книги из ГПНТБ / Будыко, М. И. Изменения климата

120 Глава 4. Климаты прошлого

после появления крупных полярных оледенений, которые, явились основной причиной высокой чувствительности климатов четвертич­ ного времени к малым изменениям климатообразующих факторов. В более ранние эпохи, когда полярных оледенений не существо­ вало, происходили такие же изменения астрономических факто­ ров, как и в четвертичное время, однако их влияние на климат было сравнительно невелико. Масштаб этого влияния, по-види­ мому, соответствует результатам расчетов по нашей модели тер­ мического режима атмосферы и по модели Зальцмана—Верне- кара, представленным на рис. 22.

Как видно из данных на этом рисунке, колебания астрономи­ ческих факторов при отсутствии полярных ледяных покровов из­ меняют температуру воздуха на величину, не превосходящую 1°.

Следовательно, в дочетвертичное время астрономические фак­ торы не оказывали большого влияния на изменение климатических условий.

Таким образом, для объяснения причин возникновения четвер­ тичных оледенений существенное значение имеет вопрос о причи­ нах понижения температур в полярных зонах, произошедшего в плиоцене.

Роль атмосферной углекислоты. Вопрос о влиянии углекислого газа на климат рассмотрен в следующем разделе этой главы, где установлено, что изменения концентрации углекислого газа в атмо­ сфере не оказывали влияния на термический режим, пока эта кон­ центрация была выше 0,10%. В таких условиях средняя глобаль­ ная температура воздуха была приблизительно на 5° выше совре­ менной.

При уменьшении концентрации углекислоты ниже указанного значения средняя температура воздуха начала понижаться, сна­ чала медленно, а затем все быстрее.

Если принять приведенную ниже оценку средней скорости убы­ вания содержания углекислоты со времени пермского периода, равную 0,03 % за миллион лет, то окажется, что обусловленное уменьшением концентрации углекислоты снижение температуры началось примерно 2 млн. лет тому назад.

Можно думать, что данная средняя оценка скорости изменения содержания углекислоты, относящаяся к огромному интервалу времени, для конца этого интервала преувеличена и что фактиче­ ская скорость уменьшения концентрации углекислого газа в плио­ цене—плейстоцене была меньше указанной величины. Если мы примем, что колебания полярных оледенений в обоих полушариях начались около 700 тыс. лет назад и это имело место, как ука­ зывается в следующем разделе, при концентрации углекислого газа, близкой к 0,042%, то, считая, что указанная концентрация до начала эпохи промышленного развития была равна 0,029% (см. гл. 6), найдем, что за последний миллион лет концентрация углекислоты уменьшилась примерно на 0,02%.

4.1. Четвертичный период

121

Приняв, что эта оценка соответствует также условиям плио­ цена, найдем, что похолодание, обусловленное понижением содер­ жания углекислоты в атмосфере, началось около 4 млн. лет тому назад.

Расчеты по формулам полуэмпирической теории термического режима показывают, что первое полярное оледенение должно было возникнуть в южном полушарии, где большая часть поляр­ ной зоны занята материком Антарктиды.

Отсутствие притока тепла от морских течений, который оказы­ вает существенное влияние на климат северной полярной зоны, и наличие гор с более низкими температурами на их поверхности ускорили развитие антарктического ледника. Так как по данным полуэмпирической теории термического режима современные раз­ меры этого ледника обеспечивают снижение средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности примерно на 2°, то вероятно, что его развитие ускорило появление полярного ледя­ ного покрова в северном полушарии.

Таким образом, уменьшение концентрации углекислого газа в атмосфере при положении континентов, благоприятном для сни­ жения температуры у полюсов, могло привести к развитию поляр­ ных оледенений.

Заслуживает внимания вопрос,, могли ли колебания концентра­ ции углекислоты в четвертичное время вызвать наступания и от­ ступания ледяного покрова.

Из материалов, приведенных в следующем разделе, видно, что границы полярных оледенений перемещаются на 5—10° широты при изменениях концентрации углекислоты всего на 0,005—0,010%, г. е. на ’/б—7з ее современного содержания. Хотя такие изменения сравнительно невелики, нет никаких данных о том, что они дейст­ вительно имели место в эпохи развития и сокращения оледенений.

