190

Десинхроноз сопровождает любое заболевание, причем нередко обнаруживается еще до появления выраженных симптомов болезни. По состоянию околосуточных ритмов жизненных функций можно судить об активности патологического процесса.

Такое свойство мозга, как память, абсолютно необходимо для субъективной оценки времени. Как известно, полушария мозга обладают функциональной асимметрией. Особую роль в восприятии времени приписывают левому полушарию. Правое же полушарие в большей степени участвует в переработке информации о пространственных отношениях предметов во внешней среде. Животные с удаленными правыми полушариями хорошо дифференцируют временные интервалы и не утрачивают способность вырабатывать условный рефлекс на время. После удаления левого полушария рефлексы на время почти невозможно выработать, но животное хорошо дифференцирует предметы, расстояние между ними, их расположение.

Биологические ритмы в различных климато-географических условиях

Среди множества проблем, волнующих естествоиспытателей особое место занимает проблема адаптации живых существ к условиям среды обитания. Исследованиям адаптации и резервам здоровья человека посвящена работа Н.А. Агаджаняна, И.Н. Полунина, Ю.В. Павлова и др. (1997).

Вбиологии процесс адаптации – это приспособление строения и функции живых организмов к условиям существования. В процессе адаптации формируются признаки и свойства, которые оказываются наиболее выгодными для живых существ, позволяют легко приспособиться к конкретной среде обитания.

Начиная с момента рождения, организм внезапно попадает в совершенно новые для себя условия и вынужден приспособить к ним деятельность всех своих органов и систем. В дальнейшем факторы, действующие на организм постоянно меняются, что требует постоянных функциональных перестроек.

Адаптация организма к среде может носить самый разнообразный характер. Современный человек в поисках новых сырьевых и энергетических ресурсов, раздвинул границы своего обитания.

Вновых природных экологических условиях человек испытывает влияние жестких фактов внешней среды, неадекватных его природе, его жизнеспособность зависит от резервов организма.

На начальных этапах адаптации отмечается интенсификация деятельности всех систем органов, однако, это экономически не выгодно для организма, но позволяет подготовить почву для появления более стойкого механизма адаптации – перестройка на уровне клеточного звена.

Адаптация человека к разным климатическим условиям называют – акклиматизацией. Изменения в организме человека, переместившегося в другой климатический пояс, протекают в несколько этапов.

1-й начальный период, характеризуется дестабилизаций многих физиологических параметров;

2-й период – нормализация и синхронизация деятельности функций организма;

З-й период – стабилизация состояния организма.

191

Для постоянного поддержания долгого уровня жизнедеятельности требуется постоянное напряжение нейро-эндокринных регуляторных механизмов (повышение обмена веществ не только во время работы, но и в покое), что может привести к истощению резервных возможностей организма.

Адаптация целостного организма к новым условиям внешней среды обеспечивается не отдельными органами, а координированными в пространстве и времени и соподчиненными между собой специализированными функциональными системами организма. Понимание и правильная интерпретация различных физиологических процессов, происходящих в живом организме, невозможны без знания природы биологических ритмов и хроноэкологии. В основе формирования сложной функциональной системы каждого организма лежит индивидуальная временная шкала.

Адаптация человека к высокогорью. Условия высокогорья, характеризуются низким атмосферным давлением, высокой скоростью ветра, постоянно низкой температурой воздуха и относительно низкой влажностью. Суточные ритмы гемодинамики, дыхания, газообмена человека зависят от метеофакторов и изменяются прямо пропорционально изменениям температуры воздуха и скорости ветра и обратно пропорционально изменениям атмосферного давления и относительной влажности воздуха.

Так, в исследованиях влияния высокогорного климата на околосуточные ритмы показано, что циркадианный ритм частоты дыхания и минутного объема дыхания отличается у жителей высокогорья от жителей низкогорья только увеличением средней величины без изменения её размаха и кривой. Акрофаза потребления кислорода у жителей высокогорья падает на 15 часов, низкогорья – на 17 часов 30 минут, а выделения углекислоты – на 17 часов. У жителей высокогорья минутный объем кровообращения, сердечный индекс, систолическое артериальное давление имеют акрофазы в 15-17 часов, а минимальные значения – ночью. Максимум диастолического артериального давления приходится на 23 часа.

Известно, что у хорошо адаптированных к условиям высокогорья людей, максимум ЖЕЛ, потребления кислорода и систолического и диастолического давления приходится на 19-23 часа, а у плохо адаптированных максимум жизненной емкости легких и потребления кислорода – на 19 часов, частоты дыхания – на 11 часов, систолического и диастолического давления – на 23 часа.

В процессе адаптации к высокогорью у людей формируется качественно новый тип системы кроветворения и свертывания крови. При кратковременной адаптации увеличивается количество эритроцитов, тромбоцитов и лейкоцитов. В дальнейшем - количество лейкоцитов уменьшается. Снижается иммунитет, уровень эритроцитов. Могут иметь место кровотечения.

Недостаток кислорода в атмосфере приводит к повышению давления в легких для интенсификации газообмена между легким и кровью. Повышается активность углеводного обмена, понижается утилизация белков, понижается активность желез желудочно-кишечного тракта. Угнетается активность желез желудка, замедляется эвакуация пищи из желудка и перистальтика

192

кишечника. Это может привести к появлению вздутия живота, болей. Создаются условия для развития гастритов и язв.

Вначальном периоде процесса адаптации к горам человек худеет, вес его падает, снижается физическая работоспособность, ухудшается память. Затем постепенно работоспособность восстанавливается.

У постоянных жителей высокогорья при переезде на равнину сохраняются характерные для них физиологические особенности: частое дыхание, высокий уровень поглощения кислорода тканями. Для коренных жителей условия высокогорья являются оптимальными, а долина может оказаться неблагоприятной внешней средой.

Предварительная адаптация к высокогорью увеличивает мышечную работоспособность. Этот феномен используется при тренировке спортсменов на умеренных высотах для повышения их спортивных показателей. Тренировка в условиях барокамеры, используется для лечения и профилактики многих заболеваний.

Адаптация к холоду: У людей, прибывших в условиях высоких широт, происходит усиленная выработка гормонов надпочечников. В начальную фазу адаптации к холоду гормоны повышают интенсивность обмена веществ в мышцах и органах, активируют распад жировой ткани, повышают содержание глюкозы в крови. В результате – увеличивается теплопродукция. В первые дни пребывания на холоде увеличивается мочеотделение («холодовой диурез»). Эта реакция адаптивная, поскольку уменьшение содержания воды в тканях снижает их теплопроводность и способствует сохранению тепла в организме.

Вэтой стадии снижается количество эритроцитов и гемоглобина, иммунитет, увеличивается свертываемость крови, повышается артериальное давление и частота сердечных сокращений, развивается спазм сосудов.

Во 2-й стадии адаптации к холоду усиливается синтез белка, увеличиваются запасы бурой жировой ткани, для обеспечения более экономного пути терморегуляции. Урежается дыхание, повышается артериальное давление в легких, что позволяет эффективно использовать кислород в организме. В З-й стадии стабилизируются процессы обмена. Питание является ведущим фактором приспособления человека к холодному климату. Увеличенный расход энергии на мышечную работу необходимо компенсировать увеличением калорийности рациона. Необходимо вводить в

рацион пищу, богатую жиром и белком, содержащими витамины А и Е. Дефицит водорастворимых витаминов, необходимых для коррекции углеводного обмена, должны компенсироваться натуральными продуктами (свежие фрукты, дрожжи), т.к. витаминные препараты плохо усваиваются.

Работоспособность человека в условиях крайних широт зависит от аозраста, состояния здоровья и тренированности.

Впериод полярной ночи отсутствуют достоверные циркадианные колебания потребления кислорода. Известно, что уровень коэффициента использования кислорода отражает интенсивность энергообмена в организме, поэтому снижение размаха колебаний потребления кислорода во время полярной ночи является косвенным свидетельством в пользу фазового

193

рассогласования различных энергозависимых процессов, протекающих в организме.

В период полярной ночи (зимой) у жителей Крайнего Севера и у полярников наблюдалось снижение амплитуды суточного ритма температуры тела и смещение акрофазы на вечерние часы, а весной и летом – в дневные и утренние часы.

Максимальные значения экскреции натрия с мочой наблюдаются в 17-21 часов, калия – в 12-19 часов, а для диуреза – в 13-21 час. Характер суточных колебаний выделения воды и электролитов с мочой достоверно не изменялся в разные сезоны года.

Хронофизиологические исследования, проведенные нами в условиях высокогорья и Заполярья, показали, что временная организация организма в различных экологических условиях имеет свои особенности. Синхронизация биоритмов у обследуемых как социально обусловленный фактор имеет важное адаптивное значение, способствуя выживанию людей в экстремальных ситуациях.

Проведенные исследования на разных этапах горной и холодовой адаптации при комбинированном воздействии гипоксии и гиперкапнии показали, что околосуточная динамика градиента МОД свидетельствует о тенденции к снижению в дневные и вечерние часы по сравнению с утренними на 3-4-й день адаптации к высокогорному климату.

