14.5. Влияние дрейфа континентов на климаты Земли

14.5. Влияние дрейфа континентов на климаты Земли

Как уже отмечалось выше, положения континентов на поверхности Земли может нарушать сферическую симметрию Земли и сильно влиять на ее температурные режимы. Однако учет такого влияния трудно поддается расчетам, поскольку нам неизвестны аномалии плотности в мантии и рельеф земного ядра, о чем мы уже говорили в предыдущем разделе. Сегодня этот вклад относительно невелик, всего Mcon+m 0,2·1029 – 0,6·1029 см2·г/с2. Однако при формировании суперконтинентов с компактным расположением отдельных материков, обычно располагающихся на низких широтах (см. рис. 4.20), с суммарными центрами масс на экваторе () [Монин, 1988, 1999]моменты сил Mcon+m резко возрастают. Поскольку непосредственный вклад дрейфа континентов в прецессию Земли определить трудно, мы воспользовались косвенным методом – определением углов прецессии по палеотемпературам океанов, существовавшим в прошлые геологические эпохи.

Судя по данным, приведенным в обзорной работе Н.М. Чумакова “Климатическая зональность и климат мелового периода” [2004], поверхностные температуры Саргассового моря, располагавшегося около 100 млн лет назад в тропическом поясе приблизительно на широте 20о с.ш., менялись от +25 до +30 оС. При этом максимальные температуры (по-видимому, на экваторе) достигали даже +28…+32 оС, а на полюсах Земли в это время господствовали положительные температуры. Используя выражения (7.12) и (8.1) можно определить, что около 100 млн лет назад температуре на экваторе Teq = 32 оС и положительным температурам на полюсах соответствовал угол прецессии 34о. Кроме приведенных палеотемператур мелового возраста, определению углов прецессии прошлых геологических эпох помогают и данные по распределению в истории Земли эр оледенений, приведенных на рис. 8.4 и 8.8.

Если стационарный угол прецессии при образовании Пангеи достигал приблизительно 34о, то для других суперконтинентов, судя по их реконструкциям и меньшей массе (см. рис. 4.20), получаются несколько меньшие значения углов прецессии (рис. 14.21). В интервалах времени между моментами образования суперконтинентов мы полагали углы прецессии близкими к стационарным 6 – 8 градусам.

Рис. 14.14. Вероятные изменения угла прецессии в моменты формирования суперконтинентов: : I – Моногея; II – Мегагея; III – Мезогея (Родиния); IV – Пангея. Учитывалось, что избыточные массы Моногеи, Мегагеи и Мезогеи составляли соответственно 0,7, 0,8 и 0,9 от массы Пангеи, предполагалось также, что будущий суперконтинент Гипергея, из-за ослабления тектонической активности Земли в будущем, сформируется приблизительно еще только через 0,8·109 лет.
Резкое увеличение угла прецессии во время образования Моногеи над нисходящим мантийным потоком связано с тем, что одновременно с формированием суперконтинента, на противоположной стороне экваториальной зоны происходил подъем глубинного вещества бывшей первозданной сердцевины Земли, вытеснявшейся тогда образованием земного ядра [Сорохтин, 2004; Сорохтин, Ушаков, 2002]. Такой подъем глубинного вещества должен был создать значительное “вздутие” мантии на экваторе (см. рис. 3.3-д), существенно нарушившее сферическую симметрию Земли.

Используя приведенную на рисунке 14.21 модель изменений угла прецессии Земли, удалось определить и колебания средней температуры Земли на уровне моря (рис. 14.22)



Рис. 14.15. Эволюция климатов Земли: влияние дрейфа континентов и формирования суперконтинентов на средние температуры Земли на уровне моря: 1 – средняя температура на уровне моря с учетом прецессии Земли; 2 – средняя температура Земли при отсутствии бактериального поглощения азота; тонкой штриховой линией над кривой 1 отмечены значения средней температуры Земли в эпохи межледниковых стадиалов; римскими цифрами обозначены моменты формирования суперконтинентов: I – Моногея, II – Мегагея Штилле, III – Мезогея (Родиния), IV – Пангея Вегенера.
Измерения температуры тропосферы Венеры на низких (0–30о) и высоких (75о) широтах и на высотах с давлениями, соизмеримыми давлениям в земной тропосфере, показывают, что контрастность климата, определяемая разностью температур на этих широтах, оказывается приблизительно обратно пропорциональной атмосферному давлению (рис. 8.6).



