ПАЛЕОКЛИМАТОЛОГИЯ

ГЕОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ГИПОТЕЗЫ КОЛЕБАНИЯ КЛИМАТА. Состав атмосферы, углекислый газ и изменение климата

Эти гипотезы могут быть подразделены на две подгруппы: гипотезы, связывающие колебания климата с изменениями состава и свойств атмосферы, и гипотезы, объясняющие состояние климата изменениями поверхности Земли.

Состав атмосферы

Лучистая энергия Солнца, достигающая поверхности Земли, преобразуется в тепловую. Таким образом, земной шар является своеобразным трансформатором, перерабатывающим волны малых длин в длинноволновые.

Современная атмосфера пропускает 48% солнечных лучей, идущих к планете, и задерживает 93% длинноволнового излучения земной поверхности. Тепловые свойства атмосферы в значительной мере определяются содержанием в ней водяного пара, углекислоты и пыли.

Из компонентов атмосферы наибольшее климатическое значение имеет водяной пар, проницаемый для коротковолновой солнечной радиации и экранирующий длинноволновое земное излучение. Поэтому повышение содержания водяного пара в атмосфере усиливает «тепличный» эффект, поднимает температуру у земной поверхности.

Содержание водяного пара в атмосфере зависит от испарения и увлажнения, в свою очередь определяемых количеством солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, и состоянием воздушных масс. По гипотезе Симпсона, содержание пара сильно возрастает в гумидные фазы, приходящиеся на максимум солнечной радиации, и уменьшается в аридные фазы, соответствующие периодам ослабления солнечной радиации.

Особую климатическую роль играет та часть водяного пара, которая сконденсирована в облаках, имеющих большую отражательную способность и существенно влияющих на альбедо Земли. Именно благодаря повышенной облачности средние летние температуры экваториального пояса оказываются ниже, чем в аридной области средних широт, где облачность меньше. По расчетам Ч. Брукса, понижение средней облачности только на 20% повысило бы среднюю температуру поверхности Земли на 8° С (что близко к перепаду температуры при похолодании ледникового времени).

В геологическом прошлом водная поверхность на Земле была обширнее и температура выше, следовательно, испарение происходило интенсивнее, а поэтому условия для образования облаков были более благоприятными. Однако, как теперь установлено, формирование облаков не является прямым следствием увеличения влажности воздуха. Для образования облаков и осадков необходимо наличие в атмосфере мельчайших ядер конденсации в виде вулканической пыли, кристалликов льда, дыма лесных пожаров и др. [Мензол, 1958 ].

Геологические данные (эволюция фациальных типов континентальных отложений) и состояние светочувствительных растений, несомненно, указывают на происходившие в ходе геологической истории прогрессивное уменьшение облачного покрова и нарастание солнечности климата.

Существенное влияние на климат планеты оказывает также содержание в атмосфере углекислого газа, на что впервые обратили внимание англичанин Тиндаль и швед Аррениус. Углекислый газ присутствует в земной атмосфере в ничтожном количестве — всего 0,03% по объему. Но и при такой концентрации он способен оказывать заметное влияние на климат. Дело в том, что углекислый газ совершенно непрозрачен для тепловых лучей, испускаемых нагретой Землей.

Естественно, возникла мысль, что периодические изменения климата могли быть связаны с изменениями количества углекислого газа в атмосфере. Подсчитано, что если содержание углекислоты в атмосфере возросло бы относительно современного вдвое, то температура ее поднялась бы при этом на 3е С, тогда как двукратное уменьшение вызвало бы такое же понижение температуры. Если бы углекислый газ отсутствовал в атмосфере совсем, то среднегодовая температура воздуха на Земле была бы на 21° С ниже современной и составляла —7° С.

Основная масса углекислоты растворена в водах океана. В них углекислого газа содержится в 50 раз больше, чем в атмосфере. Концентрация углекислого газа в воздухе регулируется обменом в системе океан — атмосфера, постоянно стремящейся к равновесию. Примерно 200 млрд. т газа каждый год перетекает из воздуха в воду и обратно. Всякое нарушение углекислотного равновесия системы океан — атмосфера существенно отражается на климате планеты.

Понижение содержания углекислого газа в атмосфере вызывает похолодание и оледенение; при этом часть воды океанов (около 5%) превращается в лед, включающий углекислого газа меньше, чем вода. В результате в океане возникает избыток углекислого газа, который возвращается в атмосферу, повышая ее температуру. Лед плавится, объем океана снова возрастает, вода его теперь оказывается недонасьпценной углекислотой. Недостаток углекислого газа восполняется из атмосферы, которая опять выхолаживается; начинается очередное оледенение.

Физическая проверка этой гипотезы показала, что изменения содержания углекислого газа в атмосфере могут привести лишь к незначительным колебаниям климата, недостаточным ни для похолодания масштаба плейстоценового, ни для потепления, способного растопить мощные материковые льды.

Сторонники гипотезы изменяющейся концентрации углекислоты считают, что основным источником атмосферного углекислого газа являются вулканы, поэтому теплые климаты ставятся в связь с периодами интенсивной вулканической деятельности. Однако это допущение противоречит другому не менее распространенному мнению, согласно которому бурная вулканическая деятельность создает условия для оледенений, внося в атмосферу много мелкой пыли, играющей роль ядер конденсации при образовании облаков.

Углекислый газ атмосферы в большом количестве расходуется при процессах фотосинтеза, выветривания, торфонакопления и образования карбонатных осадков. По приблизительным подсчетам современные растения ежегодно поглощают около 1/35 всего количества углекислого газа, содержащегося в атмосфере. В карбонатных осадках палеозоя углекислоты сконцентрировано в 15 000 раз больше, чем ее содержится в атмосфере. Углекислый газ возвращается в атмосферу при минерализации растительных и животных остатков, дыхании, сжигании минерального и древесного топлива, при выносе его из глубин вулканами и горячими источниками. Наличие в осадочной оболочке Земли огромных масс связанного углекислого газа, заключенного в ископаемых углях и горючих сланцах, нефтях и природном газе и, наконец, в мощных толщах карбонатных отложений, показывает, что в прошлом расход атмосферного углекислого газа преобладал над приходом. Это позволяет высказать предположение, что в течение геологического времени содержание углекислого газа в атмосфере уменьшалось и соответственно падало его влияние на климат.

Климатическую роль, качественно аналогичную роли водяного пара и углекислого газа, но меньшую по значению, играет озон, также задерживающий длинноволновое излучение Земли и усиливающий «тепличный» эффект атмосферы. Озон образуется в ионосфере из молекул кислорода под воздействием ультрафиолетовой радиации. Поэтому усиление ультрафиолетовой радиации, способствующее возрастанию плотности озонного слоя, соответственно должно повышать температуру у земной поверхности.