Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2. Криогенные периоды в истории Земли
и причина их появления
2.1. Ранние этапы развития планеты
Земля в период своего зарождения представляла собой железо-каменное космическое тело, сформировавшееся из газо-пылевого облака Вселенной. В последствии за счет процессов литогенеза, уплотнения и распада радиоактивных элементов планета начинает разогреваться, появляется расплавленное ядро, происходит дегазация недр, за счет чего начинает формироваться атмосфера. Первоначально атмосфера была сильно разреженной и состояла преимущественно из углекислого газа и водяного пара. Температура поверхности Земли за период формирования безкислородной атмосферы изменялась от низких отрицательных значений (минус 30-50) до высоких положительных – 40-60С, а, возможно, и выше (по Ершову, 2002). Повышение температуры происходило за счет выделения глубинного тепла и в результате действия «парникового эффекта», обусловленного высоким содержанием в атмосфере углекислого газа.
Однако, согласно существующим гипотезам, в позднем архее, примерно 2,5 млрд.л.н., тепловой поток из недр к поверхности Земли снизился в несколько раз; постепенно уменьшалась и эффективность «парникового эффекта» (образование карбонатов связано с поглощением углекислого газа). Эти причины привели к понижению глобальной температуры поверхности Земли, которая на рубеже архея и протерозоя могла составлять 20-30С.
В послеархейскую историю, начиная с 2.5-2.0 млрд.л.н., термический режим поверхности Земли определялся оптимальным расстоянием ее от Солнца. «С этим связано значение средней глобальной температуры поверхности Земли около +15С, что обеспечивало на планете в свою очередь стабильное существование гидросферы и атмосферы» (Ершов, 2002, стр.435).
В протерозое на планете сформировалась зрелая континентальная кора. Форма континентов во времени постоянно менялась за счет плитной тектоники. Появление и распад суперконтинентов – Пангея, Лавразия, Гондвана и др., т. е. меняющееся во времени и пространстве положение отдельных участков суши и целых континентов оказывало существенное влияние на формирование климата планеты.
За время с начала протерозоя Земля неоднократно переживала глобальные похолодания, приводящие к глубокому промерзанию верхних горизонтов литосферы и развитию покровных оледенений. Основным доказательством существования на Земле холодного климата в докайнозойское время являются следы древних покровных оледенений – тиллиты и экзарационные формы рельефа. Тиллиты (от англ. Till – валунная глина) – древние ледниковые несортированные отложения (морены), подвергшиеся уплотнению, иногда метаморфизму. Экзарация – эродирующее действие движущегося льда на его скалистое ложе (по Чувардинскому (1998) влияние экзарации сильно преувеличено). Наличие крупных континентальных оледенений свидетельствует о более масштабных, по сравнению с современными, процессах промерзания земной коры. На основе определения абсолютного возраста тиллитов выделяются следующие криогенные эры (по Ершову,2002): раннепротерозойская (2.5-2.0 млрд.л.н.), позднепротерозойская (900-630 млн.л.н.), палеозойская (460-230 млн.л.н.) и кайнозойская (25 млн.л.н.– наше время). В пределах ледниковых эр выделяются криогенные периоды.
2.2. Основные этапы истории развития криолитозоны в позднем
кайнозое
Кайнозойская эра, наступившая после теплой мезозойской, характеризуется постепенным похолоданием климата. Самое теплое время было, вероятно, в эоцене, после чего температура поверхности планеты начинает понижаться. Направленное похолодание, приведшее к образованию, развитию и существованию современных криогенных условий, началось еще в миоцене (26.4-5.5 млн.л.н.). В это время формируется ледовый покров Антарктиды, достигший максимальных размеров к концу периода. Его размеры, по оценкам ученых, превышали современные почти в два раза.
Во второй половине миоцена появились мерзлые породы и в северном полушарии. По мнению М.К.Гавриловой (1988) на территории Якутии сезонное промерзание грунтов началось 10-12 млн. лет назад. Во второй половине плиоцена происходит значительная перестройка климата на северо-востоке Азии. В это время усиливается тренд к похолоданию и фиксируется первая волна многолетней мерзлоты (Величко, 1999; Величко и др., 1998). В дочетвертичное время оледенению подвергаются Гренландия, горные массивы Америки и Евразии. На равнинах наиболее древние мерзлые породы, сохранившиеся до настоящего времени, отмечены на Чукотском полуострове.
