ДРЕВНИЙ ОКЕАН

 

 

Изменения на Солнце и в атмосфере. Средняя температура в докембрии. Кривая Миланковича

 

Температура воздуха на поверхности Земли в геологическом прошлом могла быть значительно выше или ниже вследствие колебаний одного или нескольких следующих факторов: 1) поступающей радиации: 2) состава атмосферы; 3) альбедо; 4) облачного покрова. I гобое вероя тное изменение температуры на поверхности Земли должно, однако, находиться в весьма узких пределах. Для периода времени от 3.8 млрд. лет (возраст наиболее древних пород, состоящих из частиц, транспортированных текущей водой) до 0,7 млрд. лет назад (когда начали широко распространяться многоклеточные растения и животные) 1смпература поверхности Земли, вероятно, всегда находилась в интервале от 0 до 100 °С. Начиная с 0,7 млрд. лет назад и до настоящего времени температура поверхности океана, по-видимому, была в диапазоне 2- 30 С, типичном для современной эпохи. В рамках чих двух ограничений температура поверхности Земли, по-видимому, сильно варьировала.

 

1. Солнечная постоянная определяется как количество солнечной игергии во всем диапазоне длин волн, получаемое в единицу времени счиницей площади поверхности верхней границы земной атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца (она выражается в системе СИ в Вт/м2, а в более привычном виде — в кал/см2 • мин; 1 кал/см2  мин = 698 Вт/м2). Общепринятая величина солнечной постоянной равна П73±20 Вт/м2 [305].

 

В «почти всех солнечных моделях» [608] предусматривается уве- жченис солнечной радиации на 25 % за время существования Солнца, I е. примерно на 1 % в каждые 50 млн. лет [786] Такое изменение юлжно было оказать огромное влияние на историю температуры '.емной поверхности, так как даже очень слабые колебания солнечной радиации приводят, как утверждается, к значительным эффектам. Будыко [109] обнаружил, что в последнее столетие отношение изменения температуры к изменению величины прямой солнечной радиации в условиях отсутствия облачности составляло 1,1 С на 1 % изменения радиации. Теоретические расчеты этою автора также показали, что при изменении солнечной радиации на 1 % средняя температура на поверхности Земли изменяется на 1,2 "С (при облачности, равной 0,5П, постоянном альбедо и постоянной относительной влажности воздуха). Затем Будыко заключает, что современный термальный режим «характеризуется высокой нестабильностью», при этом уменьшения радиации на 1,0—1,5% достаточно для того, чтобы снова вызвать продвижение ледников до умеренных широт. Кроме повышения температуры увеличение поступающей радиации может вызвать очень сильное возрастание количества выпадающих осадков и испарения [906], Другие авторы указали на то, что увеличение солнечной постоянной на 2 — 5 % может быть достаточным для того, чтобы растаяли ледники [752J. Действительно, переход от ледниковой эпохи к современности сопровождался повышением температуры на поверхности Земли всего на 4-6 °С [106].

 

Все эти рассуждения об изменениях яркости солнечного света не беспочвенны, гак как существуют исторические свидетельства значительных изменений солнечной постоянной. Период между 1645 и 1715 гг., когда продолжительное время отсутствовали солнечные пятна, назван минимумом Маундера [233] (по имени Е. В. Маундера — заведующего отделом Солнца Гринвичской обсерватории, который задокументировал эго явление в 90-х годах прошлого столетия). Этот период также отмечен возрастанием значений 14С на 10% по сравнению с нормой. Время появления солнечных пятен соответствует периоду увеличения экваториальной скорости Солнца [235]. Возможно, что солнечные пятна контролируются охлаждением фотосферы Солнца [503]. На изменения в состоянии Солнца помимо солнечных пятен указывают и колебания яркости Урана и Нептуна между 1956 и 1966 гг. [508]. Было вычислено, что между 1921 и 1952 гт. солнечная постоянная увеличивалась со скоростью 0,1 % в десять лет [622], хотя, как указывают некоторые ученые, точность ее измерения около 1 % [508], Если бы солнечная постоянная увеличивалась так, как предполагает Эпик [622], то ее современное значение должно было быть ггримерно на 1,4% выше, чем во время минимума Маундера.

