Мировой океан и климат

К.х.н. О.В. Мосин 

ИСТОРИЯ КЛИМАТА

Возраст Земли — 4,6 ± 0,005 млрд. лет. Его определяют весьма точным радиоизотопным методом по возрасту падающих на повер­хность Земли метеоритов. Метеориты стали бомбардировать поверхность Земли сразу же после ее образования.

Долгое время считалось, что Земля в свое время была полно­стью расплавленной. Но сейчас ученые уверены, что этого никогда не было, поскольку никаких следов этого не обнаружено. Следами должны были бы быть мощные древнейшие отложения карбонатных осадков, которые должны были выпадать из атмосферы. Кроме того, из раскаленной атмосферы расплавленной Земли должны были улетучиться благородные газы.

Но этого не произошло. Видимо, на то, чтобы расплавить Землю, не хватило тепла. Оно поступало за счет ударов метеоритов, а также за счет радиоактивного распада и движения вещества внутри планеты в вертикальном направлении. При этом более тяжелое вещество опускалось вниз, к центру пла­неты, а более легкое — всплывало вверх. При таком движении вы­делялась энергия, превращающаяся в тепло.

Энергии всех этих ис­точников хватило только для разогревания внутренней части Зем­ли, а также для того, чтобы расплавить ее поверхностный слой. Из этого слоя - из верхней мантии Земли, вырывалась вулканическая лава. Она формировала земную кору.

Рис. Строение Земли – ядро и мантия

Первоначально образовавшаяся мантия была однородной. Но затем она постепенно стала разделяться на легкоплавкую и тугоплавкую части. Первая часть состояла в основном из базальтов, в которых были растворены газы и вода. Эта более легкая часть мантии поднималась вверх к поверх­ности Земли. Затем она через жерла вулканов и трещины разломов изливалась на поверхность. При этом выбрасывались газы и вода в виде пара. Из этих газов и воды затем образовалась атмосфера Зем­ли и Мировой океан.

Через вулканы и сейчас интенсивно выбрасывается вещество. Оценено, что в год таким путем выбрасывается 3—10¹⁵ грамм вещества. Это вещество и создало земную кору.

Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН₄), аммиак (NH₃), азот и другие газы. Из них и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-первых, она была очень тонкой. Во-вторых, у поверхности Зем­ли ее температура была равна примерно 5 °С. В условиях такой низ­кой температуры водяной пар превращался в жидкую воду — так постепенно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед - криосфера.

Ученые установили, что первичная атмосфера Земли состояла наполовину из метана; 35% приходилось на углекислый газ и 11% на азот. Кроме того, она содержала пары воды и другие газы. Кислорода в то время в атмосфере вообще не было. В атмосферу вместе с вулканическими газами попадали кислые дымы. Это соединения водорода с хлором, фтором и бромом. Они растворялись в каплях воды, которая была в облаках, и выпадали в виде дождя слабых кислот на поверхность Земли. Такой же путь прошли соединения серы и аммиак. Появились кислотные ручьи и реки, текущие по базальтам. При этом из пород базальтов извлекались щелочные и щелочноземельные металлы. Это калий, натрий, кальций, магний и другие. Извлекалось и железо.

За счёт всех этих процессов масса атмосферы быстро увеличивалась. Из атмосферы интенсивно вымывались хорошо ра­створимые и активные газы. И в ней стало увеличиваться содержа­ние газов, которые обладают парниковым эффектом. Поэтому тем­пература у поверхности Земли стала расти. Это способствовало уве­личению облачного покрова и содержания пара в атмосфере. Под действием солнечного излучения из молекул воды на верхней гра­нице атмосферы стал выделяться кислород. Стало возможным окис­ление активных газов атмосферы. Аммиак, метан и другие газы ра­створились в водах Мирового океана. В результате растворения в воде углекислого газа образовывались бикарбонатные и карбонат­ые ионы. Они связывались с кальцием и, выпадая в осадок, обра­зовывали слои карбонатов. Так значительная часть газообразного вещества, совершив кругооборот, вновь возвращалась к земной коре в виде отложений. Например, в земную кору вернулось 80% углекислоты, которая из недр Земли поступила в атмосферу. Поэтому можно сказать, что земная кора формировалась и за счет взаимо­действия океана и атмосферы.

