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

140 Глава 4. Климаты прошлого

Заслуживает внимания вопрос о причинах повышений и пони­ жений температуры (см. кривую 1 на рис. 23), относящихся к ин­ тервалам времени в десятки миллионов лет. Вопрос о достовер­ ности этих колебаний температуры и об их глобальном характере не вполне ясен в свете имеющихся разногласий в интерпретации данных о палеотемпературах мезозойского и третичного времени (см. Тейс, Найдин, 1973). Можно предположить, что эти колеба­ ния температуры были связаны с локальными изменениями цир­ куляционных процессов в атмосфере и океанах.

Один из возможных результатов влияния строения земной по­ верхности на климат заключается в развитии континентальных ледников. В горах на определенной высоте, зависящей от темпе­ ратуры воздуха на уровне моря и осадков, часто возникает по­ стоянный снежный покров и формируются оледенения.

Отсутствие следов горных оледенений в мезозойскую эру и на протяжении большей части третичного периода свидетельствует не только о теплом климате этого времени, но и о сравнительно небольших средних высотах континентов.

С этой точки зрения представляет интерес вопрос о природе последнего древнего оледенения — пермокарбонового, которое про­ должалось десятки миллионов лет.

Как отмечено в первой главе, следы этого оледенения нахо­ дятся сейчас в нескольких континентальных областях тропических широт. Палеогеографические данные указывают, что во время пер­ мокарбонового оледенения, по-видимому, не существовало обшир­ ных областей с холодным климатом, которые появились в чет­ вертичное время.

Высказывалась точка зрения, что районы этого оледенения яв­ ляются частями разделившегося впоследствии материка, который в пермокарбоновое время находился в высоких широтах южного полушария.

Наряду с этим простые расчеты показывают, что из-за высокой отражательной способности льда крупные оледенения могли суще­ ствовать на любых широтах (Будыко, 1961). Такая возможность вытекает, в частности, из того, что поглощенная радиация в об­ ласти крупного оледенения у экватора может быть такой же, как поглощенная радиация на полюсе при отсутствии там льдов.

Принимая альбедо системы Земля—атмосфера для безледного Полярного бассейна равным 0,30, найдем, что средняя годовая ве­ личина поглощенной радиации на широте 80° равна 7,7 ккал/(см2X Хмес). Такая же величина поглощенной радиации будет наблю­ даться у экватора при величине альбедо, равной 0,70, что пред­ ставляет возможную оценку для альбедо в области крупного ма­ терикового оледенения.

По приведенной выше схеме можно выполнить расчет среднего широтного распределения температуры при наличии экваториаль­ ного оледенения (Будыко, 1971).

4.2. Дочетвертичное время

141

Будем считать, что это оледенение расположено в широтной зоне вблизи экватора, составляющей 5% общей площади полу­ шария. При альбедо в этой зоне, равном 0,70, среднее взвешенное значение альбедо планеты понизится на 0,023 по сравнению с безледниковыми условиями.

Расчет распределения средней годовой температуры на раз­ личных широтах по формуле (4.6) при коэффициенте р = = 0,40 ккал/(см2-мес-град.) показывает, что средняя годовая тем­ пература в зоне расположения ледника близка к 0°С. Это свиде­ тельствует о возможности устойчивого существования приэквато­ риального ледника даже на равнине, лежащей на уровне моря. Очевидно, что части ледника, расположенные выше этого уровня, будут находиться при отрицательных температурах.

Заслуживает внимания то, что температура у полюса при этом остается положительной, так что развитие полярного оледенения

не является неизбежным.

Заключение о возможности устойчивого существования круп­ ных оледенений в низких широтах не означает отрицания гипотез о перемещении материков и о движении полюсов в соответствую­ щие эпохи. Из этого заключения следует только, что при обсуж­ дении указанных гипотез, имеющих большое значения для пра­ вильного понимания прошлого Земли, нельзя считать неизбежным совпадение центров крупных оледенений с положением полюсов.

Расчет распределения среднеширотных температур, результаты которого представлены выше, был выполнен без учета повышения температур на всех широтах под влиянием высокого содержания углекислого газа в атмосфере. Принимая это во внимание, можно думать, что если пермокарбоновое оледенение развивалось в низ­ ких широтах, то оно в основном располагалось на высотах не ниже нескольких сот метров. Горный характер этого оледене­ ния вероятен в связи с отсутствием резко выраженного влияния оледенения на климат других географических районов.

