Причины изменения климата

Надо прежде всего проанализировать изменение географических особенностей самой земной поверхности, а не торопиться прибегать к астрономическим и космическим гипотезам. -  К. К. Марков

В 1841 г. швейцарский естествоиспытатель Рудольф Агассис высказал смелое соображение о том, что Шотландию когда-то покрывал мощный слой льда. Соображение это было встречено едкими насмешками, и понадобилось еще 20 лет, чтобы подтвердилась гипотеза о былом оледенении. Уже свыше 100 лет ученые упорно ищут причины, которые в какой-либо мере могли влиять на формирование и трансформацию климата Земли. Диапазон догадок, версий, гипотез огромен: от космических катастроф до окурка, брошенного в лесах Сибири или Канады. Да, окурок!.. Окурок поджег лес. Тучи дыма разрастающегося пожара могли уменьшить поступление солнечной радиации на поверхность Земли, в том числе и на поверхность Полярного бассейна. Не получив должного тепла от солнца, поверхностный слой начал бы терять тепло, температура бы падала, а затем — замерзание, и наконец, через механизм самоохлаждения и саморазрастания (механизм этот мы разберем несколько позже) и произошло оледенение континентов.

Некоторые исследователи ищут причины изменения климата вне Земли, во главу угла они ставят космические и астрономические условия. Часть исследователей связывает изменение климата с изменениями элементов вращения Земли, а в том числе с перемещением оси вращения внутри планеты, с наклоном к плоскости эклиптики, другие с изменениями очертаний материков и океанов, в рельефе суши и дна, в составе атмосферы, в солнечном излучении, и т.д. Но редко кто из авторов проверял реальность собственных гипотез расчетом и мерой. Конечно, в каждой из гипотез для частного случая есть своя степень вероятности и реальности. Но ни одна из них не могла объяснить конкретное разнообразие климатических изменений, которые наблюдались за время кайнозойской истории нашей планеты: то длительное, в десятки миллионов лет, необычайно медленное понижение температуры, как это имело место в начале кайнозоя, то поразительно частая, почти лихорадочная трансформация климата, когда на протяжении одного-двух тысячелетий, а иногда всего лишь нескольких столетий, зимняя температура в северных полярных широтах делала скачки в несколько десятков градусов, как это наблюдалось в конце четвертичного периода в северных полярных широтах. Новейшие исследования показали, что в антропогене на последних его этапах изменения климата были особенно .часты. Сейчас уже оставлена теория однократного оледенения — моногляциализма, имевшая в прошлом немало сторонников.

До начала XX в. считалось, что после схода последнего ледника климат не изменялся и только в 1910 г. стало известно о крупном и длительном изменении климата в среднем голоцене; оно было столь значительным, что его можно приравнять к межледниковью. Изотопные методы позволили американскому ученому Ч. Эмилиани установить в 1955 г., что в течение антропогена произошло 15 крупномасштабных изменений климата. Последние годы принесли новые доказательства и открытия ранее неизвестных крупных потеплений и похолоданий за последние 100 000 лет. Эти открытия лишили прежние космические, астрономические, тектонические и другие гипотезы убедительности, хотя нельзя отрицать, что каждый из факторов этих гипотез, вполне возможно, при определенных условиях и в определенное время влиял на изменение климата. Во всяком случае эти гипотезы не в состоянии объяснить те удивительно быстрые и разнонаправленные трансформации планетарного климата, которые произошли за последние 20 000 лет, не говоря уже о более многочисленных изменениях в течение антропогена. Поэтому ученые продолжают искать и изучать механизмы, которые могут управлять изменениями климата. Для этой цели привлекаются самые разнохарактерные материалы: геологии, палеогеографии, геофизики, палеонтологии, археологии, древней и средней истории. В течение длительного ряда лет тщательно ведутся круглосуточные инструментальные наблюдения над природными процессами в атмосфере и Мировом океане. Ученые объединены в крупные международные коллективы, подобно сложившимся за время Международного геофизического года, Международного геофизического сотрудничества и других международных исследовательских организаций.

