книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата

Глава 4

КЛИМАТЫ ПРОШЛОГО

4.1. ЧЕТВЕРТИЧНЫЙ ПЕРИОД

Климат четвертичного времени. В первой главе книги указано, что характерной чертой последнего (четвертичного) геологиче­ ского периода была большая изменчивость климатических усло­ вий, в особенности в умеренных и высоких широтах.

Природные условия четвертичного времени изучены гораздо подробнее по сравнению с более ранними периодами, причем осо­ бенно большой вклад в исследование этих условий внесли работы

Несмотря на наличие многих выдающихся достижений в изу­ чении плейстоцена, ряд важных закономерностей природных про­ цессов этого времени известен еще недостаточно. К их числу от­ носится, в частности, датировка эпох похолоданий, с которыми связаны разрастания ледяных покровов на суше и океанах. В связи с этим оказывается неясным вопрос об общей длительно­ сти плейстоцена, характерной чертой которого было развитие крупных оледенений.

Существенное значение для разработки абсолютной хроноло­ гии четвертичного периода имеют методы изотопного анализа, к числу которых относится радиоуглеродный метод и калиево-ар- гонный метод. Первый из указанных методов дает более или ме­ нее надежные результаты только для последних 40—50 тыс. лет, т. е. для заключительной фазы четвертичного периода. Второй ме­ тод применим для гораздо более продолжительных интервалов времени. Однако точность результатов его использования заметно меньше, чем радиоуглеродного метода.

Принимая во внимание значительные различия в мнениях от­ дельных авторов о многих существенных особенностях климатиче­ ских условий этого времени, мы ограничимся общей характеристи-

кой климата плейстоцена, дополняющей краткие сведения по этому вопросу, приведенные в первой главе.

Плейстоцену предшествовал длительный процесс похолодания, особенно заметный в умеренных и высоких широтах. Этот процесс ускорился в последнем отделе третичного периода — плиоцене, когда, по-видимому, возникли первые ледяные покровы в полярных зонах северного и южного полушарий.

Из палеогеографических данных следует, что время образова­ ния оледенений в Антарктиде и Арктике составляет не менее не­ скольких миллионов лет. Площадь этих ледяных покровов вначале была сравнительно невелика, однако постепенно возникла тенден­ ция к их распространению в более низкие широты с последующим отступанием, т. е. к возникновению ледниковых и межледниковых эпох.

Время начала систематических колебаний границ ледяных по­ кровов по ряду причин определить трудно. Обычно считают, что значительные перемещения границы льдов начались около 700 тыс. лет тому назад.

Наряду с этим к эпохе активного развития крупных оледенений часто добавляют более длительный переходный интервал вре­ мени — эоплейстоцен, в результате чего длительность плейстоцена возрастает до 1,8—2 млн. лет.

Общее число оледенений, по-видимому, было довольно значи­ тельным, поскольку установленные еще в прошлом веке главные ледниковые эпохи оказались состоящими из ряда более теплых и более холодных интервалов времени, причем последние интервалы можно рассматривать как самостоятельные ледниковые эпохи.

Как отмечено в первой главе, ледниковые эпохи составляли меньшую часть общей длительности плейстоцена и были менее продолжительными, чем сравнительно теплые межледниковые ин­ тервалы.

Масштабы оледенений различных ледниковых эпох значи­ тельно отличались. При этом заслуживает внимания мнение ряда исследователей, что эти масштабы имели тенденцию к возраста­ нию, т. е. что оледенения в конце плейстоцена были крупнее пер­ вых четвертичных оледенений.

Лучше всего изучено последнее (вюрмское, или валдайское) оледенение, которое происходило несколько десятков тысяч лет тому назад. В эту эпоху наряду с развитием континентальных ле­ дяных покровов на обширных, свободных от льда пространствах суши умеренных широт заметно возросла засушливость климата. Возможно, что последнее явление объяснялось резким уменьше­ нием испарения с поверхности океанов из-за распространения морских льдов в более низкие широты. В результате понижалась интенсивность влагооборота и уменьшалось количество осадков на суше, что ограничивало развитие континентальных оледенений. Некоторое влияние на режим осадков в эту эпоху могло оказать

112 Глава 4. Климаты прошлого

также увеличение площади материков вследствие изъятия замет­ ного количества воды из океанов, израсходованной при образова­ нии материкового ледяного покрова. Этот процесс также усиливал континентальность климата и способствовал уменьшению количе­ ства осадков, выпадающих на суше.

Не подлежит сомнению, что в эпоху последнего оледенения произошло громадное расширение зоны вечной мерзлоты.

