4 years назад
Нету коментариев

Климат оказывает большое воздействие на развитие органического мира. Он служит как бы природным ре­гулятором, влияющим на численность и таксономиче­ское разнообразие животных и растений, и определяет экологические условия их существования и расселения. Ведущая роль принадлежит климату в формировании процессов, преобразующих данную поверхность, в на­коплении осадочных горных пород, локализации полез­ных ископаемых и ценных минералов в различных ланд­шафтных зонах. Поэтому для более глубокого представ­ления истории развития того или иного региона и це­ленаправленного поиска полезных ископаемых большое внимание уделяется проблеме восстановления древнего климата.

Как же можно установить особенности климата гео­логического прошлого? Если современный климат мы можем охарактеризовать по показаниям приборов и его воздействие хорошо видно на окружающих ландшафтах, то какие свидетельства нам позволяют восстановить климатические обстановки далеких эпох. Для этого не­обходимо из большого числа объектов геологического прошлого выделить те, которые являются индикатора­ми на климат, т. е. запечатлели в себе воздействие кли­мата или возникали непосредственно при его участии. Они имеются как среди осадочных горных пород, так и среди органического мира. Например, хорошо известно, что непременным условием образования углей служат обильное увлажнение и жаркий климат, а у каменной соли — засушливый жаркий климат. Коралловые полипы во все времена жили только в теплых и прозрачных водах. Встречаются моллюски, которые предпочитали жить при умеренных температурах. По климатическому признаку различаются и условия распространения растений. Температурный режим прошлого удается вос­становить по химическому и изотопному составам кар­бонатных раковин. Изотопы кислорода, а также такие элементы, как кальций, магний и стронций (последний только для организмов, обитавших в пресноводных бас­сейнах), концентрируются в карбонатных раковинах беспозвоночных в соответствии с температурами воды. Это значит, что, зная соотношения этих элементов или изотопов кислорода в раковинах, можно определить средние годовые температуры среды обитания.

РОЖДЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

На самой ранней стадии развития, Долее чем 4,5 млрд, лет назад, Земля не имела ни атмосферы, ни океанов, да и не существовало еще самой «земной тверди», какая уж тут может -идти речь о климате. Скорее всего, он отсутствовал, по крайней мере, еще 500 млн. лет назад и в более позднее время.

Периодические выбросы из недр Земли разнообраз­ных веществ привели к возникновению атмосферы и гидросферы. Первичная газовая оболочка нашей пла­неты была бескислородной и имела вид смеси водяного пара, водорода, углекислого газа, метана, аммиака, сер­нистого водорода и паров соляной и плавиковой кислот.

Около 3,5 млрд. лет назад атмосфера стала азотно-аммиачно-углекислой. В ней преобладал углекислый газ — около 60%. Атмосфера имела малую мощность, и ее температура у земной поверхности незначительно отличалась от температуры лучистого равновесия. Зем­ля отдавала в мировое пространство столько же тепла, сколько получала от Солнца.

При сравнительно низкой температуре вбли­зи земной поверхности происходила конденсация водя­ного пара и благодаря этому была сформирована гид­росфера. Во вновь возникшем океане растворилась зна­чительная часть атмосферной углекислоты, серы и ее соединений, аммиака, азотной и плавиковой кислот, которые находились в воздухе и постоянно поступали из недр Земли при извержениях.

Продолжительное время температуры на земной по­верхности почти не изменялись и не выходили за пре­делы существования воды в жидком состоянии.

Свободный кислород появился в атмосфере в резуль­тате воздействия солнечного излучения на молекулы водяного пара и деятельности растительных микроорга­низмов. Сначала он полностью затрачивался на окисле­ние метана, сероводорода и аммиака, находившихся в большом количестве в газовой оболочке Земли, а также на окисление металлов. Ввиду отсутствия озонового эк­рана атмосфера легко пропускала космические лучи и жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Скорее всего, именно за счет ультрафиолетового излучения в древнем океане из простых стали образовываться слож­ные органические соединения вплоть до аминокислот.

Следы жизни обнаружены в породах, имеющих воз­раст около 3,5—3,8 млрд. лет. При отсутствии озоновой оболочки живые существа могли существовать только в водной среде, так как поверхность воды служила им защитным экраном от губительного воздействия косми­ческих лучей.

Дальнейшее развитие биосферы было тесно связано с появлением свободного кислорода в газовой оболочке Земли и возникновением озонового экрана. В результа­те неорганических фотохимических реакций, протекав­ших в верхних частях атмосферы под действием энергии солнечных лучей, молекулы водяного пара распадались. Водород удалялся в космическое пространство, а атомы кислорода образовали озон.