Выявленная динамика взаимосвязи дыхания и кровообращения при комбинированном воздействии гипоксии и гиперкапнии свидетельствует о мобилизации приспособительных механизмов, направленных на усиление функциональной деятельности организма при адаптации к различным климато-географическим условиям.

Адаптация человека в жарком климате. На организм человека в жарком климате оказывают неблагоприятное влияние – высокие температуры воздуха, сухость или влажность воздуха, повышенное ультрафиолетовое излучение, пыльные бури. Кроме того, в жарком климате большое количество кровососущих насекомых, распространение вирусных, бактериальных инфекций, глистных инвазий.

Высокая температура воздуха у человека не адаптированного к жаре, вызывает повышение потоотделения, учащение дыхания, изменение артериального давления в связи с расширением сосудов кожных вен и депонирования в них крови. В результате снижается кроваток в органах (в легких, почках, желудочно-кишечным тракте).

Уменьшение кровоснабжения желудочно-кишечного тракта ведет к снижению секреции слюны, соляной кислоты, пепсина и других ферментов, угнетается двигательная активность желудка, усиливается застой желчи.

Вследствие указанных изменений при тепловых воздействиях ухудшается аппетит, исчезает желание принимать пищу животного происхождения. Существующий у жителей жарких стран обычай выпивать перед едой некоторое количество жидкости (чая, сока). Это восполняет потери жидкости в организме, способствует перемещению части крови к желудку и кишечнику, что обеспечивает процесс пищеварения.

194

При работе в жаркой среде – для улучшения процессов адаптации необходимо:

1.Полностью покрывать потребность в воде (выпивать жидкости в условиях средней Азии до 4- 5 л. в течение дня).

2.Добавлять в пищу повышенное количество соли, и др. микроэлементов (калия, магний, кальций) или пить минеральные воды.

3.Дополнительно употреблять витамины С и В1 (в связи с их большой потерей во время жары).

Повышение устойчивости организма к действию тепла называется тепловой акклиматизацией. Обычно акклиматизация организма заканчивается

кконцу второй недели теплового воздействия. Для этого требуются постепенное ежедневное увеличение воздействие теплом от 15 минут до 4-х часов. Адаптация происходит легче, если человек полностью покрывает потребность в воде.

При длительном действии тепла может возникнуть нарушение терморегуляции, проявляющиеся в различных формах тепловых поражений (тепловой удар, обморок, истощение организма).

Такие состояния наблюдаются у людей не адаптированных к теплу (дизадаптация в тепловой нагрузке). Меры оказания неотложной помощи при тепловом обмороке: уложить пострадавшего в тень, дать прохладное питье в умеренном количестве, положить на голову мокрое прохладное полотенце. При тепловом ударе (температура тела человека повышается до 40-41 градуса) человек может погибнуть от нарушения кровообращения, разрушении клеток. Эти изменения необратимы. Без оказания немедленной помощи пострадавший погибает.

Помощь включает в себя: перенос пострадавшего в тень, раздеть до пояса, на голову, шею наложить смоченную холодной водой ткань или пузыри со льдом.

Жизнь человека в условиях жаркого климата протекает при непрерывном влиянии специфических факторов этого региона. При этом формируется определенный характер реакций организма, на которые оказывают влияние, как температурные условия внешней среды, так и контрастность по сезонам и в течение суток.

В процессе адаптации человека в пустыне ритмические колебания условий окружающей среды приводят к определенной синхронизации ритмики функционального состояния организма с этими колебаниями. Таким путем достигается частичная оптимизация деятельности компенсаторных механизмов в экстремальных условиях среды.

Исследования Н.А.Агаджанян с соавт. (1998) показали, что летом по сравнению с зимой при обычном режиме труда и отдыха сезонные особенности циркадианной организации функционального состояния организма обследуемых заключались в частичных изменениях фазовых характеристик ритмов потребления кислорода, теплопродукции, дыхательного коэффициента, диастолического давления. В результате этого ухудшалась эндогенная синхронизация между ритмами ряда вегетативных функций. Например, если зимой сдвиг по фазе между ритмами систолического и диастолического давления составлял 8,8-11,2 часа, то летом – 3,6-4,0 часа.

195

Известно, что при незначительных сезонных различиях исходных величин клубочковой фильтрации прием диуретика в жаркий период года вызывал резкий подъем клубочковой фильтрации, а в холодное время года эта реакция мало заметна и достоверно отличается от фоновых величин только в течение первого часа.

Установлено, что потребление пищи акклиматизированными животными также четко синхронизовано с действием температурного фактора, на светлое время суток приходится всего 72,4% всего потребленного корма. Акрофаза суточного потребления пищи практически совпадает с акрофазой суточного ритма двигательной активности (20 мин и 1 ч для потребления пищи и двигательной активности соответственно). У животных после тепловой адаптации ритм потребления воды становится более правильным и отмечается активация питьевого поведения сразу же после отмены теплового воздействия. Акрофаза суточного ритма потребления воды опережает максимум локомоторной активности и потребления пищи, что в свою очередь можно расценивать как приспособительную перестройку, направленную на компенсацию терморегуляторных расстройств.

Известно, что повторные кратковременные экспозиции в тепле обеспечивают выработку комплекса приспособительных реакций, среди которых важное место занимает снижение выраженности стрессовых проявлений в ответ на действие высокой температуры.

Синдром хронической дизадаптации может развиться у лиц часто перемещающихся из одного часового пояса в другой, из одного климатического региона в другой.

Это в свою очередь ведет к развитию болезней, преждевременной старости и ранней смерти. Профилактика синдрома дизадаптации состоит:

а) в физической тренировке организма; б) закаливании (тренировка холодом);

в) тренировка к пониженному содержанию кислорода в атмосфере (пребывание в горном климате).

Повысить эффект адаптации помогут растительные вещества (адаптагены). К ним относят – элеутерококк, Жень-шень, аралия манчжурская, лимонник. Следует принимать настои этих растений в малых дозах (5 капель в день) и длительно (не менее 1,5 месяцев) пред предстоящей поездкой в необычные для вас климатические условиях.

Таким образом, особенности циклической организации функций накладываются на общий ход адаптационного стресса, охватывающего физиологические, психологические, экологические и социальные аспекты деятельности человека. Постоянная изменчивость внешней среды определяет динамичность, многогранность и пластичность адаптационных процессов.

196

Тестовые задания к главе 8

1.Каким образом классифицируют ритмы на структурно-функционаьных уровнях:

1)клеточные, организменные, популяционные, популяционно-видовые, биогеоцинотические, биосферные;

2)клеточные и биосферные;

3)организменные, популяционные.

2.Магнитные силовые линии головы человека имеют:

1)не имеет определенного направления;

2)право-левую ассиметрию;

3)лево-правую ассиметрию.

3.В период геомагнитных бурь в крови человека:

1)уменьшается колличество лейкоцитов и тромбоцитов, замедляется свертываемость, ускоряется СОЭ и увеличивается фибриолитическая активность;

2)изменений не отмечается;

3)изменения не ярко выражено.

197

Глава 9

РИТМО-ЦИКЛИЧНОСТЬ В ИЗМЕНЕНИЯХ КЛИМАТА ЗЕМЛИ

Климат Земли. Причины колебаний климата (астрономические, геологогеографические). Палеоклиматическая реконструкция климата Земли. Модель расчета разномасштабных вариантов изменчивости термического режима в приземных слоях атмосферы за 3,5 млрд. лет, 600 млн. лет, 10 млн. лет, 100 тыс. лет, 8 тыс. лет до настоящего времени и прогноз возможных вариаций на 1 млрд. лет, 100 тыс. лет, 12 тыс. лет, 2 тыс. лет вперед. Учёт природной составляющей и атропогенного влияния на климат позволяет с большей заблаговременностью предвидеть изменения климата в разных масштабах времени и видоизменять свою хозяйственную деятельность.

9.1. Климат Земли

Климат Земли – один из наиболее динамичных компонентов географической оболочки, так как он является выражением физического состояния очень изменчивых во времени и пространстве нижних слоев атмосферы. Климат Земли это – характерный для нее в многолетнем аспекте режим погоды, обусловленный шарообразной формой Земли, неравномерным распределением по земному шару солнечной радиации, распределением материков и океанов, форм рельефа (гор, возвышенностей, долин) и связанной с ними циркуляции атмосферы.

Для климата Земли характерна широтная зональность. Она обусловлена астрономическими причинами, шарообразной формой Земли и неравномерным распределением солнечной энергии на земной поверхности. Большая часть солнечной энергии приходится на экватор, а наименьшая на полюса. От этих показателей зависят значения климатических параметров, таких как температура и осадки. Средние широтные величины температур воздуха за январь и июль, и средние широтные значения атмосферных осадков, выпадающих за год на земную поверхность, представлены в таблице 4.

