ПАЛЕОКЛИМАТОЛОГИЯ

ПРИЧИНЫ КОЛЕБАНИЯ КЛИМАТА. Рельеф Земли. Соленость и температура океана

Поверхность Земли

Климат во многом зависит от характера поверхности Земли и ее изменений. Рельеф земной поверхности отражается на общем типе климата и на циркуляции атмосферы. Чем больше площади акваторий, воды которых медленнее нагреваются и дольше держат тепло, тем равномернее климат и слабее циркуляционные процессы.

В течение суток температура воды в океане колеблется в пределах Iе С, тогда как суточные изменения температуры скальной поверхности на суше составляют несколько десятков градусов. Наличие больших площадей менее теплоемкой суши делает климат континентальным, с отчетливыми межзональными контрастами и высоким температурным градиентом экватор — полюс; атмосферная циркуляция при этом усиливается.

Имеет значение и географическое размещение основных массивов суши. Если их больше в высоких широтах и меньше в низких, климат будет конти- нентальнее, чем в противоположном случае. Внутренние части континентов летом получают большее количество тепла и света, что обусловливает сдвиг в них географических зон к полюсу. По мере увеличения площади суши усиливается антициклональная циркуляция, способствующая выхолаживанию климата. При сложном распределении материков и океанов формируются много локальных барических центров, усложняющих климатическую зональность. Особенно мощные центры возникают в субтропическом поясе. Здесь области повышенного давления летом образуются над океанами, где воздух прогревается меньше, чем над сушей в тех же широтах, а зимой—над материками, где воздух охлаждается.

Большое климатическое значение имеет средний гипсометрический уровень суши. Если он высокий, — меньше атмосферное давление, сильнее испарение и ниже общая температура. С понижением среднего гипсометрического уровня климат материков становится теплее и влажнее.

Значительна также роль высоких хребтов, особенно в тех случаях, когда они располагаются на путях движения воздушных масс. Такие хребты существенно влияют на атмосферную циркуляцию и на распределение дождевых осадков, становясь важными климаторазделами. Самым ярким примером хребта-климатораздела являются Большие Гималаи, образующие резкую границу между муссонной областью Индостана и сухим Тибетом.

Но как бы велико ни было влияние на климат особенностей поверхности Земли, оно все же не является решающим и ограничивается лишь осложняющим воздействием на основную климатообразующую закономерность. Действительно, история геологического развития Земли дает много примеров, показывающих отсутствие нрямой связи между изменениями палеогеографическими и палеоклиматическими. В отдельные периоды палеозоя и мезозоя общие соотношения суши и моря и очертания материков значительно изменялись, между тем характер и география климата при этом оставались такими, как и прежде. Особенно наглядный пример независимости климата от географического состояния планеты дает четвертичный период с его частыми и резкими колебаниями климата: чередованием ледниковых эпох и теплых межледниковий, происходивших при неизменном по существу рельефе [Белл, 1958].

Современные климатические условия также указывают на слабую зависимость общей температуры от размещения суши и моря. Симпсон обратил внимание на тот факт, что в Северном и Южном полушариях средние температуры по параллелям ведут себя более или менее одинаково, несмотря на большие различия в соотношениях суши и моря.

Встречает затруднения и попытка связать оледенения с орогеническими периодами, во время которых сильно увеличивалась площадь континентов и возрастала высота гор. Во-первых, оледенениями сопровождались только герцин- ское и альпийское горообразования, а другие не менее мощные орогенические движения, такие как тяньшаньские, ярко проявившиеся в Восточной Азии, и ларамийские, изменившие палеогеографию Северной Америки, оледенений не вызывали. Во-вторых, в процессе альпийского орогенеза оледенение началось не сразу в тот момент, как сформировался высокий рельеф материков, а с большим отставанием. Рельеф, в условиях которого проявилось плейстоценовое оледенение, имел тот.же вид и при теплом климате плиоцена.

Климатическая роль Мирового океана

Благодаря сильному поглощению солнечной радиации и высокой теплоемкости Мировой океан представляет собой мощный аккумулятор тепла, оказывающий исключительно большое влияние на температурные условия нижних слоев атмосферы. Поверхность океана получает тепло за счет поглощения солнечной радиации и отдает его путем эффективного излучения (42%) и испарения (51 %). В результате океанические воды изменяют свою температуру незначительно и медленно.