Рис. 14.16. Широтная климатическая зональность верхних слоев тропосферы Венеры, определенная по разности температур между низкими (0 – 30о) и высокими (75о) широтами на высотах от 33-х до 50-и км [Планета Венера, 1989]
Используя эту закономерность, мы смогли определить эволюцию широтного распределения температуры и в земной атмосфере, т.е. помимо средней температуры Земли определить еще температуру на экваторе Teq и на ее полюсах Tpl:

Teq Ts + T·0,36; Tpl Ts – T·0,64 (14.1)

где T T0/ps; T0 30 оС – разность температур на экваторе и полюсах современной Земли (без учета влияния альбедо снежного покрова); ps – текущее значение приземного давления. Результаты определений Teq и Tpl приведены на рисунке 8.7.


Кроме того, по приведенной картине эволюции углов прецессии были рассчитаны изменения температуры океанов и континентов на экваторе и полюсах Земли (см. рис 8.23).


Рис. 14.17. Эволюция температуры Мирового океана в связи с суперпозицией совместного действия изменений давления атмосферы (рис. 6.15) и углов прецессии (рис. 8.21); 1 – температуры океанов на экваторе; 2 – средние температуры океанов; 3 – температуры океанов на полюсах Земли в протерозое и фанерозое (пунктиром над кривыми 1–3 показаны температуры в моменты существования межледниковых стадиалов); 4 – температура на полюсах Земли в архее, (но не в океанах поскольку они тогда начали формироваться на экваторе Земли и только к концу архея расширились до полюсов Земли); Затемненными участками I и II показаны эры оледенений полярных океанических бассейнов в рифее и фанерозое
На рисунке 14.24 приведен расчет поверхностной температуры континентов с учетом их средней высоты (см. рис. 4.15), а также сравнение теоретически рассчитанных эр оледенений континентов, с геологическими данными по распространению ледниковых эпох, приведенными в работе Н.М. Чумакова [2004-б] (см. рис. 8.4). Как видно из сравнения, совпадение теории с эмпирическими данными оказалось достаточно хорошим.


Рис. 14.18. Высоты континентов и снеговых линий




Рис. 14.19. Эволюции континентальных эр оледенений на Земле: 1 – температура континентов на экваторе Земли; 2 – средняя температура поверхности континентов на Земли; 3 –температура континентов на полюсах; (пунктиром над кривыми 1–3 показаны температуры в моменты существования межледниковых стадиалов); I – раннеархейское высокогорное континентальное оледенение на экваторе Земли: I – среднеархейское (2,9 млрд лет назад) высокогорное оледенение на высоте около 6-и км над уровнем океана; II – раннепротерозойское (Гуронское) высокогорное оледенение на высотах около 3-х – 4-х км; III – позднерифейско-палеозойская эра оледенений континентов в высоких широтах; IV – эра кайнозойских и будущих оледенений континентов и морских бассейнов в высоких широтах.
Как видно из рисунков 14.22 – 14.24, каждой эпохе образования суперконтинентов соответствует повышение приземных температур. Так во время формирования около 2,6 млрд лет назад первого в истории Земли суперконтинента, названного нами Моногея, средняя температура на уровне океана превышала 70 оС. При формировании около 1,8 млрд лет назад Мегагеи Штилле эта температура приближалась к 30 оС, а при образовании около 1 млрд лет назад суперконтинента Мезогея (Родинии) она уже снизилась до 26 оС, тогда как при образовании около 200 млн лет назад Пангеи Вегенера эта температура снизилась до 24 оС и ниже. В промежутках между эпохами формирования суперконтинентов средние температуры на уровне моря снижались на 7 – 10 оС.

