Основные тенденции изменения климата в истории Земли

Климат Земли неоднократно менялся. На фоне общей тенденции похолодания неоднократно наблюдались периоды потепления, которые сменяли ледниковые периоды

На рубеже архея и протерозоя отмечено одно из первых оледенений в истории Земли. Его следы, в виде морен и отполированного ложа ледника, находят в Канаде, Карелии, Южной Америке, Южной Африке, Индии и Австралии. При этом содержание углекислого газа в атмосфере было высоким – более 2-5% (в наше время ~0,04%). На протяжении протерозоя был теплый климат, и температура морских вод достигала 35-45º С. Вместе с тем, в этот период отмечено несколько оледенений. Самое молодое из них произошло примерно 700 млн лет назад.

В фанерозое средние температуры, как правило, превышали 20º С (в наше время она немного ниже 14ºС). Разница между средними температурами полюсов и экватора была небольшой. Периоды похолодания отмечаются неоднократно. Об этом можно судить по осадочным образованиям. Так, например, соли, гипсы, ангидриды накапливаются в условиях жаркого сухого климата, а каменные угли, каолиновые глины – во влажном теплом и жарком климате. В большей степени влияние климата отражено в растительности, характер которой зависит тепла, солнечного света и влаги. В последние годы температуры древних эпох оценивают по соотношению изотопов кислорода или кальция и магния в раковинах беспозвоночных.

В эпоху палеозоя крупные материковые оледенения происходили в позднем ордовике (450-435 млн лет назад) и позднем карбоне (300-280 млн лет назад). В отличие от современной эпохи в палеозое южное полушарие было преимущественно материковым. Там располагалась Гондвана – материк, из которого позднее образовались Южная Америка, Африка, Австралия, Индия и Антарктида. Ледники Гондваны спускались до сороковых широт. В остальные периоды фанерозоя климат был теплым.

30 млн лет назад начинает формироваться современный климат с ледовыми шапками на полюсах. Вначале появляются ледники в Антарктиде. Около 10 млн лет назад началась новая волна похолодания, и ледники покрыли всю Восточную Антарктиду. В северном полушарии первые ледники в Исландии и Гренландии появились около 4-5 млн лет назад. Северный Ледовитый океан покрылся льдом около 2 млн лет назад.

Четвертичный период характеризуется быстрыми сменами климатических периодов. Ледниковые эпохи сменялись потеплением, потепления – новым оледенением. Максимум последнего оледенения отстоит от нас примерно на 20 тыс. лет.

Палеоклиматические ритмыразделяют на три группы: длиннопериодные – длительностью в миллионы лет, среднепериодные – в тысячи, десятки и сотни тысяч лет и короткопериодные – в десятки и сотни лет.

Длиннопериодные циклы, весьма вероятно, связаны с процессами рифтогенеза, которые могут приводить к изменению положения материков и океанов. Так, тёплый климат в меловом периоде объясняют расположением практически всех континентов в низких и умеренных широтах. Это способствовало формированию тёплых океанических течений, которые проникали в высокие широты (подобно современному Гольфстриму).

Среднепериодные колебания климата четвертичного периода наиболее заметны. По времени ближе к нам две эпохи:

· холодная в позднем плейстоцене с минимумом 20–18 тыс. лет назад, когда температура воздуха была ниже современной на 7–10ºС;

· тёплая эпоха голоцена («климатический оптимум») с максимумом потепления 5–8 тыс. лет назад, когда климат был теплее на 2 – 2,5ºС.

Современная среднегодовая температура в районе сверхглубокой ледовой скважины составляет –55,5°С. Это означает, что наша планета сейчас находится в „тёплом“ климатическом периоде, причем, по оценкам учёных, потепление ещё будет продолжаться 1–2 тысячи лет, после чего климат снова станет суровее. Мнение академика Котельникова (он географ) другое – Он считает, что мы на пороге похолодания, а потепление предсказывают математики, физики и иженеры на основе построенных ими моделей. Нужно отметить и эту точку зрения,

Какую погоду ждать на земле? директором Института глобального климата и экологии академиком Юрием Антониевичем Израэлем.