Приведенные в таблице значения свидетельствуют о том, что в нижних слоях тропосферы существует определённая закономерность в распределении основных показателей климата – температуры и осадков.

В экваториальной зоне среднемесячные значения температур воздуха в течение года составляют 26-270 С. В полярной зоне северного полушария температуры в течение года колеблется от –310 С (зимой в январе) до +10 С (летом в июле). В полярной зоне южного полушария среднемесячное значение температуры воздуха составляют -420 С (зимой в июле) и -130 С (летом в январе). Наибольшее количество осадков за год выпадает в экваториальной зоне (150-201см), а у полюсов наименьшее количество осадков (11-19см). В полярных широтах южного полюса осадков выпадает меньше чем у северного полюса в связи с более низкими температурами воздуха.

198

Широтная зональность в основном связана с астрономическими причинами. Распределение суши и моря, а также циркуляция атмосферы могут значительно нарушить эту зональность.

Впервые идея широтной зональности получила выражение в «солярной» системе «климатов» древнего мира, которая оставалась господствующей почти вплоть до XIX в. В основе этих представлений лежало мнение, что климат местности определяется наибольшей высотой Солнца над горизонтом и, в связи с этим, важнейшими климатическими рубежами являются экватор, тропики и полярные круги. Неверным здесь является то, что термическая характеристика климата основывается только на высоте солнца, и не принимаются в расчет ни свойства подстилающей поверхности (суша, море, высота местности над уровнем моря), ни перенос тепла воздушными и океаническими течениями.

Более отвечающим природным условиям было понятие о термических поясах, выдвинутое Зупаном, Воейковым и Кеппеном в 80-х годах прошлого столетия. Ими выделены так же, как и у древних греков, пять поясов – один жаркий, два умеренных и два холодных, – но границы этих поясов проводились по иному принципу, в соответствии с ходом изотерм (во второй половине XIX в. имелись уже карты изотерм земного шара, которые и были использованы для данной цели).

Б. П. Алисовым в 1952 году было предложено принять за основу для деления земной поверхности на климатические зоны географические типы воздушных масс. Это деление неразрывно связано с условиями формирования того или иного климата, так как оно учитывает общие условия циркуляции, перенос тепла морскими и воздушными течениями, распределение суши и моря. Вместе с тем такой подход является комплексным, так как каждый из основных типов воздушных масс отличается своими специфическими, связанными между собой метеорологическими характеристиками.

В соответствии с основными характеристиками географических типов воздушных масс, в каждом полушарии им были выделены четыре основных

199

пояса: 1) пояс экваториального воздуха, 2) пояс тропического воздуха, 3) пояс воздуха умеренных широт, 4) пояс арктического (антарктического) воздуха. Кроме этого в каждом поясе предусматривается формирование континентальных и морских подтипов воздушных масс под влиянием суши и моря.

Всвязи с сезонными перемещениями основных климатологических фронтов были выделены три промежуточных пояса между указанными основными: пояс экваториальных муссонов (который может быть назван также субэкваториальным поясом), субтропический и субарктический (в южном полушарии – субантарктический).

Вблизи экватора в течение всего года преобладающей воздушной массой является экваториальный воздух. В пределах полосы, в которой происходит трансформация тропического воздуха, располагается экваториальный пояс.

К северу от экваториального пояса располагается переходный пояс: экваториальных муссонов, или субэкваториальный. В этом поясе летом северного полушария распространяется экваториальный юго-западный муссон, несущий экваториальный воздух, зимой северо-восточный пассат, образованный из тропического воздуха. На юге Азии (Индостан, Индокитай) и

всеверной части Индийского океана это зимнее пассатное течение называют часто также зимним муссоном. Северной границей субэкваториального пояса служит летнее положение тропического фронта.

Летом и зимой южного полушария аналогичное положение имеет субэкваториальный пояс к югу от экватора.

К северу от пояса экваториальных муссонов, находится пояс тропического воздуха (3), в котором во все сезоны года преобладает тропический воздух. Южной границей этого пояса является летнее положение тропического фронта, северной – зимнее положение полярного фронта.

Между поясами тропическим и умеренным располагается переходный субтропический пояс, в котором летом преобладает тропический воздух, зимой – воздух умеренных широт (полярный). Границами субтропического пояса служат: южной – зимнее положение полярного фронта, северной – летнее положение того же фронта.

Далее к северу располагается пояс преобладания воздушных масс

умеренных широт. Южной границей его служит летнее положение полярного фронта, т.е. среднее положение летней границы распространения к северу тропического воздуха; северной границей служит зимнее положение арктического фронта, являющееся средним положением границы продвижения к югу арктического воздуха в зимнее время года.

Вкаждом поясе под влиянием суши и моря формируются континетальные и морские подтипы воздушных масс.

Между поясом умеренным и областью, занятой преимущественно арктическим воздухом, лежит переходный пояс – субарктический. Летом в этом поясе преобладает воздух умеренных широт, зимой – арктический. Границами субарктического пояса служат зимнее и летнее положения арктического фронта, подобно тому, как границы субтропического пояса определяют зимнее и летнее положения полярного фронта.

200

Рис. 47. Схематическая карта широтных климатических поясов.

1 – пояс экваториального воздуха, 2 – пояс субэкваториального воздуха, 3

– пояс тропического воздуха, 4 – пояс субтропического воздуха, 5 – пояс воздуха умеренных широт, 6 – пояс субарктического воздуха, 7 – пояс арктического (анатарктического) воздуха.

Последним к северу климатическим поясом является пояс, или, лучше сказать, область арктического воздуха, где он формируется и преобладает в течение всего года. Южной границей этой области служит летнее положение арктического фронта, т.е. средний предел распространения к северу воздуха умеренных широт в летнее время.

Все сказанное, с соответствующими изменениями, относится также к южному полушарию. Географическое распределение климатических поясов показано на схематической карте (рис. 47).

Наглядное представление о преобладающей циркуляции и линиях тока в тропосфере Северного полушария на высоте приблизительно 5,5 км дают карты изогипс относительной топографии 500 мб за январь и июль (рис. 48). Вихрь пониженного давления, на картах представлен как «холод», так как над Арктикой он совпадает с областью минимальных температур. Эта область названа циркумполярным вихрем (ЦПВ). Она обнаруживается на картах относительной топографии поверхности 500/1000 мб в теплое время года (май, сентябрь), а в холодное время (ноябрь-март) она представлена в виде двух центров и имеет вытянутую форму с осью направленной приблизительно по меридианом 132 в.д. и 84 з.д. (Восточная Сибирь – Гудзонов залив).

202

Циркумполярный вихрь над полюсом прослеживается до высот около 15км. От положения ЦПВ в феврале месяце зависят погодные условия Северного полушария в мае и сентябре, поэтому этот показатель в качестве предиктора используется для составления прогноза погоды на весенне-летний период.

Замечено, если из двух центров ЦПВ в феврале на картах ОТ 500/1000 мб один из центров (с самым низким давлением) окажется над северной Канадой и будет там устойчиво располагаться в марте, то над территорией России в мае-июле будет преобладать юго-западный перенос воздушных масс, который будет способствовать созданию засушливых условий и распространению лесных пожаров.

Если в феврале один из центров ЦПВ (с наиболее низким давлением) окажется над Таймыром или Северо-восточным морем и будет прослеживаться на картах в марте-апреле, то Сибирь и Дальний Восток будут находиться в условиях слабого западного переноса, избыточного увлажнения в весенне-летний период. В это время над Канадой будут преобладать засушливые условия погоды.

Колебание климата Земли – одна из важнейших научных проблем, так как она существенно влияет на экономическую, социальную и политическую деятельность людей всех стран мира. В ходе геологической истории Земли климат формировался в результате неравномерного освещения ее солнечной энергией, возникновением атмосферной циркуляции и необратимых изменений взаимодействия подстилающей поверхности с атмосферой. Большую роль при этом играли процессы вулканизма. В эпохи активной вулканической деятельности в атмосфере увеличивалось количество кислотных дымов и пыли, а в эпоху ослабления вулканической деятельности усиливалась «солнечность» климатов Земли, так как соответственно возрастал приток к земной поверхности прямой солнечной радиации. Усложнялись структуры и рельеф земной коры. При этом контрасты рельефа обострялись: горы, возникавшие в течение каждого последующего цикла горообразования, были выше гор предыдущего цикла, океаническое дно углублялось.

К началу XXI века проблема изучения изменений климата Земли стала одной из центральных, волнующих мировую общественность. Повышение температуры воздуха климатологи связывают с возрастающими промышленными выбросами в атмосферу двуокиси углерода, азота, серы и других токсических веществ («парниковый эффект»). Прогнозируется резкое потепление, таяние ледниковых покровов, повышение уровня мирового океана с затоплением пониженных участков прибрежных регионов суши.

