Влияние дрейфа континентов на климаты Земли

Как уже отмечалось, положение континентов на поверхности Земли может нарушать сферическую симметрию планеты и сильно влиять на её температурные режимы. Однако такое влияние трудно поддаётся расчёту, поскольку нам неизвестны аномалии плотности в мантии и рельеф земного ядра. Сегодня этот вклад относительно невелик, разность моментов сил тяжести всего M_cont + m 0,6 • 10²⁹ см² • г/с². Однако при формировании суперконтинентов с компактным расположением отдельных материков, обычно располагавшихся на низких широтах, эти моменты резко возрастают. Поскольку непосредственный вклад дрейфа континентов в прецессию Земли определить трудно, мы воспользовались косвенным методом – определением углов прецессии по палеотемпературам океанов, существовавшим в прошлые геологические эпохи.

Судя по данным [15], около 100 млн лет назад, во время образования последнего суперконтинента, вегенеровской Пангеи, температуры на экваторе могли достигать 32 ^оС при положительных температурах на полюсах Земли. Таким условиям соответствовал угол прецессии 34^о [5]. Кроме того, определению углов прецессии в прошлые геологические эпохи помогают данные по реконструкциям предыдущих суперконтинентов и характеру их расколов в прошлые геологические эпохи Земли (рис. 9).

Рис. 9. Палеореконструкции положения континентов и океанов в проекции Ламберта: A – Моногея, 2,6 млрд лет назад (белым на континентах обозначен ледниковый покров); Б – распад Моногеи, 2,1 млрд лет назад; В – Мегагея Штилле, 1,8 млрд лет назад; Г – распад Мегагеи, 1,6 млрд лет назад; Д – Мезогея, 1,0 млрд лет назад; Е – раскол Мезогеи на Лавразию и Гондвану, 750 млн лет назад (белым на континентах обозначен ледниковый покров); Ж – Пангея Вегенера, 200 млн лет назад; З – современное расположение континентов и океанов [10]

Если стационарный угол прецессии при образовании Пангеи достигал приблизительно 34^о, то для других суперконтинентов, судя по их реконструкциям и меньшей массе, получаются несколько меньшие значения углов прецессии (рис. 10). В интервалах времени между моментами образования суперконтинентов мы полагали углы прецессии близкими к стационарным 6–8^о. Используя полученную модель изменений угла прецессии Земли, мы определили и колебания средней температуры океанов и континентов на экваторе и полюсах Земли (рис. 11, 12).

Рис. 10. Вероятные изменения угла прецессии в моменты формирования суперконтинентов: I – Моногея; II – Мегагея; III – Мезогея; IV – Пангея (будущий суперконтинент Гипергея в рассматриваемом интервале времён сформироваться ещё не успеет). Избыточные массы Моногеи, Мегагеи и Мезогеи составляли соответственно 0,7; 0,8 и 0,9 от массы Пангеи

Рис. 11. Эволюция температуры Мирового океана, вызванная совместным действием изменения давления атмосферы и угла прецессии: на экваторе (1); в океанах, средняя (2); на полюсах Земли (4), пунктиром cправа над кривыми 1–3 показаны температуры в моменты межледниковых стадиалов. I и II – эры оледенений полярных океанических бассейнов

Рис. 12. Расчёт эволюции континентальных эр оледенений на Земле: температура континентов: 1 – на экваторе; 2 – средняя на поверхности континентов; 3 – на полюсах (пунктир – температура в моменты межледниковых стадиалов); I–V – эры оледенений континентов в полярных областях или на высокогориях. Внизу: эволюция оледенений по геологическим данным [17]: а – безледниковый этап, б – эпизодически ледниковый, в – периодически ледниковый (вертикалями показаны оледенения)

