Механізми росту та відступу зледенінь
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
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.