Историческое землеведение. Палеогеография

Ледниковые периоды. Причины оледенений

Одной из самых занимательных и актуальных загадок палеогеографии являются причины оледенений в частности, и колебаний климата вообще. Существует целый ряд гипотез, объясняющих это явление.

Они объединены в две большие группы: А — астрономо-физические; Б — геолого-геофизические.

А. Астрономо-физические гипотезы связывают изменения климата с колебаниями интенсивности солнечной радиации на верхней границе атмосферы (ВГА). Они подразделяются на две подгруппы: первая исходит из постоянства солнечного излучения, но изменения солнечной радиации на ВГА из-за переменности положения Земли по отношению к ее потоку. Вторая допускает переменность светимости Солнца.

1) Наиболее известной в первой подгруппе является гипотеза, основанная на периодическом изменении трех основных параметров земной орбиты: эксцентриситета, изменяющегося от 0 до 0,06 (период колебания — около 100 тыс. лет), наклона земной оси в интервале 22,0-24,5° (41 тыс. лет) и связанного с прецессией угла между точками перигелия и весеннего равноденствия (долготы перигелия) ( 7.1). Благодаря прецессии земная ось описывает на небесной сфере полный круг (360°) за 26 тысяч лет; аналогичным образом изменяется и долгота перигелия. Эта гипотеза была выдвинута английским астрономом Дж. Кроллом, ещё в 60-х годах XIX столетия, но только через полвека — в первой половине XX столетия югославский ученый Милу- тин Миланкович придал ей математическое обоснование.

Изменение фигуры земной орбиты от круговой к эллиптической увеличивает временные удаления Земли от Солнца. Причем, считается, что при круговой орбите суммарное количество солнечной радиации, получаемой Землей, меньше, чем при эллиптической, так как в последнем случае Земля в перигелии находится ближе к Солнцу, чем при круговой орбите, и получает запас тепла, превышающий его потери в афелии .

Меньший наклон земной оси относительно плоскости эклиптики ослабляет контрасты зимы и лета, а больший усиливает их.

Наконец, зимний перигелий должен ослаблять суровость климата в холодную половину года, а летний действует в противоположном направлении. При этом исторические изменения этих трех элементов земной орбиты могут сочетаться таким образом, что их климатические последствия будут то складываться, то погашать друг друга.

М. Миланкович провел множественно-корреляционные расчеты и получил ин- соляциоиные кривые, рассчитанные в значениях широтных эквивалентов. Последнее означает, что если та инсоляция, которая была 590 тыс.л.н. на широте 65°, сейчас приходит на широту 72°, то тогда было холоднее, но если 570 тыс.л.н. на широте 65° было столько же радиации, что сейчас приходится на широту 50°, то в указанное время на этой широте было теплее. Первичный анализ показал, что пики кривых Миланковича, отвечающие прохладным летним периодам совпадают с периодами оледенений и наоборот.

Казалось бы, причина оледенений найдена! Но появившиеся потом данные абсолютной геохронологии и другие показали, что все не так просто, и прямой связи кривых Миланковича с истинными оледенениями нет. Гипотеза в 50-х годах XX века была полностью забыта, но вновь возродилась уже на другом уровне в 70-х годах. При этом были получены новые данные о продолжительности тех или иных похоло

даний и потеплений и пересчитаны кривые Миланковича, в результате чего был установлен основной ритм событий в 100 тыс. лет, связанный, по мнению ряда ученых, с изменениями эксцентриситета орбиты Земли. Другие циклы изменений орбитальных параметров проявлялись в колебаниях температур, но не отражались в масштабной динамике ледниковых покровов Земли. Более того, сейчас считается, что колебания астрономических параметров орбиты не сами устанавливают оледенения, а только стимулируют процессы, их реально начинающие. В частности, они могут обусловливать миграции Гольфстрима от берегов Англии к берегам Испании, после чего его северная ветвь, согревающая Арктику, исчезает по геометрическим причинам и Арктика начинает выхолаживаться . Установлено, также, что оледенения опаздывают за установлением благоприятных для них астрономических параметров примерно на 17 тыс. лет.

2)        Гипотеза Эпика (из второй подгруппы) основана на допущении возникновения неустойчивости в недрах Солнца — изменение его энергии, "мерцание", что для близкорасположенной Земли очень важно. Гипотеза не доказана — подобные дол- гопериодичные мерцания никакими способами не наблюдались. Существуют и измеряются лишь 11-летние циклы солнечной активности и их более длительные производные.

