51. Возможные причины и методы изучения изменений климата

Достоверно доказано, что на протяжении геологической истории Земли (4,65 млрд лет) вместе со всей земной природой менялись состав атмосферы, ее масса, менялся и климат. По современным представлениям, за этот период времени многократно изменялись очертания материков, конфигурация и высота горных систем, площадь суши и океана, происходили изменения светимости Солнца, колебания эксцентриситета земной орбиты и наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики, а также замедление скорости вращения Земли.

Следовательно, неизбежно происходили изменения теплооборота, влагооборота и атмосферной циркуляции, а также географических факторов климата. Это и служило причиной его многократных изменений.

Временные масштабы возможных причин климатических изменений необычайно широки. Так, изменение светимости Солнца за пределами 1% солнечной постоянной, по-видимому, может происходить за 10⁹ лет. Вариации орбитальных параметров, т.е. эксцентриситета орбиты Земли, прецессии равноденствия и изменения наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты происходят с периодами соответственно 100 000, 23 000 и 41 000 лет. Временные масштабы движений земной коры равны 10⁵-10⁹ лет. Образование стратосферного аэрозоля вследствие вулканических извержений может приводить к климатическим изменениям в самых широких пределах – от 10 до 10⁸ лет.

С другой стороны, внутренняя изменчивость климатической системы определяется различными механизмами прямых и обратных связей между составляющими системы: атмосферой, океаном, криосферой, поверхностью суши и биосферой, которые могут действовать во временных масштабах от 10⁰ до 10⁹⁰ до 10² лет. Таким образом, одно это перечисление показывает, что изменения климата могли происходить в любых геологических эпохах. Поэтому для их определения сейчас используются самые различные методы, и, конечно, в первую очередь методы, развитые в геологии, палеонтологии и геофизике. Например, масштаб взаимодействия атмосферы и океана составляет от 10 лет.

Подробность наших сведений о климатических изменениях убывает по мере углубления в геологическую историю. Известно, что 7/8 истории Земли занимает докембрий, т.е. период от 4,65 млрд лет до 570 млн лет назад. Показателями климатических изменений в докембрии являются чисто геологические данные. Так, для наиболее древних геологических времен климатическими показателями являются почти исключительно осадочные породы.

Знание химического состава, физических свойств, структуры и текстуры осадочных горных пород и особенностей их залегания позволяет в известной степени восстановить климатические условия во время их образования. Холодный климат характеризуется преобладанием продуктов физического выветривания над продуктами химического выветривания, т.е. преобладанием грубообломочных материалов в отложениях многолетнемерзлых грунтов, и особенно наличием ископаемых морентиллитов, известных с раннего протерозоя.

Важнейшим признаком сухих (аридных) периодов является усиленное отложение солей (особенно, если климат также и жаркий), осаждающихся из растворов в условиях сильного испарения. К ним можно отнести доломиты, ангидриты, гипсы, калийную и каменную соль. Об аридных условиях свидетельствуют также продукты выветривания, бедные кремнеземом и окрашенные оксидами железа, и лессы. Пустыням прошлого, как и современным пустыням, были свойственны определенные явления выветривания, окремнения, переноса песка, дюнообразования. Признаки таких явлений можно установить и в геологических слоях.

К индикаторам теплого и влажного климата относятся продукты глубокого химического выветривания пород суши, такие как бокситы, каолин, бескарбонатные (латеритные) красноцветы, некоторые алюминиевые, железные и марганцевые руды. Высокая влажность среды необходима и для образования каменных углей.

По мере перехода от древних эпох истории Земли к более поздним арсенал методов, позволяющих определять климатические условия, расширяется, и сведения о господствовавшем в то время климате становятся более детальными. В фанерозое определенные суждения о климатических условиях можно сделать по палеонтологическим и палеоботаническим признакам. При этом исходят из предположения, что в прошлом существовали такие же зависимости флоры и фауны от климата, какие существуют и в настоящее время, а наиболее репрезентативными ископаемыми организмами являются те, которые при жизни больше зависели от окружающей среды.

Поэтому растения более показательны, чем животные, а из животных более показательны менее организованные виды. Наличие определенных видов растений, например, таких как веерные пальмы, может свидетельствовать о теплом климате. Богатство ископаемых видов растений или пресмыкающихся и их огромные размеры также являются признаками теплых климатов. Мощным средством суждения о климате является спорово-пыльцевой анализ, который дает представление о растительном комплексе, господствовавшем в прошлом в данной местности.

Очень важным количественным методом определения прошлых температурных условий – палеотемператур – является изотопный метод, позволяющий по отношению изотопов кислорода ¹⁸О/¹⁶О в карбонатных остатках ископаемого планктона определять температуру воды, в которой обитали эти живые организмы, а также восстановление температур воздуха, зафиксированных в ледниковых кернах Антарктиды и Гренландии.

Существуют некоторые геологические признаки, позволяющие определить направления ветра и морских течений в минувшие эпохи, признаки гроз, сезонных изменений климата и др.