Поверхность океана осваивает солнечную радиацию полнее, чем соответствующий участок суши. Она способна поглотить до 99,6% поступающего солнечного тепла, тогда как для суши этот показатель равен только 55—56%. При малых площадях суши в прошлом Мировой океан осваивал солнечного тепла больше, чем в современный материковый период. Океан медленнее, чем суша, поглощает тепло, но и медленнее отдает его в атмосферу. Поэтому суточный и годовой ход температур воздуха над его поверхностью характеризуется небольшими колебаниями. Огромная температурная инерция океана умеряет контрасты климата, препятствует и сильному перегреву и резкому охлаждению. Океан является хранилищем тепловой энергии на Земле и в основном определяет термический режим соответствующего времени. В мезозое температура вод Мирового океана в целом была на 14° С выше современной. Естественно, что при таком теплом океане тропические условия распространялись до самых высоких широт. Кайнозойское похолодание сопровождалось медленным, постепенно нараставшим выхолаживанием океанических вод и, следовательно, сокращением запасов тепловой энергии на Земле,' накопленной в минувшие геологические эпохи. Охлажденные в высоких широтах воды опускались в толщу гидросферы и в виде глубинных течений перемещались в направлении экватора, вызывая отток теплых вод к полюсу, где они снова охлаждались. Значительное снижение температуры водной оболочки в кайнозое (на 9—10° Q имело серьезные последствия для климата планеты. Холодный океан, оказывая инерционное тепловое воздействие на атмосферу, становится фактором, умеряющим ее термический режим.

В связи с кайнозойским похолоданием уменьшилось испарение с поверхности океанов, слабее стала облачность, сократилось количество дождей над континентами, сузились пространства с морским климатом. В целом климат Земли стал прохладнее и суше.

Мировой океан является и основным источником влаги, поступающей в атмосферу и на поверхность материков. С поверхности океана ежегодно испаряется 440—450 тыс. км8 воды, что соответствует слою 112 см. Вся эта масса испаренной влаги уносит в атмосферу 9- 10s* Дж теплоты. В облаках водяной пар конденсируется и выпадает дождем над океанами (78%) и континентами (22%). В ходе этого влагооборота огромные количества солнечной энергии передаются геологическим и биологическим процессам.

Поднятия океанического дна

Понимая, что образование крупных континентов в результате общего поднятия земной коры не создает предпосылок для оледенения, поскольку климат при этом подвергается континентализации, Л. Б. Рухин и одновременно с ним Ивинг и Донн предложили новый вариант гипотезы, также основанной на связи оледенений с горообразованием. За причину оледенений принимаются поднятия порогов на дне океана, что приводит к изоляции и выхолаживанию полярных бассейнов.

Так, причиной четвертичного оледенения было поднятие подводной гряды Томсона, протягивающейся через Атлантический океан от Шотландии и Фарерских островов через Исландию к Гренландии. Эта гряда закрыла Гольфстриму доступ в северный полярный бассейн, вследствие чего он стал выхолаживаться и покрываться льдом, превращаясь в своеобразный холодильник, над которым возник устойчивый барический максимум. Холодные массы сухого воздуха, формирующиеся в области полярного максимума, приходя в соприкосновение с теплым влажным атлантическим воздухом, вызывали обильные осадки, главным образом в виде снега, и тем самым способствовали развитию на ближайших материках (в Северной Америке и Европе) мощных ледниковых щитов.

При последующем опускании гряды Томсона теплые воды Гольфстрима снова проникали в северный полярный бассейн, прогревали его и разрушали барический максимум. Таким образом условия, благоприятствовавшие развитию оледенения, ликвидировались, и материковые льды начинали таять. В результате в полярном бассейне и на окружавших его материках восстанавливался теплый климат. Повторное поднятие гряды Томсона вновь вызывало оледенение, а следовавшее за ним опускание и прорыв Гольфстрима в полярный бассейн приводили к очередной межледниковой эпохе. Таким образом, неоднократные поднятия и погружения гряды Томсона, то закрывавшие, то открывавшие Гольфстриму путь в северный полярный бассейн, и были причиной чередования ледниковых и межледниковых эпох.

