Глобальные факторы, которые вызывают изменения климата на всей планете, можно подразделить на космопланетарные, астропланетарные и геопланетарные [1].
Космопланетарными следует считать факторы, которые влияют на орбитальные параметры Солнечной системы и нашей Галактики в целом. К ним необходимо отнести, прежде всего, обращение Солнечной системы вокруг центра Галактики с периодом около 200 миллионов лет [2]. В эту группу глобальных факторов можно, видимо, включить обращение нашей Галактики вокруг Метагалактического центра с предполагаемым пери-одом 1,3 млрд. лет.
Астропланетарными являются внешние факторы, связанные с орбитальными параметрами Земли и влияющие на величину светового потока, поступающего от Солнца. К ним относятся, прежде всего, изменение эксцентриситета земной орбиты с периодом около 100 тыс. лет, наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики с периодом 40,7 тыс. лет, а также прецессия земной оси, имеющая период около 20 тыс. лет. Именно эта группа факторов была учтена М. Миланковичем при разработке астрономической теории колебаний глобального климата [3].
Геопланетарные климатообразующие факторы обусловлены особенностями состава, строения, агрегатного состояния и динамики основных геосфер, спецификой их взаимосвязи, а также изменением скорости вращения Земли и эволюцией системы «Земля – Луна». Действия факторов этой группы носят характер обратной реакции основных геосфер Земли на внешние возмущения климатической системы. Учитывая это, к геопланетарным факторам можно отнести автоколебательный характер энерго- и массообмена в системе «океан – атмосфера – суша – оледенение», периодичность проявлений лунно-земных гравитационных связей, цикличность тектонической и вулканической активности, дрейф континентов, эволюционный характер изменения состава и массы биосферы, ее энерго- и массообмен с литосферой и, наконец, техногенную деятельность человека.
Роль и степень влияния перечисленных выше глобальных факторов на климатическую систему относительно невысоки. Наиболее изученными в этом отношении являются факторы астропланетарной группы. Однако очевидно, что астропланетарные факторы, без учета климатообразующих факторов двух других групп, вряд ли могли явиться причиной тех мощных трансформаций глобальной климатической системы, которые происходили в истории Земли.
По нашему мнению, взаимосвязь между различными климатообразуюшими глобальными факторами осу-ществляется по принципу резонанса [4, 5]. Концептуальная модель проявления этого эффекта в условиях глобальной климатической системы показана на рис. 1. При построении этой модели нами было принято, что пери-оды и амплитуды температурных колебаний, вызываемых отдельными глобальными факторами, постоянны во времени. В представленной модели учтено четыре основных климатообразующих фактора: один космопланетарный с периодом 200 млн. лет и три астропланетарных с периодами 100, 40,7 и 20 тыс. лет. В качестве базисного уровня колебаний меньшего по продолжительности климатообразующего цикла принималась кривая колебаний предыдущего более длительного цикла. Так, базисным уровнем, на котором проявляются температурные колебания, вызываемые воздействием на глобальную климатическую систему астропланетарного цикла с периодом 100 тыс. лет, принят космопланетарный цикл с периодом в 200 млн. лет. В свою очередь 100-тысячелетний цикл служит базисным уровнем проявления температурных колебаний с периодом 40,7 тыс. лет и т. д. При подобном наложении гармоник взятых в расчет климатообразующих циклов обозначились отчетливые пики, соответствующие периодам совпадения фаз отдельных температурных колебаний. Именно этот эффект, названный нами терморезонансным, приводит к значительным периодическим похолоданиям и потеплениям глобального климата.
Для подтверждения существования терморезонанс-ного эффекта и обоснования построенной концептуальной модели, мы взяли температурные данные, полученные после обработки кернов льда скважин на станции «Восток» в Антарктиде [6, 7]. Нами был проведен гармонический анализ кривой температурных колебаний поверхности льда за последние 400 тыс. лет (рис. 2). По этому рисунку видно, что исходная кривая (а) слагается из гармоник с периодами в 100 (b), 40-41 (с), 20 (d) тыс. лет и из малоамплитудных короткопериодных гармоник (e). Трендовая полупрямая (рис. 2, b) свидетельствует о медленном понижении температуры со временем и, вероятно, является частью гармоники 200-миллионного цикла.