В противоположность этому, не подлежит сомнению, что в чет­ вертичное время периодически изменялось положение земной по­ верхности в отношении Солнца. Поскольку приведенные выше расчеты показывают, что связанные с этой причиной изменения радиационного режима были достаточны для развития оледене­ ний, можно думать, что колебания концентрации углекислоты не были причиной наступания и отступания ледяного покрова.

Роль вулканической деятельности. В первой главе указано, что ряд авторов считали вулканическую деятельность существенным фактором изменений климата в четвертичное время.

Из общих соображений следует, что колебания вулканической активности могут влиять на климатические условия в результате изменения содержания углекислого газа в атмосфере и из-за по­ нижения прозрачности атмосферы после вулканических извержений взрывного характера.

Первый из этих механизмов при низком уровне содержания углекислого газа в четвертичное время способствовал повышению

122 Глава 4. Климаты прошлого

температуры воздуха, второй во все эпохи приводил к понижению температуры.

Можно предположить, что в четвертичное время второй путь влияния вулканической деятельности на климат был более эффек­ тивным, чем первый. Если в результате вулканических извержений в атмосферу поступали сравнимые по массе количества углекис­ лого газа и сернистого газа, то их влияние на термический режим было очень различным. Относительно небольшие массы сернистого газа, не превышавшие нескольких миллионов тонн, достаточны для заметного изменения прозрачности атмосферы в результате образования аэрозольных частиц в нижней стратосфере. Эти из­ менения прозрачности могли привести к существенному снижению температуры воздуха у земной поверхности (см. гл. 3 и 7). Такое же или даже в тысячи раз большее количество углекислого газа очень мало изменяло массу атмосферной углекислоты и, следова­ тельно, не оказывало влияния на климат.

Это заключение подтверждается изменениями средней глобаль­ ной температуры в период значительно ослабленной вулканиче­ ской активности (20—30-е годы нашего века), когда эта темпера­ тура заметно повысилась.

В соответствии с приведенными в следующем разделе данными следует думать, что на протяжении сотен миллионов лет преобла­ дала тенденция к снижению содержания углекислого газа в атмо­ сфере, однако, как отмечено выше, у нас нет материалов, доказы­ вающих, что в течение четвертичного времени на фоне постепен­ ного уменьшения количества атмосферной углекислоты были эпохи значительного повышения ее концентрации.

Считая, что повышение вулканической активности в четвертич­ ное время приводило к понижениям температуры воздуха, следует оценить возможные величины этих понижений.

Рассмотренный в следующем разделе этой главы механизм крат­ ковременных резких колебаний температуры воздуха на всей пла­ нете, обусловленных статистическими закономерностями совпаде­ ния во времени ряда вулканических извержений, за сотни тысяч лет мог быть причиной неоднократных понижений температуры воздуха на несколько градусов в течение десятилетий. Можно ду­ мать, что такие изменения температуры не оказывали существен­ ного влияния на развитие оледенений.

Возможно, что колебания числа и мощности вулканических извержений взрывного характера для интервалов времени в сотни и тысячи лет могли иметь большее значение для климатических условий четвертичного времени.

Из материалов третьей главы следует, что повышение средней глобальной температуры в первой половине XX в. было ограни­ чено величиной около 0,5° в значительной мере из-за краткости периода повышенной прозрачности атмосферы. Если бы этот пе­ риод продолжался не несколько десятилетий, а несколько столе­

4.1.	Четвертичный период	123
тий, морские полярные льды	должны были значительно	умень­

шиться, что привело бы к дополнительному заметному повышению температуры. Аналогичное положение было бы при длительном уменьшении прозрачности атмосферы, снижающем среднюю сум­ марную радиацию на несколько десятых процента, т. е. на вели­ чину ее изменений в эпоху современного изменения климата. Та­ кое уменьшение было бы достаточным для перемещения поляр­ ных льдов в более низкие широты на сотни километров, т. е. на расстояния, сравнимые с перемещениями льдов в эпохи крупных оледенений.

Таким образом, изменения вулканической активности, имевшие место в течение последнего столетия, могли бы обеспечить появ­ ление и прекращение ледниковых эпох, если бы они продолжались достаточно долго, т. е. тысячи и десятки тысяч лет.