За сто минувших лет температура воздуха в Северном полушарии повысилась на 0,6 градуса Цельсия. Казалось бы, совсем небольшая величина, но она весьма заметна, чётко фиксируется изменение климата в отдельных регионах, иным стало распределение осадков, нарушилась привычная повторяемость экстремальных явлений — наводнений, ураганов, тайфунов. Стихийные бедствия будут случаться чаще, чем в прошлом. Предполагается, что их мощь будет нарастать. Но есть сценарии, в которых ничего особенного, заметного для землян происходить не будет. Такие варианты возможны, если развивать те виды энергетики, которые не сопровождаются выделением углекислого газа (одного из основных парниковых газов), а также заниматься энергосбережением.

Всю энергию мы получаем от Солнца, её величина практически постоянна. Однако в ХХ веке в результате деятельности человека атмосфера стала „грязнее“ (увеличилась концентрация парниковых газов), отчего она поглощает больше тепла. Вследствие этого парниковый эффект усилился. Образно говоря, „солнечная печка“ начала греть поверхность планеты чуть больше. Интересно, что влияние парникового эффекта более всего проявляется в так называемом приземном слое атмосферы. Антропогенное воздействие распространяется, конечно, на всю атмосферу, но нас интересует тот слой, где живёт человек. В ХХ веке температура в нижнем слое атмосферы повысилась на 0,6 градуса, а прогноз на ХХI век, по оценкам различных сценариев, — рост температуры от 1,4 до 5,8 градуса.

На взгляд директора Института глобального климата и экологии академика Юрия Антониевича Израэля наиболее вероятны сценарии, предполагающие повышение температуры на полтора-три градуса. Основные проблемы будут связаны с вечной мерзлотой. Её протаивание ухудшит ситуацию на огромных просторах России, поскольку в зоне вечной мерзлоты находится около 55 процентов нашей территории. При потеплении будут проседать дома, выходить из строя нефте- и газопроводы. Возможен выход из глубин вечной мерзлоты метана, а он тоже парниковый газ. И уровень моря начнёт повышаться. По прогнозам, за сто лет он поднимется на 47 сантиметров. К счастью, этот процесс будет идти медленно, а значит, можно успеть принять меры. В этой связи в 1987 году в Японии был разработан Международный, так называемый Киотский, протокол об ограничении выбросов в атмосферу парниковых газов. В нём определены квоты промышленных выбросов только для развитых стран и стран с „переходной экономикой“, таких, как Россия, в зависимости от их территории, численности населения и других особенностей. Большинство стран свои обязательства не выполняют и превышают указанные в документе квоты по вредным выбросам, за исключением стран бывшего Советского Союза. Мы не только выполняем, но и перевыполняем все нормы, так как промышленность у нас „рухнула“. К примеру, выбросы двуокиси углерода уменьшились на одну треть. Это колоссальная цифра!

А где же анализ данных кернов льда изотопным методом? Их следует рассмотреть, иначе тема доклада повисает в воздухе.После «климатического оптимума» прослеживаются короткопериодные колебания температуры. Похолодание в середине первого тысячелетия новой эры получило в старинных документах название «века страшных зим». На рубеже первого и второго тысячелетий новой эры наступает тёплая «эпоха викингов». Температура воздуха в Гренландии была на 2 – 3º С выше современной. Норманны (под предводительством Эйрика Рауди «Рыжего») в 980 г. начали успешно осваивали Гренландию. В XIII веке началось похолодание, и поселения были брошены. Следует подчеркнуть, что изменения климата в высоких широтах более контрастны, чем в среднем по планете.