^ еперь интересно было бы рассмотреть причины возникновения выделенных ледниковых эр Земли. Начнем с древнейшей раннеархейской эры I. В это время около 3,9 – 3,7 млрд лет назад молодые морские бассейны и зародыши будущих континентальных щитов располагались только в сравнительно узком экваториальном поясе Земли. Поэтому морские бассейны тогда были теплыми, с температурами от +3…+5 до +20 оС (см. рис. 14.7). Что же касается вершин молодых континентальных образований, возможно достигавших по высоте 3 – 4 км, то они, находясь на экваторе и несмотря даже на общее потепление климата, попадали в зоны господства отрицательных температур (рис. 14.8 и рис. 14.24). Возникавшие же на этих образованиях оледенения носили только локальный и горный характер, причем, возможно, настоящие ледники вообще не возникали, поскольку воды на Земле тогда еще было очень мало. Именно поэтому, вероятно, никаких следов раннеархейского оледенения в геологической летописи и не осталось.

Среднеархейское оледенение II на рис. 14.24, произошедшее около 2,9 млрд лет назад в связи с уменьшением в это время тектонической активности Земли и общего давления земной атмосферы (см. рис. 6.15), могло развиваться уже не только в высоких, но и в умеренных широтах, поскольку к этому времени ширина зоны тектонической активности Земли распространилась до широт порядка ±40о…50о. До этих же широт тогда могли дрейфовать и молодые континентальные щиты. Вместе с тем их средняя высота увеличилась приблизительно до 5,5 – 6 км (см. рис. 4.15). При этом, в среднем архее заметно прибавилось воды в морских бассейнах (см. рис. 5.4), а их температура поднялась до +30…+40 оС, что усиливало испарение вод. Поэтому высокогорное оледенение среднего архея могло сопровождаться образованием небольших ледниковых покровов, оставивших свой след и в геологической летописи Земли.

В раннем протерозое уже возникли настоящие океаны, правда, пока еще не очень глубокие, со средними глубинами до 1-го км, тогда как уровни стояния поверхностей континентов оставались еще сравнительно высокими – со средней высотой от 2-х до 4–5-и км (см. рис. 5.6). В начале третьей выделенной эры оледенений, получившей название Гуронского оледенения (группа III на рис. 14.24), ледниковые покровы могли развиваться уже на всех широтах. Именно поэтому, после распада первого в истории Земли суперконтинента Моногеи, когда ее высоко стоящие над уровнем океана “осколки” оказались разбросанными по всей поверхности Земли, в середине и конце третьей эры оледенений (2,4 – 2,1 млрд лет назад), ледниковые покровы могли возникать уже почти на всех материковых массивах, вне зависимости от их широтного положения. Действительно, ледниковые отложения этого возраста, свидетельствующие о покровном характере оледенений, сейчас известны практически на всех древних континентах: в нескольких местах Северной Америки (в том числе в Гуронской формации Северной Америки), в Европе (на Балтийском щите), в Южной Африке (в формациях Трансвааля и Грикваленда) и в Западной Австралии (формация Тури). Причем во всех этих регионах возраст оледенений приблизительно одинаковый и попадает во временной интервал от 2,4 до 2,2 млрд лет назад.

Как следует из расчетов (см. рис. 14.24), во временнм интервале от 2-х до 0,8-и млрд лет назад отрицательных среднегодовых температур на континентах ни где не существовало, поэтому тогда не должно было быть и континентальных оледенений. Но в действительности так оно и происходило: по свидетельству Н.М. Чумакова [2004-б], в более древних горизонтах нижнего протерозоя, в раннем рифее и большей части среднего рифея следов оледенений не обнаружено. Это был продолжительный безледниковый период в развитии Земли.

В позднем рифее и палеозое началась новая, четвертая эра континентальных оледенений, связанная с заметным похолоданием в это время земного климата (группа IV на рис. 14.24). Обширные, покрытые снегом территории на полюсах Земли с высокими значениями альбедо (около 0.7) должны характеризоваться существенно более низкими температурами.