Однако наиболее сложные климатические изменения произошли в плейстоцене. Следы многолетнего промерзания горных пород в раннем плейстоцене обнаружены в Западной Сибири, на севере Якутии, в Монголии, Европе, Северной Америке и пр. Направленное общее похолодание климата происходило при значительном увеличении площади суши за счет снижения уровня Мирового океана, вызванного и тектоническими причинами, и консервацией воды в ледниках суши. На фоне общего похолодания в плейстоцене наблюдались как наиболее холодные периоды – криохроны, так и сменяющие их теплые эпохи – термохроны. В соответствии с колебанием климата происходило или нарастание мощности мерзлоты и площади ее развития (аградация), либо наблюдался обратный процесс (деградация). На приморских низменностях Северо-Востока России, возможно, и на севере Якутии потепление климата приводило только к частичной деградации «мерзлоты». В более южных районах мерзлые толщи в периоды термохронов полностью протаивали.
Похолодание климата сопровождалось покровным оледенением суши. Однако, для интенсивного роста ледников помимо низких отрицательных температур необходимо наличие атмосферных осадков. Поэтому в наиболее холодные эпохи, когда морские бассейны на значительной площади покрывались ледяным панцирем, величина испарения с водной поверхности в субполярных широтах резко снижалась и, вследствие этого, уменьшался приток атмосферных осадков на континенты, и, следовательно, рост ледников прекращался. Первые, достоверно определенные признаки оледенения – окского (шайтанского в Западной Сибири), относятся к концу раннего плейстоцена. Наиболее широкое распространение ледниковые покровы на территории современной России получили в период среднего плейстоцена, так называемое днепровское оледенение Русской платформы. В Европе ледник двигался со Скандинавских гор и максимально продвинулся на юг по долине Днепра. В Западной Сибири его аналогом считается самаровское оледенение. Следы ледника обнаруживаются в районе г.Ханты-Мансийска (д.Самарово). Однако, далеко не все исследователи согласны с такой реконструкцией. И.Л.Кузин, например, вообще отрицает наличие покровных оледенений в Западной Сибири и на значительной части Русской платформы (2005). Свои выводы он подкрепляет богатым фактическим материалом полевых исследований. Завершился средний плейстоцен московским (тазовским в Сибири) оледенением, которое следовало за максимальным днепровским после относительно теплого рославльского (ширтинского) периода.
В начале позднего плейстоцена климат был теплым и влажным – микулинское (казанцевское) время, поэтому на большей части суши северного полушария произошло полное оттаивание многолетнемерзлых пород и исчезновение ледников.
Примерно 60-70 тыс. лет назад начался новый криогенный период – валдайский (зырянский), внутри которого выделяется относительно теплое брянское (каргинское) время. Наибольшее похолодание климата произошло в конце позднего плейстоцена (сартанское время), в период 30-10 тыс. л.н. В северном полушарии оно сопровождалось регрессией моря и его «оледенением» (по Романовскому, 1983). Уровень Мирового океана по оценкам различных исследователей понизился от 60 до 130 и более метров (по отношению к современному). В Сибири температура воздуха была ниже современной на 7-8. Размеры ледников, как в Европе, так и Азии, были относительно невелики, в то время как многолетнемерзлые толщи формировались на огромных пространствах.
Начало голоцена (10 тыс. л.н.) связано с быстрым разрушением оледенения моря и суши, отступанием южной границы многолетнемерзлых пород далеко на север. Наибольшее протаивание мерзлых толщ с поверхности наблюдалось в период голоценового климатического оптимума, примерно 8-4 тыс. лет назад. В середине голоцена во всем северном полушарии отмечалось повышение среднегодовой температуры воздуха на 1,2C по сравнению с концом XIX века (Антропогенные изменения…, 1987). В Западной Сибири мощные мерзлые плейстоценовые толщи не успели полностью оттаять за довольно короткий период, и поэтому в настоящее время в центральных районах региона реликтовая мерзлота вскрывается скважинами на различных глубинах, обычно от 100 до 300 м.
Примерно 4-5 тыс. лет назад началось последнее масштабное похолодание и новообразование мерзлоты. На севере, где мощность протаявшего слоя за период голоценового оптимума была невелика, произошло смыкание молодых мерзлых толщ с древними плейстоценовыми, а на более южных участках образовалась двухслойная мерзлота.
Значительные колебания климата происходили и в исторический период времени. В течение последнего тысячелетия наблюдались периоды значительных потеплений: в средневековье (1050-1330 гг.) и в настоящее время (с 1840 г.). После средневекового потепления, которое оценивается в 0,3С по сравнению с концом XIX в., следует длительный промежуток похолодания, известный как «малый ледниковый период» (1350-1840 гг.). Тогда температура воздуха понизилась примерно на 0,5-0,6° ниже средней многолетней, рассчитанной по данным инструментальных наблюдений. Следует отметить, что на приморских равнинах и внутри континентов, периоды колебаний климата значительно отличались между собой.