К сожалению, имеющиеся сведения о частоте вулканических извержений недостаточны для количественного расчета этих коле­ баний за длительные интервалы времени. Статистические оценки, основанные на анализе повторяемости извержений как случай­ ного процесса, более надежны для коротких периодов времени, когда число извержений остается значительно меньшим числа дей­ ствующих вулканов. Из материалов о несомненно имевших место эпохах повышенной вулканической активности трудно получить оценку изменений прозрачности атмосферы и длительности этих изменений в течение соответствующих эпох.

В связи с этим для оценки роли вулканической активности в развитии четвертичных оледенений главное значение имеет полу­ ченный выше вывод о том, что изменения астрономических факто­ ров были достаточны для развития и разрушения оледенений.

Из этого следует, что вулканическая деятельность не была главным фактором эволюции ледяного покрова, хотя колебания вулканической активности могли оказывать влияние на климати­ ческие условия четвертичного времени. Вероятно, что это влияние было менее существенным по сравнению с влиянием изменений астрономических факторов и, по-видимому, проявлялось главным образом при менее длительных интервалах времени.

С этой точки зрения заслуживает внимания вопрос о причинах колебаний климата за последние несколько тысяч лет, краткая характеристика которых дана в первой главе книги.

Эти колебания происходили в течение интервалов времени по­ рядка нескольких сот или тысяч лет, что исключает возможность их связи с астрономическими факторами климата, периоды изме­ нений которых значительно более продолжительны.

В работе Ауера (Auer, 1956 и др.) были установлены эпохи повышенной вулканической активности: 1) около 7000 г. до н. э„

2) 3500—3000 гг. до н. э., 3) 500—200 гг. до н. э., 4) 1500—1900 гг.

н. э. Лем (Lamb, 1970) считает, что вулканическая деятельность могла оказывать влияние на климатические условия указанных

124 Глава 4. Климаты прошлого

эпох, хотя это влияние, по его мнению, было не единственной при­ чиной происходивших тогда изменений климата.

Поскольку колебания климата в голоцене характеризовались сравнительно небольшими изменениями температуры воздуха, они могли быть обусловлены связанными с изменениями вулканиче­ ской деятельности колебаниями прозрачности атмосферы. Наряду с этим они могли зависеть от автоколебательных процессов, разви­ вающихся в системе океан—полярные льды—атмосфера.

Причины изменений климата. Своеобразные климатические условия четвертичного времени, по-видимому, возникли из-за уменьшения содержания углекислого газа в атмосфере и в резуль­ тате рассмотренного в следующем разделе этой главы процесса перемещения континентов и подъема их уровня, что привело к частичной изоляции Северного полярного океана и размеще­ нию антарктического материка в полярной зоне южного полу­ шария.

Четвертичному периоду предшествовала обусловленная изме­ нениями поверхности Земли длительная эволюция климата в сто­ рону усиления термической зональности, что выражалось главным образом в снижении температуры воздуха в умеренных и высоких широтах.

В плиоцене на климатические условия начало оказывать влия­ ние уменьшение концентрации атмосферной углекислоты, что при­ вело к снижению средней глобальной температуры воздуха на 2—3° (в высоких широтах на 3—5°), после чего появились поляр­ ные ледяные покровы, развитие которых привело к дальнейшему снижению средней глобальной температуры и особенно темпера­ туры в высоких широтах.

Возникновение полярных ледяных покровов резко повысило чувствительность термического режима к малым изменениям кли­ матообразующих факторов. Это сделало возможным громадные колебания границ снежного и ледяного покровов на суше и океа­ нах под влиянием изменений положения земной поверхности в от­ ношении Солнца, которые ранее не оказывали заметного влияния на климат.

Продолжающееся снижение концентрации углекислого газа в атмосфере способствовало усилению более поздних оледенений по сравнению с более ранними, хотя главное влияние на масштабы оледенений оказывало сочетание астрономических факторов,

определявших положение поверхности Земли	по отношению
к Солнцу.	астрономических
По-видимому, по сравнению с изменениями

факторов, все другие причины оказывали меньшее влияние на ко­ лебания климата в четвертичное время, хотя весьма вероятно, что изменения вулканической активности могли иметь существенное

значение для колебаний климата за периоды времени до сотен или тысяч лет.