Опасения возможных катастрофических явлений и давление экологических организаций заставляют правительства разных стран выделять огромные средства на борьбу с последствиями потепления климата. Однако при изучении изменения климата следует учитывать не только антропогенную, но и природную составляющую климатической изменчивости, потому что при суперпозиции воздействий на климат

203

факторов внешней среды волна антропогенного потепления может гаситься встречной волной природного похолодания климата.

Если природные процессы ведут к потеплению климата, то антропогенные факторы только усиливают этот процесс. И, наоборот, в случае очередного похолодания климата антропогенные факторы уменьшают интенсивность похолодания.

Для того чтобы выяснить природную составляющую климатической изменчивости, необходимо использовать палеоклиматическую информацию о климатах прошлых эпох и на основе моделирования установить не только закономерности развития процесса в настоящее время, но и составить прогноз его в будущем.

Колебания климата оказали в свое время большое влияние на отложение таких ископаемых, как соль и гипс, каменный уголь, а также на растительность и животный мир прошлых эпох и на их постепенную эволюцию. Последняя стадия эволюции климата была связана с суровыми условиями жизни в последнюю ледниковую эпоху.

Вкаждую геологическую эпоху сочетание климатообразующих факторов было своеобразным, не похожим на другие эпохи, поэтому климаты геологического прошлого неповторимы.

Ярче всего выражена другая закономерность, сопровождавшая направленную эволюцию климатов, – ритмические (циклические) их изменения. История земных климатов еще в большей мере, чем история земной коры и рельефа, дает убедительный пример цикличности, относительной (но не абсолютной) периодичности. В ходе геологической истории повторялись эпохи обширных материковых оледенении (рифей, поздний палеозой, антропоген) и эпохи господства теплых гумидных климатов (кембрий, ранний карбон, ранняя юра, эоцен и др.), эпохи резкого обострения климатической зональности и эпохи относительного ослабления её.

Вгеологические эпохи происходили изменения температуры в приземных слоях атмосферы, на поверхности земли и в океанах. Причины этих изменений разнообразны. От изменений солнечного излучения до изменений геоморфологии суши, движений моря, астрономических движений Земли и флуктуаций атмосферной и океанической циркуляций.

Эти изменения климата носили циклический характер, поскольку рано или поздно восстанавливались условия, сходные с первоначальными. В число главных общепланетарных климатических событий в истории Земли входят:

1) главные эпохи оледенения, разделенные интервалами от 100 до 300 млн. лет;

2) температурные циклы, наблюдавшиеся в неледниковые эпохи и продолжавшиеся от нескольких до многих миллионов лет;

3) повторяющиеся температурные циклы в эпоху плейстоцена, длительностью в десятки тысяч лет.

Геологические данные об этих изменениях температуры основаны на множестве наблюдений и измерений, собранных в различных областях науки, включая палеонтологию, палеоботанику, геоморфологию, геохимию и почвоведение.

204

9.2. Причины климатической изменчивости

Причины изменений климатов Земли можно подразделить на две группы: астрономические и геолого-географические.

Астрономические факторы климатообразования включают влияние солнечной активности и галактической среды, которые обусловливают различные пульсирующие воздействия на изменение элементов земной орбиты и скорости вращения Земли.

В последние десятилетия установлена синхронность изменений активности Солнца и современных колебаний климата, на основе, которой, был сделан вывод о причинных связях между этими явлениями. Колебания солнечной активности имеют многоциклический характер, т.е. существуют циклы разной продолжительности, соподчиненные друг другу (в 2-3 года, 5-6 лет, 10-12 и 22-23–летние и т.д.; самый продолжительный, по современным данным, – в 5300-5400 лет).

Изменения солнечной активности сопровождаются изменением количественного и качественного состава солнечной радиации, а именно

– в циклы усиления солнечной активности, совпадающие с активным образованием пятен на Солнце, увеличивается приток к Земле ультрафиолетовой радиации, что влечет за собой изменения геомагнитного поля Земли (появление геомагнитных бурь), и глобальных процессов в атмосферной циркуляции.

Многоцикличность деятельности Солнца была характерна и для геологического прошлого, вызывая ритмику климатических процессов.

К геолого-географическим факторам относятся ритмические изменения рельефа в жизни земной коры, ритмические изменения в составе атмосферы, которые обусловлены цикличным воздействием внешних космических факторов на процессы тектогенеза земной коры. Эпохи орогенеза и усиления геоморфологической дифференциации земной поверхности, как правило, были и эпохами обострения климатических различий. Геократические фазы в жизни континентов одновременно были и фазами отчетливо выраженной аридизации климатов, в то время как талассократические фазы сопровождались смягчением климатических контрастов и расширением гумидных зон.

Эпохи относительного тектонического покоя и господства выровненного рельефа сопровождались тоже ослаблением зонально-климатических контрастов. Ритмичность вулканизма (чередование эпох активизации и ослабления вулканической деятельности, вызывала ритмические изменения состава атмосферы, повторяемость эпох повышенного и пониженного содержания углекислого газа, вулканической пыли, водяных паров, играющих определенную климатообразующую роль.

Установлено, что эксцентриситет, характеризующий степень эллиптичности (вытянутости) земной орбиты, периодически меняется (увеличивается – уменьшается) с периодом в 90 000 лет. Это означает, что меняется расстояние Земли от Солнца и, следовательно, приток солнечной радиации.

205

Существует также другое периодическое явление – прецессия (предварение равноденствий), вследствие которой перигелий (ближайшая к Солнцу точка земной орбиты) приходится на разное время года (то на лето, то на зиму). Это приводит к периодическим изменениям притока солнечной радиации в разные времена года (с периодом около 26000 лет), т.е. тоже дает определенный климатический эффект.

Периодически меняется и наклон земной оси (с периодом в 40000 лет) в пределах от 21°58/ (по отношению к отвесному положению оси) до 24°36/. Как показывают расчеты К. Брукса, изменения в наклоне земной оси не только вызывают изменения в степени контрастности климатических сезонов, но и изменения в зональной схеме притока солнечной радиации: при увеличении наклона земной оси ослабевают зональные контрасты в притоке солнечной радиации, при уменьшении – обостряются.

Колебания климатов Земли могли происходить и при участии такого фактора, как изменения скорости вращения Земли. Но истинная роль этого фактора пока плохо изучена. На процесс уменьшения скорости вращения Земли, вызывающего удлинение суток и медленные сдвиги в зональной схеме циркуляции атмосферы (в частности, очень медленное смещение в более высокие широты субтропических барометрических максимумов), накладываются скачкообразные увеличения – уменьшения скорости вращения (с периодами разной длительности), что должно усиливать ритмику климатических процессов.

Многообразны факторы, вызывающие ритмические колебания климата; действие их часто противоречиво: в одно и то же время могут действовать факторы, усиливающие региональные климатические контрасты и ослабляющие их. Это усугубляет неповторимость климатов прошлого, так как исключает абсолютную повторяемость сходных сочетаний климатообразующих факторов.

Весьма отчетливо в геологическом прошлом была выражена неравномерность изменений климатов в пространстве. Главное ее проявление

– разная степень изменчивости климатов в различных регионах. Для иллюстрации этой закономерности достаточно вспомнить последний отрезок геологической истории – поздний кайнозой.

Максимальная изменчивость климата в позднем кайнозое (неогене и антропогене) характерна была для высоких и средних широт северного полушария, минимальная – для экваториальных и тропических широт.

Хотя многие факторы климатообразования имеют общеземную значимость и, следовательно, их изменчивость должна была приводить к повсеместным изменениям климата, тем не менее, факты показывают, что амплитуда изменений климата в разных регионах была различной. Расчеты английского климатолога Брукса убедительно показали, что каждый широтный пояс по-своему преломляет влияние тех или иных (астрономических и географических) факторов климатообразования. Например, изменения наклона земной оси и соотношения площадей моря и суши наибольший климатический эффект дают в высоких и средних широтах, наименьший – в экваториальных и тропических. Весьма существенной причиной неравномерных изменений климата можно считать региональную

206

специфику тектонических движений земной коры и связанных с ними крупных форм рельефа, играющих большую климатообразующую роль.

К антропогенным факторам относится изменение климата в результате хозяйственной деятельности человека. За ХХ столетие в результате сжигания различных видов топлива концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 0,06%. Исследования М.И.Будыко показали, что лесные пожары усиливали концентрацию углекислого газа. В результате скорость накопления углекислого газа в атмосфере увеличивалась на 0,02 %. Увеличение угекислоты в атмосфере и рост концентрации аэрозоля приводят к изменению радиоционного режима атмосферы. При этом уменьшается прозрачность атмосферы для длинно-волновой радиации, что создает парниковый эффект и способствует повышению температуры воздуха у земной поверхности. В результате задымления температура планетарного воздуха в ХХ веке периодически возрастала на 0,5 градуса, а высоких широтах на 1,2 С. Количество антропогенного аэрозоля по прогнозу к 2060 году при современных этапах загрязнения может возрасти в 2-3 раза по сравнению с 2000 годом, что приведет к увеличению температуры на 2-2,5С. Исследования Главной геофизической обсерватории показали, что загрязнение атмосферного воздуха имеет определенную цикличность и завист от погодных условий, интенсивности лесных пожаров и антропогенных выбросов.

