КЛИМАТ ЗЕМЛИ

Изменение биосферы в ближайшем и отдаленном будущем

Многочисленные данные однозначно свидетельствуют о тесной связи географической зональности с климатическими условиями. Еще в 40-х годах XX в. Л. С. Берг обосновал, что природная зональность Земли по существу является ландшафтно-климатической и обусловлена значениями средних годовых и сезонных температур и условиями увлажнения. Им была предложена классификация природных зон, которая в различных вариациях широко используется многими учеными.

А. А. Григорьев и М. И. Будыко [30] обосновали периодический закон географической зональности, согласно которому существует определенная тесная зависимость типов географических (ландшафтных) зон от радиационного баланса и индекса сухости. Из этого закона вытекает, что любое изменение климата влечет за собой соответствующее изменение положения и характера географической зоны. Индекс сухости, т. е. отношение испаряемости к годовой сумме атмосферных осадксз, аналогичен индексу ксеро- фильности. Последний устанавливается на основании спорово- пыльцевых данных для геологического прошлого и является отношением количества ксерофильных форм растительного покрова к гигро- и мезофильным. Эти величины совместно со значениями температур (средних суточных, средних годовых, средних январских, средних июльских) дают возможность выделить определенные природные условия, т. е. установить определенные географические зоны. Так, по Будыко [19], для арктической пустыни средняя суточная температура воздуха в течение почти всего года, как правило, ниже —10°С. Тундровая и лесотундровая зоны характеризуются суммой температур  за вегетационный период равной около 1000°С и индексом сухости ниже 0,45. В лесной зоне индекс сухости изменяется от 0,45 до 1,0. В соответствии с температурным режимом выделяются зона хвойных лесов (сумма температур равна 1000—2000 °С) и зона смешанных и широколиственных лесов (сумма температур изменяется от 2200 до 4400 °С).

В условиях таких же температур, но при индексе сухости от 1 до 3 располагаются лесостепи, степи и субтропические пустыни. В сухом климате с индексом сухости выше 3 и суммой температур свыше 4400 °С формируются субтропические и тропические пустыни. В том случае, когда индекс сухости изменяется в пределах 0,45—1,0, а средние годовые температуры превышают 22 °С (сумма температур составляет 5000°С и выше), развиваются экваториальные дождевые леса. Перечисленные характеристики климатов являются сильно обобщенными и схематическими, в то время как в действительности, ввиду значительных вариаций индексов сухости и радиационного баланса, а следовательно, и температурного режима, возникают довольно многочисленные типы и подтипы климата и в соответствие с этим располагаются различные географические (ландшафтно-климатические) области, зоны и т. д. Мы посчитали возможным таблицу географической зональности, разработанную А. А. Григорьевым и М. И. Будыко, дополнить значениями средних январских и средних июльских температур и в соответствие с этим провести районирование ( 8.2).

Каждой графе таблицы соответствуют определенные ланд- шафтно-растительные ассоциации. В условиях избыточного увлажнения при оптимальном температурном режиме преобладает лесная растительность и только при большом избытке влаги на низменностях развиваются болота. Кроме того, каждому типу увлажнения свойственны определенные значения продуктивности растительного покрова. При этом продуктивность естественного растительного покрова убывает не только по мере уменьшения ресурсов тепла, но и, главным образом, с уменьшением увлажненности. Согласно данным Л. Е. Родина и Н. И. Базилевич [61], наибольшей продуктивностью обладают экваториальные дождевые леса (опад составляет более 30 т/га), в саваннах опад сокращается до 10 т/га, а в степях он равен 8 т/га.

Для каждой графы  8.2 характерен определенный тип почв и последовательность почвенных профилей меняется в строгой зависимости от температурных условий и степени увлажнения. Так, например, для экваториальных влажных лесов свойственны красно-желтые латеритные почвы, для муссонных лесов — красные латеритные, а для сухих саванн — красно-бурые. При увлажнении от 0,45 до 0,75 в зависимости от температурного режима свойственны следующие типы почв: тундровые, мерзлотно-таежные, подзолистые, таежные, лесные кислые и бурые лесные почвы, субтропические красноземные и желтоземные, тропические оподзо- ленные красноземы и экваториальные латеритные почвы. Для областей с переменным недостаточным увлажнением характерны следующие типы почв: темно-каштановые и черноземные, черные и коричневые почвы умеренного пояса, красновато-черные и коричневые субтропические, оподзоленные латеритные и красно-бурые саванные и красные латеритные почвы экваториального пояса.

При развитии потепления произойдет смещение в северном направлении (для северного полушария) географических зон. В более высокие широты сместятся не только термические пояса, но и зоны различного увлажнения, главным образом равномерного высокого и переменного увлажнения. Что касается зон с недостаточным увлажнением, то смена температурного режима скажется на их миграции и свойственной им ландшафтной обстановке незначительно. Однако в связи с ростом температур будет увеличиваться испаряемость осадков, а это в свою очередь приведет к перемещению в северном направлении засушливых областей. В частности, в пределах умеренного пояса должны расшириться лесостепные и степные области за счет сокращения зоны широколиственных лесов.