Обширный научный материал позволяет объяснить изменения климата от начала мел-палеогенового оптимума до последних его колебаний в наши дни без привлечения внеземных факторов, а только действием двух механизмов, заключенных в атмосферной и гидросферной оболочках Земли, и состоянием ее поверхности. Один из этих механизмов на протяжении всего кайнозоя вызывал и продолжает вызывать медленную и однозначную депрессию планетарного климата, с которой связано и понижение температуры глубинных вод Мирового океана. Второй механизм, наслаиваясь на действия первого, определил те частые и разнонаправленные изменения, которые происходили и происходят в четвертичном периоде. Проследим, как происходило и распространялось охлаждение Земли с третичного периода, т.е. за последние примерно 70 млн. лет.

Для этого нам надо опуститься на дно Мирового океана., Дно океана только нагревает покрывающие его воды, но не охлаждает их. Тем не менее глубинные воды в это время охлаждались. Холод, следовательно, шел с поверхности, а не с глубины. Поверхностные воды, опускаясь на дно, приносили сюда холод, холод этот гасил тепловой поток, идущий от дна, и формировал холодные глубинные горизонты. Как же происходит этот перенос холода с поверхности на дно? Известно, что пресная вода с понижением температуры повышает свою плотность, но только до 4°. При дальнейшем понижении температуры плотность воды тоже понижается. Иначе говоря, своей наибольшей плотности пресная вода достигает при 4° С. На поверхности водоема она может замерзнуть, как ей и положено, при 0°, а на нижних горизонтах она будет сохранять положительную температуру 4°. С морской водой дело обстоит по-другому. Плотность морской воды с ростом растворенных в ней солей всегда увеличивается, а точка замерзания понижается, т.е. заморозить морскую воду несколько труднее, чем пресную. Если для пресной воды, чтобы замерзнуть, достаточно 0°, то для Мирового океана при средней солености 35°/00 (35 г солей на килограмм воды) нужно —1,91°. Следовательно, поверхностные воды способны охлаждать глубинные воды океана почти до —2°. Табл. 2 дает представление о том, как охлаждались глубинные воды за последние 75 млн. лет. Рядом исследований доказано, что в кайнозойскую эру все континенты и ось вращения Земли занимали то же положение, что и ныне. Следовательно, современные полярные широты и тогда были наиболее холодными. Но Антарктика была холоднее Арктики, так как в центре Антарктики расположен крупный материк Антарктида, а в центре Арктики крупный Полярный бассейн, имевший хороший водообмен, а следовательно, и теплообмен с теплыми тропическими бассейнами (см. рис. 2). Вот почему в мел-палеогеновый оптимум растительный мир северных полярных широт был значительно богаче и более теплолюбив, чем мир южных широт. В эпоху верхнего мела (примерно 75 млн. лет назад) температура поверхностных вод Арктического бассейна была равна температуре глубинных вод близ экватора, т.е. 14° С.

Следовательно, охлаждение этих глубинных вод происходило за счет полярных вод Южного полушария. То, что дело обстояло именно так, доказали и последние исследования донных отложений в Антарктике. Порожденные айсбергами осадки имеют настолько древнее происхождение, что о «вине» Арктики и речи быть не может, поскольку Арктика в те времена не имела ледяного покрова. Ее «алиби» доказано. Лед мог существовать только в Антарктиде. Начало же оледенения Антарктики относится к эоцену (примерно 60 млн. лет назад), а может быть и раньше. Во всяком случае похолодание отмечено еще в меловое время. Геологические данные свидетельствуют о том, что начиная с мелового времени, вплоть до последнего этапа кайнозоя, подъем суши преобладал над опусканием, вследствие чего увеличились материковые пространства и поднялись над поверхностью океана. Хотя за это время трансгрессии моря сменялись регрессиями, а последние в свою очередь новыми трансгрессиями, однако последнюю обычно не достигали размеров предыдущих. Подъем и разрастание континентов постепенно ухудшали водообмен между полярными и экваториальными акваториями, а с ними и морскую адвекцию тепла, поэтому нарастала тепловая изоляция полярных широт.

Вместе с подъемом Антарктиды относительно окружающих ее в то время теплых вод Южного океана росло количество осадков, выпадавших зимой в твердом виде. Постепенно их объем стал превышать объем таяния за летний сезон. Происходило накопление твердых осадков, которое со временем достигло своей критической стадии, после чего процесс стал необратим — и материк был погребен под ледяным панцирем. Панцирь, покрытый снегом почти полностью, отражал солнечную радиацию, отчего происходили огромные потери тепла. Приледный слой воздуха охлаждался и обезвоживался. Он становился более прозрачным для инфракрасного излучения земной поверхности. Тепловой баланс становился отрицательным. Происходило глубокое самоохлаждение. Одна беда рождала другую. Чем больше разрастался ледяной покров Антарктиды, тем хуже становились радиационные условия, а чем хуже становились радиационные условия, тем легче происходило наращивание ледяной толщи. Холод, порождаемый Антарктидой, начал растекаться по всему земному шару.