Климатическая зональность сформировалась в то время когда появились атмосфера и гидросфера, а температуры поверхности Земли стала ниже 100 С. Однако степень выраженности климатических зон в ходе геологической истории менялась весьма существенно, менялось и само число зон, и гидрометеорологические характеристики однотипных зон. Термические условия и условия увлажнения, например, в зонах умеренно-влажного климата в разные геологические эпохи, значительно варьировали, поэтому нередко по термическим условиям и количеству осадков, эти зоны приближались к современным влажным субтропикам, однако в сравнении с синхронными им климатическими зонами субтропического, тропического, субэкваториального и экваториального широтных поясов они были действительно умеренными с отчетливо выраженной сменой климатических сезонов. Менялась и степень засушливости климата в аридных (засушливых) зонах.

О характере климатических зон той или иной геологической эпохи объективно можно судить не столько сравнивая климат соответствующей эпохи в определенном регионе с современным, сколько сопоставляя синхронные климаты разных регионов.

Особую остроту вопроса об эволюции климатов Земли составляет проблема смещения климатических зон. Палеоклиматические документы указывают на большие сдвиги климатических зон в ходе геологической истории.

Причины смещения климатических зон можно подразделить на два типа: астрономические и геолого-географические.

1. Астрономические факторы (положение Земли в космическом пространстве).

207

Относительное перемещение оси вращения в теле Земли, вызывает миграцию полюсов и экватора и, соответственно, миграцию климатических зон на земной поверхности.

Идея миграции географических полюсов не нова, она высказывалась еще Кеппеном, Вегенером и др. Важно отметить, что в настоящее время миграцию полюсов обосновывают не только чисто палеоклиматическими данными, но и палеомагнитными исследованиями.

Для многих отрезков геологической истории палеоклиматические и палеомагнитные материалы однозначно указывают местоположение полюсов и экватора. Это одно из самых убедительных доказательств правильности выводов палеоклиматологии (Монин А.С. с соавт., 1979; Будыко М.И., 1992; Павлов А.В., 1997; Анисимов О.А. с соавт., 1998 и др.).

Причина климатической изменчивости кроется в воздействии на планету гравитационных и электромагнитных волн Солнца и Галактики, а также в тектонических движениях земной коры, изменении колебаний земной оси, эксцентриситета земной орбиты, наклона эклиптики и периодов прецессии.

2. Геолого-географические факторы, вызывают общеземные или крупные региональные изменения климата, которые сопровождаются сдвигом климатических зон (изменения в распределении моря и суши, циркуляции и составе атмосферы и гидросферы, крупных форм рельефа, наклона земной оси, эксцентриситета земной орбиты, скорости вращения Земли и т.д.). Однако не все климатические зоны подвержены смещению в равной степени:

Наиболее постоянно положение зоны тропического климата, поэтому и в современную эпоху области экваториальных лесов и саванн не выходят за пределы тропиков, несмотря на все разнообразие рельефа Земли и распределение морских течений.

Наименее постоянны границы климатических зон умеренно-влажного и особенно аридно-пустынного типа. Смещение границ этих зон может достигать, судя по современному их положению, 1000-1500 км, но не превосходит их средней ширины.

Возможно, в прошлом, в эпохи талассократические (влажные) с господством малоконтрастного рельефа, амплитуда смещения зон пустынного климата была больше, вплоть до почти полного их исчезновения. Но вряд ли было такое положение, что исчезали климаты умеренно-влажные и субтропические (влажные или сезонно-засушливые), так как их существование тоже определяется относительно постоянными астрономическими факторами (формой Земли, ее движением вокруг Солнца и вращением вокруг оси при наличии определенного угла наклона земной оси к плоскости эклиптики).

Палеоклиматическая реконструкция климата Земли

Под палеоклиматической реконструкцией приземных слоев атмосферы понимается восстановление климата в целом или отдельных ее элементов (солнечной радиации, температуры воздуха, влажности воздуха, осадков и характеристики ветров) в приземных слоях атмосферы за прошедшие геологические эпохи.

209

A – кривая солнечной радиации по Миланковичу для 65° с.ш.; Т – тепло, Х – холод, В – влажно.

Для решения этой задачи Миланкович использовал определенные допущения:

1.За период времени продолжительностью 100000 лет физическое состояние Солнца не менялось.

2.За последние 650 000 лет интенсивность солнечной радиации зависит в основном от изменения трех элементов земной орбиты: долготы перигелия, эксцентриситета и наклона эклиптики.

3.Никакие течения в атмосфере или в океане не учитываются – принимается некоторое среднее распределение суши.

4.Атмосфера рассматривается как идеальный газ. Средняя облачность и состав атмосферы рассчитываются как функции подстилающей поверхности.

5.Принимается, что ослабление света в атмосфере происходит в соответствии с законом Бугера-Ламберта, а для инфракрасного излучения атмосферы – по закону Кирхгофа-Стефана.

С учетом этих допущений М. Миланковичу удалось получить формулу,

учитывающую эффект главных физических факторов. Если – абсолютная температура, W – радиация на данной широте, А – альбедо (с учетом отражения в атмосфере), М – масса столба воздуха, – коэффициент поглощения для длинных волн и — постоянная Стефана, то основное соотношение, даваемое Миланковичем, имеет вид:

где (Т) – температура самого нижнего слоя атмосферы.

В этом приближении «распределение солнечной температуры» дается для устойчивого состояния радиационных условий (инсоляции).

Кривую солнечной радиации М.Миланкович (1924) строил для широт 5565 с.ш. из расчета средней температуры воздуха 15,2 С и синхронности изменений климата в северном и южном полушариях (рис. 9.2.1) с шагом 5 тыс. лет на временном отрезке 350 тыс. лет. Для случая, когда решался вопрос о восстановлении палеотемператур для временного отрезка времени – 650 тыс. лет температуры определялись через каждые 10 тыс. лет.

Т.Н. Карлстрем, изучая олединение Аляски и определяя ее значение для теории палеоклимата в 1966 году пришел к выводу о существовании гармонической системы климатических ритмов: 40800 лет, совпадающего по фазе с циклом наклона эклиптики, плювиальный цикл 20400 лет – совпадающий с циклом прецессии (в среднем 21000 лет), циклы 3400, 1133, 567, 283 летние являются гармониками, совпадающими по фазе с циклом приливообзазующей силы поПетерсону (в среднем 1700 лет).

Таким образом, он предположил существование генетических связей между этими астроклиматическими колебаниями. По Т.Н. Карлстрему в соответсвии с астроклиматическом теорией цикл наклона эклиптики обусловливает смену климатов (оледенений) в более высоких широтах, а цикл

210

прецессии – климатическую последовательность (ленточные глины и плювиальные отложения) в более низких широтах.

В 1965 – 1970 годах нами (Сверлова, 1972) была предпринята попытка сумарного учета гармоник ритмов астроклиматических колебаний (в том числе вызванных прецессией и эклиптикой) на основе существующего в классической физике принципа суперпозиции.

Поэтому принципу: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или тримя волновыми функциями, то она может также находится в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

Автором составлена многоуровенная модель климатической изменчивости за период 3,5 млрд. лет, которая позволяет при соответсвующих масштабах составлять прогнозы колебаний термического режима Земли на долгосрочную перспективу.

9.3. Колебания климата земли (за период 3,5 млрд. лет)

«Необходимо разложить кажущееся нам цельным разнообразие мира на реильно существующую мозаичную во времени его структуру»

В.И.Вернадский

Вариационная модель климата Земли за 3,5 млрд. лет и долгосрочный прогноз его изменчивости

К началу 21 века проблема изменения климата Земли стала одной из центральных, волнующих мировую общественность. Повышение температуры воздуха климатологи связывают с возрастающими промышленными выбросами в атмосферу двуокиси углерода, азота, серы и других токсических веществ («парниковый эффект»). Прогнозируется резкое потепление, таяние ледниковых покровов, повышение уровня мирового океана с затоплением пониженных участков прибрежных регионов суши.

Опасения возможных катастрофических явлений и давление экологических организаций заставляют правительства разных стран выделять огромные средства на борьбу с последствиями потепления климата. Однако, при изучении изменения климата следует учитывать не только антропогенную, но и природную составляющую климатической изменчивости, потому что иногда волна антропогенного потепления может гаситься встречной волной природного похолодания климата.

Если природные процессы ведут к потеплению климата, то антропогенные факторы только усиливают этот процесс. И, наоборот, в случае

211

очередного похолодания климата антропогенные факторы уменьшают интенсивность похолодания.

Для того чтобы выяснить природную составляющую климатической изменчивости необходимо использовать палеоклиматическую информацию о климатах прошлых эпох и на основе моделирования установить не только закономерности развития процесса в настоящее время, но и составить прогноз его в будущем.

