ДРЕВНИЙ ОКЕАН

Какая была температура океана в древности

В этой главе сначала развивается идея о том что верхний предел температуры поверхностных вод открытого океана составляет около 33 "С из-за действия механизмов отрицательной обратной связи. Затем описываются различные методы по определению палеотемператур.

Они включают изотопные и другие химические методы, таксономические и морфологические методы и наблюдения за изменением фауны и флоры по видовому разнообразию, возрасту и комплексам. Если использовать какой-либо один из перечисленных выше методов, то получим результат, отличающийся всего на 2—3 С' от истинной температуры. За разделом, посвященным аналитическим методам, следует раздел, где обсуждаются вероятные изменения тех закономерностей в поведении атмосферы и Солнца, которые обусловливают распределение температур по поверхности Земли. Это ведет к обсуждению вопроса об изменениях температуры в геологическом прошлом. Для интервала времени от 3,2 до 0,7 млрд. лет назад диапазон температур определяется существованием воды в жидком состоянии (Г= 0— 100°С), а для интервала от 0,7 млрд. лет назад до современности — максимальным расцветом MHOI оклеточных, в принципе таких же, как сейчас (температура главным образом от 2 до 30 "С).

Существует и другой механизм отрицательной обратной связи, поддерживающий низкую температуру океанской воды. Адам [4] сопоставил тот факт, что ураганы могут формироваться только там, где температура поверхности океана превышает 26 "С, с наблюдением, согласно которому эти бури выделяют огромное количество энергии. Результирующим эффектом (через перемешивание и т. п.) является уменьшение температуры поверхности океана. Адам поэтому заключает, что этот механизм отрицательной обратной связи может влиять на поддержание тропических температур на уровне, «не намного превышающем 26 °С, в течение длительных периодов времени».

Если устанавливается верхний предел для тропических температур, то естественно спросить, существуют ли такие же ограничения для температур в высоких широтах? Средний глобальный баланс тепла в основном базируется на широтных вариациях в поступающей радиации. В настоящее время на широтах, расположенных ниже 35°, наблюдается избыток поступающей радиации, а в более высоких широтах — дефицит. Поскольку установлены и экваториальные температуры, и широтное распределение тепла, го представляется, что существенные потепления в высоких широтах могут быть вызваны только внешними воздействиями на систему, например изменением солнечной постоянной (что будет рассмотрено ниже).

Существует также закономерное изменение температуры океанской волы с глубиной ( 4-3). Сезонное потепление и похолодание ограничены примерно верхними 100 м (сезонный термоклин), однако годовые эффекты иногда сказываются на охлаждении воды зимой до глубины порядка 600 м [652]. Ниже сезонного термоклина, примерно до 2000 м, температура воды постепенно уменьшается. Этот интервал глубин известен в качестве постоянного термоклина. Уэртингтон [929] выделил в Западной Атлантике пять температурных глубинных зон. Первая из них (свыше 17°С) является нижним пределом водной массы Гольфстрима; следующие три зоны слагают постоянный термоклин; 12—17 °С — верхний. 7 — 12"С — средний и 4 —7 С'С — нижний термоклин; последняя зона — глубинная водная масса с температурой ниже 4 С.

Эти температурные зоны можно в основном использовать при изучении тех периодов, когда, как и сейчас, была хорошо развита океанская циркуляция.

Геологические определения палеотемператур

Возможность определения палеотемпературы сильно зависит от условий формирования и геологического возраста анализируемых слоев. Наиболее точные значения палеотемператур получают, при анализе планктонных сообществ (особенно фораминифер) плейстоценового и третичного возраста. Палеотемпературы могут быть определены по сопоставлению температурных пределов обитания современных таксонов, «отнесенных» к их ископаемым представителям, или по данным изотопии кислорода. Данные по палеотемпературам для интервала времени от палеозоя до юры находятся за пределом возможностей изотопного метода для карбонатов (из-за диагенетических эффектов) и в основном базируются на широтной зональности распространения животных и растений. Известные палеотемпературы для докембрия получены в результате изотопно-кислородных анализов кремней, и, пока еще весьма спорно, действительно ли они отражают первичные температуры среды их формирования (этот вопрос будет обсуждаться позднее). В общем единственный способ, с помощью которого можно оценить данное значение палеотемпературы, заключается в использовании более чем одного метода. Таким образом, совершенно необходимо сопоставить результаты, полученные максимально возможным количеством методов. Ниже обсуждаются четыре типа методов: 1) изотопные; 2) другие химические методы; 3) таксономические и морфологические; 4) фаунистических и флористических градиентов. Сравнение изотопных и фаунистических методов показывает, что каждый из них дает ошибку около 2—3 С для любого конкретного значения [57].