 

Эти предполагаемые изменения в солнечной ггостоянной соответствуют наблюдавшемуся изменению температуры примерно на 0,6 С между 1880 и 1940 гг. и на несколько градусов с наступлением «Малого ледникового периода» в 1700 г. [886]. Эдди [234] построил график соотношения известных исторических колебаний уровня солнечной активности и наблюдавшихся климатических изменений. Он обнаружил, что «каждый раз, когда длиннопериодная солнечная активность уменьшалась, ледники средних широт начинали продвигаться вперед и климат становился холоднее; в периоды высокой солнечной активности ледники отступали, и климат становился теплее». Далее Эдди предположил, что «колебания уровня солнечной активности и климата могу г имет ь общую причину — медленные изменения солнечной постоянной с амплитудой около 1 %». Флуктуации солнечной постоянной такого масштаба легко могли быть вызваны вариациями случайных колебаний, сопровождающих солнечную конвекцию [184]

 

Распределение яркости света в звездах похоже на солнечное, однако в созвездии Пресепе оно «совпадает с 1С%-ными колебаниями яркости солнечного света» [841]. Эдди [233] завершает свою работу по непостоянству солнечной постоянной утверждением, которое в виде цитаты является эпиграфом к настоящей главе. Создается впечатление, что наше знание об изменениях солнечной «постоянной» находится еще в стадии накопления фактов; при этом вариации порядка 1 % в течение одной тысячи лег вполне возможны, однако климатические последствия гаких колебаний (если они и происходят) точно не установлены.

 

Рассмотрение последних нескольких параграфов привело нас к главному вопросу: почему температура на поверхности Земли не изменялась гораздо драматичнее, чем на самом деле? Почему, с одной стороны, Земля не замерзла, а с другой - вся вода не выкипела? В какой-то степени стационарность условий объясняется действием механизмов обратной связи как в воде, так и в атмосфере, поскольку вполне очевидно, что энергия изменявшейся солнечной постоянной должна была бы фундаментально преобразовать наблюдаемую историю температуры поверхности Земли.

 

2. Атмосфера является фильтром, через который должна проходить поступающая радиация. Ьез атмосферы земная поверхность охладилась бы до температуры на 35 "С ниже современной [281]. Приближенный расчет современной солнечной радиации таков: «...из каждых 100 Вт поступающей энергии 24 отражаются облаками, 7 рассеиваются в космосе за счет атмосферы, 4 отражаются в космос от поверхности планеты (в сумме 35 Вт составляет планетарное альбедо). 22,5 Вт непосредственно достигают поверхности, 14,5 — несколько позже, за счет диффузного отражения от облаков, и 10,5 — еще позже, за счет диффузного молекулярного отражения (в сумме 47,5 Вт); из остатка (17,5 Вт) около 6 поглощается атмосферой в виде ультрафиолетовой «энер] ии» и 11,5 — в виде инфракрасной» [390]. Таким образом, из поступающей радиации около 35 % отражается, 50 % достигает земной аоверхности и 15% поглощается.

 

В этом разделе рассматривается та часть поступающей радиации, которая поглощается. Мерриэм [569] утверждает, что почти все уменьшение количества солнечной энергии (с 2,00 до 1,40 кал/см2  мин) на пути от верхней границы атмосферы до уровня моря обусловлено ее поглощением в атмосфере водой, углекислым газом и кислородом. Из этих трех компонентов вода является «наиболее важным».

