Основные тенденции изменения климата в истории Земли
Климат Земли неоднократно менялся. На фоне общей тенденции похолодания неоднократно наблюдались периоды потепления, которые сменяли ледниковые периоды
На рубеже архея и протерозоя отмечено одно из первых оледенений в истории Земли. Его следы, в виде морен и отполированного ложа ледника, находят в Канаде, Карелии, Южной Америке, Южной Африке, Индии и Австралии. При этом содержание углекислого газа в атмосфере было высоким – более 2-5% (в наше время ~0,04%). На протяжении протерозоя был теплый климат, и температура морских вод достигала 35-45º С. Вместе с тем, в этот период отмечено несколько оледенений. Самое молодое из них произошло примерно 700 млн лет назад.
В фанерозое средние температуры, как правило, превышали 20º С (в наше время она немного ниже 14ºС). Разница между средними температурами полюсов и экватора была небольшой. Периоды похолодания отмечаются неоднократно. Об этом можно судить по осадочным образованиям. Так, например, соли, гипсы, ангидриды накапливаются в условиях жаркого сухого климата, а каменные угли, каолиновые глины – во влажном теплом и жарком климате. В большей степени влияние климата отражено в растительности, характер которой зависит тепла, солнечного света и влаги. В последние годы температуры древних эпох оценивают по соотношению изотопов кислорода или кальция и магния в раковинах беспозвоночных.
В эпоху палеозоя крупные материковые оледенения происходили в позднем ордовике (450-435 млн лет назад) и позднем карбоне (300-280 млн лет назад). В отличие от современной эпохи в палеозое южное полушарие было преимущественно материковым. Там располагалась Гондвана – материк, из которого позднее образовались Южная Америка, Африка, Австралия, Индия и Антарктида. Ледники Гондваны спускались до сороковых широт. В остальные периоды фанерозоя климат был теплым.
30 млн лет назад начинает формироваться современный климат с ледовыми шапками на полюсах. Вначале появляются ледники в Антарктиде. Около 10 млн лет назад началась новая волна похолодания, и ледники покрыли всю Восточную Антарктиду. В северном полушарии первые ледники в Исландии и Гренландии появились около 4-5 млн лет назад. Северный Ледовитый океан покрылся льдом около 2 млн лет назад.
Четвертичный период характеризуется быстрыми сменами климатических периодов. Ледниковые эпохи сменялись потеплением, потепления – новым оледенением. Максимум последнего оледенения отстоит от нас примерно на 20 тыс. лет.
Палеоклиматические ритмы разделяют на три группы: длиннопериодные – длительностью в миллионы лет, среднепериодные – в тысячи, десятки и сотни тысяч лет и короткопериодные – в десятки и сотни лет.
Длиннопериодные циклы, весьма вероятно, связаны с процессами рифтогенеза, которые могут приводить к изменению положения материков и океанов. Так, тёплый климат в меловом периоде объясняют расположением практически всех континентов в низких и умеренных широтах. Это способствовало формированию тёплых океанических течений, которые проникали в высокие широты (подобно современному Гольфстриму).
Среднепериодные колебания климата четвертичного периода наиболее заметны. По времени ближе к нам две эпохи:
холодная в позднем плейстоцене с минимумом 20–18 тыс. лет назад, когда температура воздуха была ниже современной на 7–10ºС;
тёплая эпоха голоцена («климатический оптимум») с максимумом потепления 5–8 тыс. лет назад, когда климат был теплее на 2 – 2,5ºС.
После «климатического оптимума» прослеживаются короткопериодные колебания температуры. Похолодание в середине первого тысячелетия новой эры получило в старинных документах название «века страшных зим». На рубеже первого и второго тысячелетий новой эры наступает тёплая «эпоха викингов». Температура воздуха в Гренландии была на 2 – 3º С выше современной. Норманны (под предводительством Эйрика Рауди «Рыжего») в 980 г. начали успешно осваивали Гренландию. В XIII веке началось похолодание, и поселения были брошены. Следует подчеркнуть, что изменения климата в высоких широтах более контрастны, чем в среднем по планете.