Влияние вулканической деятельности на климат. Интенсивность вулканической деятельности в прошлом изменялась в широких пределах, о чем свидетельствуют различия в количестве продуктов вулканических извержений, содержащихся в слоях различного гео­ логического возраста. В работе А. Б. Ронова (1959) был построен

график, характеризующий	изменения вулканической активности
в конце палеозоя и мезозое.	На этом графике (рис. 29) А. Б. Ро-

нов представил также выраженные в относительных единицах изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, опреде­ ленные по данным о карбонатных отложениях.

Геологические периоды на графике обозначены первыми бук­ вами их латинских названий. Некоторое различие датировки пе­ риодов с приведенной в первой главе геохронологической шкалой лежит в пределах точности имеющихся сведений об абсолютном возрасте рассматриваемых периодов.

142	Глава 4. Климаты прошлого

Из рис. 29 видно, что интенсивность вулканической деятель­ ности в различные эпохи изменялась в несколько раз. Концентра­ ция углекислого газа изменялась более или менее аналогично интенсивности вулканической деятельности, что понятно, поскольку извержения являются одним из главных источников поступления углекислого газа в атмосферу. Из данных рисунка заметна тенден­ ция к убыванию концентрации углекислого газа во времени после начала каменноугольного периода. Этот результат согласуется с изложенной выше концепцией о постепенном снижении содержа­ ния углекислоты в атмосфере.

Абсолютное время, млн.лет

Рис. 29. Вековой ход вулканической активности и содержания углекислого газа в атмосфере.

I —вулканогенные породы, 2 — COs карбонатов.

Выше было указано, что климатические условия в рассматри­ ваемую эпоху не зависели от колебаний концентрации атмосфер­ ной углекислоты. В связи с этим единственная форма влияния вулканической деятельности на климат заключалась в повышении содержания аэрозольных частиц в стратосфере после извержений взрывного характера. Как показано выше, такой процесс приводил к снижению температуры воздуха у земной поверхности.

В предыдущем разделе этой главы был рассмотрен вопрос о влиянии вулканических извержений на изменения климата, про­ исходившие за длительные промежутки времени, в результате чего получено заключение о том, что такое влияние, по-видимому, было невелико. Наряду с этим можно думать, что кратковременные колебания вулканической активности могли существенно изменять термический режим атмосферы.

4.2. Дочетвертичное время

143

В ряде геологических исследований отмечалось, что возможные отклонения показателей интенсивности многих природных процес­ сов от нормы возрастают при увеличении рассматриваемого

периода времени.

Так, например, катастрофические землетрясения, мало вероят­ ные для короткого интервала времени, были вполне вероятны в те­ чение достаточно длительного периода.

Таким образом, с общей точки зрения представляется естест­ венным предполагать проявление за длительную геологическую историю Земли таких грандиозных аномалий в характеристиках природных процессов, которые не наблюдались за сравнительно короткое время существования человечества и тем более за совсем непродолжительное время изучения человеком окружающей его среды.

Рассмотрим возможность применения этого принципа к оценке колебаний вулканической деятельности в прошлом.

Если влияние отдельных извержений на температуру Земли сравнительно невелико вследствие ограниченного количества аэро­ золя, попадающего после каждого извержения в атмосферу, то очевидно, что температура Земли будет гораздо сильнее изме­ няться при совпадении в течение короткого интервала времени мно­ гих извержений взрывного типа.

Возможность таких совпадений для длительных периодов вре­ мени, являющаяся следствием общих статистических закономерно­ стей, заметно возрастает при колебаниях вулканической актив­ ности. Аналогично этому наибольшее количество аэрозоля, посту­ пающего в атмосферу во время одного вулканического извержения, будет увеличиваться при возрастании рассматриваемого нами периода по тем же причинам, как и наибольшая частота извер­ жений.

Расчет наибольшего количества аэрозоля, которое может по­ ступить в атмосферу во время вулканических извержений за не­ большой период времени, связан с рядом трудностей.

Ориентировочную оценку такого количества можно выполнить по материалам сводки Лема (Lamb, 1969), который составил таб­ лицу извержений эксплозивного характера, имевших место

вXVIII—XX вв. В эту таблицу Лем включил оценку количества аэрозоля, поступившего в атмосферу после каждого извержения, представив ее в виде шкалы, на которой все значения сопостав­ лены с количеством аэрозоля, поступившего в атмосферу при извержении Кракатау в 1884 г. Последняя величина принята Лемом равной 1000 условных единиц.