Фактически получается, что в периоды наибольшего повышения или понижения температуры в 100-тысяче-летнем цикле климатическая система Земли возбуждается и становится менее устойчивой, поэтому воздей-ствие на нее 40- и 20-тысячелетних циклов происходит по типу резонанса. Этот эффект приводит к тому, что кратковременному очень теплому периоду предшествуют периоды с самым холодным климатом. Используя предлагаемую концепцию о терморезонансном эффекте, можно попытаться реконструировать климатическую обстановку для всего фанерозойского этапа развития Земли, охватывающего последние 570 млн. лет. На рис. 3 представлена схема, построенная нами с учетом проявления терморезонансного эффекта между временем действия двух основных космопланетарных кли-матообразующих факторов и охватывающая по времени последние 700 млн. лет истории развития Земли. Эта схема свидетельствует о том, что фанерозой, включа-ющий палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры, был в целом благоприятным в климатическом отношении. Это обусловливается соответствием данного этапа положительной фазе температурной кривой цикла с периодом в 1,3 млрд. лет. Три отмеченных на схеме глобальных похолодания климата в фанерозое, связанные с 200-миллионным циклом, приурочены соответственно к границе ордовика и силура, к перми и раннему триасу, а также к позднему мелу и кайнозою. Эти похолодания, безусловно, были усилены наложением астропланетарных и геопланетарных факторов, что могло способствовать развитию кратковременных покровных оледенений в палеозое, мезозое и особенно в кайнозое.
Длиннопериодные климатические ритмы, обусловленные космопланетарными факторами, сыграли решающую роль в истории развития био-сферы Земли. Если в течение всего фанерозойского этапа, в соответствии с биологическими законами, шло не-уклонное развитие от простых биосистем к сложным, то формирование разнообразных форм жизни и их смена происходили под сильнейшим влиянием окружающей среды, в основном – температуры приземного воздуха и увлажненности материков. Начало палеозоя характеризовалось значительным потеплением, связанным с повышением температуры земной поверхности под влиянием восходящих ветвей 1,3-миллиардного и 200-миллионного космопланетарных циклов (см. рис. 3). Это потепление привело к бурному развитию в океанах водорослей и беспозвоночных животных.
Похолодание климата, вызванное 200-миллионным циклом во второй половине ордовика и начале силура (480 – 410 тыс. лет назад), привело к массовому вымиранию морских организмов. Это была первая глобальная биологическая катастрофа в истории развития био-сферы Земли. Несмотря на то, что по сравнению с сушей океан представляет термически более стабильную среду и колебания температуры воды в нем не очень значительны, в период этого похолодания, по разным оценкам, исчезло около 35% семейств морских организмов [8, 9]. По нашему мнению, это связано с тем, что даже небольшое понижение температуры океана вызывает весьма существенное повышение содержания в нем растворенных газов и, прежде всего, углекислого газа и метана. Это, видимо, и обусловило массовую гибель морских организмов, не адаптировавшихся к по-добным изменениям среды.
В следующую фазу потепления климата, связанную с 200-миллионным космо-планетарным циклом, первый выход на сушу совершили растения. Теплый и влажный климат обусловил их бурное развитие вплоть до древовидных споровых и первых голосеменных. Вслед за растительностью вышли на сушу животные (земноводные и первые пресмыкающиеся).
Очередное глобальное похолодание климата (280 – 200 млн. лет назад) вызвало вторую глобальную биологическую катастрофу. В этот период практически исчезли животные на суше. Массовое вымирание затронуло и морские организмы. Перестали существовать, например, такие типичные палеозойские группы животных, как табуляты, трилобиты и другие. В этот период глобального похолодания климата исчезло около 22% семейств морских организмов [10].
Новый этап бурного развития биосферы Земли связан с мезозойским периодом потепления климата (180 – 80 млн. лет назад), обусловленного 200-миллионным космопланетарным циклом. Если в предыдущий теплый период наблюдалось интенсивное развитие растительности, то в мезозое был всплеск активности животного мира. Это было время развития пресмыкающихся на суше, в море и воздухе – эпоха динозавров. Животный мир завоевывал континентальные пространства. Биомасса Земли достигла в эту эпоху потепления огромного объема.