Охлаждались окружающие ее океанические воды. Охлаждение увеличивало их плотность. И чем плотнее они становились, тем больше их опускалось по материковому склону. Накопившиеся придонные холодные воды стали распространяться к северу, что охлаждало глубинные воды Мирового океана на всех широтах. В нарастании скорости охлаждения поверхности Земли и глубинных вод принимала участие и Арктика. Об этом свидетельствуют палеогеографические и геологические данные. Вследствие преобладания подъема континентов над опусканием в эоцене осушается пролив через Северо-Американский континент, что сокращает поступление тепла к Северному полюсу. Еще большее сокращение наступает в олигоцене, когда осушается Западно-Сибирский пролив, соединявший Арктический бассейн с теплым Индийским океаном (см. рис. 2). Параллельно, с охлаждением Арктического бассейна охлаждалась и воздушная оболочка Земли. В Северном полушарии границы тепла начали циркумполярно смещаться с севера на юг.

В миоцене произошла та консолидация континентов, которая определила современное очертание Мирового океана. Для водообмена Арктического бассейна эти «новшества» были неблагоприятны. Его связь с южными бассейнами сократилась еще больше, а вместе с тем и усилилось охлаждение. Из жертвы Арктический бассейн превращается в виновника. Он сам становится источником охлаждения воздушных масс, проходящих над ним, и он же начинает питать холодными водами Мировой океан. «Вступила в игру» и Гренландия. Она оледенела и тоже стала добавочным источником холода. Однако за Антарктидой по-прежнему сохраняется превалирующая роль в охлаждении земной поверхности. Климат деградирует со все большей скоростью. Скорость удваивается. Если поначалу понадобилось 40 млн. лет, чтобы температура глубинных вод упала на 3,6°, то на дальнейшее понижение в 3,4° ушло только 20 млн. лет. Говорят, что климаты миоцена отличались от современных потому, что тогда были другие очертания материков. Поэтому полезно подчеркнуть: в миоцене берега Мирового океана и континентов достигли современной конфигурации, а потому последующие изменения климата не могут объясняться изменениями очертаний материков. В плиоцене очертание Мирового океана существенно не изменялось.

Однако подъем континентов продолжал преобладать над их опусканием. Изменялся их рельеф, а возможно, и дна океана. С ростом вертикальных отметок суши происходило дальнейшее охлаждение. Оно заметно возрастало, когда отметки становились существенно выше нижней границы хионосферы. В этих условиях возникали центры нового горного оледенения, которые способствовал общему разрастанию снежников, фирновых полей и ледников, а с ними и общему дополнительному похолоданию. Температура придонных вод у экватора упала в верхнем плиоцене до 2,2°. По сравнению с предыдущим олигоцен-миоценовым интервалом в миоценилиоценовый период скорость охлаждения снова удвоилась. К концу плиоцена параллельность падения температур приземного слоя воздуха и глубинных вод нарушается. Температура первого падает быстрее, что объясняется большой термической инерцией глубинных вод и определенной безынерционностью воздушных масс. Это различие возрастает .с ростом скорости охлаждения, а главное, как в данном случае, по мере сближения температуры поверхностных вод полярных бассейнов с температурой их замерзания. Верхняя кривая рис  показывает, что в конце плиоцена понижение температуры не было непрерывным. Оно нарушалось потеплениями. Это позволяет заключить, что на ранее действующий механизм, определявший с начала кайнозоя медленное непрерывное похолодание климата, накладывалось действие второго механизма, способного вызвать разнонаправленные изменения в температуре приземного слоя атмосферы, а следовательно, и климата. Действие второго механизма с особой четкостью проявилось в четвертичном периоде—антропогене. Как же это могло произойти?