Если бы первичная атмосфера содержала кислород, то жизнь в таких условиях не могла бы возникнуть. Дело в том, что в таких условиях первичные органические вещества были бы кислородом окислены тут же и окиси превратились бы в неорганические.

Первичный океан состоял из воды с резко выраженной кислой реакцией. Эта вода представляла собой смесь разбавленных кис­лот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. По мере связывания металлов и образования солей кислотность воды в океане понижалась. Таким образом, ни на суше, ни в морях и океанах в то время пресной воды не было.

Что касается суши, то в первоначальный период она занимала большую часть поверхности Земли, чем сейчас. Она представляла собой оголенный грунт, который сформировался вулканическими отложениями — базальтами, туфами, вулканическими бомбами. В то время на суше и на море дышали огнем цепи вулканов. Многие участки поверхности Земли были усыпаны метеоритными кратера­ми. Поверхность суши была покрыта океаническими хребтами, которые обрывались рифтовыми долинами — провалами с крутыми стенками. На дне этих провалов практически не было земной коры. Из этих мест вытекала раскаленная лава, били фонтаны горячих минерализованных гейзеров, дымились выб­росы газов. Такие гигантские трещины когда-то опоясывали весь земной шар. Они разделяли земную кору на несколько гигантских плит. Эти плиты перемещались, наползали друг на друга и расходились. В тех случа­ях, когда одна плита подвигалась под другую, формировались гор­ные поднятия. При этом нижняя плита погружалась в недра и час­тично снова переплавлялась. В этих местах создавалась более мощ­ная и более легкая континентальная земная кора.

Такая первичная климатическая система (атмосфера — океан — суша — криосфера) просуществовала примерно один миллиард лет. Она существенно изменилась после того, как на Земле зародилась жизнь. В Гренландии были найдены образцы кварцитов, возраст которых составлял 3,8 млрд. лет. Это древнейшие из пород, обнаруженные на Земле. Исследования показали, что в тончайших средах кварцитов, из которых сложены древнейшие породы, имеются шарообразные и удлиненные пустоты. В этих пустотах были обнаружены фрагменты стенок, кото­рые имели явные признаки принадлежности к одноклеточным организмам. Значит, жизнь на Земле начала развиваться задолго до это­го. К тому моменту (3,8 млрд. лет назад) она успела уже пройти стадию доклеточного развития, а также стадию перехода от органического вещества к живому существу.

Каким был климат на Земле в самый давний — архейский пе­риод? Анализ отложений этого периода свидетельствует об обилии воды в это время. Атмосфера Земли была агрессивно-восстановительной. Вода морей характеризовалась высокой кислотностью. Это был са­мый теплый период па Земле. Атмосферный газ содержал большое количество углекислого газа, а также других примесей, которые создавали парниковый эффект. Образовывалась мощная облачность, поскольку при высокой температуре воды океана интенсивно испарялись. Облака закрывали свет, и на поверхности Земли под об­лаками царил полумрак. К этому добавим, что почти непрерывно гремели грозы и шли обильные кислые дожди и ливни. В опреде­ленной мере это та перспектива, которая ожидает нас, если выб­росами в атмосферу человечество раскачает ее тепловой баланс и начнется реальный процесс потепления на Земле. Если к этому добавится проникновение губительного ультрафиолета к поверх­ности Земли (поскольку озонный слой будет разрушен), то тра­гизм происходящего достигнет своего апогея: не только произой­дет необратимое изменение климата, но и перестанет существовать биосфера как таковая. Но вернемся к описанию изменения клима­та в прошлом. Собственно, мы и делаем экскурс в историю клима­та с целью найти ответ на вопрос— что нас ждет в результате изменения состава атмосферы, а значит, и энергетического соот­ношения, что неизбежно должно привести к изменению средней поверхностной температуры Земли.

Атмосфера Земли стала меняться в архейскую эру с момента появления микроскопических сине-зелёных водорослей, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды. При этом выделялся свободный кислород. Все это было возможным под действием солнечного света. Ультрафиолетовое излучение Солнца в наше время задерживается атмосферой. При таком составе атмосфе­ры оно проходило беспрепятственно к земной поверхности. Поэто­му первые организмы смогли сохранить свою жизнь только в воде на такой глубине, куда ультрафиолет не проникал. Как известно, именно озон, задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца и сохраняет нам и всему живому жизнь. Разрушив озонный слой, мы рискуем загнать жизнь глубоко в воды Мирового океана.