О периодах потепления и похолодания говорят исследования льда Антарктиды на станции Восток. В скважине глубиной 3350 м изучен изотопный состав льда и оценена температура его образования (рис. 30). Одновременно была измерена концентрации СО2 в пузырьках воздуха ледового керна. Пробы охватывают: голоцен (последние 10 тыс. лет), валдайскую, или вюрмскую ледниковую эпоху (10 – 120 тыс. лет назад), микулинское или рисс-вюрмское межледниковье (120–130 тыс. лет назад) и заключительные этапы днепровского или рисского оледенения. Общая продолжительность временного интервала наблюдений 425 тыс. лет. Точность определения возраста льда на глубине 2200 м составляет 10–15 тыс. лет. На сегодня это единственная колонка льда, покрывающая последний ледниково-межледниковый цикл.
Относительные изменения температуры можно оценить по соотношению легких и тяжелых изотопов водорода (1Н, 2Н и 3Н) или кислорода (16О, 17О и 18О) в воде. Лёгкие молекулы более подвижны. Поэтому лед при плавлении и вода при испарении обогащаются тяжёлыми изотопами. Соотношение изотопов указывает на температуру, при которой протекали эти процессы. С учетом точности и простоты измерений индикатором температуры служит отношение 18О/16O. В сумме изотопов кислорода доля 18О – 0,204%, 16O – 99,759%. Малая распространённость 17О – 0,037% затрудняет измерение его концентраций. За ноль принят изотопный состав морской воды. В Восточной Антарктиде отклонение отношения 18О/16O от стандарта на 0,1% соответствует изменению температуры на 1,5°С.
Температура и концентрации парниковых газов (двуокиси углерода и метана) менялись неоднократно и происходили синхронно по времени (рис. 30). Следовательно, существуют природные факторы, которые вызывают эти процессы.
Рис. 30. Изменение концентрации СО2, N2O, CH4 и D (индикатора температуры)
по данным анализа керна льда на станции «Восток» (Антарктида) [27]
Изменения средней температуры поверхности Земли с 1000 по 1900 г. показаны на рис. 31. Общей тенденцией является понижение температуры примерно на 0,2оС. На ее фоне отмечаются периоды кратковременного похолодания (до – 0,2о в середине XV века) и потепления (почти на +0,2 о в конце XII века), о которых шла речь выше. Быстрый подъем, начиная со второй половины XIX века, совпадает с началом промышленной революции в Европе.
Рис. 31. Изменение температуры в Северном полушарии за последние 1000 лет
Температура поверхности Земли в 1850–2000 гг. (рис.32). Градиент изменения температуры в период 1901–2003 гг. составляет +0.68 оС/100 лет, но рост неравномерный. В период с 1940 – и до конца 1970-х гг. холодные годы чередовались с теплыми, а затем наступает современный быстрый подъем (градиент +2.39о/100 лет для периода 1976-2002). Самым теплым был 1998 г (отклонение от среднего за 1961–90 гг. составило +0.66о С для Северного полушария) [28].
Рис. 32 Тренд средней температуры земной поверхности
Современное потепление неоднородно. Над сушей Северного полушария рост температур – +3.56о/100 лет. Для некоторых районов Мирового океана характерно уменьшение температуры до 0,5оС, связанное с увеличение облачности.
Изменения климата России. Средний тренд за 1951–2004 гг. составил +0.29ºС/10 лет (32% объясненной дисперсии). Потепление максимально в зимний и весенний сезоны (+0.4ºС/10 лет) и особенно заметно в центральных и южных районах Сибири зимой (местами больше+ 0.7ºС/10 лет).
Для биоты важна не только температура, но и распределение осадков. Для России в 1951–2004 гг. обнаруживается рост зимне-весенних осадков в западной части и уменьшение летне-осенних осадков в восточных регионах. Однако почти во всех случаях тренд объясняет лишь малую долю изменчивости осадков.