Против гипотезы Рухина, Ивинга и Донна выдвигаются следующие возражения. Во-первых, если бы четвертичное оледенение было связано с поднятием гряды Томсона, то в этом случае оно проявилось бы только в региональном масштабе в пределах области атлантической циркуляции, а в области тихоокеанской циркуляции оледенение тем временем отсутствовало бы либо развивалось независимо уже по другой причине. В действительности же четвертичные изменения климата были общепланетарными; они проявились синхронно в Северном и Южном полушариях и во всех природных зонах, на что указывает строгое хронологическое соответствие ледниковых и межледниковых эпох высоких широт с плювиальными и ксеротермическими фазами низких широт. Во-вторых, поднятия и опускания гряды Томсона не могли ограничиваться только четвертичным периодом, они происходили и раньше, но воздействия их на климат дочетвертичного времени не обнаруживается.

Соленость океанических вод

Существенное влияние на климат оказывает глубинная циркуляция вод, связанная с погружением тяжелых вод и их течением в меридиональном направлении в соответствии с градиентами плотности. Тяжелыми являются холодные воды, формирующиеся в областях с арктическим климатом, и воды повышенной солености, характерные для экваториальной (особенно пассатной) зоны, где испарение превосходит атмосферные осадки.

В ледниковые эпохи в основе глубинной циркуляции лежит перемещение тяжелых холодных вод из полярных областей к экватору, а в теплые эпохи, наоборот, — движение более плотных соленых вод приэкваториальной зоны к полюсам. Соответственно меняется и перенос тепла: если холодные полярные воды способствуют охлаждению океана в низких широтах, то соленые экваториальные воды несут к полюсам тепло.

Т. Чемберлин высказал предположение, что периодические изменения климата, обусловленные, по его мнению, колебаниями содержания углекислоты в атмосфере, могли сопровождаться периодическими обращениями направления глубинной циркуляции. При потеплениях возрастало испарение в экваториальной зоне, что повышало соленость ее вод; росли градиенты плотности и глубинная циркуляция развивалась в направлении экватор — полюс. При похолоданиях различия плотностей океанических вод диктовались уже распределением температур; в этих случаях циркуляция приобретала противоположное направление. Таким образом, в зависимости от направления глубинной циркуляции происходило то потепление полярных областей, то охлаждение тропиков.

М. Шварцбах, возражая Т. Чемберлину, отметил, что вряд ли незначительные колебания содержания углекислого газа в атмосфере могли сопровождаться такими грандиозными последствиями, как обращение глубинной циркуляции.

Влияние на климат оказывает и общее содержание солей в водах океанов. Древние океаны бедны солями, так как суша была плоской, процессы ее денудации слабыми и соответственно поступление солей в океан незначительным. Полагают, что низкое солесодержание вод древнего океана оказывало на климат уравнивающее влияние и было одним из факторов, обусловливающих его однообразие.

По мнению Кларка (1924), нарастание в течение геологического времени концентрации солей в океанических водах должно было сопровождаться увеличением давления водяного пара, что Соответственно ослабляло испарение и понижало содержание паров в атмосфере. В свою очередь это становилось одной из причин усиления континентальное климата, усугублявшейся в ходе геологической истории.

Климат — явление весьма значительное, управляющее всеми процессами в атмосфере и оказывающее существенное влияние на развитие гидросферы и литосферы. Формируется климат под влиянием различных космических и планетарных факторов, которые и сейчас, еще трудно учесть полностью и оценить их относительное значение. Оценка роли отдельных климатообразуклцих факторов затрудняется отчасти тем, что многие из них оказывают на климат двоякое воздействие. Например, водяной пар, содержащийся в атмосфере, с одной стороны, усиливает ее «тепличный» эффект, способствующий потеплению климата, а с другой, — будучи в конденсированной форме (облака), увеличивает альбедо Земли и тем самым усиливает похолодание. Неоднозначна роль и вулканической деятельности, которая одновременно способствует и потеплению климата, выбрасывая массы углекислого газа, и похолоданию, внося в атмосферу много пепла, который ослабляет солнечную радиацию.

Каждая из гипотез, предложенных для объяснения изменений климата, несомненно, несет в себе зерно истины. Рациональным в каждой гипотезе служит выявление конкретного фактора, влияющего на климат, и оценка его климатического значения. Общим недостатком всех гипотез является отсутствие комплексного подхода к проблеме, абсолютизация одних (иногда второстепенных) и игнорирование других климатообразующих факторов.

Будущая теория климата должна исходить из всего многообразия климатообразующих факторов, давать количественные оценки каждого из них, учитывать изменение их относительной роли в историческом развитии климата.