Известно, что в жидком состоянии вода хорошо поглощает тепло солнечной радиации, а лед и снег, наоборот, с наибольшей силой отражают ее и как бы отвергают таким образом то тепло, которое она приносит. Следовательно, от того, будет ли морская поверхность находиться в жидком состоянии или, наоборот, превратится в лед, зависит — станет ли она собирать тепло или будет источать холод. Представим себе десятки миллионов квадратных километров, которые на земном шаре занимает морская поверхность, способная изменять свое состояние, и мы поймем, каким могучим климатическим фактором планетарной значимости она является. Известно также, какого незначительного изменения температуры достаточно, чтобы вода замерзла или, напротив, растаяла. Чуть больше или чуть меньше критической точки (0° — для пресной и —1,9° — для соленой морской воды) — и перед нами либо влага, либо лед. Потому-то незначительные, но длительные изменения в переносе тепла в гидросфере и атмосфере могут вызвать и вызывали непропорционально большие по амплитуде изменения теплового режима на поверхности Земли. Английский ученый Брукс рассчитал, насколько глубоко самоохлаждается поверхность Полярного бассейна в случае, если на ней возникнет лед. Допустим, что бассейн свободен ото льда, и только в самом холодном зимнем месяце его поверхностные воды имеют температуру, близкую к замерзанию.

Тогда достаточно незначительного первоначального охлаждения, всего несколько десятых долей градуса, как начнется зарождение ледяного покрова, а вслед за ним — дальнейшее понижение температуры на 28°. И все это без вмешательства посторонних факторов! Одна—три десятых градуса — в обычных условиях величина практически неощутимая, в роковом же соседстве с критической точкой она способна сыграть колоссальную роль. Брукс пишет: «Подобный результат весьма облегчает объяснение наличия теплых климатов полярных областей. Вместо того чтобы объяснять температурные изменения порядка 28° С, нам достаточно найти причину для начального изменения порядка 0,3°, поскольку остальные 27,7° вполне могут быть отнесены за счет влияния плавучих льдов». Ледяной покров охлаждает находящийся над ним воздух до тех же —28°; охлажденный и более плотный воздух растекается за пределы ледяной кромки; здесь он встречается с чистой водой, охлаждает ее и замораживает. Реакция разрастания ледяного покрова приобретает цепной характер. И наоборот, когда адвекция тепла в Арктический бассейн возрастает, температурные эволюции начинают происходить в обратном направлении. Крупные температурные амплитуды антропогена были, возможно, именно потому, что фазовая изменчивость (фаза льда, фаза воды) поверхностного слоя океана способна породить значительные изменения в тепловом балансе. Сокращение ледяного массива усиливает власть солнечной радиации. В полярных широтах альбедо поверхности может меняться от 90% и выше (вода) до 9% и ниже (лед). Падение альбедо в 10 раз увеличивает радиационный баланс в Арктическом бассейне от 4 ккал/см2 -год в современных условиях 10-балльного льда до 50 ккал/см2-год при полной безледности (табл. 3, рис. 11). Из таблицы виден стремительный рост радиационного баланса. На каждые 10% снижения ледовитости баланс отвечает ростом в 5 ккал/см2-год. Нетрудно подсчитать, что при такой изменчивости радиационного баланса только ликвидация морских льдов в Северном полушарии обеспечивает прирост тепла примерно на 5 х 1018 ккал/год. Если же учесть возможность уничтожения морских льдов в Южном полушарии и возможность сокращения площади и длительности снежного покрова на континентах, то суммарный прирост радиационного баланса земной поверхности в целом увеличится более чем на 1019 ккал/год. Такой объем тепла эквивалентен 14 000 триллионам т угля с нормальной теплотворной способностью 7000 ккал/кг. О чем говорят все эти соображения и расчеты? Когда Земля охлаждается до такой степени, что замерзает поверхность Полярного бассейна, как это было на стыке плиоцена и плейстоцена, то достаточно незначительных, но устойчивых изменений в планетарной циркуляции атмосферы и гидросферы, как в полярных и частично умеренных широтах возникнет ледяной покров либо они станут теплее, чем в наше время.

В какой точке этой размашистой амплитуды от оледенения до полной безледности северных широт суждено находиться Земле, зависит от изменчивости атмосферных процессов и связанных с ними изменений в циркуляции гидросферы. Изменения же в планетарной циркуляции атмосферы, по последним представлениям, обусловливаются изменениями солнечной активности. Звенья механизма, связывающего изменения солнечной активности с изменениями ледовитости, хорошо иллюстрируются рис. 12. Как видно из рисунка, рост солнечной активности повышает частоту меридиональных типов атмосферной циркуляции, усиливающих поступление теплых атлантических вод в высокие широты. Рост тепла морской и воздушной адвекций повышает температуру Баренцева моря, как, впрочем, и всей приатлантической части Арктического бассейна, что в конечном счете ведет к снижению его общей и навигационной ледовитости. Таблица 3 Несколько ранее та же связь между вековыми изменениями солнечной деятельности и ледовитостью приатлантического сектора Арктики через циркуляцию атмосферы и гидросферы была установлена И. В. Максимовым. Представленные взаимосвязи гелиогеофизических явлений делают обоснованной экстраполяцию на более продолжительные и более глубокие изменения в прошлом, ибо закономерности, определяющие изменения климата за первую половину нашего столетия, должны были действовать на протяжении всего антропогена.