Интересно отметить, что, несмотря на достаточно суровые условия континентальных оледенений, устойчивых морских оледенений, типа современного Северного Ледовитого океана, ни в позднем рифее, ни в палеозое, по-видимому, еще не существовало, поскольку полярные участки океанов и морей тогда характеризовались лишь небольшими отрицательными среднегодовыми температурами. Именно поэтому в периоды межледниковий они должны были таять (см. рис. 14.23).

В середине кайнозоя около 50 млн лет назад началась последняя, пятая эра оледенений с развитием во время этой эры ледниковых эпох наиболее обширных ледяных покровов Земли. Пятая эра оледенений продолжится и в будущем, но будет последней в истории Земли (группа V на рис. 14.24). Одновременно, в олигоцене или миоцене, возникли первые в истории Земли обширные морские оледенения Северного Ледовитого океана и части Южного океана (шельфовые ледниковые покровы морей Росса и Уэдделла), что в свою очередь привело к существенному понижению температуры придонных вод океанов c +16 оС на рубеже палеоцена и эоцена, до +2 о С в настоящее время (см. рис. 14.3).

В результате похолодания климата, особенно в плейстоцене, на континентах, расположенных возле полюсов господствовали устойчивые отрицательные среднегодовые температуры, поэтому на таких континентах неизбежно должны были возникать ледниковые покровы. Если их площадь оказывалась значительной, то начинало сказываться альбедо снежной поверхности оледенений и в зависимости от высоты ледникового покрова средние температуры над ними снижались от –40 до –60 оС. Проверка выполненных теоретических оценок средних температур на поверхности ледниковых покровов по сравнению с экспериментальными данными среднегодовых температур в центральных районах Антарктиды, куда практически не проникают морские циклоны, приводилась в разделе 8.3 с использованием выражения (8.22).
^

Как уже отмечалось выше, господствующим сейчас представлением у экологов и многих климатологов является точка зрения, согласно которой накопление углекислого газа в атмосфере ведет к существенному потеплению климата. Эта же точка зрения оказалась внушенной многим политическим деятелям и правительствам, она же активно пропагандируется и в средствах массовой информации. В частности, именно этим процессом стараются объяснить и потепление климата в последние десятилетия.

Выше мы уже показывали, что значительное накопление углекислого газа (порядка 1–0,1 бар) может приводить только к похолоданию климата (см. рис. 7.8), тогда как незначительные его накопления (порядка 0.001 бар или сотен и даже тысяч ppm) практически ни как не влияют на климат. Что же касается последнего потепления, то по геологическим данным оно наблюдается на фоне общего похолодания климата (рис. 8.25) с градиентом около –0,33 оС за тысячу лет. Судя по нашим теоретическим расчетам, приведенным на рис. 8.15 и 8.17, приблизительно на том же интервале времени (от 0 до 4-х тыс. лет назад), такой градиент похолодания был равен –0,32 оС (как видно и здесь совпадение теории с экспериментом оказывается весьма хорошим).

О колебательных изменениях земного климата, при его общем и закономерном похолодании, за последние тысячелетия говорят и геологические данные. Так, по изотопным сдвигам кислорода в остатках планктонных фораминифер и других микроорганизмов Саргассового моря видно, что на протяжении последних трех тысяч лет температура поверхностных вод этого моря, хоть и с колебаниями, но закономерно снижалась (рис. 8.25). Как видно из этого рисунка, мы сейчас живем вблизи “вершины” очередного, но не самого значительного потепления, которое началось еще в XVII веке, когда о техногенных выбросах углекислого газа ватмосферу не приходилось и говорить. Поэтому можно ожидать, что в ближайшем будущем начнется новая фаза похолодания климата (если она уже не наступила).