С появлением кислорода в атмосфере в количестве 1/1000 доли от его современного содержания (так назы­ваемая точка Юри), а это произошло около 1,5 млрд. лет назад, возникли первые организмы, которым он уже был необходим для нормального развития. Многоклеточные организмы появились тогда, когда содержание кислоро­да достигло так называемой точки Пастера (1/100 доля от современного). Это произошло около 700 млн. лет назад и с этим временем связано появление многих бес­позвоночных животных.

Шло время — и состав атмосферы постепенно изме­нялся. На фоне все увеличивающейся концентрации кис­лорода с архея атмосфера постепенно теряла углекис­лый газ, и к началу протерозоя его количество достигло всего нескольких процентов.

КЛИМАТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ПРОШЛОМ

Заглянем в далекое прошлое, возродим из небытия кли­маты ранней истории Земли и попытаемся проследить их развитие.

Пока нам трудно судить о климатах архейского зона, поскольку мы не имеем об этом отрезке времени ясного представления. Однако о более поздней истории разви­тия Земли сведений имеется в достаточном количестве. Так, сейчас мы знаем, что в начале протерозоя темпера­туры на земной поверхности были очень высокими. Не­которые ученые предполагают, что они достигали + 100°С. Но это весьма сомнительное рассуждение. Ско­рее всего, в среднем на Земле в это время температуры составляли немногим более +50°С. Затем сильное по­холодание привело к обширному оледенению. Об этом свидетельствуют древние морены — тиллиты, с возра­стом 2,3—2,5 млрд. лет. Они распространены в Канаде, Скандинавии и Южной Африке. По истечении 300 млн. лет на Земле вновь потеплело. Температуры повысились до +35°С. Возможно, на полюсах существовали тропи­ческие условия.

В рифее — венде возникали еще два покровных оле­денения. После очередного потепления, вероятно, и по­явились многоклеточные мягкотелые организмы.

Многочисленные свидетельства о климатах оказались запечатлены в земных слоях, образованных за послед­ние 600 млн. лет, т. е. в фанерозое.

Наиболее теплыми являлись кембрийский (570— 500 млн. лет назад) и девонский (400—345 млн. лет на­зад) периоды, раннекаменноугольная эпоха (345— 300 млн. лет назад), мезозойская эра (235—65 млн. лет назад) и эоценовая эпоха (53—37,5 млн. лет назад). В эти интервалы времени теплый климат, весьма сходный с современным экваториальным и тропическим, суще­ствовал почти на всей земной поверхности.

На протяжении длительной истории Земли климати­ческие условия неоднократно ухудшались. Существова­ли не только периоды глобально выраженной засушли­вости, но и эпохи оледенения. Наиболее засушливые ус­ловия с развитием обширных пустынь и морей с высокой соленостью свойственны кембрию, раннему девону и перми.

Сильные похолодания с развитием мощного покров­ного оледенения происходили в течение позднеордовикской (430—450 млн. лет назад) и позднекаменноугольной эпох (280—300 млн. лет назад) и в четвертичном периоде.

С определенной долей условности изменения средних температур земной поверхности можно представить в виде графика (рис. 21). Если мы сравним между собой реконструированную климатическую зональность, харак­тер смены температурного режима с эволюцией хими­ческого состава атмосферы (в частности, с колебаниями концентрации углекислого газа в атмосфере), этапами развития органического мира и положением континен­тов, то удается выявить прямую и обратную связи этих крупных факторов.

Изменение средних температур земной поверхности и скорость возникновения семейств в фанерозое

Изменение средних температур земной поверхности и скорость возникновения семейств в фанерозое

Исследования советских ученых А. Б. Ронова и М. И. Будыко показали, что содержания углекислого газа в атмосфере в отдельные периоды фанерозоя на­много превышали современные его значения. По расчет­ным данным этих авторов, которые очень хорошо согла­суются с геологическими, в кембрийской, девонской и раннекарбоновой атмосферах концентрация СО2 состав­ляла более 0,4%. К настоящему времени его содержа­ние составляет всего 0,03%. На фоне общей тенденции к уменьшению количества углекислого газа в атмосфере существовали эпохи значительного его возрастания. При этом нельзя не отметить удивительной согласован­ности между кривыми изменения температурного режи­ма на земной поверхности и содержанием СО2 в атмос­фере.

