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

10 Глава 1. Введение

с изменениями характера растительности, из которой формирова­ лись угли. Например, если многие угли девонского периода накап­ ливались в условиях сухого климата, в пермокарбоновое время образование угля чаще было связано со сравнительно влажными климатическими условиями.

При изучении климатов прошлого применяются также мате­ риалы об отложениях известняков, доломитов и о соленосных от­ ложениях, которые особенно существенны для реконструкции кли­ матических условий древних водоемов.

В некоторых случаях материалы о структуре осадочных пород используются для оценки сезонных изменений климата. Наиболее известный пример такого рода — изучение ленточных глин, обра­ зовавшихся в районах, близких к периферии континентальных оле­ денений. При летнем таянии ледников водные потоки выносили с их поверхности большое количество грубого обломочного мате­ риала, в холодное время года в этих районах отлагалось гораздо меньшее количество мелкозернистого глинистого вещества. Слои­ стая структура ленточных глин позволяет оценить длительность периода их образования.

Для изучения режима атмосферных осадков и формирования ледяного покрова широко используются геоморфологические пока­ затели. Из них следует выделить данные о положении береговой линии океана, которые позволяют оценить объем воды, израсходо­ ванной на образование континентальных оледенений или получен­ ной океаном при таянии этих оледенений.

Основным показателем развития ледников служат материалы об изменениях рельефа под влиянием оледенений. Наряду с ними важной характеристикой климатов прошлого могут быть данные о высоте снеговой линии в горах, положение которой определяется режимом температуры и осадков.

Определенные сведения об условиях увлажнения можно полу­ чить по данным о древних озерах и речных долинах. Так, напри­ мер, следы многочисленных озер и рек на территории современных пустынь свидетельствуют о больших изменениях режима увлажне­ ния, произошедших после изучаемой эпохи.

Материалы о колебании уровня таких замкнутых водоемов, как, например, Каспийское море, позволяют оценить приток воды в этот водоем и, следовательно, количество осадков в бассейнах питающих его рек для различных периодов времени.

Для изучения условий увлажнения и термического режима в прошлом используются данные о характере ископаемых почв. Следы вечной мерзлоты в почвах имеют значение для восстанов­ ления зон с холодным климатом.

Для палеоклиматических исследований представляют также интерес сведения о характере процесса эрозии, который сущест­

венно зависит от климатических условий, в частности от условий увлажнения.

в особенности о распределении растений, которое существенно за­ висит от климатических условий.

Применение этого метода дает более надежные результаты для не очень отдаленного прошлого, когда растения мало отличались от их современных форм и когда, по-видимому, климатические условия так же влияли на распространение растений, как и в наше время. Для более древних эпох применение связей жизнедеятель­ ности современных растений с метеорологическими факторами для реконструкции климатов прошлого становится затруднитель­ ным, что ограничивает возможности использования материалов

ораспределении растений в палеоклиматических исследованиях. Крупным достижением последних десятилетий явилось приме­

нение метода анализа ископаемой пыльцы и спор растений, кото­ рый позволяет получить характеристику состава растительного покрова в определенном районе. Этот метод также легче исполь­ зовать для эпох, в течение которых растения были близки к совре­ менным.

Следует упомянуть о применении в изучении изменений климата данных о годичных кольцах деревьев. Изменения этих колец поз­ воляют обнаружить короткопериодические колебания климата, а их структура характеризует общие климатические условия (например, слабое развитие годичных колец у деревьев карбоновых болот сви­ детельствует об отсутствии в этом случае сезонных изменений климата).

Труднее использовать для изучения климатов прошлого мате­ риалы об ископаемых фаунах, так как зависимость географиче­ ского распределения животных от климата в общем слабее анало­ гичной зависимости для растений. Тем не менее такие материалы, особенно относящиеся к пойкилотермным животным (не имеющим терморегуляции), являются ценным дополнением к другим ме­ тодам изучения изменений климата. Интерпретация данных о рас­ пределении животных для оценки климатических условий, так же как и данных о распределении растений, строится на предположе­ нии, что влияние климата на жизнедеятельность соответствующих организмов было аналогично влиянию на существующие сейчас родственные им формы.

