Долгосрочные изменения климата

Задолго до того, как человечество познакомилось с парниковым эффектом, в истории Земли неоднократно сменялись эпохи потепления и похолодания. Эти длительные колебания были вызваны комплексом причин, включая циркуляцию атмосферы, океанов, движение континентов и вращение Земли. Солнце — источник энергии, приводящий в действие процессы, формирующие погоду. Поэтому изменение количества поступающей на Землю солнечной радиации отражается на ее климате. Существует множество причин, по которым количество поступающей на планету энергии Солнца может измениться. Это и прямое воздействие метеоритов и комет на нашу атмосферу, и колебания самой солнечной активности. В результате падения крупного метеорита может образоваться огромное облако пыли, которое закроет Землю от Солнца, и наступит продолжительный период похолодания. Столкновение с кометой, или даже просто сближение с ней может изменить количество солнечной радиации, поступающей в атмосферу Земли. Геологические свидетельства прошлых эпох говорят о том, что пять раз флора и фауна почти полностью исчезала с лица Земли. Объяснить это можно только продолжительными изменениями климата. За последнее десятилетие глобальное изменение климата заняло прочное место в ряду главных глобальных экологических проблем, стоящих перед мировым сообществом.

Со временем солнце становится... Ярче.Научные факты свидетельствуют о том, что с момента образования Земли около 4,6 млрд лет назад яркость Солнца увеличилась на 20—30 %. Это произошло в результате превращения водорода солнечного ядра в гелий. Меньшие изменения яркости, приблизительно на 2 %, связаны с периодической активизацией солнечных пятен — известным 11-летним циклом. Существуют и иные закономерности. Так, цикл между очень высокой и очень низкой активностью составляет 80 лет. Флуктуации магнитного поля, возникающие в результате изменения активности солнечных пятен, имеют 22-летнюю цикличность.

Беззащитная Луна.В отличие от Земли у Луны нет атмосферы, защищающей ее от влияния метеоритов. Когда на ее поверхность попадает каменная или ледяная глыба, поднимается облако пара, а на ее поверхности образуется отметина. Такие отметины в форме кратера бывают размером с тарелку, но могут достигать огромных размеров. Поверхность Луны испещрена кратерами, так как в межпланетном пространстве в изобилии присутствуют метеорные тела.

Бомбардировка Юпитера. В июле 1994 г. космический телескоп «Хаббл» зафиксировал падение крупных фрагментов кометы на поверхность Юпитера. Образовалось множество кратеров, а сила взрыва была такой, как если бы взорвалось все ядерное оружие, имеющееся на Земле.

След доисторического удара. Большой метеорит, от которого остался этот запорошенный снегом кратер в Аризоне, врезался в Землю около 50 тыс. лет назад. Поверхность нашей планеты испещрена подобными свидетельствами столкновения с ней небесных тел. По ним можно судить о частоте, с которой падают метеориты, и о силе их ударов. Темной ясной ночью можно увидеть до пяти метеоров в течение часа, а во время звездного дождя — 20—50 метеоров. Падение крупного метеорита на Землю способно вызвать похолодание.

Дождь с безоблачного неба. До сих пор атаки метеоритов не оказывали сильного воздействия на нашу планету. Этот живописный звездный дождь на фоне ночного неба зафиксирован в Калифорнии.

Серебряная вспышка. Кометы часто посещают Солнечную систему. Некоторые появлялись здесь лишь однажды, другие делают это через определенные промежутки времени. Предполагают, что 65 млн лет назад из-за падения на Землю кометы или метеорита вымерло более 80 % видов животных.

Планетарные силы в действии

На долгосрочные изменения климата в первую очередь влияют Солнце и океаны. Количество солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, может изменяться по нескольким причинам. В 1930-х гг. сербский астрофизик Милютин Миланкович (на фото) обнаружил, что элементы земной орбиты подвержены ритмическим колебаниям, которые отражаются на количестве и режиме поступления солнечного тепла, на его распределении по земной поверхности. Анализ глубоководных отложений подтвердил наличие таких циклов. Их периодичность составляет 19 тыс., 23 тыс., 100 тыс. и 433 тыс. лет. Изменения в циркуляции океанов могут привести к климатическим сдвигам продолжительностью от нескольких лет до тысячелетий. Выбросы пыли и газа в атмосферу при вулканических извержениях, по всей вероятности, способствовали наступлению ледниковых периодов. Даже непрекращающийся процесс дрейфа материков изменяет климат Земли.

