Изменение средней температуры воздуха в прошлом по сравнению с современной эпохой (по М.И. Будыко и др., 1985)

Примечание: ΔТ°С - величина изменения средней глобальной температуры воздуха по сравнению с современной эпохой.

Принимая во внимание, что в современную эпоху средняя температура нижнего слоя воздуха равна 15°С, по данным таблицы, можно определить температуры для каждой геологической эпохи. Видно, что на протяжении фанерозоя (до плиоцена включительно) средняя температура воздуха была выше современной на 2,8 -11,0°С, т.е. соответствовала 18 - 26° С. В конце фанерозоя (олигоцен, плиоцен - плейстоцен) отмечались заметные понижения температуры воздуха.

В истории климатов Земли существенным было чередование теплых и холодных периодов. Причем холодные (ледниковые) периоды были относительно непродолжительными и разделялись длительными теплыми. Следует отметить, что ледниковые периоды были характерны и для более ранних этапов истории нашей планеты. Так, доказательством древних материковых оледенений служат в основном обнаруженные уплотненные и сцементированные древние морены (так называемые «тиллиты»). В истории Земли можно выделить следующие ледниковые эры: раннепротерозойскую (2500 - 2000 млн. лет назад), позднепротерозойскую (900 - 630 млн. лет назад), палеозойскую (460 - 230 млн. лет назад), которые в свою очередь еще подразделяются на ледниковые периоды и эпохи.

В позднем протерозое был широко распространен Лапландский ледниковый покров (670 - 630 млн. лет назад) в Европе, Азии, Западной Африке и в Австралии. Ледниковые щиты (при средней мощности до 2500 м) только в Восточной Европе и Западной Африке занимали площади не менее 4 - 7 млн. км². В палеозойской эре особый интерес для рассмотрения представляет ледниковый период (поздний ордовик ранний силур), причем тиллиты этого времени (460 - 420 млн. лет назад) имели широкое распространение в Африке, Южной Америке, в восточной части Северной Америки и в Западной Европе. По расчетам Э.Д. Ершова (1996), общая площадь территории, покрытой в позднем ордовике материковым оледенением, составляла примерно 23,6 млн. км², а в раннем силуре - 13,7 млн. км². На территории всей Африки и Южной Америки формировались гляциальные и перигляциальные условия. Мощность сахарского ледникового покрова составляла около 3000 м.

Схема климатов геологического прошлого была разработана Ч. Бруксом (1952), П.П. Предтечейским (1948), Н.М. Страховым (1963) и др. Теплые и холодные периоды характеризуются своеобразными особенностями климатических условий.

Теплые периоды (ранний карбон, поздняя юра, поздний мел, эоцен) отличались такими признаками: средняя температура воздуха была сравнительно высока, выражены не все современные климатические зоны (выпадали обе полярные ледяные зоны), зоны широкие и переходы между ними постепенные, причем общая дифференциация климатических зон выражена весьма мало.

Холодные периоды (ордовик-силур, поздний карбон-пермь, неоген, плейстоцен) характеризовались тем, что средняя температура воздуха была значительно ниже, чем в теплые периоды, выражены все климатические зоны, границы между зонами довольно резкие.

На рис. 50 показана климатическая зональность некоторых прошлых геологических периодов (по П. Предтеченскому). Основные климатические зоны Земли с их различными циркуляционными процессами таковы:

1. экваториально-тропическая зона - самая обширная, воспринимающая основную долю солнечной радиации, достигающей земной поверхности, главная по энергетическим ресурсам атмосферной циркуляции.

2. зоны притропических максимумов давления, где экваториальный воздух опускается и растекается к северу и югу, в зоны умеренных широт.

3. зоны полярные - где воздух, принесенный меридиональными токами с юга, охлаждается, опускается и растекается в сторону умеренных широт. Полярные зоны могут быть холодными ледяными, или относительно теплыми, лишенными льда.

Особенно резко климатическая зональность выражается при сравнении теплых периодов (поздний мел) и холодных (плейстоцен) по количеству и расположению климатических зон в геологическом прошлом.