Особое значение для палеоклиматологии имеет применение метода определения палеотемператур по содержанию изотопа кис­ лорода О18 в ископаемых остатках водных животных. Установлено, что отношение количества изотопа О18 к количеству О16 в рако­ винах моллюсков и других остатках морских организмов зависит от температуры, при которой эти организмы существовали.

Для определения палеотемператур по изотопному составу изу­ чаемых образцов потребовалось создание высокочувствительных масс-спектрометров и решение ряда других технических задач.

Начиная с середины нашего века метод прямого измерения палео­ температур нашел широкое применение в исследованиях климати­ ческих условий, относящихся ко времени от недавнего прошлого до эпох, отстоящих от нас на сотни миллионов лет.

Оценивая результаты применения перечисленных здесь мето­ дов для изучения изменений климата, следует отметить, что за исключением относительно очень короткого современного периода почти все имеющиеся сведения о климатах прошлого относятся

крежиму температуры воздуха у земной поверхности, темпера­ туры поверхности суши и водоемов, а также, в меньшей степени,

крежиму увлажнения на континентах.

Хотя из палеогеографических данных можно извлечь сведения о некоторых других элементах климата (например, в отдельных случаях по форме ископаемых дюн и барханов можно оценить направление преобладающего ветра и т. д.), объем таких сведений невелик по сравнению с материалами о названных выше элемен­ тах климата.

Следует отметить, что и в исследованиях изменений климата для эпохи инструментальных наблюдений наибольшее значение имеют данные о температуре воздуха у земной поверхности. Это объясняется, с одной стороны, тесной связью температуры воздуха с составляющими теплового баланса, изменения которых сущест­ венно влияют на климат. С другой стороны, почти все другие метеорологические элементы, наблюдаемые на сети станций, изме­ ряются с меньшей относительной точностью, чем температура, по сравнению с их колебаниями, обусловленными изменением кли­ мата. Это ограничивает использование материалов об этих метео­ рологических элементах в эмпирическом изучении климатических изменений.

1.3. КЛИМАТЫ РАЗЛИЧНЫХ ЭПОХ

Современный климат. Для сравнения с климатическими усло­ виями прошлого приведем краткие сведения о современном кли­ мате, уделив главное внимание двум метеорологическим элемен­ там—температуре воздуха у земной поверхности и сумме осадков, выпадающих на земную поверхность.

В табл. 1 представлены данные о средних широтных величинах температуры на уровне моря для января и июля и средних широт­ ных величинах атмосферных осадков, выпадающих ежегодно на земную поверхность. Как видно из этой таблицы, средняя широт­ ная температура воздуха на уровне моря изменяется примерно на 70° С от максимального значения у экватора до минимальной величины у Южного полюса.

Вопрос о причинах изменения среднеширотных температур под­ робнее рассмотрен в следующей главе, здесь достаточно указать,

Таблица 1

Температура воздуха (°С) и количество осадков (см/год)

Северна я широта, град.

что существенное влияние на распределение этих температур ока­ зывает шарообразная форма Земли, обусловливающая изменение с широтой сумм радиации, приходящей на верхнюю границу атмо­ сферы.

В высоких широтах, где в течение всего года или большей его части температура воздуха отрицательна, существуют постоянные ледяные покровы. В Арктике основная часть такого покрова со­ стоит из сравнительно тонких морских льдов, в Антарктике — из мощного континентального оледенения, занимающего почти всю поверхность Антарктиды.

Наряду с существенным изменением в меридиональном на­ правлении средняя температура воздуха у земной поверхности в большинстве широтных зон заметно изменяется на различных долготах. Эти изменения в основном связаны с распределением континентов и океанов.