3)        Гипотеза Симпсона связывает оледенения не с периодическими ослаблениями, а с усилениями радиации, также по неизвестным причинам. Логика здесь такая — рост солнечной радиации увеличивает температуру и испарение, следовательно, разрастается облачный покров. Усиливается выпадение снега, который в прохладные лета не успевает растаять — появляются и растут ледники. Но при максимуме радиации становится очень тепло и снежный и ледниковый покровы деградируют — ледниковая эпоха сменяется теплым и влажным климатом. Затем, когда начинает холодать, вновь наступает эпоха оледенений, которая сменяется эпохой сухого холодного межледниковья. К сожалению, эта гипотеза не подтверждается ни астрономическими доказательствами (заметными колебаниями солнечной постоянной), ни существованием сухих и влажных межледниковий - все они влажные и болотистые, хотя и бывают теплыми или холодными.

4)        Гипотеза П.П. Предтеченского основана на влиянии солнечной активности на общую циркуляцию атмосферы; оледенения являются следствием ее изменений. При повышении активности Солнца экваториальные и тропические зоны расширяются, а умеренные и полярные совсем исчезают (как в эоцене и ранее); при понижении устанавливаются холодные, но сухие эпохи; как раз в переходные этапы и должны быть оледенения. Недостатки здесь те же, что и у Симпсона, к тому же не раскрыт механизм влияния солнечной активности на циркуляцию атмосферы.

5)        Гипотеза Нолъке говорит о поглощении радиации некоей туманностью, находящейся на пути движения Солнечной системы. Однако, уровень влияния различного рода туманностей, областей запыленности, а также различных космических событий на Землю, практически непредсказуем, как и наступление самих событий. В современной интерпретации (Мюллер, Макдональд) эта гипотеза связывает 100-ты- сячелетние колебания инсоляции с периодическим прохождением Землёй плоскости Солнечной системы, которая отличается высокой запыленностью, присущей поясу астероидов. Такое предположение имеет под собой более реальную почву.

Б. Геолого-геофизические гипотезы тоже делятся на две подгруппы. Одни связывают колебания климата с изменениями состава и свойств атмосферы, другие — с изменениями поверхности Земли.

1) Причиной оледенений могут быть периодические изменения состава атмосферы, а именно, колебания содержания в атмосфере водяного пара и углекислого газа. Водяной пар оказывает на климат двойственное влияние. С одной стороны, формируя облака, он увеличивает альбедо, что ведет к понижению температуры; пример тому — экваториальные температуры, более низкие, чем тропические. Так, по некоторым расчетам, понижение средней облачности на 1 балл повысило бы среднюю температуру Земли на 8°. С другой стороны, водяной пар — парниковый газ, снижающий эффективное излучение. Нетрудно заметить, что роль водяного пара в балансе температур может быть взаимоисключающей, хотя многие считают, что парниковый эффект превалирует. Во всяком случае, несмотря на прогрессирующее (по геологическим данным) уменьшение облачности на планете, постэоценовое похолодание продолжается.

Влияние на парниковый эффект углекислого газа более весомо. Имеющиеся геологические данные позволяют проследить связь между изменением содержания углекислого газа в атмосфере и колебаниями климата в фанерозое. В обобщенном виде она выглядит следующим образом: вулканизм => рост содержания парниковых газов => потепление климата => увеличение фитомассы =Ф усиление выветривания и карбонатонакопления => расход СО, => снижение парникового эффекта => снижение температур => оледенение. Увеличение активности вулканов приходилось, по-види- мому, на эпохи складчатости.

В начале кембрийского периода после байкальской складчатости содержание углекислого газа в атмосфере составляло 0,2 %; это обусловило парниковый эффект и потепление климата в позднем кембрии и ордовике. Снижение содержания углекислого газа в силуре объясняется возросшим его расходом на выветривание горных пород на растущей суше. Это вызвало снижение температур в позднем силуре и раннем девоне, но незначительное: вулканы каледонской складчатости вновь увеличили содержание углекислого газа на рубеже девона и карбона до 0,5 %, что привело к росту температур.

Несмотря на усиление вулканизма в герцинскую эпоху складчатости, в конце карбона содержание углекислого газа вновь резко упало до 0,1 % из-за активного расхода его при фотосинтезе, который осуществлялся пышной карбоновой растительностью. Парниковый эффект снизился, и температуры стали падать. К тому же, увеличение площади суши, связанное с образованием Пангеи-2, изолировало полярные морские бассейны, которые стали охлаждать прилегающие к ним обширные территории суши. Началось похолодание и, вслед за ним - оледенение.

Вновь парниковый эффект возрос после гибели карбоновой флоры и аридиза- ции суши в перми, но наиболее ярко — во время киммерийской складчатости и распада Пангеи-2 в юре и меловом периоде. Тогда содержание углекислого газа возросло вновь до 0,45 %. Увеличившийся парниковый эффект поднял средние температуры на Земле на 10-11° выше по сравнению с современными значениями; это дало возможность возникнуть и расцвести динозаврам и другим пресмыкающимся. Начиная с палеогена содержание углекислого газа стало снижаться; в олигоцене это отразилось в устойчивом уменьшении температур на всей Земле. Именно с этого периода снижение и углекислого газа и температур, (особенно в умеренных и высоких широтах) стало необратимым почти до наших дней. Возможно, это связано с переломным моментом в тектонической жизни Земли, которая с тех пор пошла на убыль.

