Изменение климата

Изменение климата

    Не  только антропогенное воздействие, но и естественные причины приводят к изменению окружающей среды. Прежде всего, это относится к климату. Рассматривая проблемы глобального  изменения климата, истощения озонового  слоя в атмосфере Земли, предлагаемые меры по сокращению эмиссии парниковых и озонразрушающих газов, следует проанализировать возможное соотношение естественных и искусственных причин тревожащих человечество отклонений от признаваемого им оптимума состояния окружающей среды.

Ранняя история изменения климата на Земле

    Развитие  микроорганизмов, похожих на современные  сине-зеленые водоросли, положило конец  восстановительной атмосферы, а  вместе с ней и первичной климатической  системы. Этот этап эволюции начинается около 3 млрд. лет назад, а возможно и раньше, что подтверждает возраст отложений строматолитов, являющихся продуктом жизнедеятельности первичных одноклеточных водорослей. Находки их в Южной Африке датируются 2,7 — 2,9 млрд. лет.

    Около 2,2 млрд. лет назад атмосфера становится окислительной, т. е. появляются заметные количества свободного кислорода. Об этом свидетельствуют геологические вехи: появление сульфатных осадков — гипсов, и в особенности развитие так называемых красноцветов — пород, образовавшихся из древних поверхностных отложений, содержавших железо, которые разлагались под воздействием физико-химических процессов, выветривания. Красноцветы отмечают начало кислородного выветривания горных пород.

    В последнее время О. Г. Сорохтин выдвинул новую гипотезу, согласно которой в результате непрерывно идущего процесса формирования ядра Земли из зоны его формирования выделяется избыток кислорода, "просачивающегося" к поверхности планеты и участвующего в формировании атмосферы. По О. Г. Сорохтину, именно таким путем атмосфера стала окислительной, а возможно даже, что она с самого начала имела некоторое количество кислорода.

    Предположительно, около 1,5 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло "точки Пастера", т. е. ¹/₁₀₀ части современного. Точка Пастера означала появление аэробных организмов, перешедших к окислению при дыхании с высвобождением при этом значительно большей энергии, чем при анаэробном брожении. Опасное ультрафиолетовое излучение уже не проникало в воду глубже 1 м, так как в кислородной атмосфере возник пока еще очень тонкий озоновый слой. Одной десятой части современного содержания кислорода атмосфера достигла более 600 млн. лет назад. Озоновый экран стал более мощным, и организмы распространились во всей толще океана, что привело к настоящему взрыву жизни. А вскоре, когда на сушу вышли первые самые примитивные растения, уровень содержания кислорода в атмосфере быстро достиг современного и даже превзошел его. Предполагается, что после этого "всплеска" содержания кислорода продолжались его затухающие колебания, которые, возможно, имеют место и в наше время. Так как фотосинтетический кислород тесно связан с потреблением углекислого газа организмами, то и содержание последнего в атмосфере испытывало колебания.

    С изменениями атмосферы изменялся  и океан. Аммиак, содержавшийся в воде, был окислен, изменились формы миграции железа, сера была окислена в окись серы. Вода из хлоридно-сульфидной стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. В морской воде оказалось растворенным огромное количество кислорода, почти в 1000 раз больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса океана продолжала расти, но теперь медленнее, чем на первых этапах, что привело к затоплению срединно-океанических хребтов, которые были открыты океанологами только во второй половине нашего века.

    За 10 млн. лет фотосинтез перерабатывает массу воды, равную всей гидросфере; примерно за 4 тыс. лет обновляется  весь кислород атмосферы, а всего  за 6 – 7 лет поглощается вся углекислота  атмосферы. Это означает, что за время  развития биосферы вся вода Мирового океана не менее 300 раз прошла через ее организмы, а кислород атмосферы возобновлялся не менее 1 млн. раз! Между тем, современная масса живого вещества в биосфере Земли составляет всего 2,42*10¹⁸ г. Эта масса, в основном, находится на суше, в океане ее на порядок меньше — 3,2*10¹⁷ г.

    Океан поглощает большую часть тепла, поступающего к поверхности Земли  от Солнца. Он отражает только 8% потока солнечного излучения, а 92% поглощает  его верхний слой. 51% полученного  тепла затрачивается на испарение, 42% тепла уходит из океана в виде длинноволнового излучения, так как вода, подобно всякому нагретому телу, излучает тепловые (инфракрасные) лучи, остальные 7% тепла нагревают воздух при прямом контакте (турбулентный обмен). Океан, нагреваясь в основном в тропических широтах, переносит тепло течениями в умеренные и полярные широты и охлаждается.