Традиционными для палеотемпературных исследований являются таксономические и морфологические методы. Имеется несколько особенностей флоры и фауны, которые коррелируются с температурой воды, однако не всегда дают совпадающие результаты. Эти особенности включают: размер животных (А), кальцификацию скелетных элементов (Б), плотность планктонных раковин (В) и направление навивания раковин фораминифер (Г).

А. Размер животных коррелируется с температурой [497] Высокоширотные бентосные виды размножаются в более позднем возрасте и менее часто, чем низкоширотные, и это различие может иметь генетическую основу [300]. В соответствии с этим в зрелом возрасте особи из высокоширотных популяций обычно крупнее особей из низкоширотных, данная зависимость известна как правило Бергманна. Штраух [805] использовал связь увеличения размера зрелых особей с понижением температуры для интерпретации условий образования слоев, содержащих раковины морской двустворки Hiatella. Считается, что самые крупные виды морских пелещшод в пределах рода или семейства живут в наиболее холодной воде [611].

Животные большего размера имеют меньшую плошаль поверхности на единицу объема, чем более мелкие формы, и поэтому могут тратить меньше энергии на поддержание температуры тела. Это соотношение (известное как правило Аллена) относится только к тем животным, которые поддерживают температуру более высокую, чем температура окружающей среды.

Размер раковин бентосных фораминифер увеличивается по мере понижения температуры воды (и возрастания глубины) [33]. Средний размер раковин планктонных фораминифер Globigerina bulloides увеличивается в периоды похолоданий, и даже было выведено уравнение тля выражения этой зависимости: среднегодовая поверхностная температура в °С = —0.1184 (средней ширины раковин G. bulloides в мкм) + 45,06 [526].

Рнс. 4-7. Пористость раковин 22 видов планктонных фораминифер в сравнении с линиями 2, 5, 10 и 18%-ной пористости, отвечающими предполагаемой климатической интерпретации ([42] стр. 883).

Б. Степень кальцификации раковин, по-видимому, связана с температурой. Раковины у тропических морских животных обычно толстые и тяжелые, в то время как у холодноводных видов (по крайней мере, пелеципод) раковины обычно тонкие [611].

В. Некоторые морфологические приспособления у фитопланктона [499] и планктонных фораминифер, вероятно, обусловлены приспособленностью к плотности морской воды (а через нее — к температуре и солености) как функции широты. Как показано на  4-7,

пористость скелетных элементов уменьшается с увеличением плотности воды. Пониженная пористость в более холодных (более тяжелых) водах нужна для того, чтобы поддерживать плавучесть на том же уровне, что и в более теплых (более легких) водах [302]. Возможно, по этой причине объем раковин планктонных фораминифер Globigerinoides trilobus уменьшается с понижением температуры [375].

Г. Направление навивания в некоторых видах планктонных фораминифер, по-видимому, коррелируется с летней температурой ([34] и более ранние работы), однако это утверждение оспаривается радом исследователей (например, Чифелли [137] и Олссоном [621]). Во всяком случае, причина подобных соотношений остается неизвестной. К правозавитым относятся виды, в которых камеры навиваются по часовой стрелке, если смотреть на раковину сверху (с дорзальной стороны). Они характерны для теплых вод. Диаметрально противоположные параметры свойственны левозавитым видам. Линии, соединяющие точки равных процентных содержаний одинаково завитых форм в осадках, рассматриваются в качестве изотерм. Например, современные популяции Globigerina pachyderma, содержащие более 90 % левозавитых форм, распространены в воде с температурой менее 6 °С. Постепенное изменение соотношения разнозавитых форм с температурой иллюстрируется данными по С. pachyderma [443] и G. bulloides (см.  4-8) из юго-западной Атлантики (см. прекрасный обзор Кеннетта [444]).

4. Градиенты фауны и флоры по видовому разнообразию (А), возрасту (продолжительности существования) (Б) и комплексам (В) коррелируются с градиентами температуры.