Видно, что каждой эпохе образования суперконтинентов соответствует повышение приземных температур. Так, во время формирования первого в истории Земли суперконтинента Моногеи (около 2,6 млрд лет назад), когда ещё существовала архейская плотная углекислотная атмосфера, средняя температура на уровне океана превышала +70 ^оС. Поскольку в архее средние уровни континентов были исключительно высокими и достигали 6 км [6], то и температуры на их поверхности были существенно более низкими и не превышали +20...30 ^оС. При формировании Мегагеи Штилле (около 1,8 млрд лет) эти температуры приближались соответственно к +30 и +20 ^оС, при образовании Мезогеи (Родинии, около 1 млрд лет) они уже снизились до +30 и +25 ^оС, а при образовании Пангеи Вегенера (около 200 млн лет) уменьшились до +24 и +20 ^оС. В промежутках между эпохами формирования суперконтинентов средние температуры на уровне моря и на континентах снижались на 7–10 ^оС.

На рис. 12 вместе со средними температурами поверхности континентов и материков приведены геологические данные по распространению в истории Земли эр оледенений [17]. Как видно, после архея температура земной поверхность только снижалась, несмотря даже на возрастание светимости Солнца. Вначале, после накопления воды в Мировом океане и возникновения в раннем протерозое океанической коры современного типа, такое снижение температуры происходило благодаря связыванию углекислого газа в карбонатах, а затем (в протерозое и фанерозое) и благодаря жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий. Похолодание земного климата даже более резкое, чем прежде, продолжится и в будущем.

Прежде всего обращает на себя внимание хорошая корреляция между теоретическими положениями эр оледенений и геологическими данными. Поэтому интересно рассмотреть причины возникновения выделенных ледниковых эр Земли. Начнём с древнейшей раннеархейской эры I. В это время, около 3,9–3,7 млрд лет назад, молодые морские бассейны и зародыши будущих континентальных щитов располагались только в сравнительно узком экваториальном поясе Земли. Поэтому моря тогда были тёплыми (от +3...20 ^оС, см. рис. 11). Что же касается вершин молодых континентальных образований, возможно достигавших высот 3–4 км, то они, находясь на экваторе, несмотря на общее потепление климата попадали в зоны господства отрицательных температур (см. рис. 12). Возникавшие же на этих образованиях оледенения носили только локальный и горный характер, причём, возможно, настоящие ледники вообще не возникали, поскольку воды на Земле тогда ещё было очень мало. Поэтому, вероятно, никаких следов раннеархейского оледенения в геологической летописи и не осталось.

Среднеархейское оледенение II (2,9 млрд лет назад) было связано с временным снижением в это время общего давления архейской атмосферы, причины которого объясняются в работе [5]. Это оледенение могло развиваться уже не только в низких, но и в умеренных широтах, поскольку к этому времени ширина зоны тектонической активности Земли распространилась до широт ±40^о…50^о. До этих же широт тогда могли дрейфовать и молодые континентальные щиты. Вместе с тем их средняя высота увеличилась приблизительно до 5,5–6 км. В среднем архее уже заметно прибавилось воды в морских бассейнах, а их температура поднялась до +30…40 ^оС, что усиливало испарение вод. Поэтому высокогорное оледенение среднего архея уже могло сопровождаться образованием небольших ледниковых покровов, оставивших свой след и в геологической летописи Земли.

В раннем протерозое возникли настоящие океаны, правда, пока ещё не очень глубокие, в среднем до 1 км [6], тогда как уровни стояния поверхностей континентов оставались сравнительно высокими – в среднем 2–4 км. Однако давление атмосферы в это время резко понизилось с 4,5–5 атм в архее до 1,6 атм в раннем протерозое, что и привело к столь же резкому похолоданию высокогорных регионов Мегагеи, вызвав тем самым оледенения на их поверхности. В начале раннепротерозойской эры оледенений (Гуронское оледенение, группа III), ледниковые покровы могли развиваться только на высоких и средних широтах. Однако после распада первого в истории Земли суперконтинента Моногеи, когда её «осколки» оказались разбросанными по всей поверхности Земли (см. рис. 10, А, Б) в середине и конце третьей эры оледенений (2,4–2,1 млрд лет назад), ледниковые покровы могли возникать уже на многих материковых массивах, оказавшихся к этому времени в высоких широтах. Действительно, ледниковые отложения этого возраста, свидетельствующие о покровном характере оледенений, сейчас известны практически на всех континентах, причём возраст оледенений приблизительно одинаков.