Если климатические условия в зоне, занятой ледяным покро­ вом, были во многих отношениях сходны с условиями в районах современных крупных оледенений, то весьма вероятно, что климат в свободной от льда зоне умеренных широт отличался от всех существующих сейчас типов климата.

Для этой зоны было характерно сочетание сравнительно низ­ ких температур воздуха в течение всего года, относительно боль­ шого прихода солнечной радиации и (на значительной части ука­ занной зоны) небольшого количества выпадающих осадков. Такие климатические условия способствовали формированию своеобраз­

в эпоху вюрмского оледенения изменялся сравнительно мало, хотя там также происходило некоторое снижение средних температур воздуха и перераспределение количества выпадающих осадков.

Последнее оледенение закончилось 10—15 тыс. лет тому назад, что обычно считают концом плейстоцена и началом голоцена — эпохи, в течение которой на природные условия начала оказывать влияние деятельность человека.

Астрономические факторы климата. Трудность выяснения при­ чин развития оледенений заключается в том, что в течение четвер­ тичного периода больших изменений внешних климатообразующих факторов, по-видимому, не происходило. Можно считать несомнен­ ным влияние на изменение климата четвертичного времени только двух факторов.

Первый из них — изменение количества радиации, получаемой различными широтными зонами Земли в отдельные сезоны, из-за изменений положения земной поверхности относительно Солнца, которое зависит от эксцентриситета земной орбиты, наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты, времени наступления равно­ денствий. Все указанные астрономические элементы периодически меняются, что приводит к некоторому изменению количества ра­ диации, получаемой на различных широтах в отдельные сезоны. Эти изменения могут быть рассчитаны с довольно большой точ­ ностью для последних десятков тысяч лет и с меньшей точностью для более отдаленных интервалов времени.

Второй фактор — колебания прозрачности атмосферы из-за из­ менения в ней количества аэрозоля, обусловленные главным обра­ зом вулканической деятельностью. Такие колебания несколько из­

114 Глава 4. Климаты прошлого

В выполненном расчете была принята во внимание зависимость планетарного альбедо от границы полярных льдов

где Aasp — изменение величины планетарного альбедо по сравне­ нию с его современным значением; АДл — изменение площади широтной зоны, занятой льдами в одном из полушарий, по срав­

зоны, на которую распространяется оледенение в результате изме­ нений радиации при отсутствии в ней льдов; QSn — радиация на внешней границе атмосферы в зоне, на которую распространяется оледенение и площадь которой равна Ьл\ Qsp — среднее плане­ тарное значение радиации. Индексы «с» и «ю» означают величины, относящиеся к северному и южному полушариям.

В этом расчете пренебрегалось влиянием изменений радиаци­ онного баланса поверхности океана и изменений облачности по сравнению с существующим режимом.

Некоторые результаты выполненных расчетов приведены в табл. 13. Как следует из данных этой таблицы, колебания ради­ ационного режима, вызванные изменениями в положении земной поверхности относительно Солнца, могут приводить к существен­ ным изменениям климата. Выполненные расчеты показывают, что

Таблица 13

Изменение климата в эпохи оледенений

льдов в северном полушарии по сравнению с ее современным положением, Дфщ —

уменьшение средней широты границы полярных льдов в южном полушарии по

сравнению с ее современным положением, ДГ° — изменение средней температуры теплого полугодия на 65° с. ш.

Из выполненных расчетов следует, что при современном поло­ жении средней широтной границы льдов в северном полушарии, близком к 72° с. ш., а в южном к 63° ю. ш., наибольшее за рас­ сматриваемый период смещение границы льдов в северном полу­ шарии равно 12°, а в южном полушарии 5°.

В зоне, куда проникает ледяной покров, происходит значитель­ ное снижение температуры. Так, на 65° с. ш. при наступании льдов средняя температура теплого полугодия снижается на 5—7°. Сле­ дует отметить, что эта величина характеризует снижение темпера­ туры на уровне моря. Вероятно, при наличии континентальных оле­ денений значительной мощности снижение температуры на уровне поверхности льдов будет больше указанной величины.

Представляет интерес сопоставление результатов, включенных в табл. 13, с палеогеографическими данными о природных усло­ виях ледниковых эпох. Такое сопоставление связано с рядом трудностей. Некоторые из них являются следствием схематичности выполненного расчета, а другие зависят от неполноты имеющихся эмпирических данных о природных условиях прошлого.