В умеренных и высоких широтах температура воздуха летом над океанами заметно ниже температуры над континентами, а зи­ мой выше. Это объясняется большой теплоемкостью и теплопро­ водностью вод океанов, которые летом поглощают значительное

месяцы. Заметное влияние на термический режим оказывают также морские течения, в особенности теплые течения, перенося­ щие в холодное время года большое количество тепла из низких в умеренные и высокие широты, где оно расходуется, способствуя поддержанию сравнительно высоких температур воздуха.

Влияние термического режима океана распространяется на значительную часть поверхности континентов, на которой в уме­ ренных и высоких широтах наблюдается так называемый морской климат со сравнительно небольшой годовой амплитудой воздуха. В тех внетропических областях материков, где влияние термиче­ ского режима океанов менее заметно, годовые амплитуды темпе­ ратуры резко возрастают, что соответствует условиям континен­ тального климата.

Распределение средних широтных величин осадков характери­ зуется главным максимумом в экваториальной зоне, уменьшением сумм осадков в субтропических широтах, вторичными максиму­ мами в умеренных широтах и уменьшением осадков с увеличением широты при переходе в полярные районы.

Изменения средних широтных величин осадков объясняются распределением средней температуры воздуха и особенностями циркуляции атмосферы.

При прочих равных условиях, включая одинаковую относитель­ ную влажность воздуха, сумма осадков возрастает с повышением температуры, так как при этом увеличивается количество водяного пара, которое может быть использовано в процессе конденсации. Очевидно, что если бы другие факторы не оказывали существен­ ного влияния на осадки, распределение их среднеширотных вели­ чин имело бы один максимум, расположенный в низких ши­ ротах.

Однако для выпадения осадков большое значение имеет режим вертикальных скоростей воздуха, от которого зависит перенос водяного пара через уровень конденсации, приводящий к образо­ ванию облаков и осадков.

Общая циркуляция атмосферы тесно связана с географическим распределением устойчивых барических систем, из которых наи­ большее значение имеет полоса пониженного давления у экватора, области повышенного давления во внеэкваториальных тропических и субтропических широтах и области с частой повторяемостью циклонических образований в умеренных широтах. Так как в зоне высокого давления преобладают нисходящие движения воздуха, количество осадков в этой зоне понижается, что приводит к обра­

зованию двух минимумов на кривой широтного распределения осадков.

Значительная интенсивность восходящих движений воздуха в экваториальных широтах и в ряде районов умеренных широт увеличивает количество выпадающих там осадков.

В субтропической зоне высокого давления расположены наи­ более крупные пустыни земного шара, где количество осадков незначительно. Суммы осадков уменьшаются также в удаленных от океанов районах континентов умеренных широт, где количество водяного пара, переносимого воздушными течениями с океанов, мало, что приводит к понижению относительной влажности воз­ духа и ослаблению процесса конденсации водяного пара.

Таким образом, зоны влажного климата на континентах разме­ щены главным образом в экваториальных широтах и в областях морского климата умеренных и высоких широт. В высоких тропи­ ческих и субтропических широтах и в областях континентального климата преобладают условия недостаточного увлажнения.

Шкала времени. Переходя к краткому обзору имеющихся эмпи­ рических данных об изменениях климата, мы рассмотрим эти данные для четырех интервалов времени, продолжительность кото­ рых возрастает по мере их удаления от нашей эпохи.

Первый из этих интервалов относится к периоду инструмен­ тальных наблюдений, длительность которого составляет немногим больше столетия. Следующий интервал — голоцен — охватывает время после окончания последнего оледенения, т. е. несколько больше 10 тыс. лет. Третий интервал времени — плейстоцен — про­ должался около 2 млн. лет. При рассмотрении четвертого интер­ вала—дочетвертичного времени — мы остановимся главным обра­ зом на последних 200 млн. лет, для которых имеются более надеж­ ные данные о климатических условиях.