Рис. Жизнеспособные зеленые водоросли, выделенные из древних мерзлых осадочных толщ: А - Chlorella vulgaris, Б - Chlorella saccharophila, В - Chodatia tetrallantoidea, Г - Chlorococcum sp.

Озон образуется из кислорода. А кислорода в первоначальной атмосфере не было. Поэтому не было и озонного слоя. Кислород в атмосферу стали поставлять микроорганизмы, похожие на совре­менные синезеленые водоросли. С началом их возникновения ат­мосфера начала кардинально меняться. Это произошло примерно 3 млрд лет назад.

Вначале образующийся кислород расходовался на окисление атмосферных и растворенных в океане активных газов — метана, сероводорода, аммиака, а также серы. Молекулярный азот образо­вался в процессе окисления аммиака, растворенного в океане. Образованный молекулярный азот явился источником азота в совре­менной атмосфере. Количество кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Окислительные процессы привели к появлению суль­фатных осадков — гипсов.

Примерно полтора миллиарда лет назад в атмосфере создалось кислорода около 1% от нынешнего его содержания. Поэтому стало возможным возникновение организмов, которые при дыхании пе­решли к окислению. Это аэробные организмы (аэро — воздух). При таком способе дыхания высвобождается значительно больше энер­гии, чем при анаэробном брожении. В это время в атмосфере начи­нает формироваться озонный слой. Он задерживает часть ультра­фиолетового излучения, и жизнь в океане и водоемах поднимается ближе к поверхности. Водный слой толщиной в один метр надежно защищал живые организмы от ультрафиолетового излучения.

Содержание кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось (примерно 600 млн. лет назад оно составляло десятую часть от ны­нешнего). Поэтому озонный слой увеличивался. Это усиливало защиту жизни от ультрафиолета. Примерно с этого времени начался настоящий взрыв жизни. Вскоре на сушу вышли первые самые примитивные растения, что способствовало более быстрому увеличению количества кислорода. Через какое-то время оно достигло современного уровня. Есть мнение, что его было еще больше. Но оно стало постепенно уменьшаться. Не исключено, что этот процесс уменьшения кислорода в атмосфере продолжается и в наше время. Изменение количества кислорода в атмосфере обяза­тельно вызовет изменение количества углекислого газа.

Океан также менялся. Изменялся его состав. Находящийся в воде аммиак окислялся. Изменились также формы миграции желе­за. Сера была окислена в окись серы. Из хлористо-сульфитной вода океана стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. Большое количество кис­лорода оказалось растворенным в воде океана. Там его стало в 1000 раз больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса воды океана продолжала расти. Это привело к затоплению срединно-океанических хребтов. Эти хребты в Мировом океане были откры­ты только во второй половине нашего столетия.

На суше в это время происходили поразительные перемены бла­годаря появлению растительности. Это существенно изменило от­ражательные свойства суши. Изменил­ся и характер испарения влаги, поскольку изменилась шероховатость земной поверхности, покрытой растительностью. По другому ста­ли протекать процессы выветривания и формирования осадочных пород.

Поверхность Земли, занятая ледниками, сильно менялась. Она то сильно увеличивалась, то уменьшалась. Так в конце концов сформировалась климатическая система. Большую роль в этом сыграл фактор жизни и фотосинтез. Об этом свидетельствуют такие факты. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды, которая равна всей гидросфере. Примерно за 4 тысячи лет обновляется весь кислород атмосферы, а всего за 6—7 лет поглощается вся углекислота атмосферы. Это значит, что за все время развития биосферы вся вода Мирового океана прошла через ее организмы не менее 300 раз. Кислород за это время возоб­новлялся не менее одного миллиона раз.

Затем наступила протерозойская эра. В это время начали появляться первые ледники и первые ледниковые отложения. Эта эпоха была учеными названа гуронской, поскольку впервые эти отложения были обнаружены в Канаде в районе озера Гурон. Затем они были обнаружены и в дру­гих регионах Земли (в Южной Америке, в западной Австралии).