Из различных допущений, принятых в указанном расчете, от­ метим предположение о том, что положение льдов и термический режим являются стационарными для тех моментов времени, к ко­ торым относятся выполненные расчеты. Известно, что в действи­ тельности развитие ледяных покровов происходило довольно мед­ ленно и запаздывало по отношению к моментам наибольшего ос­ лабления радиации в высоких широтах. Пренебрежение влиянием нестационарности оледенений может привести к некоторой погреш­ ности в расчете площади, занятой ледяным покровом.

Одна из трудностей сопоставления полученных результатов с эмпирическими данными связана с отсутствием точных датиро­ вок четвертичных оледенений. Указанное в таблице соответствие определенных моментов изменения радиационного режима глав­ ным эпохам двух последних оледенений совпадает с точкой зрения, принятой Миланковичем, которая разделяется не всеми исследо­ вателями четвертичных оледенений.

Другая трудность такого сопоставления заключается в отсутст­ вии достаточно точных данных о средних широтных границах ле­ дяных покровов для эпох различных оледенений. Поэтому можно выполнить только схематичное сравнение главных результатов полученного расчета с эмпирическими данными о природных усло­ виях ледниковых эпох. Наибольший интерес в таком сравнении представляет сопоставление вычисленных границ ледяных покро­ вов с данными об этих границах во время оледенений.

Можно отметить, что полученное в расчете наибольшее изменение средней широты, до которой доходил ледяной покров

8*

116 Глава 4. Климаты прошлого

в северном полушарии, хорошо согласуется с эмпирическими дан­ ными. Так, например, в работе Лема (Lamb, 1964) отмечается, что при наибольшем оледенении средняя граница льдов в северном полушарии достигала 57° с. ш., что соответствует смещению этой границы по сравнению с современными условиями на 15°. Найден­ ная в нашем расчете аналогичная величина составляет 12°, что до­ статочно близко к значению, приведенному Лемом.

Выполнить такое сравнение для каждой из ледниковых эпох затруднительно из-за отсутствия данных о средних широтных гра­ ницах ледяных покровов. Можно, однако, использовать для этой

линий. Как видно из данных этого рисунка, между рассматривае­ мыми величинами имеется определенная связь, что свидетельствует о возможности расчетным методом правильно оценить сравнитель­ ные характеристики различных оледенений.

Вывод о том, что изменения астрономических факторов могли обусловить развитие четвертичных оледенений, не исключает воз­ можности влияния на оледенения колебаний вулканической актив­ ности. Колебания прозрачности стратосферы из-за изменения в ней количества аэрозольных частиц изменяют, по данным современ­ ных наблюдений, средние за десятилетние периоды величины сум­

марной радиации на величины порядка нескольких десятых про­ цента.

Расчеты при помощи описанной выше схемы показывают, что если такие изменения радиации длились в течение тысяч лет, они были бы достаточны для перемещения границ ледяного покрова на сотни километров. Хотя из геологических исследований изве­ стно, что вулканическая активность в прошлом колебалась в ши­ роких пределах, в настоящее время трудно количественно оценить

связанные с этими колебаниями долгопериодические изменения содержания аэрозольных частиц в атмосфере. Это ограничивает возможности более детального изучения влияния вулканизма на четвертичные оледенения.

Отметим, что полученное выше согласование между результа­ тами расчетов положения полярных льдов и палеогеографиче­ скими данными могло быть достигнуто только в результате учета обратной связи между положением полярных льдов и термиче­ ским режимом атмосферы. Интересный пример результатов иссле­ дования причин полярных оледенений, в котором не принималась во внимание указанная обратная связь, содержится в работе Зальцмана и Вернекара (Salzman, Vernekar, 1971). В этой работе была использована численная модель среднего широтного распре­ деления температуры, ветра, испарения и осадков, основанная на интегрировании уравнений динамики атмосферы. При помощи этой модели были рассчитаны изменения распределения температуры у поверхности северного полушария, имевшие место 10 и 25 тыс. лет тому назад, по сравнению с современными условиями. В выполнен­ ном расчете все влияющие на климат факторы считались постоян­ ными, кроме радиации на внешней границе атмосферы, распреде­ ление которой под влиянием астрономических факторов несколько’ отличалось от современного.

Зальцман и Вернекар нашли, что для указанных периодов вре­ мени наибольшие различия температур для теплого полугодия на отдельных широтах не превосходили 1,0°. Они предположили, что такие сравнительно небольшие изменения температуры недо­ статочны для развития оледенений.