Расчеты по теории климата показывают, что во время теплых периодов фанерозоя температура воздуха в тропических широтах повышалась сравнительно не намного, тогда как в средних и особенно в высоких широтах она была гораздо выше современной. В эти периоды при увеличении притока солнечной радиации значительно возрастала энергия атмосферных процессов, что интенсифицировало меридиональный перенос воздушных масс. В результате климат полярных зон обычно был сравнительно теплым, что исключало существование полярных льдов. Это подтверждается и палеогеографическими данными: наличие фаций-индикаторов теплого климата (бокситы, железные руды, писчий мел, углеобразование), причем формирование угля происходило даже на арктических островах и архипелагах; в позднем мелу в высоких широтах северного полушария произрастали лесные формации с вечнозелеными растениями и т.д.

Рис. 50. Климатическая зональность прошлых геологических эпох (по П.П. Предтеченскому). а - климаты перми; 6 - климаты мела и палеоцена; в - климаты эоцена и олигоцена; г - климаты ледниковой эпохи (четвертичный период). Климатические зоны: 1 - экваториально-тропическая; 2 - зона притропического максимума давления; 3 - зона умеренных широт; 4 - теплая полярная зона; 5 - холодная полярная зона.

Американский палеоклиматолог С. Шнайдер (1987) провел моделирование климата меловой эпохи с помощью ЭВМ. Так, в середине этого периода (около 100 млн. лет тому назад) широколиственные тропические леса были широко распространены в умеренных широтах. В Антарктиде отсутствовал ледниковый покров. Уровень океана был на сотни метров выше современного. Во внутренних областях даже зимой температура воздуха не опускалась ниже 0°С. Расчетная температура тропических вод составляла около 25 -30°С. Согласно этой модели наличие теплового климата в меловом периоде определялось повышенным содержанием углекислого газа в атмосфере и эффективностью переноса тепла морскими течениями. По данным С.А. Ушакова и Н.А. Ясаманова (1984) палеотемпературы позднего мела на основе изотопных исследований составляли для Западной Европы 18 -25°С, Крыма и Северного Кавказа - 18-22°С, Закавказья - 22-27°С.

В холодные периоды атмосферная циркуляция носила противоположный характер. Солнечная активность ослабевала, и соответственно уменьшался меридиональный перенос воздушных масс. Экваториально-тропическая зона сужалась, появлялись холодные полярные (ледяные) зоны, причем границы между климатическими зонами становились резкими, и возрастала дифференциация климатических условий. Все это и способствовало в прошлом возникновению на материках ледниковых покровов.

Особенного внимания заслуживает ледниковый период (поздний карбон-пермь), когда на значительных пространствах Суперконтинента Гондваны существовали ледниковые и перигляциальные условия. В Центральной Африке о наличии мощного ледникового покрова в этот период свидетельствуют обнаруженные моренные отложения (тиллиты) в Замбии, Зимбабве, Конго и Танзании. Центр так называемого «гондванского» оледенения (мощность ледникового покрова достигала 4 - 4,5 км) располагался в Центральной Африке (около Замбези), откуда ледники радиально распространялись на Мадагаскар, в Южную Африку и Южную Америку. В южном полушарии в конце карбона ранней перми произошло общее воздымание Гондваны и покровное оледенение распространилось на большую часть этого суперконтинента. Вероятно, области оледенения Гондваны занимали площадь не менее 35 млн. км (возможно, и до 50 млн. км², что в 2 - 3 раза превышает площадь современной Антарктиды (Ершов, 1996). Все это в конечном счете привело к сильному выхолаживанию континентальной части Гондваны и к резкому понижению температуры воздуха в низких широтах. В северном полушарии верхнепалеозойские ледниково-морские отложения обнаружены на крайнем северо-востоке России.