Как следует из расчётов, во временном интервале 2–1 млрд лет назад отрицательных среднегодовых температур на континентах нигде не существовало, поэтому не должно было быть и континентальных оледенений. Действительно, по свидетельству Н.М.Чумакова [17], следов оледенений в ту эпоху не обнаружено. Это был продолжительный безледниковый период в развитии Земли.

В позднем протерозое и палеозое началась новая, четвёртая эра континентальных оледенений, связанная с заметным похолоданием в это время земного климата (группа IV). В результате на расположенных возле полюсов континентах (см. рис. 9, Е) господствовали устойчивые отрицательные среднегодовые температуры, на них неизбежно должны были возникать ледниковые покровы. Если площадь оказывалась значительной, то сказывалось альбедо снежной поверхности оледенений, и в зависимости от высоты ледникового покрова средние температуры над ними снижались до –65 ^оС. Интересно отметить, что, несмотря на достаточно суровые условия континентальных оледенений, устойчивых морских оледенений типа современного Северного Ледовитого океана, тогда по-видимому, ещё не происходило, поскольку полярные участки океанов и морей характеризовались небольшими неотрицательными среднегодовыми температурами (см. рис. 11).

В середине кайнозоя (около 40 млн лет) назад началась последняя, пятая эра оледенений с развитием ледниковых эпох наиболее обширных ледяных покровов Земли. Эта эра продолжится и в будущем, но будет последней в истории Земли (группа V). Одновременно возникли и первые в истории Земли обширные морские оледенения Северного Ледовитого океана, а также части Южного океана (шельфовые ледниковые покровы морей Росса и Уэдделла), что в свою очередь привело к значительному понижению температуры придонных вод океанов c +16 ^оС до +2 ^оС в настоящее время.

Как же тогда объясняется тёплый климатический промежуток конца мезозоя, возникший между двумя суровыми ледниковыми эрами палеозойской и позднекайнозойской? Его происхождение связано с действием двух факторов: образованием Пангеи и усиленной генерацией кислорода. Образование Пангеи, как мы уже отмечали, привело к увеличению угла прецессии до 34^о и, как следствие, к потеплению климата почти на 10 ^оС. Второй фактор – временная компенсация снижения парциального давления азота за счёт генерации биогенного кислорода.

Таким образом, изложенная здесь теория показывает, что в формировании климатов Земли существенную роль играли живые организмы. Особенно сильное влияние на глобальный климат Земли в позднем протерозое и фанерозое оказали азотфиксирующие бактерии, жизнедеятельность которых более чем на половину снизила парциальное давление азота в земной атмосфере, что привело к значительному похолоданию и возникновению в высоких и умеренных широтах континентальных оледенений протерозоя и фанерозоя. Генерация же фитопланктоном и наземными растениями биогенного кислорода в фанерозое не только способствовала расцвету высокоорганизованной жизни на Земле, но также частично компенсировало и снижение парциального давления азота, что способствовало потеплению климата в конце мезозоя. Однако после раскола Пангеи и центробежного раздвижения её фрагментов-материков, а также достижения предельного (равновесного) уровня давления кислорода около 0,231 атм (23,4 кПа), начались новое снижение атмосферного давления и новая эра похолодания с чередой ледниковых эпох. Ледниковые эры Земли должны перестать возникать только приблизительно через 600 млн лет, в будущем, о чём мы уже говорили выше.

Таким образом, главными причинами изменения климатов Земли являются вариации солнечной активности, изменения угла прецессии Земли и постепенное снижение атмосферного давления благодаря жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий.