КЛИМАТ В ДРЕВНИЕ ЭПОХИ

Общие тенденции изменения климата в фанерозое в связи с колебаниями концентрации С02 в атмосфере

Объединение климатических поясов континентов в две группы: субтропические, тропические и экваториальные пояса в одной и умеренные и умеренно-теплые в другой — позволяет выявить наиболее общие тенденции изменения климата. Закономерные глобальные тенденции колебания климата хорошо увязываются с температурной кривой северного полушария. Эти данные позволяют при сопоставлении с различными факторами, влияющими на возникновение и развитие климата, проследить их роль и активность в геологическом прошлом.

Изменение площади жарких поясов в истории Земли позволяет наглядно представить климатический тренд на протяжении 600 млн. лет. При этом выделяются климатические колебания различного порядка. В течение фанерозоя существовали три, а возможно, и четыре глобально выраженных похолодания. Отчетливо выделяются позднеордовикское, позднекарбоновое и четвертичное оледенения. На фоне этих существенных климатических перемен выделяются колебания более низкого порядка, которые накладываются на общий ход развития климатических условий на континентах. К ним относятся значительные сокращения площади жарких поясов в конце раннего триаса, на рубеже тоара и аалена, в середине альба, конце позднего мела (в середине датского века), в олигоцене и в плиоцене.

С результатами, основанными на анализе палеоклиматических карт, полностью согласуются материалы по палеотермометрии. В настоящее время имеется достаточно большое число определений средних температур среды обитания разнообразных организмов морей позднего палеозоя, мезозоя и кайнозоя европейской части СССР, меловых и палеогеновых морей Средней Азии, юрских и меловых морей Сибири, установленных методом магнезиальной палеотермометрии. Имеются также многочисленные температуры, определенные методом изотопной палеотермометрии для отдельных эпох мезозоя и кайнозоя Европы, Северной и Южной Америки, Африки и Австралии. Полученные материалы дают возможность представить относительную закономерность изменения глобальных температур. Ранее на ограниченном материале Р. Боуэн [13], Ф. Д. Дорманн [131], Ц. Эмилиани [138] построили обобщенные палеотемпературные кривые. Анализируя распределение температур и общий ход температурной кривой за последние 150 млн. лет* Эмилиани полагает, что средние температуры земной поверхности понизились на 5—-10 °С вследствие уменьшения солнечной радиации. На фоне направленного изменения температурного режима существовали периодические колебания. Так, Дорманн наметил периодичность, равную примерно 30—50 млн. лет. Согласно данным этого автора, в аквитанском веке (25 млн. лет назад), в аптекой веке (85 млн. лет назад), на границе валанжина и готерива (115 млн. лет назад), между оксфордом и кимериджем (145 млн. лет назад) и на границе тоара и аалена (175 млн. лет назад) фиксируются высокие температуры.

Палеотемпературная кривая построена главным образом на основании изменения магнезиальности ростров белемнитов и скелетных карбонатов кальцитового состава кораллов, брахиопод, двустворчатых моллюсков и крупных фораминифер Евразии. При сопоставлении кривой относительного изменения температуры с глобальной шкалой Эмилиани и Дорманна выявляется не только черты сходства, но и ряд существенных различий. Полностью совпадают максимумы температурного режима в начале неогена, на границе оксфорда и кимериджа и в неокоме. Но вместе с тем установлены минимумы на границе тоара и аалена и в конце оли- гоценовой эпохи, хотя по изотопным данным они являются эпохами существования максимальных температур. Как показали новейшие исследования в этой области, периодам снижения температуры соответствуют эпохи как аридизации, так и гумидизации и трансгрессий. Установленные магнезиальным методом относительные похолодания в конце карбона, на границе тоара и аалена, в альб- ском веке, датском веке и во второй половине олигоцена полностью подтверждаются составом литогенетических формаций, особенностями фаунистических комплексов и растительных ассоциаций, т. е. фиксируются всем комплексом палеоклиматических данных. Снижение солености морских вод в периоды наивысшей гумидиза- ции (тоар—аален, альб) приводили к уменьшению 6180, которое воспринимается как эффект высоких температур.

Температурный режим земной поверхности, как известно, формируется под воздействием целого комплекса факторов (светимость Солнца, наклон земной оси, скорость вращения Земли, состав атмосферы, характер тектонических движений и зависимые от них распределение суши и моря, особенности вулканизма и рельефа и т.д.). Наблюдаемые в настоящее время суточные и сезонные контрасты температуры, различия между температурами экваториальных и полярных областей создают довольно привратное впечатление о якобы существенной разнице в количестве приходящей солнечной радиации. Некоторые исследователи полагают, что в периоды с теплым климатом на Землю поступало повышенное количество солнечной радиации, а во время похолоданий оно снижалось до минимума. Однако фактические данные по статистике звезд и теоретические представления современной астрофизики дают основание считать определенную стабильность светимости Солнца в течение, по крайней мере, последних нескольких миллиардов лет. Многократные измерения потока лучистой энергии, проведенные на среднем расстоянии от Земли до Солнца, дали величину (1360±20) Вт/м2.

Этот поток именуется солнечной постоянной. Таким образом, причина периодического изменения температурного режима земной поверхности могла зависеть от положения планеты в космическом пространстве и (или) обусловливалась внутренним состоянием вещества Земли и строением ее внешних сфер.

Не касаясь возможных космических причин изменения климата (положение планеты, наклон земной оси, скорость вращения Земли), рассмотрим только общепланетарные причины. Переход солнечной энергии в тепловую определяется особенностями земной поверхности и атмосферой. Исходя из различия отражательной способности (альбедо) материков н океанов и особенно из различного положения материков на земной сфере, определяется баланс тепла. Причем расположение материков в высоких широтах увеличивает отражательную способность земной поверхности, а это, в свою очередь, приводит к существенному снижению поглощения солнечного тепла.

Важнейшую роль в распределении тепла играет атмосфера, сквозь которую в настоящее время проникает около 50 % солнечной радиации и которая вместе с тем задерживает до 90 % теплового излучения Земли. Наибольшее влияние на формирование климата оказывает содержание в атмосфере водяного пара, углекислого газа и аэрозоля. Причем первые два компонента усиливают парниковый эффект, в то время как содержание аэрозоля в атмосфере и облачность увеличивают отражательную способность. Так, на температуру в нижней тропосфере оказывает влияние содержание аэрозольных примесей в нижней стратосфере, которое увеличивается при вулканических извержениях эксплозивного типа.

М. И. Будыко в изменении температур земной поверхности основную роль придает колебаниям содержания углекислого газа в атмосфере. В его исследованиях, так же как и в ряде зару- р бежных работ по теории климата, выявлено, что при возрастании количества углекислого газа к вдвое по сравнению с современным (0,03 % ) средняя глобальная температура увеличилась бы j на 2—3 °С.

Важное значение для решения вопроса о причинах климатаческих изменений в фанерозое дает сопоставление хода глобальной температуры с изменением содержания углекислого газа в атмосфере. В исследованиях с А. Б. Ронова и М. И. Будыко [20] показано, что колебания содержания СОг в атмосфере тесно связаны с изменениями вулканической активности в пределах современных континентов. Мак- s симумы вулканической активности синхронны во времени с по- 0 вышением содержания С02 в атмосфере, а минимумы соответствуют снижению концентрации g углекислого газа.

При сопоставлении кривых изменения температуры ( 7.5) с содержанием углекислого газа в атмосфере видно, что процесс общего похолодания на поверхности континентов развивался параллельно уменьшению концентрации углекислого газа в атмосфере [89]. Несмотря на то, что на изменения температуры и содержания С02 в атмосфере накладывались колебания более низких порядков, достаточно хорошо видно, что эпохи с повышенным содержанием углекислого газа в атмосфере по времени соответствуют периодам расширения площадей с жарким климатом. Минимумы на кривой содержания С02 в атмосфере полностью отвечают эпохам уменьшения площадей с жарким климатом, росту площадей с прохладным климатом, оледенениям и, следовательно, глобальным похолоданиям.

Согласованное изменение кривой содержания углекислого газа в атмосфере, кривой изменения средних температур и площадей с жарким климатом дает основание считать, что одной из основных причин климатических изменений в фанерозое являлось периодическое уменьшение содержания в земной атмосфере углекислого газа. Из-за совпадения колебаний С02 в атмосфере с вариациями вулканической активности [20] следует, что изменения климатических условий на земной поверхности в конечном итоге определялись деятельностью эндогенных процессов. Вулканизм и метаморфизм контролировали концентрацию углекислого газа в атмосфере и оказывали влияние на изменение климатических условий.

Однако формирование климата и его изменения могли быть связаны не только с колебаниями углекислоты в атмосфере, но и с развитием трансгрессий и регрессий, изменениями рельефа, положением континентов на различных широтах, т. е. с дрейфом материков и, в конечном итоге, с действием эндогенных процессов.