Четвертичному периоду предшествовала длительная эволюция климата в сторону понижения температуры воздуха на протяжении кайнозоя, но особенно это проявилось в олигоцене. В северном полушарии средние температуры воздуха в середине эоцена составляли 22 - 25°С, а во второй половине олигоцена они снизились до 15 - 18°С. Более интенсивно в этот период понижались температуры воздуха и поверхностных вод океана в южном полушарии, что не могло не вызвать появления льдов в приполярных областях. Имеются материалы, свидетельствующие о развитии оледенения в отдельных районах Антарктиды именно в олигоцене, а настоящий ледниковый покров образовался на данном материке в начале миоцена (20 - 25 млн. лет назад).

Распространение ледникового покрова на территории Антарктиды площадью 13 млн. км² (с учетом альбедо ледяной поверхности) привело к значительному понижению средних температур воздуха на всем земном шаре и тем самым способствовало распространению оледенения в северном полушарии. По данным М.И. Будыко (1984), возникновение полярных ледниковых покровов резко повысило чувствительность термического режима нашей планеты к малым изменениям климатообразующих факторов. Астрономические факторы начали оказывать значительное влияние на климат четвертичного периода только после появления крупных полярных оледенений. Особенно детально изучены климаты плейстоцена и голоцена.

КЛИМАТЫ ПЛЕЙСТОЦЕНА И ГОЛОЦЕНА

Изучение климатов прошлого, особенно последних этапов эволюции Земли (плейстоцен), представляет значительный практический интерес. Это позволяет оценить не только некоторые параметры современного климата, но и провести долгосрочные прогнозы изменения климата и природных ландшафтов в будущем. Четвертичный период имеет ряд названий (ледниковый, антропоген, плейстоцен), однако чаще употребляется термин «плейстоцен» (от греч. «самый новый»), предложенный Ч. Ляйелем (1839) для обозначения новейшего геологического периода (продолжительностью примерно в 1,5 - 2,0 млн. лет). Стратиграфическая схема четвертичного периода (плейстоцена) приведена в таблице 35.

Таблица 35

Стратиграфическая схема четвертичного периода (плейстоцена)

Как видно из табл. 35, наиболее характерной чертой плейстоцена было неоднократное чередование ледниковых и межледниковых эпох. Плейстоцен считают временем максимального распространения континентальных обстановок. В течение плиоцена и плейстоцена средняя высота материков возросла на 500 м (в настоящее время составляет 875 м). Так, в среднем понижение температуры составляет 0,6°С на 100 м увеличения высоты, значит такое возрастание средней высоты суши могло вызвать охлаждение земной поверхности на 3°С. Отдельные районы горных областей, поднявшиеся в плейстоцене на тысячи метров (Кавказ - 2 - 3 км, Гималаи - 2,5 км и др.), охлаждались еще сильнее. Затем похолодание во многом было усилено охлаждающим воздействием самих ледниковых покровов, занимающих значительные площади суши.

В эпохи оледенений (окское, днепровское, московское, валдайское) значительные пространства Евразии и Северной Америки покрывались ледниковыми покровами (соответственно 25% и 60% площади материков). В период максимума четвертичного оледене­ния площадь ледников составляла более 45 млн. км² или 30% площади суши (современное около 11%). Объемы льда ледниковых щитов Северной Америки достигали около 24 млн. км, а Европейского ледникового покрова 7,7 млн. км³, т.е. их объемы соотно­сились как 3:1. Такие огромные массы льда привели к снижению в северном полушарии температуры воздуха намного ниже современных значений, в частности в Западной Европе на 9 - 12°С, на востоке Северной Америки на 10 - 14°С, а среднеглобальной температуры приземного слоя воздуха на 5 - 6°С ниже современной.

В межледниковые эпохи (лихвинская, одинцовская, микулинская) климат становился более теплым и влажным, а термические максимумы среднегодовой температуры бывали даже на 2 - 3°С выше современных значений. Результаты палеоботанических исследований межледниковых отложений Русской равнины свидетельствуют о том, что в эти эпохи широкое распространение получали лесные формации с преобладанием широколиственных пород (вяза, липы, граба, бука, дуба и др.).