Поэтому необходимо признать, что причинами частых и крупномасштабных изменений климата в четвертичном периоде являются звенья длинной цепи. Она берет начало в деятельности Солнца и замыкается в физико-географических особенностях земной поверхности, в первую очередь, как мы видели, в особенностях океанической адвекции тепла и характере межокеанического водообмена. Последнее обстоятельство требует дополнительной детализации. При рассмотрении изменений климата обычно анализируются две его составляющие — теплообеспеченность и изменение увлажнения, — зависящие от характера водообмена между Арктическим бассейном и более южными бассейнами Мирового океана. Наиболее эффективен водообмен с Северной Атлантикой. Однако в условиях нагона теплых вод в непроточный Арктический бассейн климатический эффект водообмена вдоль северного Побережья Евразии неравномерен: для приатлантического сектора он значительно благоприятнее, чем для тихоокеанского. Поэтому северо-западная часть Евразии обеспечена теплом больше, чем северо-восточная. Эта «несправедливость» сохранялась на протяжении всей кайнозойской эры, особенно начиная с олигоцена, когда поднявшаяся суша отгородила Арктический бассейн от Волжского моря, через которое шел водообмен с Индийским океаном.

Западная и Северная Сибирь тогда обогревались теплом, приносимым атлантическими водами в большей мере, чем в миоцене. В отношении увлажнения наблюдается та же тенденция, что и в отношении теплообеспеченности. Оно более благоприятно в северо-западной части. Так как Атлантический океан служит основным поставщиком тепла и влаги на евразийский континент, то поэтому вдоль широт с запада на восток с падением теплообеспеченности падает и влагообеспеченность. Зависимость увлажнения от теплообеспеченности особенно ярко проявляется в условиях западно-восточного переноса воздушных масс, наблюдаемого в умеренных широтах. Так, понижение зимней температуры от Атлантики на восток снижает количество осадков в Сибири. Когда же в Арктике теплело, когда снижался температурный контраст между полюсом и экватором, тогда и влажность в Евразии повышалась. И. П. Герасимов и К. К. Марков писали: «Потепления в межледниковые и послеледниковую эпохи были особенно значительны именно в Арктике. Горизонтальный температурный градиент (с севера на юг) уменьшался. Сравнительно теплые, а потому и влажные массы полярного и арктического воздуха при медленном движении к югу не могли вызывать засуху в средних широтах, как это наблюдается в настоящее время ... В межледниковое время воды Баренцева моря имели настолько высокую температуру, что зарождающиеся над ними (и севернее) воздушные массы были достаточно влажными» Много лет спустя К. К. Марков в 1956 г., снова возвращаясь к этому вопросу, отмечал, что после исчезновения последнего ледникового покрова на Русской равнине климат становился в общем более влажным.

Здесь необходимо подчеркнуть следующее важное обстоятельство. В межледниковые эпохи повышались температура поверхностных вод океанов и испарение с них, повышались температура воздушных масс, их влагосодержание, а с ним и осадки на континентах О. А, Дроздов установил количественную сторону зависимости роста осадков от роста влагосодержания атмосферы. Так, например, при росте влагосодержания с 40% до 80— 100% коэффициент пропорциональности возрастает в 10 раз, но, что очень важно, наиболее быстрые изменения происходят в интервале средней относительной влажности 45—55%, в котором изменение осадков возрастает в 4,5 раза. Наряду с этим следует заметить, что при тепло- и влагообеспеченности заметно увеличивается роль местного испарения на континентах — фактора, в свою очередь стимулирующего атмосферные осадки. Словом, как это нередко наблюдается в жизни, одно преимущество рождает другое, и нам пора сформулировать те основные закономерности изменения климата, которые сложились в четвертичном периоде и которые распоряжаются нашим климатом в настоящее время.