Например, по палеоклиматическим данным в середине миоцена (климатический оптимум миоцена) в Средней Европе были широко распространены широколиственные леса, в составе которых имелось довольно много вечнозеленых ассоциаций, в том числе и пальм. На севере Европы вплоть до Шпицбергена произрастали богатые хвойно-широколиственные леса, которые состояли из берез, буков, дубов, сосен и елей. В юго-восточной Европе, в местах, где в настоящее время располагается степная зона произрастали субтропические вечнозеленые леса. По данным В. М. Си- ницына [80], в северо-восточной Азии произрастали хвойные леса, сходные по своему флористическому составу с основным типом современного лаврентийского леса США. Это дает основание считать, что средняя январская температура того времени составляла —5°С, средняя июльская — 20 °С, годовая сумма атмосферных осадков — около 800 мм. В Сибири в среднем миоцене произрастали хвойно-широколиственные леса, по экологическим особенностям сходные с южным подтипом лаврентийского леса. Для него свойственны январские температуры около 0°С, июльские — 20 °С, годовая сумма атмосферных осадков около 1000 мм.

В плиоцене в связи с развитием похолодания происходило смещение основных геоботанических и географических зон в южном направлении. Хвойные леса в Сибири сильно обеднялись за счет исчезновения многих широколиственных пород деревьев. По своим экологическим данным эти леса напоминают современные лсса северного подтипа лаврентийского леса. Они произрастают при январской температуре, равной —10 °С, июльской — около 18 °С и годовой сумме атмосферных осадков около 750 мм. В центральной и северной частях Сибири возникла в плиоцене таежная растительность. Для нее так же, как и для современной тайги, свойственны следующие климатические параметры: январская температура —30°С, июльская—15°С, годовая сумма атмосферных осадков 500 мм. С развитием похолодания и изменением влажности таежная растительность дифференцируется на светлохвойную (лиственичную) и темнохвойную (елово-пихтово-тсуговую).

В Центральной Европе, по данным В. М. Синицына [80], сохранились широколиственные леса с примесью вечнозеленых. Они являлись аналогом аппалачского леса США, для которого характерны январские температуры 4 °С, июльские — около 24 °С, годовая сумма атмосферных осадков 1200 мм. В центральных областях европейской части СССР произрастали широколиственные леса. Входящие в их состав дуб, ясень, клен, вяз и липа дают основание считать, что январские температуры составляли примерно — 10°С, июльские — около 20 °С, годовая сумма атмосферных осадков вряд ли превышала 800 мм. В северном направлении и по мере нарастания похолодания в лесной растительности исчезали теплолюбивые формы и преобладающими становились березовые леса, появлялась таежная растительность. Изменение состава и положения миоценовых и плиоценовых геоботанических зон в связи с нарастанием похолодания можно представить в виде таблицы ( 8.3). Общий ход изменения геоботанической зональности в течение позднего неогена дает основание представить ход будущих изменений.

На основании составленной таблицы построены графики ( 8.7). Левая сторона графиков отражает естественный ход изменения средних температур и годовой суммы атмосферных осадков, начиная примерно с 15 млн. лет тому назад до современной эпохи, для определенных территорий, в частности для Центральной Европы и юга европейской части СССР. Правая часть этих графиков показывает предполагаемые изменения тех же компонентов до середины XXI в. Прогнозная часть графика составлена на основании предполагаемых изменений концентрации углекислого газа в атмосфере.

Необходимо отметить, что изменение климатических условий в ближайшем будущем не повлечет за собой одновременное изменение всех основных составляющих частей географической оболочки. В первую очередь вслед за изменениями температуры и годового количества атмосферных осадков изменится режим поверхностных вод. Более медленными темпами будет происходить изменение растительного покрова, а наиболее растянутым во времени является течение почвообразовательных процессов и смена

в географическом плане почвенных профилей. В настоящее время все еще затруднительно однозначно ответить на вопрос, с какой скоростью могут перемещаться границы различных геоботанических зон и ландшафтов. Однако имеются, правда, отрывочные сведения о перемещениях современных геоботанических зон в связи с изменением термического режима. Так, например, А. А. Григорьев [30] приводит данные о том, что даже при кратковременных потеплениях в 20—30-е годы XX в. северная граница леса перемещалась в пределы лесотундры на десятки и даже сотни километров.

Таким образом, рассматривая историю климата Земли и отдельных компонентов, входящих в состав атмосферы, можно прийти к выводу о том, что понижение концентрации углекислого газа в атмосфере повлияло не только на климат, климатообразую- щие факторы и географическое расположение ландшафтно-клима- тических зон, но и снизило скорость развития и фотосинтез авто- трофных растений, а следовательно, сократило общее количество растительной биомассы. Это, в свою очередь, привело к некоторому сокращению продуктивности животных. Дальнейшее уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере, начавшееся еще в палеогене, поставило бы на грань уничтожения биосферу Земли. Однако в результате неуклонного роста сжигания топлива углекислый газ в атмосфере стал накапливаться с большой скоростью. Наряду с другими компонентами (фреонами и др.) его концентрация в течение нескольких десятилетий достигнет уровня, который был примерно 5—10 млн. лег назад. В результате этого постепенно осуществится процесс восстановления природных условий с теплыми климатами, которые существовали в геологическом прошлом. В соответствии с этим возрастет скорость фотосинтеза, вновь увеличатся площади с более продуктивными типами растительного покрова, увеличится скорость накопления биомассы, т. е. осуществятся процессы, как бы омолаживающие биосферу.

