Характеристика климатической системы древней Земли (стр. 2 из 5)

В результате сложного многообразия действующих факторов климат Земли менялся на протяжении всей ее истории. Поскольку процесс эволюции климата продолжается и ныне, а зависимость общества от меняющихся климатических условий возрастает, очень важно понять физические факторы формирования климата. Для этого прежде всего необходимо восстановить историю климата Земли, оценить диапазон возможных изменений климата и его влияния на биосферу, а также влияние климата на различные стороны хозяйственной деятельности человека. История дает немало примеров, когда климатические изменения способствовали как расцвету, так и упадку отдельных цивилизаций. Многие из этих исторических уроков в достаточной мере не осознаны и до сих пор.

Рассмотрим некоторые фактические данные о современном климате, с которым мы в дальнейшем будем сравнивать климат прошлого.

Как известно, в среднем на верхнюю границу атмосферы поступает около 1356 Вт/м² солнечной радиации. Фактически за счет смен времен года, дня и ночи эта величина будет несколько меньше. Часть приходящей солнечной радиации отражается обратно, что определяется альбедо (отражательной способностью) системы "Земля - атмосфера", а часть поглощается атмосферой и главным образом подстилающей поверхностью и переизлучается обратно в виде длинноволнового (инфракрасного) излучения в космическое пространство. Только малая часть (не более 1%) солнечного излучения идет на поддержание кинетической энергии атмосферных движений. Эта часть энергии в конечном итоге диссипируется и превращается в тепло.

Умеренные и высокие широты обоих полушарий (выше ±30-35° широты) - это зоны потери энергии. Экваториальные районы - зоны накопления энергии. Зоной потери энергии является современная Сахара вследствие большого нагрева подстилающей поверхности, большого излучения и сухости атмосферы, которая пропускает уходящее излучение. Данный пример наглядно иллюстрирует роль пустынь в формировании климата. Пустыни как бы сами поддерживают свое существование.

Альбедо в высоких широтах в 2,5-3 раза выше, чем в низких, т.е. в высоких широтах отражается большее количество приходящей энергии.

Приходящая солнечная радиация и отраженная радиация по сезонам года, по широтным зонам распределены неравномерно. Вследствие этого возникает перераспределение энергии между низкими и высокими широтами, чем и обеспечивается сравнительное постоянство климата в определенные периоды в определенных географических зонах.

Указанный межширотный обмен осуществляется благодаря общей циркуляции атмосферы. Главными носителями в механизме перераспределения энергии между широтными зонами являются крупномасштабные атмосферные вихри - циклоны и антициклоны. Их эволюция и динамика во времени приводят к формированию крупных циркуляционных эпох, характеризующихся определенным преобладающим переносом воздушных масс, формированием неустойчивых режимов погоды и крупных погодных и климатических аномалий. Такого же рода процессы протекают и в океане.

Широтная зональная циркуляция является преобладающей. Максимальная интенсивность циркуляции отмечается на широтах 30-35° с. ш. в северном и 40-45° ю. ш. в южном полушариях. Эти зоны получили название зон струйных течений. Вдоль них, преимущественно с запада на восток, осуществляется преобладающее перемещение барических образований (циклонов и антициклонов). Имеются области наибольшей интенсификации зон струйных течений - к востоку от США и над Японией.

В ряде случаев образуются обширные малоподвижные циклоны, которые блокируют западно-восточный перенос. В этом случае в восточной части циклонов южные потоки приносят тепло далеко на север, а в западной части холод проникает далеко на юг. Так возникают аномальные условия погоды.

Изменение климата включает прежде всего общие тенденции изменения температурного, циркуляционного и влажностного режимов атмосферы, климата океана, изменения биосферы, т.е. формирование длительных климатических эпох в геологической истории Земли. Помимо этого каждая климатическая эпоха характеризуется наличием крупных флюктуации климата (климатических аномалий), накладывающихся на фон общих и длительных изменений климата. По этой причине, анализируя историю климата Земли, его эволюцию и влияние на биосферу и самого человека, необходимо отличать общие периоды похолоданий или потеплений, сухие или влажные периоды от изменчивости климата, вызываемые климатическими аномалиями, имеющими меньший характерный временной и пространственный масштабы.

Общие черты климата земли до периода голоцена

Восстановление геологической истории Земли, основанное на методах стратиграфии, т.е. на изучении ископаемых органических остатков, а также на изучении последовательности образования горных пород, помогает воссоздать и общие климатические условия прошлого, т.е. историю климата Земли.