Отметим, что каждый последующий из рассматриваемых ин­ тервалов времени примерно на два порядка дольше предыдущего. Такая периодизация обусловлена уменьшением количества и сни­ жением точности информации о климатических условиях для более отдаленных эпох по сравнению с менее отдаленными.

При обсуждении климатических условий прошлого следует принять во внимание сведения о последовательности и длитель­ ности различных этапов геологической истории Земли. Некоторые данные об этих этапах приведены в табл. 2.

Третичный период обычно разделяют на две части — палеоген (включающий палеоцен, эоцен и олигоцен) и неоген (в который входят миоцен и плиоцен). В табл. 2 не приведены названия под­ разделений периодов докайнозойского времени, которые не упоми­ наются в последующем изложении.

Палеозойской эре предшествовала протерозойская эра, которая продолжалась не менее 2 млрд. лет. Послепротерозойское время часто называют фанерозоем.

Геохронологическая шкала, представленная в табл. 2, основана на последовательных изменениях в характере литогенеза, флоры и фауны, установленных в исследованиях земной коры. Периоди­ зация геологической истории, учитывающая эти изменения, неиз­ бежно включает элементы условности, в связи с чем существуют

18 Глава 1. Введение

и влажным климатом в умеренных и высоких широтах северного полушария. Около 12 тыс. лет до нашего времени произошло зна­ чительное потепление (эпоха Аллеред), которое довольно скоро сменилось похолоданием. При этих колебаниях климата летняя температура воздуха в Европе изменялась на несколько градусов.

В дальнейшем потепление возобновилось, и последние крупные оледенения в Европе и Северной Америке исчезли за 5—7 тыс. лет до нашего времени. В эту эпоху послеледниковое потепление до­ стигло максимума. Предполагается, что между 5 и 6 тыс. лет до нашего времени температура воздуха в умеренных широтах север­ ного полушария была выше современной примерно на 1—3°.

При этом, по-видимому, произошли определенные изменения атмосферной циркуляции. Одновременно со смещением к северу границы полярных льдов переместился в более высокие широты субтропический пояс высокого давления, что привело к расшире­ нию засушливой зоны в ряде областей Европы, Азии и Северной Америки. В то же время количество осадков в современных пусты­ нях низких широт возросло. В указанную эпоху климат Сахары был сравнительно влажным, что делало возможным существо­ вание там богатой флоры и фауны. Позднее преобладала тенден­ ция к похолоданию, которое было особенно заметным в первой половине первого тысячелетия до нашей эры. Параллельно с из­ менением термического режима менялся режим осадков, который постепенно приближался к его современному состоянию.

Заметное потепление произошло в конце первого и начале вто­ рого тысячелетий нашей эры. В это время полярные льды отсту­ пали в высокие широты, что сделало возможным колонизацию викингами Гренландии и открытие ими материка Северной Аме­ рики. Дальнейшее похолодание привело к новому наступанию льдов, в результате чего потерявшая связь с Европой колония в Гренландии погибла.

Начавшееся в XIII в. и достигшее максимума в начале XVII в. похолодание сопровождалось расширением горных ледников, в связи с чем его иногда называют малой ледниковой эпохой. Затем произошло очередное потепление и отступание ледников.

В XVIII и XIX вв. климатические условия сравнительно мало отличались от современных.

Плейстоцен. Климат плейстоцена резко отличался от предше­ ствующих ему условий мезозойского и третичного времени, когда термическая зональность была сравнительно слабо выражена. В плейстоцене усилилось похолодание в умеренных и высоких широтах, что способствовало развитию крупных континентальных оледенений. Число этих оледенений и их датировки известны только приблизительно; обычно считают, что первое из них нача­ лось около 700 тыс. лет тому назад.

Исследования, проведенные в Альпах в прошлом веке, позво­ лили выделить четыре главных европейских оледенения, назван­