Эпохи максимальной концентрации атмосферного углекислого газа характеризовались высоким темпера­турным режимом, и, наоборот, периоды значительного похолодания и даже наступления оледенения соответ­ствовали резкому снижению концентрации СО2.

Возникает вполне закономерный вопрос, почему же в определенные промежутки времени содержание угле­кислого газа то уменьшалось, то вновь резко увеличи­валось, причем даже на целый порядок? Причиной уси­ленного притока СО2 в атмосферу могла быть активи­зация вулканической деятельности на Земле. В свою очередь, благоприятные климатические условия и высо­кие концентрации СО2 в атмосфере привели к исключи­тельному росту продуктивности растений.

Усиленное потребление атмосферного углекислого газа растениями в раннем карбоне и большой расход растворенной в морской воде углекислоты, идущей на формирование карбонатных осадков и построение рако­вин моллюсков, послужили причинами глобального по­нижения температур и возникновения обширного оледе­нения в позднем карбоне. Выхолаживание нижней части атмосферы можно объяснить и присутствием в высоких широтах материковой суши или особым характером рас­пределения теплых и холодных морских течений.

На протяжении мезозоя нередко возникал дефицит углекислого газа в атмосфере, и в эти эпохи мы вправе были ожидать не только сильного похолодания, но и даже наступания оледенения. Однако преградой этому служило положение материков и распределение суши и моря. Если в приполярных районах находилось море, то ни о каком оледенении не могло быть и речи, так как водная среда обладала большей теплоемкостью и низ­кой отражательной способностью. В то же время, когда вблизи полюса располагался крупный массив суши, то ввиду высокого альбедо земной поверхности солнечные лучи отражались и на общее похолодание накладыва­лись региональное выхолаживание приполярных районов, и здесь начинали формироваться ледники.

Насколько правомерны подобные рассуждения и ка­ким образом они подтверждаются при рассмотрении ближайшего к нам четвертичного оледенения? Первые признаки горного оледенения в Восточной Антарктиде появились во второй половине олигоценовой эпохи, т. е. примерно около 25 млн. лет назад, когда глобальные температуры земной поверхности по сравнению с эоце­новой эпохой сильно понизились.

С течением времени площадь покровного ледника увеличивалась. С продолжающимся похолоданием хоро­шо увязываются понижение концентрации СО2 в атмос­фере, расположение на Южном полюсе материковой суши и возникновение пролива Дрейка. Если ранее Ан­тарктида, входившая в состав Гондваны, обогревалась теплыми течениями, идущими из низких широт, то в результате отделения от нее Австралии и Южной Аме­рики было сформировано новое Циркумантарктическое течение. Оно огибало всю Антарктиду и способствовало дальнейшему выхолаживанию материка.

В Арктическом бассейне, несмотря на начавшееся похолодание в конце олигоцена, температуры оставались довольно высокими. Сравнительно высокие температуры (примерно такие же, как в современном Северном море) существовали здесь на протяжении почти всего неоге­нового периода, и только сильная регрессия моря, со­провождаемая возрастанием площади суши в приполяр­ном районе с одновременным снижением роли теплых течений, проникающих из Атлантики и Тихого океана в Арктический бассейн, вызвала похолодание.

Следовательно, главными причинами климатических колебаний в истории Земли, если мы не будем учиты­вать действие космических явлений, были тектоническая активность планеты и состав атмосферы. Климаты за­висели от положения материков и в связи с этим нахож­дения суши в полярных областях, когда сильно менялась отражательная способность земной поверхности, вулка­нической активности, содержания углекислого газа в атмосфере, особенностей распределения морских и оке­анских течений, площадей морей и суши и т. д.

КЛИМАТ И ЭВОЛЮЦИЯ ОРГАНИЗМОВ

Органический мир Земли теснейшим образом связан со средой обитания. Прогрессивность эволюции всего живого в мире выражается в повышении уровня организации и резкой интенсификации метаболизма, т. е. усилении об­мена веществ. На протяжении всей истории развития биосферы имеются вполне определенные тенденции к постоянному убыстрению этого процесса. В результате развития биосферы проявилась ярко выраженная тен­денция в постепенном завоевании организмами основных арен жизни — от сравнительно узкой полосы Мирового океана в начале фанерозоя до практически всей планеты в современную эпоху. Знание этой последовательности позволяет более отчетливо представить себе основные особенности эволюции органического мира от первичных организмов, населявших морское мелководье, и первых влаголюбивых наземных форм до глубоководных комп­лексов и ксерофильных ассоциаций.