Анализ данных сводки Лема показывает, что количество аэро­ золя, поступившего в атмосферу за каждое десятилетие, меняется

вшироких пределах, причем максимальные значения этой вели­ чины возрастают с увеличением общей длительности периода вре­ мени, т. е. с увеличением числа рассматриваемых десятилетий. Эту

144 Глава 4. Климаты прошлого

зависимость можно выразить в виде простой эмпирической фор­ мулы

N = a • lg	,	(4.7)
где N — наибольшее количество пыли, выброшенное в атмосферу
за интервал времени t в течение периода длительностью Г; а — ко­

эффициент, равный 3000.

Эта формула может быть использована для величин Т, значи­

тельно	больших £.	Из	нее следует, что наибольшее количество
пыли,	попадающее	в	атмосферу за десятилетие (£=10), для
7 = 300	равно 4400,	что хорошо согласуется с наибольшим значе­

нием сводки Лема.

Если мы используем эту формулу как экстраполяционную для больших интервалов времени, то найдем, что для 7=104 N = 9000, а для Т=107 N=18000. Таким образом, для длительных перио­ дов времени возможно совпадение в течение десятилетия вулкани­ ческих извержений, эквивалентных по количеству выброшенного аэрозоля 9 и даже 18 извержениям Кракатау.

Не следует преувеличивать надежность этой оценки, получен­ ной методом экстраполяции. Вместе с тем можно высказать пред­ положение, что приведенные выше значения характеризуются ско­ рее недооценкой, чем преувеличением наибольшего за десятилетие количества аэрозоля, попадающего в атмосферу при вулканиче­ ских извержениях.

Принятая в формуле (4.7) логарифмическая зависимость выте­ кает из статистических закономерностей, характеризующих совпа­ дение не связанных между собой событий.

Между тем хорошо известно, что извержения отдельных вул­ канов нельзя считать независимыми друг от друга случайными явлениями, так как уровень вулканической активности в разные геологические эпохи существенно менялся. Как отмечено выше, из упомянутой работы А. Б. Ронова (1959) следует, что вулканиче­ ская активность в разные геологические периоды различалась в несколько раз. Очевидно, что при наличии общих изменений вул­ канической активности оценка частоты совпадения извержений, основанная на представлении об их независимости, должна быть заниженной.

В этой связи следует указать, что, хотя Лем считает данные о вулканизме последних столетий характерными для периода с от­ носительно высоким уровнем вулканической активности, в геоло­ гическом прошлом были длительные интервалы времени с гораздо большей активностью вулканов. Следовательно, для этих интер­ валов оценки количества аэрозоля, полученные из сводки Лема, не могут быть преувеличенными.

Рассмотрим вопрос, как изменялась температура Земли при совпадении многих вулканических извержений.

4.2. Дочетвертичное время

145

Если в течение десятилетия происходило около 10 извержений, сравнимых с извержением Кракатау, то среднее уменьшение пря­ мой радиации в это время, как видно из материалов третьей главы, было не менее 10—20%, поскольку скорость поступления аэрозоля в стратосферу за этот период времени была не меньше скорости его выпадения. В таком случае суммарная радиация уменьшалась на 2—3%, а средняя температура поверхности Земли снижалась на 3—5°.

При совпадении в течение десятилетия 20 вулканических из­ вержений радиационный режим должен был измениться сильнее. Оценки по формулам атмосферной оптики показывают, что в этом случае суммарная радиация уменьшалась не менее чем на 5%. Такое уменьшение радиации должно было привести к снижению средней температуры поверхности Земли на 5—10°, причем это охлаждение распространялось как на атмосферу, так и на верхний слой океанических вод.

При всей приближенности приведенных здесь данных из них можно заключить, что вулканические извержения время от времени создавали кратковременные, но заметные понижения температуры, которые распространялись на всю планету. Важно отметить что вероятность резких кратковременных понижений темпе­ ратуры значительно увеличивалась в эпохи активного горообра­ зования, когда вулканизм усиливался. В таких условиях пони­ жения температуры, по-видимому, могли быть больше приведен­ ных выше оценок.

При устойчивом климатическом режиме с относительно малой разностью температур между полюсами и экватором, который су­ ществовал на протяжении мезозойского и почти всего третичного времени, даже такие большие кратковременные снижения темпе­ ратуры не могли привести к оледенениям из-за высоких исходных температур в полярных широтах.

Причины изменений климата. Климатические условия мезозой­ ской эры и третичного периода характеризовались двумя основ­ ными закономерностями.

