4 млн лет тому назад. Оледенение Гренландии возникло много позже и окончательно сформировалось около 3 млн лет тому назад. Такая задержка может быть объяснена тем, что этот крупнейший остров находится почти в тысяче километров от полюса, а кроме того, сказывалось отепляющее влияние северного океана, который, хотя и сильно охладился, но еще не стал ледовитым.
Большие перепады температур между тропиками и полярными областями неизбежно вызывают усиление зональной составляющей в общей циркуляции атмосферы. Широтная зональность климата в свою очередь обостряет сезонные колебания. Происходит усиление переноса воздушных масс, насыщенных влагой, с акваторий Северной Атлантики и северной части Тихого океана на материки Евразии и Северной Америки, что увеличивает там количество атмосферных осадков и приводит к соответствующему увеличению объема речного стока. Особенности рельефа Евразии таковы, что основная доля речного стока направлена в северный океанический бассейн, где в результате стал увеличиваться приток пресных вод.
Значительную роль в преобразовании климата в кайнозое сыграли также горообразовательные процессы. Установлено, что Альпийская и Гималайская горные страны за последние 10—12 млн лет поднялись на 2—3 км. Увеличение высоты континентов неизбежно сопровождается понижением приземной температуры воздуха, а поднятие горных массивов выше снеговой линии создает условия для возникновения ледников.
Продолжавшееся охлаждение земной поверхности в сочетании с ростом сезонных контрастов температуры привело к тому, что часть осадков стала выпадать в твердом состоянии, в виде снега. Появление значительных заснеженных пространств в холодную половину года привело к резкому увеличению альбедо земной поверхности. Напомним, что ровная поверхность, покрытая свежевыпавшим снегом, способна отразить обратно в атмосферу до 95% падающей солнечной радиации (при среднем альбедо Земли около 30%).
Подобное сочетание климатообразующих факторов создает эффект так называемой положительной обратной связи, когда в цепочке последовательных преобразований создаются условия для усиления первоначальных изменений. Остывание земной поверхности понизило температуру до точки замерзания воды и вызвало тем самым появление твердых атмосферных осадков; появление заснеженных пространств увеличило альбедо поверхности и сократило приток солнечного тепла; это в свою очередь привело к еще большему похолоданию.
После образования гренландского ледяного щита покровные оледенения начали возникать на островах крупных арктических архипелагов — Шпицбергене, Земле Франца-Иосифа, Новой Земле, Северной Земле. В то же время на отмелых приустьевых участках сибирских рек, подверженных сильному опреснению, стали создаваться условия для образования морских льдов. Появление на арктическом шельфе морского ледяного покрова еще увеличило долю отраженной солнечной радиации. Процесс охлаждения северной полярной области значительно ускорился.
Климатообразующие факторы существенных изменений в кайнозойскую эру не претерпели. Из-за приливного трения, замедляющего вращение Земли вокруг оси, продолжительность суток увеличивается на 17 секунд за миллион лет. В то же время продолжительность года сохраняется, то есть в начале кайнозоя в сутках насчитывалось 23 ч 41 мин, а в году было 370 суток. Угол наклона плоскости экватора Земли к плоскости ее орбиты за последние 30 млн лет менялся в пределах от 22, 068 до 24, 568° с периодичностью около 41 тысячи лет. Эксцентриситет орбиты Земли, сегодня равный 0, 017, менялся от 0, 0007 до 0, 0658 с периодичностью около 1000 лет. Эти колебания пренебрежимо малы. Светимость Солнца оставалась на современном уровне. Почти не изменялись масса и состав атмосферы. Географическое распределение материков и океанов практически соответствовало современному.
К началу плейстоцена (1, 5—2 млн лет тому назад) средняя годовая температура воздуха в Европе опустилась до 10 °С, а температура воды на поверхности северного океанического бассейна понизилась до 2, 2 °С. Количество пресной воды, поступавшее на поверхность северного океана в виде атмосферных осадков и речного стока, превысило величину испарения, и пресная составляющая в водном балансе северной полярной области стала преобладать. Началось формирование поверхностной холодной распресненной водной массы — древнего аналога современной поверхностной арктической воды.
