Механізми росту та відступу зледенінь

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Представление о палео-ЭАЗО как мощных поставщиках осадков в ледниковые области помогает преодолеть противоречие между снижением влагоемкости воздуха при похолоданиях и формирова­нием огромных ледников за сравнительно короткие интервалы времени. Отрицательные эффекты похолоданий с лихвой компенси­ровались усилением взаимодей­ствий атмосферы с океаном в ЭАЗО, ускорением ветров, пере­носивших влагу с океанов на ма­терики. Нет оснований сомневаться в том, что было достаточно не­многих тысячелетий, чтобы ледни­ковые покровы приобрели форму массивных выпуклых щитов с уста­новившимся, или «равновесным», режимом. Последнее означает, что расход их льда, связанный с откалыванием айсбергов и тая­нием на краях, примерно компен­сировался притоком льда из хо­лодных внутренних районов, где шло непрерывное накопление и преобразование снега. Иными словами, ледниковые покровы до­стигали предельных размеров, ко­торые уже почти не менялись от года к году.

Теперь рассмотрим причины и механику уже упоминавшихся тер­минаций. Как кончались оледене­ния и каким был климат этих эта­пов? В последнее время этот во­прос стал вызывать много споров, хотя еще недавно казалось, что с ним все просто: на смену холодному климату приходили по­тепления, и ледники таяли. А о причинах самих потеплений либо не думали, либо связывали их с изменениями в поступлении сол­нечного тепла. В частности, ко­нец последнего оледенения мно­гие объясняли влиянием инсоляционного максимума, который на­чался около 20 тыс. лет и кульми­нировал 11 тыс. лет назад.

Однако наблюдения и расчеты показывают, что эти представле­ния неверны или верны лишь частично. Во-первых, выяснилось, что ликвидация ледниковых по­кровов произошла чрезвычайно быстро, не более чем за 10 тыс. лет, о чем мы уже говорили, рассмат­ривая гляциоэвстатический график. И стало ясно, что если бы таяние этих покровов шло лишь за счет тепла атмосферы и солнечной радиации, то оно заняло бы не 10, а целых 100 тыс. лет. Под­считано, например, что убывание массы льда со скоростями, кото­рые установлены геологами для некоторых секторов Лаврентьев­ского ледникового щита Северной Америки, требовало ежегодных затрат энергии в 1500 кДж/см², тогда как даже сейчас соответ­ствующие районы получают через атмосферу в среднем не более 130 кДж/см². Таким образом, мо­жет возникнуть вопрос: где же был главный источник энергии, которая расходовалась на таяние плей­стоценовых ледниковых покро­вов?

Во-вторых, гораздо менее понят­ной оказывается и природа тех «толчков», которые служили непо­средственной причиной тер ми на­ций. Из рис. 7 следует, что по­следняя из них (как, впрочем, и предпоследняя и ряд более древ­них) совпала с последним макси­мумом летней инсоляции, что вроде бы хорошо согласуется с известной гипотезой югославского астронома М. Миланковича. Одна­ко тот же рисунок делает оче­видным и другое: этот максимум не был за последние 100 тыс. лет ни единственным, ни самым боль­шим. Ему предшествовали два других инсоляционных пика, имев­ших возраст около 50 и 90—100 тыс., лет, которые терминаций не вызвали. Поэтому возникает и вто­рой вопрос, который созвучен во­просу о причинах различий в глу­бине межледниковых и меж­стадиальных потеплений: если причина ритмических чередований оледенений и межледниковийдействительно состоит в изменени­ях летней инсоляции, то почему за одними ее максимумами сле­довала ликвидация оледенения, а за другими, ничуть не менее значительными, лишь некоторое сокращение массы льда? И почему длительность ледниково-межлед­никовых циклонов плейстоцена была близка к 100 тыс. лет, тогда как в вариациях инсоляции, ощутимых в высоких и умеренных широтах, выявляется лишь 20- и 40-тысячелетняя периодичность?

Как ни интригующе звучат все эти вопросы, ответы на них уже получены, и они довольно просты. Причем главный из этих отве­тов, служащий основой для всех остальных, состоит в следующем. Климат со всеми его характе­ристиками, включая температуры воздуха и воды океана, атмосфер­ные осадки и морские течения, распределение и размеры ледни­ков и др., формируется и изме­няется работой «климатической машины» Земли, т. е. взаимодей­ствиями в системе «океан — ат­мосфера — материки — оледе­нение», внутри которой существу­ют прямые и обратные связи, в том числе механизмы усиления (или ослабления) внешних по от­ношению к системе сигналов.

Одним из примеров этих ме­ханизмов может служить уже опи­санный нами процесс образова­ния атмосферных осадков в эпохи роста ледниковых покровов. Взаи­модействие холодных материков, ледников и ледовитых субполяр­ных морей с субтропическими вод­ными массами создавалоэнер­гоактивные зоны океана, усилива­ло циркуляцию атмосферы, а взаи­модействие последней с этими зонами способствовало быстрому насыщению воздуха влагой, ко­торая затем и питала ледники.