4.2.	Дочетвертичное время	125
4.2.	ДОЧЕТВЕРТИЧНОЕ ВРЕМЯ
Вековой ход температуры.	Как отмечено в первой	главе, по

мере отдаления от нашего времени количество сведений о клима­ тических условиях прошлого уменьшается, а трудности интерпре­ тации этих сведений возрастают.

Наиболее надежную, хотя и довольно схематичную информа­ цию о климатах отдаленного прошлого мы имеем из данных о не­ прерывном существовании на нашей планете живых организмов. Экология этих организмов могла, конечно, сильно отличаться от экологии современных родственных им форм, тем не менее мало вероятно, чтобы они существовали вне пределов сравнительно уз­ кого интервала температур, от 0 до 50° С, который в наше время ограничивает активную жизнедеятельность подавляющего боль­ шинства животных и растений.

На этом основании можно думать, что на значительной части Земли за все время существования живых организмов, т. е. до 2—3 млрд, лет, температура ее поверхности, нижнего слоя воздуха и верхнего слоя водоемов не выходила из указанных пределов.

Этот интервал температуры очень мал по сравнению с разли­ чиями температуры планет солнечной системы, что свидетельст­ вует о сравнительно малой изменчивости климатов Земли.

Фактические колебания средней температуры поверхности Земли за длительные интервалы времени были меньше указанного интервала температур и в большинстве случаев не превосходили несколько градусов за десятки миллионов лет.

Из этого можно сделать заключение о трудности исследования изменений термического режима Земли в прошлом по эмпириче­ ским данным, так как погрешности определения температуры как методом анализа изотопного состава органических остатков, так и другими известными сейчас методами составляют обычно не меньше нескольких градусов.

Другая трудность изучения климатов более отдаленных эпох, отмеченная в первой главе, обусловлена неясностью положения различных областей по отношению к полюсам в результате дви­ жения континентов и возможного перемещения полюсов.

В связи с этим мы ограничимся рассмотрением векового хода температуры воздуха для второй половины мезозойской эры и тре­ тичного периода, используя для данной цели материалы Эмилиани (Emiliani, 1966), полученные в результате определения палеотем­ ператур методом изотопного анализа.

Кривая 1 на рис. 23 изображает установленный Эмилиани ве­ ковой ход средней температуры поверхностного слоя океанов в умеренных широтах.

Как видно из этого рисунка, на протяжении последних 130 млн. лет существовала тенденция к снижению средней температуры воздуха у земной поверхности. Эта тенденция несколько раз

126	Глава 4. Климаты прошлого
Г°с	нарушалась	заметными
	повышениями	температу­
	ры воздуха, которые, од­
	нако, сменялись похоло­
	даниями и не	изменяли

			общего направления эво­
			люции климата.					ука­
			Для		объяснения
			занного изменения клима­
			тических условий следует
			рассмотреть			влияние			на
			термический режим коле­
			баний		состава атмосфер­
			ного	воздуха		и	строения
			земной поверхности.
			Атмосферная				углекис­
			лота. При изучении при­
			чин	изменений			климата
			в дочетвертичное					время
			заслуживает внимания во­
	Рис. 23. Вековой ход температуры в умерен­		прос о зависимости тер­
			мического режима возду­
	ных широтах северного полушария.
	1—данные наблюдений,	2 — результаты расчета.	ха от уменьшения количе­
			ства	углекислого газа					в
	Углекислый газ,		атмосфере.
		часто называемый в метеорологии углекисло­

той, сейчас является одной из сравнительно небольших по вели­ чине компонент атмосферного воздуха. В- современную эпоху атмосфера содержит около 2,3 - 1012 т углекислоты, что со­ ставляет 0,032% всего атмосферного воздуха (объемные про­ центы).

Значительно большее количество углекислоты содержится в ги­ дросфере, где (в основном в водах океанов) растворено около 130-1012 т углекислого газа. Между атмосферой и гидросферой осу­ ществляется постоянный обмен углекислым газом путем молеку­ лярной и турбулентной диффузии.