О периодах потепления и похолодания говорят исследования льда Антарктиды на станции Восток. В скважине глубиной 3350 м изучен изотопный состав льда и оценена температура его образования (рис. 30). Одновременно была измерена концентрации СО₂ в пузырьках воздуха ледового керна. Пробы охватывают: голоцен (последние 10 тыс. лет), валдайскую, или вюрмскую ледниковую эпоху (10 – 120 тыс. лет назад), микулинское или рисс-вюрмское межледниковье (120–130 тыс. лет назад) и заключительные этапы днепровского или рисского оледенения. Общая продолжительность временного интервала наблюдений 425 тыс. лет. Точность определения возраста льда на глубине 2200 м составляет 10–15 тыс. лет. На сегодня это единственная колонка льда, покрывающая последний ледниково-межледниковый цикл.

Относительные изменения температуры можно оценить по соотношению легких и тяжелых изотопов водорода ( ¹Н, ²Н и ³Н) или кислорода (¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О) в воде . Лёгкие молекулы более подвижны . Поэтому лед при плавлении и вода при испарении обогащаются тяжёлыми изотопами. Соотношение изотопов указывает на температуру, при которой протекали эти процессы . С учетом точности и простоты измерений индикатором температуры служит отношение ¹⁸О/¹⁶O. В сумме изотопов кислорода доля ¹⁸О – 0,204%, ¹⁶O – 99,759%. Малая распространённость ¹⁷О – 0,037% затрудняет измерение его концентраций. За ноль принят изотопный состав морской воды. В Восточной Антарктиде отклонение отношения ¹⁸О/¹⁶O от стандарта на 0,1% соответствует изменению температуры на 1,5°С.

Температура и концентрации парниковых газов (двуокиси углерода и метана) менялись неоднократно и происходили синхронно по времени (рис. 30). Следовательно, существуют природные факторы, которые вызывают эти процессы.

Рис. 30. Изменение концентрации СО₂, N₂O, CH₄ и D (индикатора температуры)

по данным анализа керна льда на станции «Восток» (Антарктида) [27]

Изменения средней температуры поверхности Земли с 1000 по 1900 г. показаны на рис. 31. Общей тенденцией является понижение температуры примерно на 0,2^оС. На ее фоне отмечаются периоды кратковременного похолодания (до – 0,2^о в середине XV века) и потепления (почти на +0,2 ^о в конце XII века), о которых шла речь выше. Быстрый подъем, начиная со второй половины XIX века, совпадает с началом промышленной революции в Европе.

Рис. 31. Изменение температуры в Северном полушарии за последние 1000 лет

Температура поверхности Земли в 1850–2000 гг. (рис.32).Градиент изменения температуры в период 1901–2003 гг. составляет +0.68 ^оС/100 лет, но рост неравномерный. В период с 1940 – и до конца 1970-х гг. холодные годы чередовались с теплыми, а затем наступает современный быстрый подъем (градиент +2.39^о/100 лет для периода 1976-2002). Самым теплым был 1998 г (отклонение от среднего за 1961–90 гг. составило +0.66^о С для Северного полушария) [28].

Рис. 32 Тренд средней температуры земной поверхности

Современное потепление неоднородно. Над сушей Северного полушария рост температур – +3.56^о/100 лет. Для некоторых районов Мирового океана характерно уменьшение температуры до 0,5^оС, связанное с увеличение облачности.

Изменения климата России.Средний тренд за 1951–2004 гг. составил +0.29ºС/10 лет (32% объясненной дисперсии). Потепление максимально в зимний и весенний сезоны (+0.4ºС/10 лет) и особенно заметно в центральных и южных районах Сибири зимой (местами больше+ 0.7ºС/10 лет).

Для биоты важна не только температура, но и распределение осадков. Для России в 1951–2004 гг. обнаруживается рост зимне-весенних осадков в западной части и уменьшение летне-осенних осадков в восточных регионах. Однако почти во всех случаях тренд объясняет лишь малую долю изменчивости осадков.