Усилением в этой системе объ­ясняется и фактический размах похолоданий Земли. Напомним, что среднее снижение глобаль­ных температур в ледниковые эпохи составляло 6—7°, тогда как прямым следствием периодиче­ских уменьшений инсоляции могли быть лишь похолодания, не превы­шавшие 2°. Что же усиливало тот импульс, который давало падение инсоляции? Сейчас можно назвать несколько механизмов такого уси­ления. Главный из них — возра­стание отражательной способности (альбедо) суши и океана, свя­занное с ростом площадей ледни­ков, снежного покрова и морских льдов, с усилением опустынива­ния материков. Выполненные на­ми расчеты, учитывающие разра­ботки советского климатолога М. И. Будыко, показали, что только благодаря росту альбедо температуры воздуха ледниковых эпох должны были дополнитель­но снижаться не менее чем на 3°.

Еще один механизм усиления похолодания состоит в выхолажи­вающем влиянии ледниковых по­кровов на воздушные массы. При­ходя в контакт со снежно-ледни­ковыми поверхностями, эти массы передают им свои запасы тепла, которое затем излучается в кос­мическое пространство.Интен­сивность указанного процесса обеспечивается тем, что по своей способности излучать энергию, как уже было сказано, снег и лед близки к абсолютно черному телу, а само это излучение может идти без помех, поскольку небо над ледниковыми покровами почти всегда безоблачно. Такое выхола­живание также дает эффекты, ощутимые в масштабах всей Земли. Возможно, что в леднико­вые эпохи этот процесс служил дополнительным усилителем того сигнала к похолоданию, который поступал в виде минимумов лет­ней инсоляции.

Так объясняется размах плейсто­ценовых колебаний температур. Те же механизмы позволяют по­нять и природу различий в глубине межстадиальных и межледнико­вых потеплений. Очевидно — и это подтверждается графиками А и Б на рис. 7, — что первые происходили в условиях, когда на Земле существовали сравни­тельно крупные ледниковые по­кровы, а связанные с ними потери энергии были велики. А вторые имели место в условиях, когда оледенение резко сокращалось и потери тепла за счет альбедо и ледникового выхолаживания становились близкими к современ­ным. Именно в этом проявляли себя прямые и обратные связи между температурами и оледе­нением: не только похолодания способствовали Нарастанию снеж­но-ледяных масс, но и масштабы оледенения оказывали опреде­ляющее влияние на температурное состояние Земли. Причем причины и следствия здесь часто менялись местами. Сравнение графиков А и Б, т. е. палеотемпературной и гляциоэвстатической кривых, приводит к заключению, что изме­нения оледенения и температур далеко не строго следовали друг за другом. Правда, температурные минимумы последней ледниковой эпохи довольно строго совпадали с интервалами ускоренного роста ледниковых покровов, а темпера­турные максимумы — с этапами их сокращения. Однако если сни­жения температур во время трех климатических минимумов этой эпохи были практически одина­ковыми, то количество льда в каж­дый из них было различным, последовательно нарастая от нача­ла эпохи к ее концу. Судя по все­му, межстадиальные потепления, имевшие место внутри леднико­вой эпохи, были и слишком слабы­ми, и слишком короткими, чтобы уничтожить весь лед, накопив­шийся к их началу. А новые по­холодания с лихвой компенсиро­вали межстадиальные потери. Важ­но также, что ледники, успевшие вырасти до этих потеплений, были целиком наземными или по­лярными, а потому весьма устой­чивыми по отношению к внешним воздействиям.

Зато дальнейший рост оледе­нения, приближавший его к макси­муму, был связан и с распростра­нением льда в более низкие ши­роты, и с его экспансией на при­морские низменности и континен­тальные шельфы. Судя по дан­ным теоретических и эксперимен­тальных исследований гляциоло­гов, ледниковые покровы таких низменностей и шельфов в опре­деленных условиях теряли устой­чивость, чему способствовали рост массы льда и прогибание земной коры под его нагрузкой. А до­стигнув критического уровня неус­тойчивости, они могли катастро­фически быстро разрушаться, причем не путем наземного тая­ния, а за счет резкого ускорения движения и сброса льда в океан («айсбергового стока»).

Катастрофическое разрушение неустойчивых ледников могло на­чинаться в ответ на сравнительно слабые внешние воздействия, в том числе на некоторое усиление таяния, вызванное очередным ин­соляционным максимумом. А пос­ле этого включалась своеобраз­ная цепная реакция взаимодей­ствий: интенсивный айсберговый сток вел к повышению уровня океана, а это повышение вызывало новые сбросы льда.