На климат оказывает заметное влияние вулканизм, однако, влияние это двоякое. Во-первых, вулканы являются источниками парникового углекислого газа. Но, во-вторых, вулканы извергают из своих недр такое количество пыли, пепла и газов, что вызывают помутнение атмосферы и увеличение в воздухе ядер конденсации. Муть эта держится в воздухе несколько лет, снижая прозрачность и уменьшая поступление на Землю радиации. Вулкан Кракатау в 1883 году взорвался на Зондских островах, выбросив в воздух 18 км3 вулканических продуктов. Вулкан Катмай в 1912 году поднял в воздух 21 км3 пепла, бомб и пр. Радиация в обоих случаях понизилась на 10-20 %. Считается, что кратковременный вулканизм снижает температуру, но при долговременном вулканизме начинает преобладать парниковый эффект ль увеличения углекислого газа и атмосфера нагревается. Во всяком случае, вулканические выбросы не играют первостепенной роли при наступлении ледников, о чем говорят четвертичные оледенения, наступавшие вне связи с вулканизмом.

2) В гипотезах, связывающих оледенения с меняющимся рельефом поверхности Земли, изменения циркуляции атмосферы связываются с возникновением новых горных массивов — климаторазделов, иным распределением суши и моря, особенно в полярных областях. Так, наличие протяженной изрезанной границы суши и моря способствует, с одной стороны, массовому испарению воды, с другой — выпадению ее на сушу в том числе и в виде не тающего снега. Сплошная суша, особенно в высоких широтах, ведет к сухому антициклональному режиму. С повышением суши климат становится холоднее.

Эти гипотезы также опровергаются четвертичными оледенениями, которые возникали при современной и, практически, неизменной конфигурации материков. Ледниковые регрессии океана увеличивали аридизацию климата и могли вызвать замедление или прекращение роста ледников, но не их таяние, как иногда считается.

Поднятия морского дна приводит к возникновению на них порогов, которые должны, по мнению авторов данной гипотезы, преграждать путь океаническим течениям. Подобная гипотеза имеет право на существование только в одном случае — при поднятии Фарерско-Исландского порога, который действительно, мог бы преграждать путь мощному Северо-Атлантическому течению, в результате чего температура в Арктике должна резко понижаться. Причем охлаждения одного Северо- Атлантического течения могло бы хватить на все центры оледенения в Северном полушарии — как в Европе и Азии, так и в Америке.

Эта гипотеза не объясняет существования дочетвертичных оледенений и синхронности горных четвертичных оледенений по всему Земному шару, в том числе и в горах южного полушария.

В последнее время популярность приобрела гипотеза И.Д. Данилова, согласно которой не оледенения являются причиной регрессий, а наоборот — теократические регрессии являются причиной оледенений (Клиге и др., 1998). По мнению автора, именно в это время полярный бассейн был в значительной степени изолирован от других более теплых океанов, из-за чего над ним формировались очень холодные, но влажные воздушные массы. Они охлаждали огромные массивы суши, освободившиеся при отступании океана. При последующих теократических трансгрессиях Северный Ледовитый океан начинал обогреваться поступающими сюда теплыми водами Атлантики, площадь северной суши сокращалась, а континентальность снижалась - наступало межледниковье. Однако, в этом случае непонятен генезис крупных горных оледенений Европы, Азии и, тем более Африки, Южной Америки и Океании.

Рассмотрев существующие гипотезы колебаний климата, нельзя со всей однозначностью выбрать для объяснения причин климатических колебаний и оледенений какую-то одну. Скорее всего, имеет место многофакторность причин, по-разно- му проявляющаяся в различные эпохи. Так, большинство исследователей сходится в том, что основными причинами колебаний климата в протерозое, палеозое и мезозое были:

1          — колебания содержания в воздухе углекислого газа, связанные с разными причинами (вулканизмом, переходом в горные породы при выветривании, поглощением бурной растительностью);

2          — изменения плана океанической циркуляции, связанные с дрейфом континентов и морскими трансгрессиями и регрессиями, в результате чего колебалась кон- тинентальность климата, а также возникали и исчезали кругосветные океанические течения, переносящие теплые или, наоборот, холодные водные массы.

Снижение содержания углекислого газа в атмосфере, начавшееся в позднем мелу, обусловило наступление следующей эпохи похолодания, которая продолжается по настоящее время. Однако общее снижение углекислого газа резко ослабило теперь и в будущем его влияние на возникновение похолоданий; на этом фоне стали заметными проявления астрономических факторов, интерпретированных Миланковичем и его последователями. Различным сочетаниям именно этих факторов Земля обязана постоянным колебаниям климата в четвертичный период, сопровождаемым то на- ступанием ледников, то их отступанием; вариации содержания углекислого газа лишь способствовали усилению или ослаблению влияния инсоляционного эффекта.