Измерения концентрации углекислоты в атмосфере показы­ вают, что она мало изменяется в различных географических райо­ нах, а также с высотой в пределах тропосферы. Сравнительное постоянство содержания углекислого газа в атмосфере по сравне­ нию с водяным паром объясняется меньшей изменчивостью мощ­ ности источников и стоков углекислого газа на земной поверхности и отсутствием существенной зависимости содержания углекислоты от температуры. Из данных наблюдений следует, что концентра­ ция углекислого газа немного возрастает в области экватора и уменьшается на величину около 0,005% в высоких широтах. Такое изменение объясняется более высокой растворимостью углекис­

4.2. Дочетвертичное время

127

лого газа в холодных водах океанов высоких широт по сравнению с теплыми водами тропиков. В результате этого в высоких широ­ тах атмосфера теряет часть углекислоты, которая растворяется в океанах, где избыток углекислого газа переносится холодными глубинными течениями в низкие широты, после чего он возвраща­ ется в атмосферу. Величина обусловленного этим механизмом потока углекислоты между экватором и Северным полюсом состав­ ляет около 2 • 1010 т/год (Bolin and Keeling, 1963).

Существует постоянный обмен углекислого газа между атмо­ сферой и гидросферой с одной стороны и живыми организмами и литосферой с другой. Этот круговорот имеет исключительное значение для поддержания жизни на нашей планете.

Главные компоненты круговорота углекислоты определяются биологическими процессами. Углекислый газ поглощается авто­ трофными растениями при фотосинтезе, который прямо или кос­ венно обеспечивает энергией подавляющее большинство живых организмов. В ходе жизнедеятельности этих организмов (в част­ ности, в процессе дыхания) углекислота возвращается в атмо­ сферу и гидросферу.

Определенное количество углекислоты поступает в атмосферу из глубин земной коры, откуда она выделяется при вулканических извержениях, из минеральных источников и т. д. Углекислота рас­ ходуется в процессе выветривания силикатных пород и при обра­ зовании различных углеродных соединений.

Таким образом, в балансе атмосферной углекислоты имеются два цикла — биологический и геологический, в каждом из которых осуществляется приход и расход углекислого газа. Имеющиеся данные показывают, что биологические компоненты ежегодного круговорота углекислоты значительно превосходят геологические составляющие этого процесса.

Расход углекислого газа на фотосинтез за год в современную эпоху составляет около 10й т. Столько же углекислоты образу­ ется в процессе дыхания и в результате разложения живых орга­ низмов. Из глубин земной коры поступает значительно меньшее количество углекислоты — около 108 т. Такое же по порядку вели­ чины количество углекислоты расходуется в различных геологи­ ческих процессах (Plass, 1956, Muller, 1960; Lieth, 1963, и др.).

Живые организмы, продукты их жизнедеятельности и лито­ сфера содержат большие количества углерода, полученного из атмосферы и гидросферы в форме углекислого газа. Количество углерода в живых организмах, по-видимому, соответствует около 1012 т углекислого газа (оценки этой величины различными авто­ рами заметно различаются — см. Takahashi, 1967, Man’s Impact on the Global Environment, 1970, и др.).

Количество углерода в литосфере соответствует около 2 • 1017 т углекислоты, основная часть которой связана в карбонатных поро­ дах (Виноградов, 1972).

128 Глава 4. Климаты прошлого

Хотя приведенные здесь оценки компонент баланса углекис­ лоты и запасов углерода в различных природных средах имеют очень приближенный характер, из них можно сделать некоторые выводы о темпах круговорота углекислоты.

Так, в частности, живые организмы обладают относительно малой «углекислотной емкостью» — в них углерод возобновляется за сравнительно короткое время, составляющее в среднем около 10 лет. Среднее время возобновления углекислоты в атмосфере составляет около 20 лет. Время, в течение которого происходило накопление углерода в литосфере, очень велико и сравнимо с дли­ тельностью существования биосферы.

Есть основания считать, что в геологическом прошлом кон­ центрация углекислоты в атмосфере значительно отличалась от ее современной величины. Из этого следует, что сумма всех форм прихода углекислого газа в атмосферу и его расхода во многих случаях была не равна нулю.