Полагают, что зачатки органической жизни на Земле появились уже в архейскую эру (более 900 млн. лет назад). Однако более отчетливо датировка остатков органической жизни относится к протерозойской эре (продолжительностью 600 млн. лет).

В палеозойскую эру (продолжительностью 325 млн. лет) растительный и животный мир становится важным фактором развития Земли. С этого времени биосфера начинает заметно влиять на эволюцию всей климатической системы, будучи в свою очередь зависимой от климата.

В соответствии с имеющимися представлениями на Земле было не менее трех крупных ледниковых эпох. Последняя имела место около 600 млн. лет назад.

Здесь мы не будем детализировать геологический климат безжизненной Земли. Отметим только, что в истории Земли помимо ледниковых были и очень теплые периоды. Так, в течение фанерозоя (последние 570-650 млн. лет) наблюдался теплый каменноугольный период в палеозое (около 300 млн. лет назад).

В мезозое, около 200 млн. лет назад, наблюдался холодный климат. В третичный период, около 70 млн. лет назад, вновь наступил теплый период.

На рис.1 приведены восстановленные палеотемпературы морской воды за последние 140 млн. лет. Из рисунка видно, что наблюдается повышение температуры примерно с 22 до 30°С по мере удаления в прошлое. На этом фоне фиксируется некоторая периодичность в изменении климата мезозоя и кайнозоя с периодом около 300 млн. лет. В период 100-65 млн. лет назад на Земле было намного теплее, чем теперь, и, возможно, отсутствовали полярные льды. Примерно 55 млн. лет назад начали образовываться и расти полярные шапки. Около 25 млн. лет назад температура существенно понизилась, и климат стал намного холоднее. Примерно 10 млн. лет назад температура еще более понизилась. Мы живем, таким образом, в одну из сравнительно холодных эпох истории Земли, которая еще не окончилась.

Рис.1. Палеотемпературы морской воды в тропической зоне за последние 140 млн. лет (по данным изотопного анализа).

Верхняя кривая характеризует температуру морской воды у поверхности в тропической зоне, нижняя - температуру глубинных вод

Однако внутри данного периода наблюдаются существенные колебания климата, приводящие к формированию ледниковых и межледниковых периодов.

В течение последних 20 млн. лет распределение материков и океанов на нашей планете, по всей вероятности, стало напоминать настоящее. К этому времени земная атмосфера, пройдя длительный период эволюции, приблизилась к современной.

Более или менее надежные косвенные данные имеются о климате четвертичного периода, характерной чертой которого стало формирование биосферы.

Именно в четвертичный период отмечаются существенные колебания климата. Согласно палеоклиматическим данным, в течение последних 2 млн лет средняя температура Земли была близкой к нынешней, т.е. около плюс 15°С и колебалась в пределах ±5-10°С при переходе от ледниковых к межледниковым эпохам.

Следует отметить, что термин "ледниковый-межледниковый период" не означает, что Земля полностью была покрыта льдом или была полностью свободна от него. Есть основания полагать, что и в межледниковые периоды Северный Ледовитый океан не был полностью свободен ото льда, а Антарктический континент был покрыт ледниковым панцирем.

Последние 1,5-2 млн. лет характеризовались чередованием длительных ледниковых периодов средней продолжительностью около 70-120 тыс. лет, прерываемых более короткими межледниковыми периодами в 15-20 тыс. лет.

В эпоху плейстоцена, т.е. в последнее миллионолетие, климат Земли в основном был холодным. Такие условия определяли существование серий длительных ледниковых периодов, влияние которых было

Рис. 2. Средняя температура различных периодов за последние 130-140 тыс. лет

преобладающим по сравнению с влиянием коротких межледниковий. По некоторым палеоданным, наиболее интенсивными были четыре ледниковых периода. По другим данным, в течение последнего миллиона лет наблюдалось около семи ледниковых и межледниковых периодов.

Предпоследний теплый межледниковый период отмечался 75-130 тыс. лет назад. Этот период в Европе получил название земского интергляциала, а в нашей стране - микулинского межледниковья. Климат этого периода был близок к климату последнего межледникового периода, в конце которого мы живем.

Наиболее подробные данные, полученные при анализах колонок континентальных льдов в Гренландии, Антарктиде и в других районах земного шара, имеются об изменениях климата за последние 150 тыс. лет.

На рис.2 приведены результаты анализа климата Земли за последние 130-140 тыс. лет, выполненные по кислороду (в Гренландии) и по радиоуглероду (во Франции). Оба анализа независимо друг от друга указывают на наличие холодного периода в интервале 70-15 тыс. лет назад. В это время средняя глобальная температура была на 2-5°С ниже современной.