Динамика термического режима Земли за 3,5млрд. лет В исследованиях теплового режима земной коры большое значение

имеют работы русских ученых А.П. Соколова (1922), А.Н. Тихонова (1937), В.С. Сафронова (1952), Е.А. Любимовой (1952), О.Ю. Шмидта (1950) и др.

По радиоактивным данным возраст земной коры составляет 6-5 млрд. лет. По теории О.Ю. Шмидта возраст Земли оценивается приблизительно 7-6 миллиардов лет. Периоды полураспада почти всех основных радиоактивных элементов свидетельствуют о значительно меньшем времени существования Земли. В период максимального разогрева планеты температура поверхности Земли была не более 300 С.

Е.А. Любимова в 1952г. для расчета выделения тепла радиоактивными элементами в прошлом использовала математический метод – метод отражений. Для расчета теплового режима Земли, обусловленного радиоактивным распадом, использовались константы распада радиоактивных элементов, количество теплоты, выделяемое каждым из этих элементов при распаде; возраст Земли. При рассмотрении однородной модели бралось среднее содержание радиоактивных элементов на земном шаре в настоящее время и среднее значение коэффициента теплопроводности, принимаемого постоянной для всей Земли. Используя данные о константах распада и общем содержании радиоактивных элементов Земли, ею рассчитано количество тепла, выделявшееся каждым элементом в прошлые эпохи существования.

Расчеты показали, что в поверхностных слоях Земли через 1-2 млрд. лет после ее образования отток тепла начинает превышать его приток от источников, интенсивность которых к этому времени значительно уменьшается. Шесть миллиардов лет назад генерация тепла была во много раз большей, чем сейчас, при этом основное количество тепла выделялось за счет распада калия, актиноурана и тория.

К настоящему времени глубина области Земли, из которой происходит отток тепла, составляет 1000 км. На поверхности Земли тепловыделение не проявляется, оно отмечается только при извержении вулканов и гейзеров. Используя эту информацию, мы предприняли попытку расчета температур охлаждающейся поверхности Земли и установления временного момента, когда климат Земли стал зависим в основном от энергии Солнца.

Моделирование процесса динамики температурного режима земной поверхности за 3,5 млрд. лет

Анализ поэтапного развития геологических знаний позволил сделать вывод, что вся геологическая эволюция Земли происходила на фоне

212

постепенного охлаждения планеты. Термическая эволюция Земли подчинялась закону экспоненциальной функции, которая может быть выражена уравнением:

Ti

где: th - начальная температура воздуха у земной поверхности. e - основание натурального логарифма.

Тi - фактическое время от того периода, от которого производится расчет остывания планеты.

Тc - постоянная времени охлаждения Земли. Это промежуток времени, за который температура воздуха у остывающей поверхности Земли (th) уменьшится в e раз.

G = m х g = 5,98 х 1029 х 9,81 = 58,6638 х 1029 = 5,87 х I0 30 г.

S – поверхность земли (см2),

S х gy – полная теплоотдача со всей земной поверхности

с - удельная теплоемкость Земли, (кал/г.град)

Удельная теплоемкость минерального скелета грунта равна 0,2 кал/г.град, а

воды – 1,0 кал/г.град. Земная кора состоит из силикатного материала и воды, поэтому нами удельная теплоемкость верхних слоев коры принята 0,5 кал/г.град.

Если принять, что поверхность Земли равна 5,1х1018 см2 , а полную теплоотдачу со всей ее поверхности – 2,5х1021 кал/год, то постоянная времени охлаждения Земли будет равна Тс = 0,94х109 лет. Используя эту информацию нами по формуле 9.1. рассчитана температура охлаждающейся поверхности Земли (в масштабе 1:100 000 000).

Приведенная информация, а также расчетные данные (рис. 50) позволили сделать вывод, что к началу геологической истории Земли (3,5 млрд. лет назад) температура поверхности Земли была уже в пределах современных значений и решающего влияния на климат планеты не оказывала.

Климат на Планете стал определяться энергией Солнца. Все другие факторы, то усиливали поступление Солнечной радиации на земную поверхность, то ослабляли.

Снижение поступления солнечной энергии на земную поверхность формировалось похолодание климата, при повышении поступления энергии – потепление.

213

Рис. 50. Кривая температуры охлаждающейся поверхности Земли.

Модель расчета температурных аномалий приземных слоев атмосферы за 3,5 млрд. лет.

Земля, как планета солнечной системы, испытывает на себе все флюктуации галактической среды. Как отмечалось нами ранее, скорость вращения Солнца вокруг Галактического ядра составляет 250 км/сек. При расстоянии от Солнца до центра Галактики (созвездие Стрельца), равного около 10 000 пс, Солнце совершает полный оборот за 175 млн. лет.

При вращении солнечной системы вокруг галактического ядра в одном из рукавов галактики Солнце периодически испытывает на себе ударные волны за счет различной плотности галактической среды. При этом космические лучи сверхвысоких энергий, проникая в солнечную систему, вызывают определенную реакцию в деятельности Солнца и планет солнечной системы.

За период 3,5 млрд. лет геологического развития нашей планеты Солнечная система, в т.ч. и Земля, совершили 23 полных оборота вокруг галактического ядра. Это не могло не сказаться на эволюции литосферы, гидросферы и биосферы Земли. Вариации воздействия плотности межзвездной среды регулировали солнечную активность, геомагнитные бури и оказывали существенное влияние на земные процессы (вариации атмосферной циркуляции, скорость вращения Земли, смену траектории холодных и теплых течений, тектонические движения земной коры и вулканические извержения). Каждый из отмеченных факторов соответственно влиял на температурный режим нашей планеты и формировал климат Земли.

214

В 1965 нами (Сверлова Л.И., 1973) разработан метод реконструкции климатов планеты на основе моделирования процессов, вызывающих изменения климата исходя из учета следующих закономерностей:

1.На каждом временном интервале эволюционного развития крупные ритмы, оказывали большее влияние на изменение климата, чем мелкие. Мелкие ритмы воздействия только затушевывали влияние основных ритмов, определяющих тенденцию развития климата.

2.Крупные ритмы воздействия космической среды на климат планеты имеют меньшее влияние, чем мелкие. Значительность воздействия на климат крупных ритмов достигается за счет продолжительности влияния.

Это подтверждается данными, полученными с помощью искусственных спутников Земли. Стало известно, что вариации в ультрафиолетовом излучении в течение 27-дневного цикла солнечной активности быстро уменьшаются с ростом длины волны.

При реконструкции палеоклиматов нами использован математический метод суперпозиции гармоник циклов и ритмов воздействия внешних факторов на климат Земли. К реконструкции палеоклимата мы подходили с точки зрения расчета палеотемпературных аномалий приземных слоев

атмосферы для широт 40-50 .

Модель расчета палеотемпературных колебаний в приземных слоях атмосферы имеет следующий вид.

S A cos W T ,

где:

А - амплитуда колебаний температуры приземных слоев атмосферы от

периоды ритмов.

Т – временной интервал, через который определяется данная температура. Если масштаб времени выбран 1:100, то значение температуры мы получим с интервалом через 100 лет. Если масштаб времени выбран 1:10, то значение температур мы получим через каждые

10 лет.

- углы начальных фаз гармонических колебаний внешних воздействий на температурный режим приземных слоев атмосферы от начала отсчета (каждому ритму придаются значения от 0 до 360 , при этом выбирается тот вариант, который по температурным показателям колебаний нашел свое отражение в геологических событиях данного отрезка времени).

Угловая частота колебаний определяется величиной смещения синусоиды относительно начала координат. Она измеряется абсциссой точки перехода отрицательной полуволны в положительную.

215

Таблица 5.

Экстремальные феномены изменений климата, использованные при реконструкции

При реконструкции отрицательной полуволне придавалось значение похолодания климата на планете, а положительной – потепления. Значения начальной фазы изменялись от 0 до 360 градусов. В процессе моделирования принималась та величина «гармоники», которая при суперпозиции обеспечивала резонанс – либо яркого потепления, либо похолодания в соответствии с принятым постулатом для рассматриваемого отрезка времени

(табл. 5.).

При реконструкции климата определялся масштаб времени, в пределах которого рассматриваются колебания климата. В зависимости от временного масштаба осуществлялось построение модели. При этом последовательно осуществлялся переход от больших отрезков времени к меньшим. Например,

3,5-0,1 млрд. лет; 600-0,1 млн. лет; 60-0,1 млн. лет; 10-0,1 млн. лет; 2-0,1 млн.

лет; 12-0,1 тыс. лет.

За период геологической истории Земли кривая термического состояния Земли имеет довольно плавный ход (рис. 49), поэтому те термические вариации, которые на планете имели место в прошлом, можно отнести за счет вариаций, связанных с экзогенными воздействиями.