Ледниковую гуронскую эпоху сменил период потепления, ко­торый длился около одного миллиарда лет. За ним последовала вторая эпоха оледенения - гнейсесская. Она сменилась сравнительно теп­лым периодом, который длился 100—150 млн. лет. Затем произошло новое похолодание и распространение ледников - стертская ледни­ковая эпоха. После этой ледниковой эпохи последовал период по­тепления, который сменился третьей эпохой оледенения - вараганской. Все эти три эпохи оледенения укладываются в первую эпоху — докембрийскую.

Что же касается последующей фанерозойской эпохи, то она началась с тепло­го кембрийского периода, за которым последовал ордовикский период. В конце этого периода вновь началось оледенение, о чем свидетельствуют обширные отложения гигантских валунов - тиллитов. Сле­ды ордовикского оледенения обнаружили в 1960-е гг. французские геологи-нефтяники в Западной Африке и в Сахаре. Любопытно, что именно в Сахаре, самой большой пустыне мира, были обнару­жены доказательства былого оледенения. Ордовикское оледенение закончилось в селуре. После него наступил длительный теплый пе­риод, который длился до каменноугольного периода. В начале этого нового периода начинается новое похолодание. Оно достигло свое­го апогея примерно 280 млн. лет тому назад. В то время возникли огромные ледниковые покровы и шельфовые ледники над мелки­ми морями. Плавучие льды покрывали моря, а также пространства вокруг полюсов. Айсберги бороздили воды океанов. Вечная мерзло­та широко распространилась на больших пространствах в обоих по­лушариях. Об этом оледенении свидетельствуют отложения тилли­тов. Они обнаружены на огромных пространствах Южной Амери­ки, Южной Африки, Индии, Австралии и Антарктиды. Обнаруже­ны они и в Сибири. Мощность пластов тиллитов достигает сотен метров.

После этого оледенения в конце пермского периода началась теплая эпоха, которая продолжалась до середины кайнозойской эры, а затем вновь наступил период оледенения.

Продолжительность ледниковых эпох определяется достаточ­но точно с помощью радиоизотопных методов. Эти методы позво­ляют определять возраст пород, которые затем были покрыты сло­ем тиллитов. Эти измерения позволили установить, что самая древ­няя ледниковая эпоха — гуронская. Она началась 2,34 млрд. лет тому назад и закончилась 1,95 млрд. лет назад. Следующая, гнейсесская эпоха оледенения имела место 950—900 млн. лет назад. Стертская эпоха оледенения продолжаласьот810до715 млн. лет назад. После­дняя эпоха оледенения — варангская — длилась от 680 до 570 млн. лет назад.

Во втором зоне — фанерозойском — первая эпоха оледенения продолжалась от 460 до 410 млн. лет назад. Ее называют ордовикс­кой. После теплого перерыва последовало новое гондванское оле­денение, эпоха которого длилась от 340 до 240 млн. лет назад.

Любопытна регулярность эпох оледенения и их большая про­должительность. Ясно, что они не являются случайными эпизода­ми на Земле. Учеными была высказана мысль, что эпохи оледене­ния повторяются на Земле с периодом в 150 млн. лет. Они считают, что часть эпох оледенения пока что не обнаружена, поэтому эта периодичность и не подтверждается. Вопрос этот важен, поскольку надо понять причину чередующихся эпох оледенения. Интересно, что эпохи оледенения не только чередуются с теплыми эпохами, но за последние 2,5 млрд. лет занимают примерно столько времени, сколько и теплые эпохи. Это в том случае, если в это время включить продолжительность развития и завершения оледенения.

В эпохи оледенения ледниковый покров вначале наступал, за­тем отступал. Ледники то стягивались к полюсам, то широко рас­пространялись, по пространству суши и прибрежных морей. В преде­лах одной ледниковой эпохи этот колебательный процесс стягивания — расширения ледникового покрова повторялся неоднократно. Поэтому сама эпоха оледенения не однородна во времени.
Следует отметить, что с течением времени в пределах одной эпохи оледенения центры оледенения постепенно смещались. От­нюдь не всегда такими центрами были полюса. По мере вымерзания воды в периоды разрастания ледниковых покровов уровень воды в океанах, естественно, уменьшался. Это падение уровня океанов достигало десятков метров. Когда льды таяли, воды в океанах при­бавлялось. От уровня воды в Мировом океане зависят очертания и размеры суши — ее то заливает водой, то с нее вода стекает в океан. Размеры суши менялись. Растения и животные пол­ностью зависели от этого процесса. По мере наступления эпохи оледенения теплолюбивые растения и животные сменялись холоднолюбивыми. Потом все возвращалось на круги своя. И так перио­дически, а точнее циклически все повторялось много раз.