 

При прочих равных условиях возрастание концентрации С02 и(или) Н20 в атмосфере ведет к большому поглощению инфракрасной радиации, излучаемой поверхностью Земли, что вызывает увеличение глобальной температуры. Амплитуда этого «парникового эффекта» оценивается по разности двух направленных вверх инфракрасных излучений: от поверхности Земли и от верхней поверхности атмосферы. В настоящее время эта разность составляет около 0,024 кал/см2 • мин [106J. Парниковым эффектом обусловлен тот факт, что, хотя планетарная средняя температура радиационного равновесия оценивается примерно — 20 ГС. средняя температура на поверхности Земли равна приблизительно 14 "С [726]. По-видимому, изменение парникового эффекта на 1 % изменяет температуру поверхности на 0,3 JC. Если относительная влажность остается постоянной, то увеличение температуры в нижней части атмосферы на 2—3 С примерно соответствует увеличению концентрации С02 на 100% ([25] и многие другие, более ранние работы). Будыко [110] предположил, что даже 50%-ное увеличение современной концентрации С02 должно поднять температуру в высоких широтах до уровня, достаточного для «полного таяния полярных льдов». И, наоборот, уменьшение современной концентрации СОг вдвое «может привести к полному оледенению Земли».

 

Если бы мы хотели получить представление об экстремальных параметрах, следовало бы допустить десятикратное изменение давления С02 по сравнению с его современным значением, Силлен [778] считал, что это приведет к увеличению средней температуры, «возможно, на 20— 30 =С». Для докембрия в интервале времени от 4.6 до 2,6 млрд. лет назад (см. гл. 5) при отсутствии свободного кислорода высокие давления С02 были вполне возможны. Если это было именно так, го можно предсказать, что средняя температура Земли на уровне моря составляла 34 — 44 С (при современном значении 14 С). Максимальные значения должны были быть близки к 50 "С вместо современных 30'С. Кроме того, присутствие значительных количеств NH3 в докембрийской атмосфере (гл. 5) увеличивало инфракрасное поглощение и поднимало температуру [707], хотя, по мнению Уонга и др. [886], удвоение современной концентратпш аммиака, вероятно, изменит температуру всего на 0,1 К.

 

При обсуждении затронутой в последних двух параграфах темы о связи возрастания концентрации С02 с увеличением температуры основное затруднение состоит в том, что эта связь не является линейной. Если главная полоса поглощения углекислым газом насыщена, то увеличение концентрации С02 «несущественно увеличит инфракрасную емкость атмосферы» [669]. Действительно, Разул и Шнейдер [669] полагают, что даже десятикратное возрастание концентрации С02 в атмосфере увеличит температуру менее чем на 2.5 °С.

 

В небольших количествах в атмосфере присутствуют и другие газы (03, N20, СН4, HN03, С2Н4, S02. CC12F2, CC13F, СН3С1 и ССЦ), которые поглощают тепловое излучение Зем:ги в его характеристи- I>VKOM диапазоне волн. Н20 эффективно потлошает тепло во всем шапазоне, за исключением 750—1300 мкм; этот диапазон лаже сужа-  Iсн за счет сильного поглощения С02 до 600 — 750 мкм и слабого три современной концентрации) до 900 — 1000 мкм. Поэтому существенные изменения в передаче теплового излучения могут быть вызваны побым соединением, которое поглощает С02 между 750 и 1300 мкм. Наиболее сильно поглощают в этом диапазоне N2Ot Оэ, С02 и NH3. Мри удвоении концентраций N20 и СН4 поверхностная температура может увеличиться соответственно на 0,7 и 0,3 К [886].

 

Основная причина определенного недоверия к любым из постулиро- н.шных выше слабых (или сильных) колебаний температуры заключается в том. что каждое изменение состава атмосферы сопровождайся собственной системой отрицательной обратной связи. Например, ноздействие на температуру изменения концентрации С02 на 10% может быть сбалансировано противоположно направленным изменением содержания водяною пара примерно на 3% (он поглощает и той же полосе шириной 15 мкм. что и С02) или облачности па 1 % [580]. Поэтому Мёллер [580] пришел к выводу о том, что I еория воздействия вариаций содержания С02 на климатические колебания становится очень сомнительной».