На рис. 51 показаны географические пояса ледникового времени (плейстоцена) и современного периода. Стрелки изображают направление и величину смещения границ, а значит, тенденции изменения природных условий в различных регионах Земли (от конца максимального оледенения до современности). Видно, что в северном полушарии в период максимального похолодания в плейстоцене значительные площади покрывали ледники. Здесь господствовал холодный и сухой континентальный климат, причем в перигляциальной зоне обширные пространства занимали своеобразные ландшафты (тундростепи). Изменения природы умеренного пояса были настолько глубоки, что приводило к резкому уменьшению его площади, в приатлантическом районе на его месте располагался приледниковый (перигляциальный) пояс (Марков, Добродеев и др., 1978). Однако на большей части земной поверхности, за исключением северных районов Евразии и Северной Америки, древняя структура географических поясов сохранялась. Происходили всего лишь смещение географических поясов и изменения внутри их границ. Похо­лодание северного полушария было настолько сильным, что даже приэкваториальные пояса южного полушария сместились к югу (как в северном полушарии), а не к северу.

После максимального похолодания плейстоцена началось в связи с потеплением климата смещение географических поясов в обратном направлении от экватора к полюсам. На рис. 51 показаны величины повышения температуры воздуха в отдельных регионах Земли в данный период, в частности на территории Западной Европы и Южной Америки -на 12°С, на юго-востоке Северной Америки - на 13°С и т.д. Фиксировалось расширение теплого тропико - экваториального пространства и некоторое сокращение площадей холодного внетропического пространства.

Таким образом, в плейстоцене ритмические изменения климата в свою очередь приводили к изменениям типов природных ландшафтов, особенно в высоких широтах. На основе палеоботанических исследований, установлено, что в Европе ритмические изменения природы проходили по такой схеме: ледяная зона - зона широколиственных пород - ледяная зона (смещение зональных границ составляло около 2500 км к югу и северу). В Западной Сибири, которая в плейстоцене покрывалась ледниками, ритмичность изменений природы была более значительной, чем в Восточной, но меньше, чем в Европе. Она проходила по схеме: ледяная зона - зона тайги - ледяная зона. Ритмические явления охватывали и более южные районы (современные субтропическую и тропическую зоны) северного полушария. Здесь отмечалось чередование плювиальных (соответствуют оледенениям высоких широт) и ксеротермических периодов. Смена влажных и сухих периодов происходила так: умеренная зона - субтропическая зона - умеренная зона. Смещение зональных границ происходило на 1500 - 2000 км. Такой резкой ритмичности природных явлений (климата, ландшафтов), как в четвертичном периоде (плейстоцене), не отмечалось в предшествующее геологическое время (палеоген, неоген).

После эпохи максимального похолодания и постепенной деградации последних валдайских ледников наступило послеледниковое время - голоцен (12 тыс. лет

Рис. 51. Природные условия Земли в эпоху максимального похолодания плейстоцена (по К.К. Маркову и др., 1978). 1 - современный экватор; 2 - экватор в плейстоцене; 3 - современные границы ТЭ-П; 4 - границы ТЭ-П в плейстоцене; 5 - древние растаявшие ледниковые покровы; 6. - области древних ледниковых покровов (Гр - Гренландский, Ск - Скандинавский, Бр - Британский, Л - Лаврентьевский и др.); 7 - древние сохранившиеся ледниковые щиты; 8 - смещение границ; 9 - тропико-экваториальное пространство (ТЭ-П), Северное внетропическое пространство (СВ-П), южное - (ЮВ-П); 10 - величина потепления; 11 - области разрушения древних географических поясов.

назад). С окончанием последнего оледенения произошла значительная перестройка глобальных процессов циркуляции атмосферы. Начала преобладать зональная система циркуляции атмосферы, вызывающая увеличение циклонической деятельности и увлажненности климата. На протяжении голоцена (как и в плейстоцене) отмечалось чередование теплых и холодных эпох с различной степенью увлажнения климата. Характеристика отдельных климатических этапов голоцена представлена в табл. 36. За основу принята схема Блитта-Сернандера, которая наглядно отражает хронологию глобальных климатических изменений.

Таблица 36