2.3. Причины становления ледниково-криогенных периодов
В истории планеты изменения климата происходили с различными циклами продолжительностью от сотен миллионов до тысяч и менее лет. Среди глобальных факторов можно назвать внешние: космические и планетарные. Космические факторы оказывают влияние на всю солнечную систему в целом и Землю в частности. К ним в первую очередь относится изменение положения Солнечной системы в мировом пространстве. Считается установленным, что движение Солнца вокруг центра галактики происходит с периодом около 200 млн. лет (от 176 до 215 по различным оценкам). При своем орбитальном движении Солнечная система пересекает потоки струйного вещества, имеющие повышенную плотность материи. Воздействие космической массы на Землю является причиной крупных геологических и климатических изменений на ней. Именно поэтому существование и распад суперконтинентов (Пангея, Гондвана, Лавразия) соответствует этому периоду.
Внутри галактического года отмечается цикличность с периодом от 30 до 70 млн лет, которая может отвечать сезонам «года». С циклами галактического года хорошо коррелируется хронология ледниковых событий. Существуют и более короткие периоды, обусловленные прохождением Солнечной системой определенных участков Мирового пространства.
В соответствии с выделенными циклами внутри ледниковых эр (см. выше) выделяются криогенные периоды с меньшей продолжительностью. Например, в позднепротерозойской эре (Ершов, 2002): конголезский (900-800 млн. л.н.), стертский (750-720 млн.л.н.) и лапландский (670-630 млн. л. н.); в палеозойской: позднеордовикский-раннесилурийский (460-420 млн.л.н.), позднедевонский (370-355 млн.л.н.) и карбон-пермский (350-230 млн.л.н.). Движение материков накладывало свой отпечаток на развитие оледенений (похолоданий) той или иной части Земного шара.
В кайнозойской эре начался новый ледниково-криогенный период. Еще в середине палеогена (эоцен) на Земле было очень тепло и тогдашний климат можно сравнить с мезозойским – периодом расцвета динозавров. Но уже с конца палеогена отмечается устойчивый тренд к похолоданию. Наиболее холодные времена наступили в плиоцене и особенно в плейстоцене. Установлено, что на общем фоне снижения температуры периодически наступали более теплые и более холодные эпохи.
С чем связаны эти изменения климата? Причин, вероятно, много и не все они установлены. Среднепериодные колебания связаны, по-видимому, с особенностями орбитального движения Земли вокруг Солнца. Сербский ученый Милутин Миланкович объяснил длительные периоды потеплений и похолоданий климата Земли изменениями приходящей солнечной радиации вследствие вариации характеристик параметров земной орбиты, а именно: эксцентриситета орбиты, наклона земной оси к плоскости эклиптики и прецессии земной оси вращения. Теория была предложена в 30-х годах прошедшего столетия и получила подтверждение в результате изотопно-кислородных измерений в колонках глубоководных морских осадков.
Самый короткий период колебаний из названных элементов имеет прецессия (предварение равноденствий). Прецессия земной оси приводит к взаимному изменению положения точек зимнего и летнего солнцестояния относительно перигелия орбиты. Собственный период этого колебания составляет около 26 тыс. лет, но из-за возмущающего действия планет повторяемость взаимного положения перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния происходит через 21 тыс. лет (Климатология, 1989). В результате прецессии Земная ось описывает в пространстве конус с углом при вершине около 47 градусов (конический волчок). При этом вращении наклон оси к плоскости орбиты не меняется (рис. 2.1).
Если сейчас северный полюс Мира находится около Полярной звезды в созвездии Малой медведицы, то через полупериод он будет находиться вблизи одной из ярчайших звезд северного полушария − Вега (созвездие Лиры). В настоящее время перигелий (ближайшее расстояние до Солнца) в северном полушарии приходится на зиму, а в южном – на лето. Поэтому у нас сейчас более теплая и короткая зима и относительно длинное и прохладное лето по сравнению с южным полушарием. Продолжительность сезона определяется тем, что в перигелии скорость движения планеты выше, чем в афелии (вспомним законы Кеплера). Примерно через 12 тыс. лет полушария поменяются местами. В целом же на климат всей Земли явление прецессии (без учета других факторов) не влияет.
Рис.2.1. Прецессия Земной оси.
Более длительный (41 тыс. лет) и более значимый для климата является период колебаний угла наклона земной оси к нормали плоскости эклиптики, который составляет в среднем около 23.50, изменяясь от 22,07 до 24,6° (Климатология, 1989). Это значит, что широта тропиков и полярных кругов колеблются в пределах 2.5°, или в зоне шириной почти 300 км.
Одним из важнейших элементов, влияющих на формирования климата Земли, является эксцентриситет орбиты. Он определяет вытянутость эллиптической орбиты и находится из соотношения:
е2 = 1 - , (2.1)
где а и в – соответственно большая и малая полуоси эллипса.