На фоне общего эволюционного развития органичес­кого мира путем длительной трансформации и преемст­венности фауны и флоры в фанерозойской истории наме­чается ряд революционных перестроек. Это позволяет не только признать существование синхронных измене­ний биологических, физико-географических и геотектони­ческих факторов планетарного масштаба, но и оценить степень их влияния в геологической истории планеты.

Сравнивая между собой историю развития климата и эволюцию организмов, можно прийти к выводу об их тесной связи. Одновременно живое вещество влияло на окружающую среду и преобразовывало ее, тем самым вы­зывая изменение регионального и глобального климата. Мы уже отмечали большую роль фотосинтезирующих организмов и морских беспозвоночных, обладавших карбонатной раковиной в глобальных колебаниях климата. Рассмотрим эту проблему с другой стороны, а именно, как и с какой интенсивностью происходили из­менения в животном и растительном царствах в зави­симости от климата?

Выходу водной растительности на сушу и ее мигра­ции благоприятствовала очень теплая атмосфера, насы­щенная парами воды.

Понижение среднегодовых температур и аридизация климата оказали сильное воздействие на эволюцию растений. В процессе борьбы за существование среди растений в это время возникли прогрессивные группы, лучше, чем другие, приспособленные к обитанию в ус­ловиях относительно пониженных температур (скорее, к их сезонному колебанию) и недостаточного увлажнения. Представителями этой группы являлись растения, имевшие кольца нарастания и обладавшие большими экологическими возможностями, а также ксерофиты, т. е. формы хорошо приспособленные к обитанию в ус­ловиях дефицита влаги.

Даже если только рассмотреть смену крупных груп­пировок флоры в течение фанерозоя, то и здесь мы уви­дим несомненное влияние климата. Споровые растения, господствовавшие в середине палеозойской эры, ввиду ухудшения климатических условий постепенно сменились более прогрессивными голосеменными. В свою очередь, около 100 млн. лет назад появилась и широко рассели­лась флора покрытосеменных.

Влияние температурного фактора на эволюцию мор­ских беспозвоночных выражалось в первую очередь в изменении качественного состава биоценозов, т. е. истори­чески сложившегося комплекса организмов в определен­ном участке биосферы, а при длительном воздействии отражалось на размерах, морфологии и анатомическом строении организмов.

Увеличение общего числа семейств происходило в экс­тремальные климатические эпохи. Оптимальные условия для существования организмов определяются постоянно высокими температурами. Именно в это время появля­лись и расселялись новые виды организмов. Похолодания приводили к массовым вымираниям, но выжившие про­грессивные формы, приспособившиеся к обитанию в экстремальных условиях, впоследствии оказывались не­обычайно плодовитыми. Почти все современные позво­ночные относятся к шести классам: хрящевые рыбы, кос­тистые рыбы, амфибии, рептилии, млекопитающие и пти­цы. В отличие от остальных групп организмов позвоноч­ные, особенно наземные их представители, наиболее сильно подвержены воздействию климата. В процессе своей эволюции многие из них выработали определенные защитные функции и приспособления.

Известно, что представители всех классов позвоноч­ных возникли только в два довольно ограниченных ин­тервала времени. Первый охватывает девон — ранний карбон, а второй продолжался от конца триаса до начала мелового периода. На примере происхождения и расселения позвоночных очень хорошо видно влияние климатических условий и атмосферы.

В девоне — раннем карбоне и в интервале времени от середины триаса до конца юры значительно увеличи­лось содержание атмосферного кислорода, что само по себе благоприятствовало жизнедеятельности позвоноч­ных. Но в их развитие вмешивался температурный фак­тор. В условиях как достаточно высоких, так и низких температур жизнедеятельность позвоночных обычно сильно замедлялась.

Освоение суши осуществлялось почти одновременно растениями и позвоночными благодаря небольшому сни­жению температур и значительной аридизации. Эволю­ция амфибий в раннем карбоне продолжалась в усло­виях влажного и теплого климата.

Возрастание количества форм амфибий с признаками наземной организации достаточно хорошо увязывается с усилением аридизации в начале перми и некоторым сни­жением температур. В начале перми появились древней­шие группы рептилий, которые в середине пермского периода достигли расцвета. Их быстрый прогресс связан с тем, что по сравнению с остальными позвоночными они обладали более совершенным дыханием, интенсивным кровообращением и плотной роговой оболочкой, предох­ранявшей тело от быстрой потери влаги и тепла.