Рассмотрим методику составления расчета палеотемпературных вариаций в пределах разных временных периодов: 3,5 млрд. лет, 600 млн. лет, 10 млн. лет, 10 тыс. лет и 2 тыс. лет до настоящего времени. Для каждого периода нами устанавливались ритмы возможных космических воздействий и время ярчайших потеплений либо похолоданий климата

216

(названных нами «постулатами»), которые были подтверждены палеомагнитными, палеоморфологическими и палеонтологическими данными и радиоуглеродными датировками.

В связи с тем, что среднегодовая температура планеты по своей абсолютной величине близка к среднегодовой температуре умеренных широт, мы производили расчет для широт 40-:-6О0.

Расчет вариаций термического режима автором выполнен для периодов

3,5 млрд. лет (в масштабе 1:1 000 000), 600 млн. лет (М 1:100 000), 10 млн. лет (М 1:10 000), 100 тыс. лет (М 1:1000), 10 тыс. лет (М 1:100), 2 тыс. лет

(М 1:10) и составлен прогноз возможных вариаций климата в будущем.

При моделировании обязательным условием было выполнение следующих постулатов (основных положений, четко зафиксированных в палеогеологии и палеонтологии):

1.В течение всей геологической истории Земли (3,5 млрд. лет) наибольшее потепление климата имело место 1,4 млрд. лет назад, а наибольшее похолодание – 600 млн. лет назад. В течение 10 млн. лет наибольшее потепление климата отмечено 4,5 млн. лет назад. (Брукс А., 1952; Синицын П.С., 1963; Сорохтин О.Г., Ушаков С.А, 1991; Будыко М.И., 1997 и др).

2.В течение последних 100 тыс. лет наибольшее похолодание климата отмечено 23 тыс. лет назад (Флирт, Брандтер, 1966, Эмилиани, 1969). В плейстоцене эпохой максимального похолодания была Валдайская ледниковая эпоха. Это похолодание вызвало сильное уменьшение влажности воздуха,

суровость и малоснежность зим (Брукс, 1952; Фейрбридж, 1976, Сорохтин О.Г. соавт., 1991).

3.В течение 10 тыс. лет выдающимся климатическим феноменом (голоцен) был климатический оптимум, имевший место 4 тыс. лет назад

(Айдероон,1905; Строка,1960; Гричук Е.П., 1969. Будыко М.И., 1996).

4.За последние 2 тыс. лет наибольшее похолодание произошло в V-VII веках н.в. с кульминацией в 520 году (Брукс,1952; Альман,1962,

Ладюри,1971).

Реконструкция температурных аномалий за 3,5 млрд. лет до н.в. и прогноз на 1 млрд. лет вперед

За период геологического развития Земли (3,5 млрд. лет) наиболее эффективно могли себя проявить циклы Галактики - 175; 87,5; 43,750 млн. лет, связанные с циклами вращения Галактики вокруг своей оси (годовым, полугодовым и сезонными). Воздействия на температурное поле Земли проявлялись как непосредственно, так и через солнечную активность. Степень воздействия цикличной деятельности Галактики могла вызвать изменения температур приземных слоев атмосферы.

Реконструкция температурных аномалий за весь период геологического развития Земли производилась на основе учета ритмов галактической среды, при этом устанавливались ритмы инверсии магнитного поля Галактики. Полный инверсионный цикл – 21,9 млрд. лет; 0,5 инверсионного цикла – 10,95 млрд. лет; 0,25 инверсионного цикла- 5,47 млрд. лет. При расчете за основу

217

был принят постулат: за период 3,5 млрд. лет наиболее высокие температуры воздуха были 1,4 млрд. лет назад. При моделировании начальные углы сдвига фаз подбирались таким образом, чтобы ко времени 1,4 млрд. лет назад все три цикла гармонических колебаний при сложении дали положительный резонанс в соответствии с принятым постулатом.

1,2

1,1

ср

-1,0 -2,0

0,6

Рис. 51. Реконструкция температурных аномалий Земли за период 3,5 млрд. лет назад и прогноз на 1 млрд. лет вперед; 1 – температурные аномалии приземных слоев атмосферы в С

(М 1:1 000 000); 2 – температурная кривая охлаждающейся поверхности Земли.

Геологические эры: А – архейская, Pt – протерозойская, Pz – палеозойская, Мz

– Мезозойская, Кz – кайнозойская. Тектонические эпохи: Тg1 – саамская, Тg2 – беломорская, Тg3 – карельская, Тg4 – сатпурская, Тg5 – неогейская.

В итоге была получена кривая хода температурных аномалий за рассматриваемый период. Для проверки адекватности расчетной кривой осуществлялось сопоставление ее колебаний с данными палеогеографических исследований и историей тектонического развития Земли

(рис. 51).

Ритмичные воздействия высокоэнергичных корпускулярных энергий галактической плазмы оказывали стимулирующее влияние на эндогенные и экзогенные процессы Земли, определяя тектоническое развитие земной коры. В результате в истории тектонического развития земной коры выделяются 10 эпох: тектогенеза: саамская, беломорская и карельская (выделяющиеся на Восточно-европейской платформе), сатпурская (на севере Индии), байкальская, каледонская, герпинская, мезозойская, альпийская и тихоокеанская.

Первые четыре эпохи складкообразования принадлежат к древнему этапу развития земной коры, закончившемуся еще к началу позднего протерозоя (рифея); остальные шесть – к последующему этапу геологической истории, названному неогеем.

Саамская эпоха складкообразования проявилась в позднем архее, беломорская – в раннем протерозое, карельская – в среднем протерозое, сатпурская – в позднем протерозое. Байкальская эпоха складкообразования

218

проявилась в середины протрозоя до начала кебрийского периода палеозоя. Каледонская эпоха складкообразования началась кое-где еще в конце позднего протерозоя, а закончилась в конце силура – начале девона.

В последнее время эту эпоху складкообразования некоторые ученые стали разделять на две самостоятельные эпохи: раннекаледонскую и позднекаледонскую. Герпинская эпоха складкообразования началась в девонском периоде (местами, например на Урале, даже с конца ордовика) и закончилась в начале позднего триаса. Мезозойская эпоха складкообразования начала, проявляться еще с конца палеозоя и закончилась к началу позднего мела. Альпийская и тихоокеанская эпохи складкообразования проявились с начала мезозоя (первая даже с перми) и продолжаются в настоящее время.

Эти эпохи скдадкообразования, приуроченные к определенному периоду их проявления, были совмещены с рассчитанной нами палеотемпературной кривой (рис. 51). В результате получено полное совпадение эпох тектогенеза с этапами ярчайших потеплений климата. Это позволило нам произвести восстановление продолжительности фаз активного складкообразования.

Геологическая история дает очень много примеров существенных изменений климатов: наиболее жаркие и сухие климаты конца перми – начала триаса или гумидные климаты ранней юры и эоцена, периоды обширных материковых оледенений (карбон, пермь, антропоген) и периоды с отсутствием или слабым развитием индикаторов холодного климата (триас, юра, мел, палеоген).

Развитие климата происходило не в прогрессивном похолодании или потеплении, увлажнении или засушливости, а в неуклонном формировании климатических различий на земной поверхности. Эта закономерность не сразу бросается в глаза, так как в сильной степени завуалирована ярко выраженной ритмичностью палеоклиматических процессов.

Реконструкция температурных аномалий

за 600 млн. лет до н.в.

Восстановление палеотемпературных аномалий приземных слоев воздуха за 600 млн.лет до н.в. (в палеозойскую и кайнозойскую эры) производилось в масштабе времени 1:100 000 (рис. 52).

1,2

1,0

ср

-1,0 -1,2 -1,4

Рис. 52. Реконструкция температурных аномалий Земли за период 600 млн. лет н.в.

1 – температурные аномалии приземных слоев атмосферы в С.

219

В процессе реконструкции был принят постулат: наибольшее похолодание климата было 590 млн. лет назад. Из полученного ряда температурных аномалий (рис. 52) следует, что за период 600 млн. лет до н.в. яркие потепления климата имели место 430, 260, 100 млн. лет назад, а похолодания – 485, 330, 160 млн. лет назад. Из них наибольшее потепление было в перми (280-250 млн. лет назад).

Этапы похолодания 500-470, 335-310, 180-120, 80-0 млн. лет назад связаны с оледенением полюсов, а этапы потепления – 600-500, 470-355, 310180, 120-80 млн. лет назад – с их деградацией. Эти колебания климата вызвали усиление дифференциации ландшафтно-географических зон. Во второй половине палеозоя (перми). В плейстоцене вследствие похолодания становятся ярче зональная и провинциальная дифференциации.

Система, состоящая в средней перми из 5 зон, переходит к системе из 7 основных зон (появляются тундровая зона в северном и южном полушариях). Усиливаются и провинциальные контрасты внутри зон. Похолодание постепенно прогрессирует и охватывает зоны средних и высоких широт. Резко обозначаются сухие зоны затропических барометрических максимумов. Вместе с похолоданием уменьшается уровень Мирового океана и увеличивается площадь суши.