Таким образом, основная масса плейстоценовых льдов таяла не на суше. Впрочем, не наземное таяние, а айсберговый сток состав­ляет главную статью расхода льда и у современных ледниковых по­кровов. Антарктида, например, и сейчас ежегодно теряет с этим стоком свыше 2000 км³льда, тогда как ее потери, связанные с наземным таянием, как поверх­ностным, так и подледным, не достигают и 100 км³. В эпохи же древних оледенений, когда темпе­ратура воздуха снижалась, а кон­такты ледников с океаном усили­вались, роль айсбергового стока еще более возрастала, особенно на этапах терминаций, когда за считанные тысячелетия в океан сбрасывались десятки миллионов кубокилометров льда. Реальность этих сбросов доказана позднелед­никовыми изменениями изотопно­го состава океана, которые говорят о быстром «облегчении» его воды за время терминаций. Очевидно, что это облегчение может быть только следствием возвращения в океан изотопно легкой воды (т. е. воды, обогащенной легким изотопом кислорода ¹⁶О), которая до того удерживалась в ледни­ках.

Теперь мы можем ответить и на все оставшиеся вопросы. Раз основная масса плейстоценового льда не таяла на суше, а сбрасы­валась в океан, то и энергия, по­требная для ее таяния, черпалась не из атмосферы, а в океане, где ее запасы в 1000 раз больше. И по­скольку катастрофические сбросы льда были следствием неустойчи­вости ледниковых покровов, они могли происходить лишь тогда, когда эта неустойчивость возника­ла, а именно, когда ледники рас­пространялись на шельфы и дости­гали «критической массы». Мы уже указывали, что толчком для начала терминаций служили повышения летней инсоляции, однако сейчас ясно, что такую роль могли играть не все ее повышения, а только те из них, которые приходились на время ледниковых максимумов. Наверное, мы не ошибемся, если скажем, что оледенения заверша­лись быстрыми и полными распа­дами только тогда, когда инсоля­ционные потепления воздейство­вали на ледниковые покровы, успевшие созреть для распада. И срок такого созревания в кон­кретных условиях четвертичного периода Земли, видимо, был бли­зок к 100 тыс. лет.

В завершающие фазы оледене­ний сток льда в океан становился глобальным климатообразующим фактором, поскольку он обуслов­ливал резкий рост тепловых потерь океана. Эти потери были связаны прежде всего с поглощением теп­ла при таянии айсбергов. Ведь из­вестно, что энергия, необходимая на таяние 1 млн. км³ льда, состав­ляет более 3-10¹⁴ МДж, что в 100 раз больше, чем теплосодер­жание воды, ежегодно поступаю­щей в Арктический бассейн с вет­вями Североатлантического тече­ния. А при деградации последнего оледенения в океан поступил не один, а не менее 60 млн. км³ льда. Причем этот механизм позднелед­никового охлаждения океана не был единственным. Талые ледни­ковые воды опресняли приповерх­ностный слой воды океана, что вы­зывало сильный рост его зимней ледовитости, айсберги и морские льды способствовали резкому по­вышению альбедо поверхности, сокращая поглощение радиацион­ного тепла.

Айсберговый сток на этапах де­градации оледенения не был по­степенным равномерным процес­сом. Наоборот, каждая терминация состояла из нескольких стадий ускоренного распада ледниковых покровов, во время которых в океан поступали огромные массы льда, и интервалов временной ста­билизации ледников, когда сток айсбергов замедлялся. Соответ­ственно менялся и климат. По рас­четам палеоклиматологов, наибо­лее крупные сбросы льда могли охлаждать климат целого полуша­рия на 5—10° на столетия. О том же говорят прямые палеогеогра­фические данные: позднеледни­ковое потепление действительно неоднократно прерывалось корот­кими похолоданиями, во время которых наступали горные ледни­ки, расширялись ареалы тундровой растительности, усиливались эоло­вые процессы. Причем уже давно предполагалось, а недавно уда­лось и доказать, что очаги этих похолоданий находились в океане.

Это доказательство было полу­чено следующим образом. Был избран сравнительно хорошо да­тированный интервал резкой тем­пературной осцилляции — пере­ход от теплого аллередского вре­мени к холодному позднему дриасу, имевший место около 11 тыс. лет назад, а затем собраны и пере­считаны на температуры все имеющиеся в мировой литературе дан­ные по изменениям в составе планктонных фораминифер дна Северной Атлантики и раститель­ности на сопредельных материках, которые произошли в это время. При этом выяснилось, что самое большое снижение температур происходило в океане, охватывая поверхностные слои воды в рай­онах наиболее интенсивного тая­ния айсбергов, и достигало 8—9° (относительно современных тем­ператур). А на суше похолодание этого времени сильнее всего про­явилось в тех областях Евразии и Северной Африки, которые нахо­дятся под влиянием атлантиче­ских воздушных масс, да и соста­вило оно лишь 4—5° и менее.

• ← Енергоактивні зони океану
• Причини зледенінь →