1.На протяжении этого времени средняя температура воздуха

уземной поверхности была значительно выше современной, в осо­ бенности в высоких широтах. В соответствии с этим разность тем­ ператур воздуха между экватором и полюсами была гораздо меньше современной.

2.В течение большей части рассматриваемого времени преоб­ ладала тенденция к снижению температуры воздуха, в особен­ ности в высоких широтах, которая усилилась во второй половине

третичного периода.

Эти закономерности, по-видимому, объясняются изменениями двух влияющих на климат факторов — содержания углекислого газа в атмосфере и положения уровня континентов. Более высокая концентрация углекислого газа обеспечивала повышение средней

10 Зак. № 397

146	Глава 4. Климаты прошлого

температуры воздуха примерно на 5° по сравнению с современ­ ными условиями. Такое повышение средней глобальной темпера­ туры существовало вплоть до плиоцена, когда из-за уменьшения концентрации углекислого газа средняя температура начала пони­ жаться.

Низкий уровень континентов повышал интенсивность меридио­ нального теплообмена в океанах, что существенно увеличивало температуру воздуха в умеренных и высоких широтах.

Повышение уровня континентов уменьшало интенсивность меридионального теплообмена в океанах и приводило к постепен­ ному снижению температуры в умеренных и высоких широтах. Процесс похолодания ускорился в плиоцене, когда уменьшающееся содержание углекислого газа в атмосфере достигло критической величины, после чего термический режим атмосферы на всех широ­ тах начал изменяться под влиянием изменения концентрации уг­ лекислого газа, причем особенно резкое снижение температуры происходило в высоких широтах. Это сделало возможным возник­ новение полярных оледенений.

При общей высокой устойчивости термического режима в мезо­ зойское и третичное время, обусловленной отсутствием полярных льдов, в течение сравнительно редких коротких интервалов могли происходить резкие понижения температуры воздуха и верхних слоев водоемов. Эти понижения были обусловлены совпадением во времени ряда вулканических извержений взрывного характера.

Глава 5

КЛИМАТ и эволюция живых

ОРГАНИЗМОВ

5.1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Климатическая зона жизни. Строение живых организмов, их распространение и взаимоотношение с окружающей средой во мно­ гом определяются климатическими условиями. Эти условия, в част­ ности, оказывают существенное влияние на энергетические про­ цессы, которые поддерживают существование растений и жи­ вотных.

В современную эпоху почти вся первичная продуктивность живых организмов определяется фотосинтезом автотрофных ра­ стений (хемосинтез дает незначительное количество органического вещества по сравнению с фотосинтезом).

Общую картину преобразований энергии в живых организмах можно представить в форме энергетической пирамиды. Основание этой пирамиды — энергия, которую усваивают автотрофные расте­ ния в ходе фотосинтеза. Эта энергия заключена в органическом веществе растений, из которого значительная часть расходуется в процессе жизнедеятельности самих растений, часть усваивается животными, непосредственно поедающими растения.

Второй этаж энергетической пирамиды характеризует приход энергии у растений и животных, которые потребляют энергию, заключенную в автотрофных растениях. Обычно не более 10% первоначально усвоенной энергии передается живым организмам,

потребляющим	энергию автотрофных растений. Эти организмы
в ходе своей	жизнедеятельности также теряют много энергии,

в том числе на дыхание и на другие функции.

Третий ярус пирамиды характеризует приход энергии у живых организмов, которые существуют не за счет первичной энергии автотрофных растений, а за счет потребления энергии, усвоенной гетеротрофными организмами. В этот ярус пирамиды входят, в ча­ стности, плотоядные животные.

Многие живые организмы располагаются одновременно на вто­ ром и третьем ярусах энергетической пирамиды, в том числе и че­ ловек, который потребляет часть энергии, непосредственно создан­ ной растениями, и часть энергии, созданной животными.

Энергетическая пирамида отражает тесную связь животных с растениями, основанную на том, что единственным источником энергии, который поддерживает жизнедеятельность всех видов

10*

148 Глава 5. Климат и эволюция живых организмов

животных, являются растения, причем эта трофическая связь ока­ зывает глубокое влияние на строение тела животных и их эко­ логию.

Энергетические ресурсы, создаваемые деятельностью автотроф­ ных растений, определяют энергетическую базу, которую могут использовать животные в разных природных районах, и, таким образом, от них зависит географическое размещение животных и численность их популяций.

Поскольку продуктивность растений в значительной мере оп­ ределяется климатическими условиями, то эти условия оказыва­ ются определяющим фактором и для многих зоогеографических закономерностей.