Начавшееся в конце мелового периода очередное похолодание климата привело к третьей глобальной биологической катастрофе в истории биосферы Земли. Падение таксономического разнообразия семейств в это время составило 16 – 17% [10, 11]. Исчезли все теплолюбивые формы и сохранились только те виды, которые были более приспособлены к холодному климату. Голосеменные растения заменялись более устойчивыми покрытосеменными. Вымерло большинство пресмыкающихся на суше и в воде, исчезли динозавры. Они были холоднокровными и не могли вынести похолодания, так как уже при температуре 6 – 10°С теряли подвижность. Нам представляется, что быстрое вымирание динозавров произошло из-за прекращения их воспроизводства. В откладываемых ими яйцах развитие зародыша могло происходить только при температуре выше определенной. Как только температура в окружающей среде понизилась, размножение динозавров прекратилось. Подтверждением этого могут служить многочисленные находки окаменелых яиц динозавров. Потомки летающих пресмыкающихся – птицы – приспособились к выращиванию птенцов в условиях понижения температур, высиживая яйца и согревая их своим теплом. Сохранились и широко развились млекопитающие, благодаря тому, что они теплокровные и способны регулировать температуру своего тела и не зависеть поэтому от среды обитания. Некоторые виды пресмыкающихся выжили, вернувшись к водному образу жизни или впадая в анабиоз в зимний период.
Приведенная выше картина связи эволюции био-сферы с космопланетарными циклами изменения климата носит глобальный характер. Для отдельных территорий и континентов, возможно, были определенные сдвиги во времени биосферной эволюции, ускорение или замедление ее. Это связано с широтной зональностью температуры (различие ее на полюсе и экваторе доходило до 30 – 40°С), постоянными перемещениями литосферных плит и с изменением взаимного положения и площади материков и океанов. Эти обстоятельства позволили отдельным наиболее мобильным видам исчезнувших классов и семейств животных и растений сохраниться до нашего времени.
Представленная на рис. 3 схема показывает, что положительная фаза 1,3-миллиардного климатического цикла, охватывающая практически весь фанерозой, завершается. Отсюда следует, что будущее нашей планеты на ближайшие 500 – 600 млн. лет можно представить как царство холода и льда. В этом отношении ледяной континент Антарктида и вечная мерзлота, занимающая в настоящее время огромную площадь суши в Северном полушарии, являются не только следствием прошедших плейстоценовых оледенений, но, видимо, и первыми предвестниками надвигающегося эпохального похолодания на нашей планете, сравнимого по величине с верхнепротерозойским оледенением Земли. Это, безусловно, не исключает того, что на отдельных этапах наступающей холодной климатической эры могут происходить короткопериодные потепления глобального климата, обусловленные астро- и геопланетарными температуроформирующими факторами и их резонансным усилением.
Литература
1. Шепелев В.В. О взаимосвязи между главными факторами формирования климата и криолитосферы Земли // География и природные ресурсы. – 1999. – № 3. – С. 138–142.
2. Shapley H., Ames А. A survey of the external galaxies brighter than the thirteenth magnitude // Ann. Harv. Coll. Obs. – 1932. – V. 88. – № 2. – P. 121–135.
3. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебания климата. – М.–Л., 1939. – 207 с.
4. Балобаев В.Т., Шепелев В.В. Космопланетарные климатические циклы и их роль в развитии биосферы Земли // Доклады Академии наук, 2001. – Т. 379. – № 2. – С. 247–251.
5. Balobaev V.T., Shepelev V.V. The role of cosmoplanetary climate cycles in Earths cryolithosphere evolution // Extended Abstracts Reporting Current Rosearch and New Information. – Zurich, Switzerland, 2003. – Р. 5–6.
6. Котляков В. М., Лориус К. Четыре климатических цикла по данным ледяного керна из глубокой скважины на станции «Восток» в Антарктиде // Изв. РАН. Сер. геогр. – 2000. – № 1. – С. 7–19.
7. Petit J.R., Jouzel J., Raynaud D. et al. Climate and atmosferic history in the last 420 000 years from the «Vostok» ice core // Nature. – 1999. – V. 399. – P. 429–436.
8. Бондаренко О.Б. Об изменении состава табулятоморфных кораллов на рубеже ордовика и силура // Биотические события на рубежах фанерозоя. – М., 1989. – С. 104–121.
9. Sepkovski J.J. Patterns of Phanerozoic Extinction: A Perspective from global data base // Global events and event stratigraphy in the phanerozoic: Results of international interdisciplinary cooperation in the JGCP Project 216. «Global biological events in Earth history». – Вerlin; Heidelberg, 1995. – Р. 35–52.
10. Алексеев А.С. Глобальные биологические кризисы и массовые вымирания в фанерозойской истории Земли // Биотические события на основных рубежах фанерозоя. – М., 1989. – С. 22–47.
11. Найдин Д.П. Граница мела и плейстоцена // Границы геологических систем. – М., 1976. – С. 225–257.
Первая страница
(c) 2001