Изменение эксцентриситета приводит к изменению расстояния между планетой и Солнцем, а, следовательно, и приходу лучистой энергии к земной поверхности. На Землю поступает 1.37 кВт/м2 энергии, когда она находится на среднем от него расстоянии. Эта величина называется солнечной постоянной (I0). При любом другом расстоянии поток энергии от Солнца определяется соотношением
I* = I0, (2.2)
r и r0 – соответственно текущее и среднее расстояние между Светилом и Землей. Это расстояние в перигелии будет равно rп = r0(1 – е), а в афелии – rа = r0(1 + е). Используя выражения 2.1 и 2.2, находим разность потока солнечной энергии, поступающей на единицу площади земной поверхности в крайних точках орбиты:
I* = I*п - I*а = 4еI0
Таким образом, нетрудно подсчитать, что при существующих изменениях эксцентриситета от 0,0007 до 0,0658 (сейчас он равен 0,017) величина I меняется от 7 до 27% солнечной постоянной. При максимальном эксцентриситете в перигелии на Землю поступает на четверть энергии больше, чем в афелии! Периоды колебаний эксцентриситета равны 0,1, 0,425 и 1,2 млн. лет. Если перигелий и точка зимнего солнцестояния совпадают, в северном полушарии будет наблюдаться короткая и теплая зима и долгое прохладное лето; если же с перигелием будет совпадать точка летнего солнцестояния, то в северном полушарии будет наблюдаться жаркое лето и продолжительная холодная зима, а в южном наоборот. В этом проявляется влияние прецессии на климат, т.е. при наложении двух видов колебаний орбитальных параметров. Длительное прохладное и влажное лето является благоприятной предпосылкой для роста ледников в полушарии, где сосредоточена основная часть суши.
Выделяются и более короткие циклы в колебаниях климата (от 1800 до нескольких десятков лет), причину которых следует, вероятно, искать в меняющейся солнечной активности.
Важную роль играют и внутренние климатообразующие факторы: состав и подвижность атмосферы, состав и объем гидросферы, особенности распространения суши и океана, состояние криосферы, вулканическая деятельность и пр.
Звенья климатической системы имеют разные физические свойства. Например, в гидросфере, 97,2% объема которой сосредоточено в Мировом океане, находится 1.43 1021 кг массы воды, Это в 275 раз больше массы атмосферы. Вследствие высокой теплоемкости воды, Мировой океан является хорошим аккумулятором солнечной энергии, значительная часть которой передается затем в атмосферу в виде потоков скрытого и явного тепла. Несмотря на то, что перемещение вещества в гидросфере на порядки ниже, чем в атмосфере, ее следует признать очень подвижной средой. Различные океанические течения распределяют огромные тепловые потоки по земному шару. Классический пример: влияние теплого течения Гольфстрим на климат северной части Европы.
Важным звеном климатической системы является криосфера, включающая в себя на поверхности Земли ледники, снежный покров и морские льды. Она в настоящее время занимает около 25% территории суши или 10% поверхности Земли (59 млн. км2). Основная масса льда приходится на Антарктиду. Площадь антарктического льда составляет 90% площади всех ледников. На Арктику приходится 8% площади ледников и на горные районы континентов – 2% (Климатология, 1989).
Большие пространства на земном шаре занимают морские льды, развитые преимущественно в приполярных широтах. Их площадь составляет в среднем 26 млн. км2. Площадь полей морского льда испытывает колебания не только по сезонам года, но и на протяжении ряда лет. Увеличение плановых размеров ледников и площадей, занятых снежным покровом, в эпохи похолоданий сказывается на еще бóльшее понижение температуры приповерхностных слоев атмосферы в силу высокой отражательной способности поверхности (высокое альбедо).
Некоторые эпохи похолоданий ряд исследователей связывают с вулканической деятельностью. Так, например, ко времени «малого ледникового периода» относятся повышенной мощности слои кислых продуктов извержений в недрах ледников. Самый большой уровень осаждений фиксировался с 1260 по 1470 и с 1570 по 1670 годы. Между тем вулканы играют двоякую роль в изменении климата. В первые годы после крупных извержений повышается запыленность атмосферы, в результате чего поток солнечной радиации ослабевает. Поскольку вулканы наряду с твердыми продуктами выбрасывают в атмосферу большие объемы газов, в значительной степени двуокись углерода, и водяной пар, создаются предпосылки для возникновения парникового эффекта. В конечном итоге вулканическая деятельность приводит к повышению температуры поверхности Земли. Первейшую роль в формировании климата вулканы играли на ранних этапах развития Земли. Можно предполагать, что в исторический период времени влияние вулканической деятельности на климат могло прослеживаться в течение нескольких десятков и даже сотен лет.
Взаимодействие всех звеньев климатической системы весьма многообразно и далеко еще не изучено. Многие климатические циклы различной продолжительности выделяются на основе фактических материалов исследований, но далеко не всегда установлена причина этих колебаний.
PAGE 29