Наклон и прецессия. Угол наклона земной оси к небесному экватору изменяется от 22 до 24,5“ каждые 41 тыс. лет (вверху). Кроме того, ось вращения Земли медленно перемещается по круговому конусу. Период полного оборота составляет около 23 тыс. лет (вверху справа). Конфигурация орбиты Земли также изменяется каждые 100 тыс. и 433 тыс. лет, становясь более, а затем менее эллиптической (справа).

Теория Миланковича. Согласно теории Миланковича, ледниковые периоды связаны с тремя вариантами положения Земли относительно Солнца. На рисунке вверху показаны циклические изменения движения Земли. Все они отражаются на изменении количества солнечной радиации, которое может составлять 15 % в высоких широтах и влияет на распространение и таяние полярных льдов. Гипотеза Миланковича была встречена с недоверием, но новые научные факты в настоящее время свидетельствуют в ее пользу.

Туда и обратно. Великий морской конвейер играет ключевую роль в долгосрочных изменениях температуры поверхностных вод океана. Холодные глубинные воды Атлантики направляются на юг и восток, в Индийском и Тихом океанах они поднимаются на поверхность и нагреваются. Назад теплое течение возвращается через Тихий океан и Южную Атлантику. Это путешествие туда и обратно занимает от 500 до 2 тыс. лет.

Разгадки таятся во льду. Ученые осматривают пробу льда. Химический анализ таких проб дает возможность выявить изменения климата, имевшие место сотни лет назад, определить состав атмосферы того времени. Три более коротких цикла изменения климата, предложенные Миланковичем (19 тыс., 23 тыс. и 41 тыс. лет), находят все новые и новые научные подтверждения.

Факты из Исландии.Солнце светит над ледником Гримсвотен (Исландия). Теория Миланковича подтверждается данными о характере солнечного освещения в высоких широтах.

Еще до динозавров

Для того чтобы проникнуть в тайны древнего климата, нужно быть настоящим детективом. Только по ископаемым остаткам животных и растений и метеоритным кратерам можно определить, какие условия существовали на Земле за тысячи лет до появления динозавров. Сравнивая ископаемые остатки древних организмов с теми, что обитают в настоящее время, ученые восстанавливают внешний облик древних вымерших животных и условия их жизни.

Возраст первых осадочных пород составляет 3,7 млрд лет. Предполагается, что тогда климат был па 10 °С теплее нынешнего. Водоросли (первая форма жизни на Земле) появились около 3,5 млрд лет назад. С тех пор вплоть до эпохи динозавров (250—65 млн лет назад) климат становился то теплее, то холоднее, наступали и отступали ледники.

Земля до динозавров: жаркое, душное место.Найденные остатки ископаемых животных и растений свидетельствуют, что до появления динозавров климат на Земле весьма продолжительное время (миллионы лет) был жарким и влажным со средними температурами на несколько градусов выше, чем сейчас. Повышенная температура влияла на формирование океанов. Осадков, скорее всего, выпадало намного больше, чем 8 настоящее время. По ископаемым растениям, отпечатки которых сохранились в горных породах, можно установить, что растительность была представлена в основном разнообразными папоротниками, для буйного роста которых необходимы теплые влажные условия.

Сохранившийся в камне. Папоротникам для развития необходима очень влажная и теплая среда. Этот отпечаток ископаемого растения каменноугольного периода (Э45—280 млн лет назад) свидетельствует о том, что в то время климатические условия были именно такими. Папоротники появились в девонский период и господствовали на Земле более 300 млн лет, сохраняя неизменными свои основные черты на протяжении всего этого времени. Ближайшие родственники тех папоротников росли в каменноугольном периоде в таком изобилии, что самые древние пласты углей преимущественно состоят из их остатков.

Метеоритный кратер. Этот древний кратер, обнаруженный в пустыне Сахара при помощи спутниковой радиолокации, имеет метеоритное происхождение. При падении больших метеоритов в атмосферу Земли выбрасывалось огромное количество пыли, которая закрывала Солнце. Это неоднократно приводило к довольно продолжительным похолоданиям климата. Данный кратер настолько велик, что виден только из космоса. Каждый год на Землю падают тысячи метеоритов, но значительно меньшего размера.