Эпохи оледенения были очень динамичными в плане изменения температуры, уровня воды в океане, движения ледников. Это сказывалось на биосфере, на растительном и живот­ном мире. Теплые эпохи были значительно стабильнее. Изменение внешних условий происходило медленнее, средняя температура на поверхности Земли изменялась незначительно. Разница в значениях средней температуры на Земле в эпохи оледенения и в теплые эпохи составляла не так уж и много, всего 7—10°. Такая разница характерна для условий, когда ледники стягиваются около полюсов. Это в эпоху оледенения. Когда же ледники широко разра­стались, то эта разница средних температур на Земле в теплые эпо­хи и эпохи оледенения достигала 20°. Мы сейчас живем в эпоху оледенения, когда ледники стянуты к полюсам. Средняя темпера­тура на поверхности Земли сейчас составляет 15 °С. В предыдущий теплый меловой период средняя температура у поверхности Земли была на 7° выше, то есть она составляла 22 *С. Десятки тысяч лет тому назад ледники разрастались до своих максимальных размеров. Тогда средняя температура у поверхности Земли была ниже совре­менной примерно на 6—10°. Разница ее с такой температурой в теплый меловой период достигала 13—17°.

Таким образом, за последние 2,5 млрд. лет происходили следу­ющие изменения климата на Земле. После теплой архейской эры наступил длительный период чередования теплых и холодных эпох, которые имели различную продолжительность. Это значит, что на Земле в этот период сменяли друг друга два различных устойчивых типа климата. Каждый из них длился десятки миллионов лет. Во время одного климата — теплого — суша и моря были безледными. Во время второго климата — холодного — часть суши и морей была покрыта ледовым панцирем. Ясно, что оба эти климата принципи­ально отличались друг от друга. Ледники шли от полюсов, то есть в широтном направлении. Поэтому во время оледенелого климата зональные климатические изменения были более резкими, чем во время теплого климата.

Современная климатическая система выглядит следующим образом. Атмосфера Земли имеет массу, равную 5,3 • 1021 г. Она состоит из молекулярных азота и кислорода, аргона, углекислого газа, неона, гелия и метана. Основная масса атмосферы сосредоточена в ниж­них слоях. Половина массы находится в толще высотой 5 км, 2/3 — в тропосфере, а в двухкилометровой толще находится 9/10 всей массы.

Основное влияние на климатические условия различных рай­онов и всей Земли оказывают процессы в тропосфере. Это по­глощение солнечной радиации, формирование потока теплово­го излучения в инфракрасной (длинноволновой) области спект­ра, общая циркуляция атмосферы, водообмен, который свя­зан с образованием облаков и выпадением осадков.

Важны и хи­мические реакции. Движение воздушных масс и развитие цирку­ляции в глобальном масштабе связано с тем, что на разных ши­ротах (в тропическом поясе, полярных и умеренных широтах) земная атмосфера получает разное количество солнечной энер­гии. В тропиках идет отток теплого воздуха вверх от земной по­верхности и по направлению к полюсам. В полярных районах из-за охлаждения воздуха он устремляется вниз к поверхности Зем­ли и движется затем в сторону экватора. Из-за вращения Земли, которое приводит к тому, что в умерен­ных широтах воздух при движении от экватора поворачивает на запад. Так образуются циклоны и антициклоны. Они захватывают теплые массы воздуха на юге и холодные на севере и дальше продолжают движение, вращаясь против часовой стрелки (антициклоны) или по часовой стрелке (циклоны). Размер атмосферных вихрей составляет около 5000 км в поперечнике. Такими вихрями переносится тепло между полю­сами и экватором.

Всю совокупность крупномасштабных движений в атмосфере называют общей циркулярной атмосферы. Она весьма сложная.

Стратосфера также оказывает влияние на формирование кли­мата. В стратосфере находится слой аэрозолей — мельчайших твер­дых и жидких частиц, которые изменяют поток солнечного излуче­ния, частично поглощая и рассеивая его. В стратосфере находится и озонный слой.