильный нагрев земной поверхности создает интенсивную конвекцию с образованием мощных кучевых облаков и ливневыми осадками, так что эта зона оказывается влажной. Восходящие движения компенсируются здесь притоком воздуха к экватору в нижних слоях атмосферы (пассатные ветры) и их оттоком в более высоких слоях. В субтропиках оттекающий воздух отклоняется вращением Земли на восток, и ячейки пассатной циркуляции вынужденно замыкаются нисходящими движениями, так что субтропические зоны оказываются засушливыми (аридными). Дальше к полюсам тепло переносится подвижными циклопами, образующимися в западно-восточных течениях ударенных широт и сопровождающимися обильными осадками, так что эти зоны опять оказываются гумидными. Указанными свойствами шпротной зональности климата воспользовался П. М. Страхов при своих фанерозойских палеоклиматических реконструкциях, выявивших движение полюсов (по проделанных еще на фиксистской основе без учета движения коптинептов).
При отсутствии широтной зональности климата не было бы и сезонных колебаний погоды. Поэтому свидетельства о наличии в ту или иную геологическую эпоху сезонных колебаний погоды суть доказательства широтной зональности климата этой эпохи. Такими свидетельствами являются прежде всего породы с годичными слоями, так называемые варвиты, которые обнаружены практически во всех геологических периодах фансрозоя.
Качественными индикаторами климатических зон могут служить многие горные породы. Так, в аридных зонах образуются эвапориты — доломиты, ангидриты, гипсы, калийная и каменная соли, осаждающиеся из растворов в условиях сильного испарения, а также карбонатные красноцветы (продукты выветривания, обедненные кремнеземом и окрашенные окислами железа) и лёссы.
Самыми выдающимися из климатических событий в истории Земли были, конечно, ледниковые периоды, характеризовавшиеся появлением континентальных ледниковых щитов (в настоящее время такие щиты покрывают Антарктиду и Гренландию). Как уже отмечалось, геологами обнаружены многочисленные тиллиты как фаперозойского, так и докембрийского возраста. Самыми древними из них являются, по-видимому, нижнепротерозойские.
В среднем протерозое, нижнем и среднем рифее на всех континентах встречаются многочисленные слон несортированных конгломератов, иногда похожих па тиллиты, но сколько-нибудь ясной картины, как для нижнего протерозоя, здесь не складывается. Зато в верхнем рифее и в венде в разных частях мира найдены многочисленные тиллиты (рис. 59), хорошо коррелирующие друг с другом и группирующиеся в основном по двум возрастам,— нижние около 750—800 млн. лет (верхнерифейское оледенение) и верхние около 650—680 млн. лет (вендское оледенение).
К следующей ледниковой эпохе (карбопа и перми) климат пришел, по-видимому, в результате постепенного похолодания, заметного по кривой рис. 58 (в течение которого южный полюс перемещался из Западной Африки через Бразилию и Аргентину в Антарктиду, оставляя на своем пути упоминавшуюся выше цепочку силуродевопских тиллитов).
Первым крупным районом, на котором сказалось кайпозойское похолодание климата, явилась, естественно, Антарктида. Ныне ледниковый покров на ней, согласно сводке В. И. Бардина и И. А. Суетовой (1967), имеет площадь около 14 млн. км2 и объем 24 млн. км3 (что составляет около 90% объема всех ледников мира; объем Гренландского ледникового щита равен 2,6 млн. км3; на арктические и горные ледники остается менее 1%); растопление всего антарктического льда повысило бы уровень Мирового океана на 55 м. Около 83% антарктического льда сосредоточено в ледниковом куполе Восточной Антарктиды толщиной до 3,6 км, дно которого лежит в основном выше уровня моря, а поверхность в среднем выше 2 км над уровнем моря. Отделенный от него Трансантарктическими горами ледниковый щит Западной Антарктиды лежит в основном на дне океана и на ряде островов в включает огромные плавающие шсльфовые ледники в морях Росса и Уэдделла. Атмосферные осадки над Антарктидой, в среднем всего около 150 мм в год, по некоторым оценкам сейчас немного превышают потери льда (главным образок путем отрыва айсбергов).
Геологические разрезы на островах Кинг-Джорджа и Симора и в Южной Австралии (отделившейся от Антарктиды лишь в конце эоцена), а также материалы колонок донных осадков Южного океана свидетельствуют, что ледниковый щит Антарктиды образовался лишь в миоцене — около 20 млн. лет тому назад — и с тех пор существует до нашего времени (это подтверждают и данные о падении уровня Мирового океана на много десятков метров.
Климат, по определению, есть понятие глобальное, и те или иные проявления каждой ледниковой эпохи, естественно, обнаруживаются во всех районах мира, но, конечно, они отнюдь не везде и не всегда сводились к росту ледников. Всего льдом было покрыто 14% поверхности Земли, вдвое больше, чем теперь. Ледниковые щиты достигали в Европе 48°30', а в Северной Америке 37° широты.
Максимальный объем льдов суши в плейстоцене составлял 56,1 млн. км, в том числе 23,9—в Антарктиде (как сегодня), 23,9 —в Северной Америке, 7,6 —в Европе и 0,7 —в Урало-Сибирской области (60% этих льдов было сосредоточено в северном и 40%—в южном полушарии, тогда как теперь эти цифры равны 8 и 92%).
|
|
Читайте в рубрике «Атмосфера и океан»: |