Рис. 14.20. Поверхностные температуры Саргассова моря (с осреднением около 50 лет), определенные по изотопным отношениям кислорода в остатках планктонных морских организмов, погребенных в донных отложениях [Kegwin, 1996]. Штриховой линией отмечен температурный тренд около 3,3·10–4 град/год
Современное потепление носит ярко выраженное природное происхождение и в скором времени оно может смениться новой фазой похолодания [Landscheidt, 2003]. Действительно, инструментальные наблюдения за температурой проводились в Южной Англии начиная с 1749 года, а за магнитной активностью Солнца (по числу солнечных пятен т.е. по числу Вольфа) – во Франции с 50-х годов XVIII века. Сравнение этих данных показывает исключительно высокую корреляцию между приземной температурой и магнитной активностью Солнца (рис. 8.26). Именно поэтому для среднесрочного прогноза изменений климатов Земли, совершенно необходимо привлекать данные по периодическим изменениям активности Солнца. Судя по расчетам ведущего астронома Пулковской обсерватории Х.И. Абдусаматова [2003], начало медленного понижения температуры можно ожидать уже в 2012–2015 годах, а глобального минимума она достигнет примерно к 2055–2060 годам. Такое положение сохранится приблизительно в течение 50–70 лет и только в начале XXII века начнется очередной цикл глобального потепления климата. При этом такие вариации климата явно определяются периодическими (пульсирующими) изменениями светимости Солнца (см. рис. 8.26), которые, в свою очередь, вероятно связаны с колебаниями размеров и площади Солнца, зависящими от интенсивности протекающих в его недрах ядерных реакций [Абдусаматов, 2003].

К аналогичным выводам также приходит известный немецкий климатолог Т. Ландшейдт, опубликовавший большую статью под интригующим названием: “Новый малый ледниковый период вместо глобального потепления?” [Landscheidt, 2003]. По его оценкам, несмотря на продолжающееся повышение в атмосфере парциального давления углекислого газа, в ближайшем будущем нас ждет только похолодание и наступление “малого ледникового периода” по типу XVII–XVIII веков с опусканием температур на градус и более. Причем, первый импульс существенного похолодания нас ожидает приблизительно в 2030 году, но значительно более сильное похолодание, с опусканием температур до уровня начала XVII века, должно произойти в 2200 году. Этот вывод Т. Ландшейдта [Landscheidt, 2003], как и предсказание Х.И. Абдусаматова [2003], полностью коррелируется и с нашим прогнозом, изображенным на рис. 8.17. В ближайшем же будущем нас также ждет слабое похолодание климата, поскольку после максимума солнечной активности в 2007 году начинается новый переход к периоду спокойного Солнца. При этом, как уже упоминалось выше, следует учитывать, что из-за большой теплоемкости вод поверхностного слоя океанов, климатическая реакция на снижение солнечной активности запаздывает на несколько лет по отношению к ее 11-летним циклам. Для определения же суммарной картины изменения климата в будущем необходимо сложить оба прогноза, полученных по механизму прецессионных климатических циклов и по анализу изменений светимости Солнца. Отсюда видно насколько важным для изучения земного климата является изучение природы солнечной активности и, главное, ее прогнозирование на будущее.
Рис. 14.21. Корреляция температурных колебаний в Северном полушарии с магнитной активностью Солнца (с числами Вольфа). Левая шкала и жирная линия – отклонения среднего значения поверхностной температуры Северного Полушария при текущем 11-летнем сглаживании, °С. Правая шкала и тонкая линия – осредненная солнечно-магнитная активность (числа Вольфа). Резким всплескам магнитных циклов соответствует более активное и, следовательно, более яркое солнце [Robinson et al., 1998]
Как уже отмечалось выше (см. раздел 7.8), многие американские специалисты не поддерживают идею о глобальном потеплении климата в связи с увеличением содержания в атмосфере диоксида углерода и других парниковых газов. Это позволяет им скептически относиться и к доминирующей версии о потеплении климата.

Подводя итог сказанному, следует отметить, что проблему изменений земного климата надо решать системно и на базе строгой физической теории, с учетом эволюции состава атмосферы, геологических обстановок, с привлечением данных по колебаниям светимости Солнца, прецессии вращения Земли и океанологических данных, при обязательном учете существующих в этой сложной системе обратных связей, а не объяснять все единственной и мнимой зависимостью климата от концентрации в атмосфере так называемых “парниковых газов”.