На этом фоне в плейстоцене произошло резкое изменение климата. Медленное охлаждение, постепенно увеличивавшее суровость климата на протяжении нескольких десятков миллионов лет, сменилось резкими ритмическими колебаниями высокой амплитуды с периодичностью порядка ста тысяч лет. На поверхности Евразии и Северной Америки стали возникать обширные покровные оледенения, сменявшиеся относительно короткими промежутками межледниковий. Сегодня не представляется возможным со всей определенностью датировать начало этих колебаний. По разным оценкам, переход к колебательному режиму произошел в промежутке времени от 1 млн до 700 тыс. лет тому назад. В плейстоцене выделено пять главных эпох оледенения, причем каждая состояла из двух или трех стадий. Самым интенсивным было Рисское (по отечественной терминологии — Днепровское) оледенение, состоявшее из двух стадий, максимумы которых датируются около 230 и 190 тыс. лет тому назад. Тогда в Северном полушарии площадь континентального оледенения превышала современную в 13 раз. Концентрация большого количества пресной воды на материках сопровождалась понижением уровня Мирового океана на 120 м ниже современного, что приводило к увеличению поверхности суши до 163 млн км2. Последнее, Вюрмское оледенение достигало максимума 18 тыс. лет назад.
Ледниковый период и морские льды
Возникновение материковых покровных оледенений было подготовлено общим понижением температуры приземного слоя воздуха и переносом влаги, испарявшейся с поверхности океанов и выпадавшей на материках в твердом виде. Это положение представляется очевидным. Но почему в таком случае материковые оледенения, достигнув некоторой максимальной степени развития, разрушались и формировались вновь без каких-либо заметных изменений климатообразующих факторов? В чем заключается причина цикличности этого процесса?
Согласно современным представлениям, переход от поступательного режима изменений климата к ритмичным колебаниям связан с появлением морских льдов — нового элемента климатической системы Северного полушария. Предположительно это произошло около 700 тыс. лет назад. Арктический океанический бассейн покрылся конжеляционными2 льдами, в природе Земли появился Северный Ледовитый океан. Надо полагать, что переход от безледного режима к ледовому был постепенным, и его установление потребовало нескольких тысяч лет. В конечном итоге арктический морской ледовый покров стал важным звеном в системе океан — атмосфера — ледники — морские льды.
Главным аккумулятором солнечного тепла на Земле является Мировой океан. Высокая теплоемкость и большая масса воды (1, 37
1018 т) сообщают этому звену климатической системы исключительно высокую инерционность. Поглощая и отдавая огромные количества тепла, океан очень мало изменяет свою температуру. Если представить возможным резкое изменение поступления солнечного тепла, то в атмосфере это станет заметным уже через несколько лет, но изменение средней температуры океана может быть замечено только спустя несколько тысяч лет.
Столь же инерционны и наземные покровные оледенения. Континентальные ледниковые щиты типа антарктического или гренландского формируются на протяжении десятков тысяч лет и являются показателем большого дефицита тепла высокоширотных и полярных областей. Для перевода их в жидкое состояние необходимо затратить такое количество тепла, на подведение которого потребуется также несколько тысяч лет. По этой причине высказываемые иногда прогнозы скорого таяния ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии, что должно повлечь за собой катастрофическое затопление низменных приморских районов, мягко говоря, несостоятельны.
Морской ледовый покров Арктики появился в результате глубокого охлаждения северной околополярной области и увеличения пресной составляющей водного баланса. Сформировавшаяся в поверхностном слое Северного Ледовитого океана распресненная арктическая водная масса оказалась отделенной от глубоководной части устойчивым галоклином, препятствующим обмену теплом с нижележащими слоями воды, что и делает возможным существование морского льда в Арктике.
Появление морского льда на площади свыше 10 млн км2 резко увеличило альбедо на акватории Арктического бассейна и привело к дефициту тепла. Это обстоятельство способствовало дальнейшему развитию наземных оледенений Евразии и Северной Америки, которые в результате слились в единый ледниковый покров в северной полярной области Земли. Южные границы оледенения постепенно достигли предельного положения, где дальнейшее разрастание ледникового покрова начало тормозиться процессами таяния в умеренных широтах. Накопление льда повышало высоту ледяных куполов, а изъятие влаги из океана приводило к понижению уровня воды. Когда уровень опустился ниже порога Берингова пролива, прекратился водообмен с Тихим океаном. Сплошной ледниковый покров лишил Северный Ледовитый океан атмосферных осадков, которые теперь выпадали на лед, в то же время прекратился и речной сток.
Оледенение северной полярной области понизило температуру воздуха над Северной Атлантикой и северной частью Тихого океана. Уменьшилось испарение, что вызвало сокращение переноса влаги с океанов на материки, питание ледникового щита сократилось. Арктический атмосферный фронт, связанный с положением кромки морских льдов, сместился к югу. По этой причине атлантические циклоны стали проходить значительно южнее, что еще сократило количество осадков над акваторией Северного Ледовитого океана. Все это время Мировой океан продолжал накапливать тепло в экваториальном и тропическом поясах. Происходило обострение температурных контрастов между экватором и полюсом. Продвижение ледникового щита к югу существенно замедлилось, а затем и вовсе прекратилось.