Реконструкция палеотемпературных аномалий планеты за 600 млн. лет позволяет сделать выводы:

1.Термический максимум подобный среднепермскому, имел место 410450 млн. лет назад (в верхнем ордовике и нижнем силуре).

2.В середине мелового периода на общем фоне похолодания было крупное потепление 90-120 млн. лет назад, но оно не достигло по своим значениям среднепермского максимума.

3.Термические минимумы, подобные плейстоценовому, но менее интенсивные были 150-180 млн. лет назад (в средней пре),310-340 млн. лет назад (в среднем карбоне) и 460-500 млн. лет назад (в среднем кембрии – нижнем силуре). Похолодания сопровождались частичным оледенением полюсов.

Сопоставление расчетной кривой с данными других авторов подтверждают правильность расчетов. Так, приведем современное представление о климате в Якутии в палеозое и мезозое. В раннем кембрии (350 млн. лет назад) в Якутии имели место оптимальные климатические условия. Тропического облика флора этой эпохи, обилие карбонатных пород свидетельствуют о жарком и влажном климате с элементами засушливости (доломиты, гипсы), в Верхнем Верхоянье. В среднем карбоне (320 млн. лет до н.в.) отмечалось общее похолодание климата. Климат Якутии становится умеренно-теплым и влажным, поскольку преобладающим в это время был гумидный тип осадконакопления (терригенные породы без существенного участия карбонатных). В пермском периоде замечено два периода похолодания (280 и 240 млн. лет назад), подтверждаемые наличием ледовоморских отложений. Последние, свидетельствуют о резко выраженной климатической сезонности, с холодными морозными зимами. В ранней триассе (220 млн. лет назад) отмечается засушливость климата Якутии.

221

Эксцентриситет орбиты характеризует форму. В зависимости от величины эксцентриситета орбита может иметь форму эллипса, параболы или гиперболы. В палеоклиматологии вместо эксцентриситета используют понятие угла эксцентриситета, исходя из соотношения, что угол эксцентриситета е = sin .

Наклон эклиптики – сечение небесной сферы плоскостью орбиты Земли. В основе палеотемпературной реконструкции за 10 млн. лет лежало

обязательное выполнение условия, по которому все астрономические ритмы наклона эксцентриситет земной орбиты, наклон эклиптики и периоды прицессии в своем резонансе обусловили яркое потепление, и наибольшее потепление климата было 4,5 млн. лет назад.

Проверка полученной палеотемпературной кривой на основе сопоставления ее с установленными фактическими материалами показала, что в первой половине плиоцена наша планета продолжала пребывать в фазе похолодания, которое началось 14 млн. лет до н.в. (в верхнем плиоцене). Это похолодание продолжалось 8,2 млн. лет и закончилось 5,8 млн. лет до н.в. В среднем-начале верхнего плиоцена наступила фаза более высоких температур (5,8-2,0 млн. лет до н. в.).

Эти изменения климата отмечены В.С.Волковой, В.И.Ильиной при интерпретации спорово-пыльцевых комплексов Сибири. По их данным в конце позднего миоцена и раннего плиоцена похолодание и аридизация климата привели к полному распаду тургайской флоры. Умереннотеплолюбивые доминанты широколиственной флоры были замещены представителями мелколиственных пород. Лишь отдельные виды вязов, дубов сохранились в укрытиях, но не имели определяющей роли. В это время началось формирование умеренной флоры на северо-востоке Сибири, содержащей холодостойкие породы, преимущественно хвойных растений. В среднем и начале верхнего плиоцена в фазе отмеченного выше потепления (особенно 5,8-4,2 млн. лет назад) по речным долинам южной части Западной Сибири и Дальнего Востока наблюдалось расширение ареала широколиственных пород (дуба, липы, ильма). На севере Сибири и северовостоке приобрели важную роль темно-хвойные леса. Ареал лиственных пород, представленный умеренно-бореальными видами, значительно расширился.

Похолодание в конце верхнего плиоцена и начале четвертичного периода на севере и севере-востоке вызвало сокращение ареала этих видов лиственных пород и привело к формированию перигляциальных и тундровых ландшафтов. На юге Западно-Сибирской низменности и Дальнего Востока похолодание плейстоцена сказалось на сокращении ареала теплолюбивых широколиственных пород.

Похолодание в конце позднего плиоцена усилило оледенение полюсов и горных вершин полярных и умеренных широт, а также распространение ледников по территории. Наступление ледников наиболее ярко проявилось в первой половине плиоцена (9,7; 7,3; 6,7 млн. лет назад), а также в конце плиоцена и в плейстоцене (1,3; 0,5 и 0,2 млн. лет назад).

Наряду с этими глубокими фазами похолодания были мелкие, о которых говорят следы древних оледенении. В настоящее время следы древнего

222

оледенения обнаружены в хр. Сьерра-Невада (США), возраст которого, по данным калий-аргоновых определений, составляет около 3 млн. лет. Такой же возраст имеют наиболее древние тиллиты Исландии и Новой Зеландии. Ю.Ф. Чемеков в 1970г. на Кавказе открытыл следы поздне-плиоценового оледенения. Им в глубоководных осадках Арктического океана найдены ледниково-морские отложения, возраст которых оценивается в 2,5 млн. лет назад и т.д. Эти примеры свидетельствуют о начале глубокого похолодания в четвертичном периоде (плейстоцене). В плейстоцене похолодание не было плавным, но и не было резко катастрофическим. Ледниковые покровы в полярных широтах и в горах умеренных и тропических широт то усиливались, то сокращались.

Реконструкция температурных аномалий за 100 тыс. лет до н.в. и прогноз на 100 тыс. лет вперед

Последовательность стадий развития климатических вариаций более детально можно рассмотреть при реконструкции палеотемпературных аномалий времени за 100 тыс. лет до н.э. в масштабе 1:1 000 (рис. 54).

В основе реконструкции температурных аномалий за 100 тыс. лет лежало положение, апробированное палеонтологическими материалами о том, что наибольшее похолодание климата было 23 тыс. лет назад. С этого периода началось эпоха четвертичного оледенения северного и южного полушария.

1,4

1,2

ср

-1,2 -1,4 -1,6

Рис 54. Реконструкция температурных аномалий за 100 тыс. лет до н. в. и прогноз на 100 тыс. лет вперед;

I - температурные аномалии приземных слоев атмосферы в С.

Эпоха Валдайского оледенения 25-16 тыс. лет назад завершилась Щуваловским межледниковьем (Долуханов, Вигдорчик,1970), имевшим место 16000-14200 лет назад. Это межледниковье ознаменовалось значительным потеплением и смягчением климата, вызвавшим почти повсеместный и одновременный расцвет лесной растительности. В большей части районов умеренного пояса доминирующее положение заняли березовые и сосновые древности (входившие и раньше в состав растительности перигляциальных областей). За Щуваловским потеплением последовало похолодание 142009800 лет назад. Это похолодание, продолжавшее более 4000 лет, привело к частичному восстановлению позднеледникового растительного комплекса

(Кинд, 1969).

223

Реконструкция температурных аномалий за 8 тыс. лет до н.в. и прогноз на 12 тыс. лет вперед

Интервал времени равный последним 10 тыс. лет назван голоценом

(Нейштадт, 1957).

При палеотемпературной реконструкции за 10 тыс. лет обязательным являлось выполнение условия: наибольшее потепление климата было 4 тыс. лет назад. Под эту дату соответственно подбирались углы сдвига фаз гармонических колебаний, которые были вызваны солнечной активностью с периодами: 660, 330, 165 лет. Восстановление палеотемпературных аномалий за период голоцена проводилось в масштабе времени 1:100 (рис. 55).

Из рис. 55 следует, что в течение 10 тыс. лет в климате планеты происходили довольно значительные колебания, которые не могли не сказаться на эволюции растительных комплексов. В развитии природной среды не было резких скачков в ту, либо в другую сторону.

На общем фоне похолодания в течение 14200-9800 лет назад имели место более мелкие фазы потепления и похолодания. Среди них проявились три фазы тепла: 13300-12900, 12100-11700, 10900-10500 лет назад, которые разделены фазами похолодания. Из этой серии последняя фаза тепла (1090010500 лет назад) названа «половецкой» фазой потепления, а последняя фаза холодного периода (10 000-9 500 лет назад) – «переславской» фазой похолодания (М.А. Хотинский, 1971). Вслед за переславской фазой похолодания на фоне неоднократно происходивших колебаний климата четко наметились тенденции роста температур.

1,6

1,4

ср

-1,4 -1,6 -2,0

Рис. 55. Реконструкция температурных аномалий за 8 тыс. лет до н.в. и прогноз на 12 тыс. лет.

Как для северо-западных и центральных районов Русской равнины, так и для южной материковой части Дальнего Востока, Сахалина и Японии бореальный период был началом миграции широколиственных пород в северном направлении. Это объясняется тем, что в районах Русской равнины широкому распространению широколиственных пород препятствовали периодически повторяющие засушливые условия, а на Сахалине и в Японии муссонный климат обеспечивал достаточное количество влаги для роста и