Относительно развития климата, особенностей природных условий и биосферы в отдаленном будущем в настоящее время нет единого мнения. Согласно расчетным данным Ш. Г. Шараф и Н. А. Будниковой [96], через 10—15 тыс. лет в области «критических широт» северного полушария произойдет значительное снижение солнечной радиации. Оно составит примерно 2/3 того уровня снижения, которое произошло в эпоху вюрмского оледенения. Это может привести к возникновению новой ледниковой эпохи с развитием обширных покровных оледенений. Периоды разрушения оледенений, т. е. крупные глобальные потепления и ледниковые эпохи будут периодически повторяться через каждые 50 и 90 тыс. лет, причем амплитуда понижений температуры с каждым разом будет увеличиваться.

Изменение положения поверхности Земли по отношению к Солнцу вызывает колебание климата с периодом в несколько десятков тысяч лет. Увеличение или уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере накладывает дополнительный отпечаток. Несмотря на предстоящий рост углекислого газа в атмосфере в результате хозяйственной деятельности, многие исследователи считают, что в связи с сокращением запасов горючих полезных ископаемых переход на ядерное горючее вновь приведет к естественному сокращению концентрации углекислого газа в атмосфере. Трудно себе представить, что имевшая место в течение последних миллионов лет тенденция к значительному сокращению содержания углекислого газа в атмосфере в будущем будет нарушена. Правда, в таком предположении мы как бы заранее отодвигаем на второй план тектоническую активность планеты. В действительности в геологическом прошлом неоднократно существовали периоды резкого понижения уровня углекислого газа в атмосфере, и тогда наступали обширные оледенения, но в результате тектонической активности и интенсивного вулканизма содержание углекислоты в атмосфере вновь повышалось и наступали теплые периоды.

Если считать, что тектоническая активность планеты с каждым последующим тысячелетием будет ослабевать, то в будущем произойдет катастрофическое снижение содержания углекислого газа в атмосфере и это приведет к гибели биосферы. Согласно различным расчетам, критический уровень содержания углекислого газа в атмосфере составляет 0,015%. При таком содержании углекислоты в атмосфере наступит обширное оледенение, сильно уменьшится продуктивность автотрофных растений и сократится общая масса органического вещества на Земле. Разрастание материкового оледенения в высоких широтах при значительном дефиците углекислого газа может привести к тому, что через довольно продолжительное время ледяной покров достигнет критической широты и после этого он будет распространяться к экватору в результате саморазвития. Когда произойдет полное оледенение планеты, постепенно затухнут биологические процессы и наступит гибель биосферы.

Однако столь пессимистический прогноз мало вероятен, так как при этом не учитываются эволюция внутренних сфер Земли, развитие тектонических движений и вулканизма. Основываясь на положении полюсов и скоростях современного вращения главных литосферных плит, на сведениях о развитии и скоростях разрастания в настоящее время рифтовых зон на дне океанов и континентах, на возможных скоростях поглощения океанического дна, Р. Дитц и Дж. Холден дали прогноз движения литосферных плит и положения континентов через 50 млн. лет. По этому прогнозу Атлантический и Индийский океаны разрастутся за счет Тихого, Африка сместится на север и почти полностью перекроет Средиземное море. Под ее натиском Испания повернется и закроет Бискайский залив. Восточная Африка отделится Кенийской риф- товой зоной и переместится в северо-восточном направлении. Расширится Красное море. Индия будет смещаться на восток и се- веро-восток и все сильнее будет сдавливать Азию. В это время Австралия будет приближаться к экватору и наконец соприкоснется с Евроазиатской плитой. Разорвется Центрально-Американский перешеек. Калифорния и весь Тихоокеанский сегмент США отделится от Северо-Американского континента и станет перемещаться в северо-западном направлении.

Столь значительные изменения в распределении континентов через десятки миллионов лет, их гипсометрический уровень, а также сильные изменения в площади морей и суши несомненно будут сопровождаться активными вулканическими процессами. Это в свою очередь приведет к усиленному притоку углекислого газа в атмосферу и океаны, и, следовательно, эволюция планеты Земля и жизнь на ней ие прекратятся.

Мы показали две альтернативные точки зрения на развитие климата Земли и ее биосферы в отдаленном будущем. Как одна, так и другая точка зрения не лишены основания. Однако анализ палеогеографического развития Земли на протяжении хотя бы последних 600 млн. лет дает нам основание считать, что после ледникового периода произойдет новое повышение температуры, вызванное увеличением притока углекислого газа в атмосферу в результате продолжающихся тектонических движений. Через несколько миллионов лет вновь наступит благоприятный климат без ледниковых полярных шапок и биосферные процессы не прекратятся.