    Средняя температура поверхности океана почти на 3 градуса выше средней  температуры воздуха у поверхности  Земли и равна 17,8°С. Самый теплый — Тихий океан, средняя температура его вод 19,4 °С, а самый холодный (со средней температурой воды -0,75°С) — Северный Ледовитый океан. Средняя температура воды всей толщи океана гораздо ниже поверхностной температуры — всего 5,7°С, но она все же на 22,7°С выше средней температуры всей земной атмосферы. Из этих цифр следует, что океан выступает как основной аккумулятор солнечного тепла.

Появление на Земле человека

    25 тыс. лет назад начинается последнее  разрастание ледниковых покровов. Своего максимума в северном  полушарии они достигли 18 тыс. лет назад.

    Кульминация оледенения продолжалась недолго, уже 16 тыс. лет назад началась его  общая деградация, а 5 тыс. лет спустя объем льда сократился вдвое. В это  время наступило небольшое похолодание, которое приостановило разрушение ледниковых покровов, но уже 8 тыс. лет назад Скандинавский ледниковый покров исчез полностью. В Северной Америке последние следы некогда грандиозного Лаврентийского ледникового покрова перестали существовать примерно 6 тыс. лет назад. Быстрая деградация ледниковых покровов объясняется не только климатическими условиями, но и самим механизмом движения льда, особенностями механики гигантского ледяного тела, находящегося на поверхности Земли в условиях, близких к точке плавления этого материала.

    История колебаний климата и оледенения за последние 3 млн. лет приводят к выводу о том, что при существующем состоянии климатической системы регулятором колебаний служит Антарктический ледниковый покров. С одной стороны, он не позволяет критической пороговой температуре воздуха подняться более чем на 2°С во время межледниковий, так как, находясь в благоприятных условиях существования у Южного полюса, при общей деградации оледенение всегда сохраняет площадь не менее 10 млн. км². С другой стороны, в периоды развития и наступления ледников его край не может продвинуться далеко, так как открытый океан препятствует этому. В связи с этим при наступлении ледников в северном полушарии в южном направлении сохраняется сравнительно теплая обстановка, в чем не последнюю роль играет большая "океаничность" этого полушария. В результате, процесс развития оледенения тормозится в глобальном масштабе. Трудно представить, как далеко могло бы зайти оледенение на нашей планете, если бы южное полушарие было менее океаническим, а южнополярный континент имел значительно большие размеры.

    Оригинальная  гипотеза известна как пульсационная  гипотеза Уилсона. Похолодание может  быть связано с особенностями  движения Антарктического ледникового  покрова. Периодически в пределах этого  покрова могут возникать быстро движущиеся потоки льда гигантских размеров, которые выбрасываются в океан, формируют шельфовый ледник и огромную массу айсбергов. Выброс может составлять несколько миллионов кубических километров льда. Увеличение площади ледникового покрова и масса тающих айсбергов приводят к глобальному понижению температуры и служат спусковым механизмом нового цикла оледенения. Зарождение такой пульсации Антарктического ледникового покрова происходит в межледниковья, так как быстрые гигантские потоки льда могут сформироваться только при условии его прогревания. Таким образом, потепление приводит к новому ледниковому периоду.

Астрономическая гипотеза М. Миланковича

    В соответствии с гипотезой Миланковича, разработанной им в 20-х годах 20 века, полушария Земли в результате изменения элементов ее движения могут получать меньшее или большее количество солнечной радиации, что отражается на глобальной температуре. Миланкович выделил три элемента движения. Один — колебания земной оси. Если посмотреть на ось сверху, то оказывается, что она описывает в пространстве круг за время приблизительно 25 тыс. лет, т. е. как бы покачивается по отношению к Солнцу.

    Второй  — изменение наклона земной оси  по отношению к плоскости орбиты (эклиптики) Земли. Такие изменения  происходят с периодичностью 41 тыс. лет и достигают 3 градусов. Третий элемент движения связан с изменением формы орбиты от почти круговой до несколько вытянутой — эллиптической. При этом различие в удалении от Солнца составляет около 5 млн. км. Предполагается, что раньше оно было больше.

    Рассчитав совместное влияние всех трех факторов, Миланкович смог определить периоды, когда  те или иные широтные зоны Земли  получают наименьшее количество солнечного излучения. По всей видимости, эти периоды  и должны соответствовать периодам формирования и развития покровных ледников в северном полушарии. Впоследствии другие исследователи, в том числе советские, внеся небольшие уточнения, подтвердили расчеты изменений движения Земли и притока солнечной радиации, выполненные Миланковичем. Эта гипотеза получила косвенное подтверждение благодаря анализу климатических ритмов при изучении колонок глубоководных морских осадков, относящихся к последним 500 тыс. лет, содержания тяжелого изотопа кислорода, а также видового состава двух видов морских организмов (радиосолярий) — все три индикатора характеризуют разные стороны климатической системы — температуру, распреснение и засоление океана в результате таяния и образования ледниковых покровов. Индикаторы подтвердили существование трех циклов изменения климатической системы с периодичностью, соответствующей периодичности факторов Миланковича. Наиболее резкие изменения происходили с периодичностью 100 тыс. лет, менее выраженные — с периодичностью 42 тыс. лет, а самые небольшие — 24 тыс. лет.

