Лекция 16. Исторические изменения климата до четвертичного периода
I0 |
(t) |
|
I0 |
|
t 0-4.6 млрд.лет (возраст Солнца) |
|
|
I 0-современное значение |
|||
|
0.4(1 |
t / t0 ) |
|||
|
1 |
|
|||
Венера
0.95 АЕ
Земля
1.67 АЕ
Марс
Климат докембрия (≈4 млр.лет(87%): катархей, архей, протерозой)
Только геологический метод
После формирования Земли из протопланетного облака и прекращения бомбардировок кусками протопланетного вещества (в это время температура варьировала значительно):
- распалась большая часть радиоактивных изотопов элементов, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- уменьшилась диссипация энергии приливов (благодаря отодвиганию Луны), |
|
|
|
|
|
- произошла значительная гравитационная дифференциация земного вещества. |
|
|
|
|
|
Основными факторами, влияющими на температуру поверхности Земли остались: |
2000 |
|
|
|
|
- поток солнечной энергии, поступающей к Земле; |
|
|
|
|
|
- условия прохождения через атмосферу (парниковый эффект). |
|
|
|
|
|
Солнечная светимость и парниковый эффект изменялись разнонаправлено – |
|
|
|
|
|
солнечная светимость постепенно росла (вначале составляла 1/3), а парниковый |
|
|
|
|
|
эффект в целом уменьшался от очень высокого при начальной дегазации земных |
|
|
|
|
|
недр и отсутствия путей вывода из атмосферы. Эти разнонаправленные процессы |
|
|
|
|
|
позволили удерживать температуры на поверхности Земли в относительно узком |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
коридоре, в котором возможна биологическая жизнь. |
|
|
|
|
|
В катахее большая часть земной поверхности была расплавлена. |
|
Эра |
Год (дни) |
Сутки |
|
В первой половине архея температуры на поверхности опустились до уровня примерно |
|
||||
|
|
|
|
(часы) |
|
1500С и ниже, что в условиях мощной атмосферы с высоким давлением, позволило начать |
|
Катархей |
|
|
3-6 |
конденсироваться водяным парам. |
|
|
|
||
Наличие жидкой воды включило механизмы геохимического, неорганического вывода |
|
Архей |
900 |
|
9 |
углекислого газа из атмосферы. В это время температура опустилась примерно до 70-90 °С, |
|
||||
Протерозой |
600 |
|
10-15 |
||
и сохранялась на таком уровне почти до конца архея. |
|
|
|||
К концу архея, примерно около 2,5 млрд. лет назад значительно уменьшилась тектоническая активность, что уменьшило дегазацию недр. Ускорился и вывод углекислого газа из атмосферы. В результате всего за сотню-полторы миллионов лет основные запасы углекислого газа были выведены из атмосферы, наступило первое в истории земли мощное оледенение, известное как гуронское (2.5-2.1 млрд. лет назад). Оно продолжалось более сотни миллионов лет, и средняя температуры на поверхности Земли на уровне моря в это время составляла менее 10°С. В дальнейшем произошло некоторое накопление углекислого газа в атмосфере, и температуры повысились, хотя так и не достигли архейских значений. Средние температуры большей части протерозоя
составляли около 35-40 °С.
В период примерно 900-600 млн. лет назад на Земле вновь прошла череда сильнейших оледенений (Гнейсенское 950-900; Стертское 810-715; Варангское 680-570). Они были вызваны широким распространением к тому времени живых организмов, способных к фотосинтезу, причем в условиях, очень хороших для захоронения органики (отсутствие кислорода на океанических глубинах) и вывода углекислого газа из атмосферы на длительный срок. Периодичность чередование таких оледенений была вызвана, вероятно, изъятием очень больших объемов углекислого газа из атмосферы биотой, похолоданием и оледенением, и в конце гибелью большей части биомассы, что приводило к сильному сокращению вывода углекислого газа из атмосферы, его накоплению в атмосфере вновь, и опять к потеплению и возрождению жизни.
Варангское 680-570 млн.лет
Климат фанерозоя
К началу фанерозоя (около 600 млн. лет назад) в атмосфере накопилось очень много кислорода, кроме того, вода океанических глубин также насыщалась кислородом, благодаря совокупности биологических, так и геохимических факторов.
В результате заработали и механизмы окисления, эффективно возвращающие часть захороняемого углерода из органики обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Благодаря этому, мощные колебания содержания углекислого газа в атмосфере, и соответственно парникового эффекта, уменьшились, и климатическая система стала стабильнее.