Можно думать, что, не учитывая обратной связи между ледя­ ным покровом и полем температур, Зальцман и Вернекар должны были получить преуменьшенные изменения температуры при из­ менениях радиации на внешней границе атмосферы. Представля­ ется интересным сопоставить результаты выполненного ими рас­ чета с результатами аналогичного расчета, произведенного при помощи изложенной в нашей работе модели без учета в ней об­ ратной связи, т. е. считая, что при изменениях радиации альбедо системы Земля—атмосфера остается постоянным. Результаты та­ кого.расчета представлены на рис. 22, где изображено распреде­ ление разностей средней широтной температуры теплого полуго­ дия, рассчитанной для современных условий, и температуры для периодов времени 10 и 25 тыс. лет тому назад.

Как видно из рисунка, результаты расчетов по различным схе­ мам при отсутствии в них учета обратной связи между ледяным покровом и термическим режимом довольно близки. Полученное в данном случае согласование заслуживает внимания, так как модель Зальцмана—Вернекара значительно отличается от гораздо1 более схематичной модели, использованной в нашем расчете. Со­ гласование результатов палеоклиматических расчетов, выполненных

при использовании различных моделей теории климата, ука­ зывает на достигнутую надежность этих моделей и подтверждает возможность значительных упрощений при построении полуэмпирических теорий термического режима.

Одна из причин, обеспечивающих достаточную сравнимость результатов расчетов изменений термического режима по исполь­ зованной выше полуэмпирической модели термического режима с результатами применения более общих теорий климата, по-ви­ димому, заключается в том, что основная эмпирическая гипотеза, использованная в указанной модели и выраженная уравнением (2.5), как показывают данные наблюдений, выполняется не только для средних годовых условий, но и для различных сезонов.

А Т°

Рис. 22. Изменение средних широтных температур воздуха в теплом полугодии под влиянием изменений приходящей радиации, обусловленных астрономиче­ скими факторами климата.

Известно, что средняя разность температур между полюсом и экватором в годовом ходе меняется на несколько десятков граду­ сов, что соответствует очень большим различиям в притоке энер­ гии, обеспечивающем крупномасштабные атмосферные движения.

мере сохраняются, что, по-видимому, делает возможным описание

в которой была построена численная модель атмосферной цирку­ ляции в эпоху последнего вюрмского оледенения.

Мнение о том, что в ледниковые эпохи летние климатические условия умеренных и высоких широт напоминали современные условия холодного времени года, высказывалось Фленом и дру­ гими авторами. В работе Вильямса, Барри и Вашингтона сходный

вывод был получен на основании применения метода физической дедукции.

Из этой работы следует, что в ледниковую эпоху западный пе­ ренос в умеренных широтах северного полушария в летнее время примерно соответствовал современным зимним условиям. Под влиянием оледенения несколько смещалось положение устойчивых барических систем и имело место некоторое перераспределение количества выпадающих осадков. Однако резких изменений атмо­ сферной циркуляции в эту эпоху не произошло.

Сходные результаты были получены также в другом исследо­ вании этого направления (Alyea, 1972).

Таким образом, упрощенные численные модели, удовлетвори­ тельно описывающие современные климатические условия для различных сезонов года, по-видимому, могут быть использованы также для изучения изменений климата в четвертичное время.

Менее ясен вопрос о возможности применения моделей терми­ ческого режима для средних годовых условий с целью объяснения механизма развития четвертичных оледенений.

Изменения астрономических факторов гораздо меньше влияют на годовые суммы радиации в высоких широтах по сравнению с суммами для теплого или холодного полугодий. Поскольку ре­ жим ледяных покровов главным образом зависит от термических условий теплого времени года, очевидно, что использование дан­ ных для средних годовых условий может привести к существен­ ному преуменьшению влияния астрономических факторов на оле­ денения. Это предположение подтверждается приведенным выше результатом нашего расчета, а также материалами аналогичных расчетов Селлерса (Sellers, 1969, 1970), который использовал раз­ работанную им модель термического режима атмосферы для вы­ яснения влияния астрономических факторов на четвертичные оле­ денения и получил вывод о несущественности этого влияния. Наряду с этим Берже (Berger, 1973) в результате применения модели Селлерса для средних годовых условий получил изменение границ ледяного покрова в четвертичное время, сравнимое с ре­ зультатами палеогеографических исследований.

Расчеты по изложенной во второй главе полуэмпирической мо­ дели с учетом в ней обратной связи между ледяным покровом и термическим режимом показывают, что обратная связь в не­ сколько раз усиливает влияние изменения радиационных факто­ ров на температуру воздуха в высоких широтах. Это делает воз­ можным распространение оледенений на большие пространства. Следует думать, что аналогичный вывод может быть получен также из модели Зальцмана—Вернекара при учете в ней указан­ ной обратной связи, а также из других имеющихся моделей тео­ рии термического режима атмосферы.

Из приведенных выше данных следует, что астрономические факторы начали оказывать заметное влияние на климат только