А. В распределении многих групп морских животных и растений обнаруживается почти симметричная картина таксономического разнооразия относительно экватора, причем к низким широтам приурочена отее высокая степень разнообразия. Имеющиеся данные свидетель- |вуют о таком характере распределения фораминифер [59], кораллов | 797]. мшанок и двустворок [734], гастропод, копепод. оболочников, inn- и инфаунистических комплексов [729]. Зоопланктон, обитающий ч открытом океане, обладает значительно более высоким разнообразием в районах больших субтропически», круговоротов, чем в экваториальных II ти полярных течениях [678]. Вероятно, те же закономерности \арактерны и для ископаемых групп зоопланктона, например для палео- юйских и триасовых конодонтов.

Для получения представления о глобальном таксономическом разнообразии необходимо использовать данные по всему Мировому океану, гак как в Тихом океане, например, разнообразие примерно вдвое выше, чем в Атлантике (суля по кораллам, двустворкам, мшанкам). Кроме [ого, в Восточной Атлантике разнообразие выше, чем в Запал ной (для двустворок и мшанок, но не для кораллов). В западной части Тихого океана, напротив, разнообразие существенно выше, чем в восточной (для двустворок, мшанок и кораллов). Широтный градиент разнообразия может просто отражать большее количество фаунисти- ческих провинций в тропических широтах, так как фаунистическое разнообразие является функцией площади, занимаемой фаунист ической провинцией ([740], см. также стр. 252).

Отношение эндемичных и космополитичных семейств также изменяется в соответствии с современными широтными градиентами, причем шдемичные семейства более характерны для тропиков. Установлено, что сходный характер распределения имеют меловые фораминифсры и пермские брахиоподы [796], но не млекопитающие [851].

Б. Средний возраст (продолжительность существования) родов наиболее низок в экваториальных областях и увеличивается в 2—3 раза 14 высоких широтах для бентосных фораминифер [228] и герматипных кораллов [797]. Так же как и для градиентов разнообразия, эта тенденция сильно Зависит от того, какой океан мы рассматриваем. Например, средний возраст родов, нормализованный по широте в Тихом океане, почти вдвое меньше, чем в Атлантике. В противоположность возрасту родов средняя продолжительность существования видов планктонных фораминифер не зависит от широты ( 4-9). Причины этого различия между родами и видами непонятны.

В. Создано несколько методик палеогемпературного анализа но видовым комплексам. Для видов умеренных широт максимум температуры среды обитания определяется степенью их приближения к экватору в самое теплое время года, а минимум — расположением в более высоких широтах в самое холодное время года [406]. Следовательно, если известен температурный диапазон для нескольких видов фауны, го можно получить представление о температурном диапазоне всего фаунистического комплекса. Самым простым способом является установление диапазона температур для каждого отдельного вида. При этом зона наибольшего перекрытия, вероятно, и соответствует температуре среды обитания комплекса, как это было показано для батиметрии ().

Приблизительные температуры можно установить и по отношению содержаний раковин холодноводных и тепловодных родов (как было сделано для плиоценовых силикофлагеллят). Прежде чем применять этот способ для геологических объектов, следует определить рассматриваемое отношение как в водной толще, так и в современных осадках [136].

Размер перекрытия температур для всех видов, входящих в состав комплекса, можно оценить, применив соответствующие статистические методы [].

Для определения соотношения степени соответствия температуре ископаемых и современных фораминифер Хечт [374] использовал следующую простую процедуру :

1.         Определение процентного содержания видов планктонных фораминифер в серии проб поверхностного слоя современных осадков из колонок в определенной части океана.

2.         Построение матрицы сходства, в которой сравнивается содержание видов в каком-то одном образце с содержанием их в каждом другом (с использованием коэффициента расстояния Паркса).

3.         Нанесение на график содержания наблюдаемой температуры поверхностных вод и величины сходства для каждой станции (относительно станции с максимальной температурой поверхностных вод).

4.         Проведение для всех полученных данных линии регрессии с применением метода наименьших квадратов.

5.         Оценка сходства ископаемых образцов с современными с использованием коэффициента расстояния Паркса. Палеотемпературы могут быть определены на основе, степени сходства двух комплексов с использованием уравнения, выведенного в пункте 4.

Если картина распределения на площади количества различных плов отражает температурные различия, то сходный характер должно 1меть распределение морфологических вариаций в пределах отдельных видов. Однако диапазон температур, при котором ощущаются подобные  чличия для отдельных видов, юраздо меньше, чем для видов внутри комплекса. Поэтому трудно получить значимые данные по темпера- |\рам. используя тренды в степени морфологической вариации, хотя it существуют дня некоторых планктонных фораминифер картируемые признаки, коррслирующиеся с температурой и соленостью [376, 792].