Великие долгожители. Строматолиты - плотные слоистые образования в толщах известняков и доломитов, возникающие в результате жизнедеятельности колоний сине-зелёных и других водорослей. Они известны практически на всем протяжении истории Земли: от архея до современности. Возраст строматолитов составляет приблизительно 3,5 млрд лет. Они образуются и ныне в мелководных, хорошо прогреваемых водоемах повышенной или пониженной солености. Сейчас их можно найти в горячих источниках Йеллоустонского национального парка (США), на западном берегу Австралии, в Гудзоновом заливе (Канада).

Морской фильтр. Этой окаменелости криноида (морская лилия), принадлежащего к классу иглокожих, приблизительно 300 млн лет. Морские лилии обитали в относительно теплых водах. Это донные животные с телом в виде чашечки, в центре которой находится рот, а вверх отходит венчик из ветвящихся лучей (рук), который образует сеть для улавливания питательных веществ. Вниз от чашечки у стебельчатых морских лилий отходит прикрепительный стебелек. Каждая геологическая эпоха имела своих характерных представителей флоры и фауны. Окаменелости позволяют сравнивать слои горных пород, находящихся в разных концах Земли, и устанавливать их одинаковый возраст.

Эра динозавров

Около 330 млн лет назад, в начале каменноугольного периода, температура воздуха понизились, и наступило «большое похолодание» — пермско-каменноугольное оледенение, которое закончилось 245 млн лет назад. Затем наступил продолжительный теплый период, создавший условия для развития обильной растительности на мегаконтиненте Пангея. Согласно одной из теорий, такие условия установились в результате изменения угла наклона земной оси в сочетании с обширной морской трансгрессией (наступление океана на сушу).

Теплый океан.Вода в океанах мезозойской эры, эры динозавров, была теплой, что обеспечивало развитие великого множества морских организмов. А повышенное количество осадков на суше способствовало бурному развитию растений. Это давало обилие растительного корма крупным травоядным динозаврам.

Меняющиеся миры.Ландшафты триасового периода совершенно отличались от привычных нам. Растительность красных, сухих почв была представлена лесами, в которых еще не было ни одного цветка. В это время, примерно 228 млн лет назад, появились первые динозавры. Но к концу триаса уже сформировались многие черты современного нам мира. Единый суперконтинент под воздействием тектонических процессов разделился на части, растения и животные изменились, климат приобрел более четкую сезонность.

Морское ископаемое. Плезиозавры обитали более 230 млн лет назад. Размеры этих морских ящеров свидетельствуют о том, что океаны на протяжении миллионов лет изобиловали самыми разнообразными животными.

О чем поведал скелет. Эти ископаемые остатки птеродактиля, найденные в Германии, аналогичны находкам на других континентах. Таким образом, есть основания предполагать, что на значительных и отдаленных друг от друга территориях в эпоху динозавров существовали одинаково благоприятные климатические условия. Птеродактили — близкие родственники динозавров и первые летающие позвоночные.

Когда рептилии летали. Птеранодон парит над меловыми отложениями Канзаса (США). Когда-то здесь был мелкий океан. В этих отложениях хорошо сохранились окаменелости динозавров, возраст которых составляет 100 млн лет. Они дают нам еще один ключ к разгадке истории Земли.

Что погубило динозавров?Ученые пока так и не пришли к единому мнению, почему 65 млн лет назад внезапно вымерли динозавры. Ясно лишь, что произошло резкое изменение климата, о причинах которого можно только догадываться. Быстрое глобальное похолодание могло быть вызвано столкновением Земли с крупным метеоритом или кометой. Другие считают, что причиной похолодания стал дрейф континентов к южным широтам. Земля сильно охлаждалась зимой, образовались шапки полярных ледников, установился более холодный климат. Дрейф материков также изменил общую схему циркуляции поверхностных вод Мирового океана. Возможно, новая конфигурация суши частично заблокировала приток теплых экваториальных вод в средние широты. Это вызвало значительное падение температуры на обширной территории, в результате чего могла исчезнуть тропическая растительность, которой питались динозавры. Быстрое изменение среды обитания стало для них катастрофой.

Гигантские кости. В 1909 г. американский ученый Эрл Дуглас нашел в пластах песчаника в Юте скелет динозавра. В результате раскопок, которые продолжались несколько лет, были найдены многочисленные ископаемые остатки этих доисторических животных. В настоящее время место раскопок является частью Национального музея динозавров. Здесь было найдено десять их видов. Они населяли обширные аллювиальные равнины и, возможно, погибли в результате наводнения. Скопления животных были найдены в излучинах рек, где течение замедлялось.