3. 3. Гипотезы о причинах оледенений
Для объяснения причин глобальных похолоданий предложено большое количества гипотез. Их можно объединить в несколько групп: астрономические, тектонические, изменения Мирового океана и атмосферы, и др. Среди астрономических выделяются гипотезы колебаний солнечной активности и гипотеза Миланковича.
Гипотезы колебаний солнечной активности опираются на 11, 22 и 44-летнюю периодичность излучения Солнца. Средняя величина солнечной радиации, поступающей на нашу планету (солнечная постоянная), колеблется на 1–2 %. Для перестройки климата достаточно длительного отклонения солнечной постоянной на 0,1 %. Проблема в том, что пока нет методов, позволяющих напрямую определить количество солнечной радиации, приходившей на Землю в прошлые геологические эпохи. Данные гипотезы предлагаются в двух противоположных вариантах. Первый: чем меньше тепла приходит к Земле, тем выше вероятность оледенения. Второй: рост солнечной постоянной обуславливает увеличение испарения с океанов, снеговая граница в горах понижается, возникают покровные ледники; с дальнейшим ростом температур – таяние ледников.
Гипотеза Миланковича предложена сербским специалистом в области математической физики Милютином Миланковичем в двадцатых годах ХХ в. В кратком изложении она выглядит следующим образом.
1. Притяжение тел Солнечной системы периодически изменяет угол наклона земной оси к плоскости орбиты (амплитудой около 2,4°). Смещаются широты тропиков, полярных кругов, изменяется приток тепла в полярные районы.Один цикл колебаний составляет примерно 41000 лет.
2. Притяжения Луны и Солнца создает пару сил, стремящуюся совместить три плоскости: земного экватора, эклиптики и лунной орбиты. Земная ось начинает описывать в пространстве конус – это явление называют прецессией, ее периодичность 20700 лет. В результате прецессии по орбите смещаются даты равноденствий (сезоны года) – зимы становятся то длиннее, то короче, приток солнечной радиации колеблется на ±4 %.
3. Земная орбита эллиптической формы, Солнце в ней расположено эксцентрично – в разные даты Земля на разном расстоянии от светила. Эксцентриситет земной орбиты колеблется с периодом 91800 лет – изменяются максимальное и минимальное расстояния между Землей и Солнцем, и приход солнечной энергии может варьировать на ±0,6 %.
Эти процессы могут отклонять приток солнечной энергии на ±5 %. Амплитуду и периодичность таких изменений демонстрирует предложенный Миланковичем и доработанный другими учеными график (рис. 11).
Рис. 11. Кривая изменений солнечной радиации, поступавшей на поверхность Земли за последние 600 000 лет (для летних месяцев на 50° с. ш.) [13]
Существуют и другие астрономические гипотезы: о влиянии на климат межзвездных пылевых шлейфов, солнечного ветра, вариаций гравитационного поля, колебаний скорости вращения Земли – комплекса изменяющихся астрономических факторов [13].
Тектонические гипотезы связывают климатические колебания с эндогенными процессами.
Гипотеза полярного расположения материков опирается на идеи тектоники литосферных плит – ледниковый этап соответствует полярному размещению материков. Данная гипотеза не может объяснить причин многократных потеплений и похолоданий внутри холодных мегациклов.
Гипотеза горообразования полагает, что оледенению способствуют рост высоты и площади суши. В результате горообразования обширные территории оказываются в нивальной зоне. Рост площади материков повысит альбедо всей Земли – альбедо суши выше, чем океана. Чем крупнее материки, тем суровее зимы в умеренных и высоких широтах. В результате понизится средняя температура воздуха, высокогорья покроются ледниками – воздух остынет еще сильнее, глетчеры спустятся к предгорьям. Временные связи эпох горообразования и оледенений показаны на рисунке 12.
Рис. 12. Распределение периодов горообразования и ледниковых периодов за последние 600 млн лет [13].
Вариант гипотезы – предположение об охлаждении климата после формирования суперконтинентов. Однако если оледенения позднего палеозоя еще можно связать с консолидацией Пангеи, то ледниковые эпохи кайнозоя и раннего палеозоя приурочены к распаду материков. Близка предыдущей идея о расширении планеты: диаметр Земли растет, Мировой океан распределяется на большую площадь, океаны мелеют, размер суши увеличивается, климат становится континентальным. Необходимо доказать совпадение оледенений и морских регрессий в палеозое и докембрии – но достоверных свидетельств этому в геологической летописи нет.
Гипотеза изменений Мирового океана. Если Мировой океан аккумулирует тепло, то холодные этапы должны соответствовать морским регрессиям, теплые – морским трансгрессиям (рис. 13).