Отмечая, что все живые организмы в большой степени зави­ сят от климатических ресурсов, следует поставить вопрос, обла­ дают ли они способностью изменять климатические условия, делая их более благоприятными для своего существования.

Сравнение энергетических характеристик климатических и био­ логических процессов позволяет ответить на этот вопрос отрица­ тельно (Будыко, 1971). Такое сравнение показывает, что живые организмы используют малую часть энергии, которая расходуется

вклиматических процессах. Основание энергетической пирамиды, характеризующее ту часть прихода солнечной энергии, которая потребляется растениями, очень мало по сравнению с энергией атмосферных процессов. Обычно не более десятых долей процента,

вредких случаях несколько процентов энергии солнечной радиа­

ции, приходящей на единицу земной поверхности, используется в биологическом цикле.

Следовательно, живые организмы не могут существенно изме­ нить энергетику климатических процессов. Несмотря на это,-жи­ вотные и в особенности растения оказывают известное воздействие на климат. Но такие воздействия в основном ограничены местным климатом и не затрагивают климата больших территорий. Таким образом, климат оказывает громадное влияние на жизнедеятель­ ность животных и растений, тогда как обратные связи между жи­ выми организмами и климатом сравнительно слабы. Вопрос об этих обратных связях приобретает, однако, значение для объяс­ нения современных изменений климата и оценки возможных изме­ нений климата в будущем, о чем подробнее сказано в следующих главах.

Влияние климата на живые организмы можно дополнительно проиллюстрировать, рассмотрев, в каком интервале климатических условий существует жизнь на Земле.

Вопрос о зоне распространения живых организмов был осо­ бенно подробно изучен В. И. Вернадским, который уделил боль­ шое внимание исследованию биосферы, включающей слои атмо­ сферы, гидросферы и литосферы, в которых развиваются биологи­ ческие процессы (Вернадский, 1926 и др.). Отмечая высокую

5.1. Экологические системы

149

плодотворность концепции В. И. Вернадского, следует, однако, ука­ зать, что часто, в особенности в популярной литературе, встреча­ ются преувеличенные представления о размерах климатической зоны, в которой существует жизнь на Земле, и в связи с этим

оразмерах биосферы. В основе этих представлений лежит идея

отом, что жизнь проникает во все области на поверхности зем­ ного шара, в атмосфере и гидросфере.

Если говорить о зоне существования живых организмов, то

следует отметить, что постоянно и в более или менее значительных количествах они существуют в довольно ограниченном простран­ стве. Жизнь сконцентрирована в основном вблизи земной поверх­ ности, но даже на ней есть обширные районы высоких широт, а также ряд районов пустынь, где количество живого органического вещества на единицу площади или ничтожно мало, или вообще равно нулю. Туда только случайно попадают живые организмы — постоянной жизни нам нет.

Следует отметить еще одну черту в распространении живых организмов, которую обычно не упоминают. Не во всех частях земного шара жизнь существует как самостоятельная система, т. е. не во всех районах, где есть живые организмы, может создаваться живое органическое вещество. Как известно, это вещество созда­ ется только там, где есть автотрофные растения (оставляя в сто­ роне те виды производства органического вещества, которые не играют сколько-нибудь заметной роли в общем балансе биомассы).

Однако есть обширные районы, и в ряде районов есть значи­ тельные по длительности сезоны, в которых процесс фотосинтеза отсутствует. Во многих областях континентов автотрофные расте­ ния не могут существовать из-за недостатка или тепла, или влаги. На значительной части поверхности океанов фотосинтезирующая деятельность растений ограничивается недостатком минеральных веществ, в связи с чем эти зоны почти бесплодны.

Таким образом, далеко не вся поверхность земного шара пред­ ставляет зону, в которой возможно существование энергетической пирамиды жизни. Даже после сотен миллионов лет эволюции живые организмы не смогли приспособиться к большой части климатических условий, которые существуют на нашей планете.

Можно думать, что современный климат менее благоприятен для биологических процессов по сравнению с условиями, преобла­ давшими на протяжении последних сотен миллионов лет.

Как отмечено в предыдущей главе, в результате уменьшения содержания углекислого газа в атмосфере его концентрация сей­ час намного ниже концентрации, обеспечивающей наибольшую продуктивность автотрофных растений. Наряду с этим в наше время значительную часть земной поверхности постоянно или временно занимает снежно-ледяной покров, при наличии кото­ рого процесс фотосинтеза или отсутствует, или значительно по­ нижен.