 

3. Третьим фактором, влияющим на изменение глобальной поверхчастной температуры, является альбедо поверхности Земли (т. е. отношение радиации, отражающейся от поверхности, к радиации, падаюшей иа иее). Удаление льда с обоих полюсов, естественно, уменьшит .1 тьбедо. Насколько драматическим мог бы реально оказаться этот ><])фект, видно по компьютерным моделям поверхностной температуры, по которым Селлерс [752] предсказывает «повышение температуры и Арктике на 7—10 С, а в Антарктиде на 13 —17°С». В тропиках 1емпература должна повыситься не более чем на 2°С. До середины I рстичного времени температура глубинных вод океана составляла 14 °С (I м ниже) вместо современных 2 :'С. Поскольку температуры глубинных под отражают температуры поверхности приполярных районов, то \ величение температуры, постулированное Селлерсом [752], по-видимому, справедливо для Земли без ледников. Кроме того, палеогеография ii пред нетретичного времени не благоприятствовала развитию снега и льда в Арктике. Соответственно с этим Донн и Шоу [211] рассмотрели развитие ледников как естественное следствие резко увеличившегося альбедо в то время, когда стало возможным существование с пега и льда в течение всего года по мере дрейфа континентальных областей к полюсам. Увеличение ледниковой шапки означает возрастание альбедо и уменьшение количества солнечной радиации, поглощаемой Землей, что приводит к более низким температурам и дальнейшему росту ледников, пока другие атмосферные условия не приведут к таянию льда (как в настоящее время).

 

Отражение падаюшей радиации происходит также и за счет частиц, н тешенных в атмосфере (пыли или аэрозолей). Эти частицы поступают из аридных областей [664] или в ходе вулканических извержений. Так же как и для других климатических факторов, видимо, не существует простого соотношения между концентрацией пыли и температурой. Концентрация пыли в нижней части атмосферы коррелируется с повышением температуры, так как пыль уменьшает потерю теплового излучения в космос ([407] и более ранние работы). По мере возрастания количества пыли и ее высотного положения это соотношение становится противоположным, и температура уменьшается, возможно, из-за увеличивающегося отражения. Разул и Шнейдер [670] предположили, что четырехкратное возрастание концентрации пыли увеличит «альбедо Земли в районах отсутствия облачности на 10—15%, а всей Земли — на 31 — 33,5%». При этом глобальная температура снизится на 3.5 °С.

 

Поступление пыли в атмосферу на высоту свыше 60 км во время извержения вулкана Агунг на острове Бали (8е' ю. ш., 115° в. д.) 17 марта 1963 г. привело к сильнейшим климатическим изменениям, когда-либо наблюдавшимся людьми [606]. Произошло уменьшение прозрачности атмосферы примерно на 1,5 % [242], а средняя температура тропической тропосферы понизилась приблизительно на 0,5 С [607]. Это изменение температуры, «вероятно, было вызвано поглощением солнечной радиации аэрозолями» [605]. Нормальная прозрачность атмосферы установилась только спустя 7 лет после извержения. Таким образом, представляется, что пыль может оказывать противоположные эффекты на атмосферу (потепление) и тропосферу (охлаждение).

 

В течение длительного времени обсуждается проблема: были ли в геологической истории эпохи усиления вулканизма, и если были, то как они влияли на климат? Вообще говоря, чем продолжительнее геологический период, тем большее количество вулканических пород извергается ([860],  6), так чго объем продуктов вулканической деятельности зависит от времени. В рамках этой общей зависимости вариации масштабов вулканизма в более короткие интервалы времени довольно высоки, при этом существуют и значительные различия. Например, в кайнозойских глубоководных осадках отмечены два сгущения горизонтов вулканических пеплов: плио-плейстоиеновое (примерно от 2 млн. лет до настоящего времени) и среднемиоценовое (16—14 млн. лет назад) ([447]; Кеннетт и Тунелл [449], с которыми дискутируют Нинкович и Донн [614]). Считается также, что вулканическая активность заметно возрастала каждые 2,5 млн. лет в последние 10 млн. лет и каждые 5 млн. лет в интервале 20 — 10 млн. лет назад [382].