Рис. 13. Распределение ледниковых периодов
и периодов морских регрессий за последние 600 млн. лет [Б. Джон, 1982]
Гипотеза хорошо согласуется с выявленной для кайнозоя последовательностью развития ледников. Согласно гипотезе, кайнозойское оледенение развивалось следующим образом. В олигоцене океанами разделились Южная Америка, Антарктида и Австралия, воды южных частей океанов начали перемешиваться. Антарктида заняла полярное положение, над нею сформировался центр высокого атмосферного давления, начали работать стоковые ветры – сузилась зона господства западных ветров. Антарктида отсеклась от теплых тропических вод двумя кольцами холодных океанических течений: Антарктическим и течением Западных ветров. Итог – развитие антарктических ледников. Похолоданию в северном полушарии предшествовали отделение Средиземного моря от Индийского океана, а также формирование Малайского архипелага – водообмен между океанами в тропических широтах резко ослаб. Закрылся проход теплым водам из Тихого океана в Северный – холодные воды Арктики замкнулись. Скорость льдообразования выросла благодаря опреснению Северного океана, принявшего воды рек Сибири и Северной Америки.
Сильное охлаждение северного полушария началось 3,5 млн лет назад – когда возник Панамский перешеек. Разорвалась связь тропических вод Атлантики и Тихого океана, сформировались теплые течения Гольфстрим и Северо-Атлантическое. На севере Атлантики возросло испарение, и западные ветры обрушили на Евразию снегопады.
Гипотеза инверсий магнитного поля Земли предполагает связь магнитных инверсий с перестройкой ионосферных процессов, в результате чего изменяется общая циркуляция атмосферы, перераспределяются атмосферные осадки. Во многих стратиграфических схемах начало плейстоцена проводится по границе Матуяма – Брюнес.
Гипотезы изменения состава атмосферы Земли можно разделить на две группы: загрязнения атмосферы механическими примесями и изменения газового состава.
Идея о влиянии на климат загрязнения атмосферы механическими примесями обоснована климатологом М.И. Будыко. При активном вулканизме в атмосферу выбрасывается гигантский объем тефры, которая отражает солнечные лучи, и земная поверхность остывает. Правомерность гипотезы доказали бы слои вулканического пепла – не только в подошве каждого моренного горизонта, но и в одновозрастных слоях внеледниковых районов Земли. Таких горизонтов не найдено.
Гипотезы о влиянии газового состава атмосферы разнообразны. Утверждается, что на климат влияет облачность. Небольшое увеличение облачности приведет к потеплению, поскольку расширятся области с морским или переменно-влажным климатом. Сильный рост облачности вызовет охлаждение – солнечные лучи не смогут пробиться сквозь тучи. Предполагается, что на климат влияет содержание в атмосфере трехатомарного кислорода: рост его концентрации ведет к охлаждению, а снижение – к нагреву земной поверхности. Однако, остаются спорными вопросы о происхождении и развитии озонового слоя, да и в целом о его роли на климат Земли. Предлагается учитывать изменения содержания кислорода и СО2 в атмосфере. Считается, что двуокись углерода создает парниковый эффект: СО2 поглощает длинноволновую радиацию Солнца и удерживает тепло. Следовательно, падение уровня СО2 до некоторой, все еще не определенной величины, вызовет сильное похолодание и оледенение. Снижение концентрации углекислого газа может быть вызвано разными причинами. Прежде всего, СО2 поглощается из воздуха живыми организмами, и захоранивается вместе с их останками в горных породах. Значит, после этапов угленакопления, формирования известняков обязано было похолодать. Предположительно, образование доломитов в конце протерозоя привело к оледенениям верхнего рифея – венда. Угленакопление в карбоне обусловило позднепалеозойское оледенение. Отложение известняков в мелу и начале кайнозоя способствовало четвертичному оледенению. Эта схема страдает нехваткой фактических подтверждений – оценить миграцию углекислого газа и ее влияние на палеоклимат пока невозможно.
Гипотезы автоколебаний, в большинстве своем, связаны с гипотезами изменения состава атмосферы.
Одна из гипотез автоколебаний опирается на корреляцию климата с газовым составом атмосферы и развитием органического мира. Чем богаче органический мир, тем больше кислорода в атмосфере. Дальнейший прирост биомассы вызовет падение концентрации СО2 – исчезнет парниковый эффект, остынет поверхность Земли. Распространятся покровные ледники, погибнут растительность и животные. После этого содержание СО2 в атмосфере восстановится, реанимируется парниковый эффект, и произойдет деградация ледников. Расширят свои ареалы представители флоры и фауны, и весь цикл повторится.
Второй вариант идеи автоколебаний предлагает лишь схему развития уже имеющегося ледникового покрова: любой достаточно крупный ледник способен к саморазвитию. Однажды возникнув, ледник “консервирует” морозные условия – за счет роста альбедо и расхода тепла на таяние. Ледник вымораживает влагу из атмосферы и накапливает ее в себе – падает уровень океана, зато растут площади ледника и суши. Температура воздуха падает, обмелевший океан замерзает и перестает испарять влагу – покровный ледник лишает себя источника питания. Содержание пара в атмосфере понижается, над ледником устанавливается антициклон, дуют стоковые ветры, и рост ледника прекращается.