    Последний интервал, во время которого мы живем, носит название голоцена. Это отрезок времени с начала нынешнего межледниковья, начавшегося 10 тыс. лет назад и по времени соответствующего благоприятному для потепления сочетанию факторов Миланковича. Межледниковье тоже не является застывшим миром, хотя оно и не столь богато событиями, как ледниковый период. В голоцене происходили заметные климатические колебания, которые хорошо прослеживаются как с помощью палеотемпературных, так и других методов реконструкции климата прошлого.

    Ранняя  часть голоцена характеризовалась  потеплением, которое перешло около 8 тыс. лет назад в интервал, известный  как "климатический оптимум" и  продолжавшийся около 2,5 тыс. лет. В  период оптимума средняя температура  воздуха была выше современной, отмечена также повышенная увлажненность, в частности, в пустынях Сахара и Раджастхана в Индии. О более высокой температуре говорят хорошо сохранившиеся индикаторы климата прошлого, в частности, находки стволов деревьев, произраставших на берегах Северного Ледовитого океана в Сибири, в Гренландии и на острове Элсмир. Исландию в этот период наполовину покрывали березовые леса, которые сейчас занимают не более 1% территории. В горах повысилась граница леса, а ледяной покров Северного Ледовитого океана сократился по площади почти вдвое по сравнению с современным. В Сахаре найдены остатки многих животных, которые могли жить только при наличии водоемов со стоячими и текучими водами, обнаружены остатки богатой растительности. По существующим оценкам, в Европе было теплее на 2°С, чем сейчас, причем в основном в летний период, так как многие вечнозеленые растения — тис, падуб, и др. — контролируются зимней температурой и в это время на север не продвигались. Потепление, хотя и не столь сильное, как в северном полушарии, было отмечено и в южном.

    Климатический оптимум 5,5 тыс. лет назад сменился похолоданием, затем наступило новое  потепление, кульминация которого пришлась на период около 4 тыс. лет назад. Следующее  за ним новое похолодание совпало  с периодом войн за Трою и путешествий Одиссея.

    Следует сказать, что климатологи различают  геологические, исторические и современные  изменения климата. Ранее речь шла  о геологических изменениях, которые  изучаются только геологическими и  геофизическими методами. К историческим относятся изменения климата, происходившие в период развития цивилизации до начала инструментальных наблюдений. При изучении их, в дополнение к геологическим и геофизическим методам, используются археологические памятники и памятники письменности. Современные изменения климата относятся только к периоду инструментальных наблюдений.

    Вслед за первым историческим похолоданием с кульминацией около 3 тыс. лет назад  началось новое потепление, продолжавшееся и в первом тысячелетии нашей  эры, известное как "малый климатический оптимум". Этот период можно назвать также периодом забытых географических открытий, в отличие от периода Великих географических открытий XV и XVI вв. Открывателями новых земель были ирландские монахи, которые в середине первого тысячелетия, благодаря улучшившимся вследствие потепления условиям мореплавания в Северной Атлантике, смогли открыть Фарерские острова, Исландию и, как теперь предполагают, Америку. Вслед за ними эти открытия повторили норманнские викинги, которые в конце этого тысячелетия заселили Фарерские острова и Исландию, открыли и заселили Гренландию, а в самом начале последнего тысячелетия нашей эры добрались до Америки. Такая широкая экспансия норманнов в северные страны и отсутствие в исландских сагах того времени упоминаний о морских льдах как препятствии для мореплавания указывают на очень теплые условия. Норманнские поселенцы в Гренландии занимались не только добычей рыбы и зверя, но и скотоводством. Они заплывали очень далеко на север. Так, каменные пирамиды норманнов, служившие им ориентирами, обнаружены на 79 градусе с. ш. на берегу пролива Смита, разделяющего остров Элсмир и Гренландию.

    Потепление  раннего средневековья привело  к уменьшению увлажненности в  Европе, свидетельства чего найдены  в отложениях торфяников в Средней Европе. На Руси до конца Х в. также были благоприятные климатические условия: редко случались неурожаи, не было очень суровых зим и сильных засух. Вспомним, что именно в это благоприятное время был открыт и интенсивно использовался путь "из варяг в греки".