Сильная аридизация ландшафтов триасового периода привела к вымиранию многих организмов, и в первую очередь амфибий. И, как следствие, господствующей группой на Земле становятся рептилии. Они особенно быстро и разнообразно эволюционировали в конце триаса, в поздней юре и меловом периоде. Этому способ­ствовал переменно-влажный теплый климат. В противном случае, как при сильном увлажнении и развитии ланд­шафтов густых заболоченных лесов и болот, так и при наличии огромных аридных областей — пустынь и полу­пустынь, возникали неблагоприятные условия существо­вания крупных рептилий.

В это время главными очагами формирования новых форм и прогрессивного развития организмов служили области с умеренными температурами и слабой аридиза­ции. Так, эволюция животных привела к тому, что в ко­нечном итоге среди них появились виды, зависимость которых от климатических условий постепенно умень­шалась. С возникновением теплокровных организмов (например, млекопитающих и птиц) у животных появи­лась возможность расширить ареалы за счет тех мест, где они ранее не могли существовать.

Здесь уместно отметить, что, исходя из тесной зависи­мости развития органического мира от климата, некото­рые ученые пытаются объяснить гибель динозавров и ряда морских беспозвоночных в конце мелового периода резким ухудшением климатических условий.

КЛИМАТ БУДУЩЕГО

История нашей планеты свидетельствует о том, что жи­вое вещество прямо или косвенно через окружающую среду активно воздействует на климат и изменяет его. С появлением человека это воздействие стало более интенсивным.

С тех пор как человеческая деятельность преврати­лась в мощную геологическую силу, а это случилось при­мерно 150 лет назад в самом начале промышленной ре­волюции, влияние людей на природу стало очень актив­ным, хотя и остается непреднамеренным. Освоение но­вых земель, строительство городов и поселков, промыш­ленное производство, сжигание огромного количества топлива — все это приводит к обогреванию нижних сло­ев атмосферы. Одновременно в атмосферу выбрасывает­ся значительное количество пыли, углекислого газа и це­лый ряд вредных для жизнедеятельности газов.

Многолетние исследования в очень отдаленных рай­онах с полным отсутствием какого-либо производства (например, в районе Южного полюса) показывают, что за последние 30 лет наблюдается последовательное воз­растание содержания углекислого газа в атмосфере (примерно на 15—25%). Одновременно с этим в резуль­тате хозяйственной деятельности расход кислорода ежегодно возрастает на 10% и в настоящее время со­ставляет примерно 10 млрд. т. Хотя такой огромный рас­ход довольно быстро восполняется за счет фотосинтеза и продолжающегося поступления из недр Земли кислоро­да, однако может наступить момент, когда его дефицит будет проявляться все более интенсивно.

В конце 60-х — начале 70-х годов нашего столетия началось второе по счету потепление в XX в. Первое потепление происходило в 20—30-е годы и было вызвано естественным изменением прозрачности атмосферы. Главной же причиной наступления второго потепления послужило увеличение концентрации СО2 в атмосфере.

Климатические условия ближайших десятилетии оп­ределяются ростом содержания углекислого газа и коле­баниями прозрачности атмосферы. Современная деятель­ность человека довольно быстро возвращает атмосферу, а следовательно, и климат к тому состоянию, какими они были в геологическом прошлом, т. е. к тому времени, ког­да масса атмосферного СО2 в несколько раз превышала современную.

Многие ученые высказывают вполне обоснованные предположения, что уже в начале XXI в. среднегодовые температуры увеличатся на 0,3—0,6°С из-за роста кон­центрации атмосферного СО2. Предстоящее повышение среднегодовых температур в первую очередь отразится на природных условиях высоких и средних широт, состоя­нии льда в Арктике и материковом оледенении Гренлан­дии и Антарктиды. При этом общее количество атмосфер­ных осадков постепенно уменьшится на большей части континентов, расположенных в умеренных широтах. Про­цесс потепления отразится на состоянии ледовых полей и приведет к тому, что льды постепенно начнут таять, а затем произойдет повышение температур в высоких и умеренных широтах.

Таким образом, увеличение концентрации углекисло­го газа, сопровождаемое повышением температур, в пол­ной мере будет зависеть от хозяйственной деятельности человечества. Предполагается, что выработка атомной и солнечной энергии в середине XXI в. приведет к посте­пенному снижению количества сжигаемого минерального топлива, а это, в свою очередь, вызовет сокращение вы­броса углекислого газа в атмосферу почти на 30%.