Можно, однако, заключить, что отличие этой суммы от нуля за каждый год составляет очень малую часть абсолютной вели­ чины главных членов баланса атмосферного углекислого газа. Так, например, если мы предположим, что за последний миллион лет концентрация углекислоты в атмосфере уменьшилась вдвое, это будет соответствовать изменению ее значения за год на величину,

составляющую всего	0,002% ежегодной величины фотосинтеза.
В геохимических	исследованиях получены данные о том, что

в течение последней части геологической истории Земли преобла­ дала тенденция к уменьшению концентрации углекислоты в атмо­ сфере.

По представлениям А. П. Виноградова (1967 и др.) атмосфер­ ная углекислота, наряду с некоторыми другими газами атмосферы, возникла в ходе зонного плавления мантии Земли, нагретой про­ цессами распада радиоактивных элементов. В протерозойское время атмосфера была анаэробной и содержала большое коли­ чество углекислого газа. С конца протерозоя состав атмосферы начал изменяться под влиянием фотосинтеза. При этом постепенно увеличивалось количество кислорода и атмосфера приобретала окислительный характер. Рост содержания кислорода сопровож­ дался снижением концентрации углекислоты.

В работах А. Б. Ронова (1959, 1964, 1972) рассмотрены зако­ номерности изменения количества углекислого газа в атмосфере

вгеологическом прошлом. Как установлено в этих исследованиях,

вконце палеозоя и мезозое концентрация углекислоты постепенно снижалась, главным образом в результате расхода углекислого газа на формирование карбонатных пород. В эпохи повышенной вулканической активности количество углекислоты в атмосфере не­ сколько возрастало.

Оценки концентраций атмосферной углекислоты в различные геологические периоды имеют очень приближенный характер. Име­

4.2. Дочетвертичное время

129

ется, в частности, предположение, что концентрация углекислого газа в пермском периоде (около 250 млн. лет тому назад) состав­ ляла 7,5% (Hoffman, 1951). Исходя из этой оценки можно заклю­ чить, что в мезозое и кайнозое средняя скорость убывания кон­ центрации углекислоты составляла около 0,03% за миллион лет.

Существуют и другие точки зрения об изменении концентрации углекислого газа в геологическом прошлом. Так, в частности, Руттен (Rutten, 1971) считает, что наибольшие значения этой кон­ центрации в фанерозое превосходили ее современный уровень не более чем в 10 раз. Это соответствует предположению о том, что основная часть свободной углекислоты была удалена из атмосферы в протерозое, после чего скорость убывания концентрации угле­ кислого газа резко снизилась.

Очевидно, что вопрос об изменении количества атмосферного углекислого газа в прошлом нуждается в дальнейшем исследо­ вании. До получения более надежных данных естественно исполь­ зовать наиболее простое предположение о линейном убывании концентрации углекислого газа в течение конца протерозоя и фанерозоя. Из такого предположения вытекает указанная выше оценка концентрации углекислого газа для пермского периода.

Остановимся на вопросе о влиянии, которое оказывает концент­ рация атмосферной углекислоты на живую природу.

Растительный покров суши в основном состоит из автотрофных растений, создающих органическое вещество из атмосферного углекислого газа и поступающих из почвы воды и минеральных веществ. Наряду с атмосферной углекислотой растения могут ис­ пользовать также почвенную углекислоту, однако ее количество обычно незначительно по сравнению с углекислотой, получаемой из атмосферного воздуха. Автотрофные растения гидросферы используют в фотосинтезе углекислый газ, растворенный в воде.

Уже давно было установлено, что при более или менее доста­ точном приходе радиации и при других благоприятных для фото­ синтеза условиях скорость его существенно лимитируется низким содержанием углекислого газа в атмосфере и в водоемах.

Многочисленные эксперименты показывают, что увеличение концентрации углекислоты позволяет при прочих равных усло­ виях значительно повысить скорость фотосинтеза. Для большин­ ства растений скорость фотосинтеза возрастает при увеличении концентрации углекислоты до нескольких десятых процента. После этого рост скорости фотосинтеза прекращается, а при кон­ центрациях выше нескольких процентов фотосинтез начинает убывать.

Значительное увеличение фотосинтеза при повышенных кон­ центрациях углекислоты часто истолковывают как свидетельство приспособления автотрофных растений в ходе их эволюционного развития к более высоким концентрациям углекислоты, которые имели место в прошлом.

9 Зак. № 397