Начиная с фанерозоя, изменения средней глобальной температуры стали относительно небольшими до 10-15 градусов. В основном, это была более теплая эпоха, по сравнению с современностью, хотя за это время и произошли три оледенения, не достигшие однако, масштаба оледенений протерозоя. Это оледенения на границе верхнего ордовика- нижнего силура (Ордовикское 460-420 млн. лет назад), слабое оледенение верхнего девона (370-355 млн. лет назад), и наиболее мощное среди них, пермо-карбоновое (Гондванское 350-230 млн. лет назад), начавшееся в каменноугольном периоде. Связаны с выводом из атмосферы СО2.
Возможны колебания климата с периодами в 150-250 млн. лет, что обусловлено накоплением захороненого углерода в предыдущие эпохи. Благодаря движению океанической коры и явлению постоянного подныривания и задвига одних плит под другие (субдукция), происходит модуляция выброса вулканами углекислого газа и метана в атмосферу, а также из запасов углерода, накопленного на океаническом дне в предыдущие эпохи.
Мезозой Меловой
Юрский
|
|
Триас |
|
|
|
Пермь |
|
|
|
Карбон |
|
Палеозой |
Девон |
||
Силур |
|||
|
|
||
|
|
Ордовик |
|
|
|
Кембрий |
|
а) Изменение содержания углекислого газа в атмосфере (в количествах, кратных современной концентрации), средней глобальной температуры, средней температуры тропических широт, а также величины оледенения начиная от начала фанерозоя (ок. 600 млн. лет назад) и до настоящего времени (Crowley, T.J. and Berner, R.A., 2001, CO2 and climate change,
Science 292: 870-872); б) сглаженные данные изменения температуры от докембрийских эпох до наших дней, с указанием конкретного температурного коридора.
Ордовикское 460-420 млн. лет назад |
Период |
Год (дни) |
Сутки (часы) |
|
Кембрийский |
424-412 |
21 |
||
|
||||
|
Ордовикский |
412-402 |
|
|
|
Девонский |
396 |
22 |
|
|
Каменноугольный |
393-390 |
|
|
|
Пермский |
385 |
|
|
|
Триасовый |
381 |
23 |
|
|
Юрский |
377 |
24 |
Гондванское 350-230 млн. лет назад |
Каменноугольный период |
|
Пермский период
Палеоклиматическая реконструкция Альфреда Вегенера. Показаны оледенения (Е), болота (К — уголь) и пустыни (S — соль, G — гипс, W — песчаники пустынь), заштрихованы аридные климатические области.
Кривая относительной глобальной температуры для фанерозоя (Герман, 2009)
Климат
умеренный, понижение, 4 оледенения, потепление
умеренный, во второй половине понижение температуры
теплый, равномерный
теплый (Т=250С), во второй половине похолодание.
теплый тропический или субтропический, зональность, сезонные колебания (Пангея от с.п. до ю.п., океан Тетис), Т=24.50С.
резкая зональность и возрастание засушливости, формирование Пангеи.
теплый и влажный, в конце оледенение (Т=80С), вымирание животных, перемещение плит.
теплый, чередование сухих и дождливых сезонов (Т=250С). вначале сухой, затем влажный с потеплением (Т=200С).
умеренный и влажный, в конце оледенение (30% суши, толщина льда 2 км, Ю.п. в Сахаре)
умеренный и влажный, затем сухой и теплый, суша в тропических и умерен. широтах.
Древний климат до четвертичного периода был теплее. Диапазон изменений глобальной температуры составлял 10-150С (от 10 до 250С, при оледенениях Т была на 5-60С ниже современной)
Изменение основных климатических характеристик в фанерозое
Причина расхождений в оледенениях: географическая (Южный полюс находился внутри континента и был ограниченный приток теплых вод из низких широт в высокие).
Причины высоких температур мезозоя и начала кайнозоя: большое содержание СО2 и оба полюса
располагались в океанах, где циркуляция водных масс обеспечивала обогрев полярных районов.
Отклонения температуры воздуха от современных значений (1 – расчет Будыко, 1985 по S0, α, СО2;
2 – на основе палеоиндикаторов, Frakes, 1979).
Изменения количества углекислого газа в атмосфере и скорость образования вулканогенных пород в течение фанерозоя (Athaturov M.L. and others, 1986)
Средние широтные распределения среднегодовых температур(Борзенкова, 2003):
1 – поздний мел по МОЦА; 2 – макс. Т мелового периода; 3 – средний плиоцен (3-4 млн. лет назад), 4 – современные изменения,
5 – вюрмское оледенение (18 тыс. лет назад).
зменение характеристик климата в фанерозое
Изменение глобальной температуры
Совместное изменение Т и СО2.