 

Существует определенная научная основа для объяснения главных климатических колебаний катастрофическими природными явлениями, такими, как вулканизм, если, например, учесть климатические эффекты, связанные с извержением вулкана Агунг. Первичной причиной изменения климата должно быть «радиационное воздействие вулканических аэрозолей на глобальный бюджет тепла» [653]. По утверждению Поллака и др. [653], исторические данные свидетельствуют о гом, что вулкани- ские извержения происходят достаточно часто, чтобы обусловить юбальное похолодание примерно на 1 С «во время эпох интенсивной тканической активности».

 

Идею о взаимосвязи колебаний вулканической активности с климатическими колебаниями можно проверить геологически. «Три выделяющихся горизонта вулканических пеплов присутствует в позднем п 1ейстоцене западной части Мексиканского залива. ...Все три горизонта 'впадают с эпизодами сильных похолоданий» [446]. В более обширном шадизе Брэй [88] произвел сравнение данных по климату и вулканизму за последние 2 млн. лет и сделал вывод о том, что сильные извержения «близко совпадали с ледниковыми стадиями и эпизодами похолодания». Основной недостаток этого и аналогичных заключений,  м-мованных на анализе одного фактора, состоит в том, что рассматри- п.ются только один аспект климата, и нет уверенности, что другой Фактор (например, солнечная постоянная) не может быть столь же важным.

 

4. Четвертым фактором, который следует рассмотреть в моделях, предсказывающих поверхностную температуру, является облачный inikров. Он сильно зависит от широты ( 4-10). Облачный покров может изменяться как по занимаемой площади, так и по толщине, и ci о воздействие на поверхностную температуру может быть довольно |м тличным. Бели рассматривать среднюю глобальную температуру, id возрастание площади облаков увеличивает как альбедо (тем самым понижая температуру), так и количество захваченного инфракрасного и пучения (тем самым повышая температуру). Однако скорость умень- шгния температуры из-за отражения солнечной радиации превышает • корость ее возрастания за счет захваченного инфракрасного излучения 1727]. Суммарный эффект увеличения площади облаков приводит к понижению поверхностной температуры при условии, что высота •ишачного покрова и альбедо облаков не изменяются. Напротив, viii-инчение толщины облаков имеет единственный эффект — уменьшение HI* потери инфракрасного излучения в космос, что ведет к увеличению температуры на поверхности Земли. Если одновременно происходит увеличение и площади, и толшины облачного покрова, то они взаимно уравновешивают друг друга так, что сохраняется постоянная температура.

 

Предсказание колебаний температуры, обусловленных изменениями облачного покрова, может быть значитетьно более сложным. В высоких широтах увеличение плошали, занятой облаками, может не увеличить альбедо, поскольку альбедо льда и снега и так очень высокое. Поэтому здесь увеличение площади, занятой облаками, приведет к повышению температуры, так как будет захвачено большее количество инфракрасного излучения. Очевидно, моделирование климата — задача очень сложная, поскольку в зависимости от начальных условий одинаковые «причины» порождают противоположные следствия.

 

Развиваются, хотя и не созданы еще в окончательном виде модели, учитывающие все реальные циклы отрицательной обратной связи для колебаний поступающей радиации, состава атмосферы, альбедо и облачного покрова в период представляющих интерес геоло! ических событий [527, 320]. Одним из результатов, полученных с помощью современных моделей, является установление факта существования многочисленных стабильных точек для солнечной постоянной, С02, взвешенного вещества, облачного покрова и т. д. [753] Также вероятно, что существует причинно-следственная связь между понижением мировой температуры и увеличением интенсивности магнитного поля и(или) вариациями орбитальных параметров Земли («Кривая Миланковича»).

 

 

К содержанию книги: Шопф: "ПАЛЕООКЕАНОЛОГИЯ"

 

Смотрите также:

 

Что такое мировой океан  Мировой океан  объем гидросферы Земли  гидросфера Земли. Откуда взялась вода