Почему меняется климат

климат земля планета Точно на этот вопрос ответить никто не может. Существует много гипотез, которые рассматривают различные возможные причины такого изменения, Все гипотезы о причинах наступления эпох оледенения можно поделить на две группы. Одни из них пытаются объяснить этот факт причинами, которые находятся вне Земли. Основной источник эне гии, тепла, от которого зависит климат, находится вне Земли. Это Солнце. Эти гипотезы исходят из того, что поток солнечной энергии мог почему-то существенно меняться. Поэтому менялось и количество тепла, которое получала от Солнца Земля.

Рис. Изменение мировой температуры за последние 140 лет.

Почему Солнце может менять энергию? Во-первых, нельзя исключить, что процессы внутри Солнца протекают с определенной периодичностью, причем длительность этих периодов составляет сотни миллионов лет. Меняется активность Солнца с периодами в 11, 22, 33, 90, 200, 600, 2000 лет. От уровня солнечной активности зависит количество энергии, которую посылает Солнце в околосолнечное пространство в виде солнечных заряженных частиц. Почему не может быть такой (но с более продолжительным периодом) периодичности в изменении энергии, которую посылает Солнце в околосолнечное пространство в виде волнового излучения — видимого света, рентгеновского и ультрафиолетового излучения? Исключить такую возможность нельзя.

Но причину уменьшения энергии, которая проходит к Земле от Солнца, можно искать и вне Солнца. Солнце излучает все время одинаково. Но периодически попадает в некую черную (пыльную) полосу, и в результате часть энергии рассеивается и до Земли не доходит. Возможно и такое, но это менее вероятно и менее обосновано, чем предположение о периодических процессах внутри Солнца. Тем более что такие процессы с меньшими периодами налицо. Но они касаются изменчивости солнечной энергии, которая переносится солнечными заряженными частицами. Специалисты считают, что за время существования Земли, то есть за 4,6 млрд. лет, светимость Солнца монотонно увеличивалась, не проявляя колебательных изменений. За все время это возрастание составило примерно 25−30% первоначальной величины. Столь существенное (на одну треть) увеличение энергии, которую Земля получает от Солнца, не должно было остаться без последствий — Земля должна была с течением времени нагреваться все больше и больше. Нетрудно рассчитать, что если приходящая от Солнца к Земле энергия увеличится на 1%, то это должно вызвать увеличение средней температуры у поверхности Земли на 1 °C. Это значит, что если светимость Солнца увеличилась за всю историю Земли на 30%, то ее средняя температура должна была за это время возрасти на 30 °C. Но этого не произошло.

Что же касается космической пыли, в облако которой попадает Земля и экранируется от солнечной энергии, то эта пыль могла бы появиться в результате прохождения кометы на очень близком расстоянии от Земли. Из хвоста кометы должна посыпаться пыль.

Относительно комет, то достаточное количество их проходит на разных удалениях от Земли. Ежегодно 5 комет проходит на расстоянии от Земли, ко торое равно удалению Солнца от Земли. Это расстояние принято за единицу длины и называется астрономической единицей. Приме няя законы теории вероятностей, можно получить, что у всего этого сонма пролетающих за миллионы лет комет один раз примерно в сто миллионов лет комета пронесется мимо Земли так близко, что сильно запылит ее окрестности, прежде всего ее атмосферу. Если эта пыль находится в погодном слое атмосферы — под обла ками, то дождями и вообще осадками она достаточно быстро вы мывается из атмосферы и осядет на поверхности Земли, после чего больше не будет влиять на поток энергии, приходящий к Земле от Солнца.

Вторая группа гипотез ищет причину оледенений не в измене нии потока солнечной энергии, которая достигает Земли, а в разной степени поглощения этой энергии Землей. Идея состоит в том, что почему-то время от времени в околоземном пространстве (в атмос фере Земли) создаются такие условия, при которых солнечная энергия утилизируется значительно хуже и температура существен, но понижается. Причину такого изменения усвояемости энергии можно искать только в атмосфере, где происходит сортировка солнечной энергии: часть энергии атмосфера отсылает обратно в космос, часть пропускает к поверхности Земли нетронутой, а часть потребляет сама, прежде всего для собственного обогрева, а точнее нагрева. Но эта способность атмосферы зависит от ее состава, а состав атмосферы Земли за всю ее историю изменялся весьма радикально. Не все составляющие атмосферы играют одинаковую роль при перераспределения солнечной энергии. Важную роль в этом отношении играет углекислый газ СО2, хотя его абсолютное количество в атмосфере ничтожно мало — всего 0,03% объема.

Углекислый газ в атмосфере работает как пленка на теплице по принципу: впускать, но не выпускать. В результате пблизительно 30% приходящего солнечного излучения отражается от верхних слоев атмосферы и уходит назад в космос, но большая часть проходит сквозь атмосферу и нагревает поверхность Земли. Нагретая поверхность испускает инфракрасное излучение. Некоторые газы, входящие в состав атмосферы в относительно небольших количествах (0,1%) способны задерживать инфракрасное излучение. Их называют парниковыми газами, а само явление — парниковым эффектом. Парниковые газы присутствовали в атмосфере почти на всем протяжении истории Земли, их баланс поддерживался за счет естественного круговорота в природе. В отсутствие парниковых газов температура воздуха у поверхности Земли была бы примерно на 30−33°С ниже, чем сейчас. До начала эпохи промышленного развития концентрация диоксида углерода в атмосфере была равна 280ppm (частиц на миллион), а теперь она увеличилась на 30% и достигла 368ppm.

Если естественный парниковый эффект поддерживал атмосферу Земли в состоянии теплового баланса, благоприятного для существования животных и растений, то антропогенное увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере нарушает естественный тепловой баланс планеты за счет усиления парникового эффекта, и как следствие, вызывает глобальное потепление.

Приходящие к поверхности Земли солнечные лучи проходят атмосферу беспрепятственно. Это свет. Конечно, часть его рассеивается из-за мутности атмосферы. Световая энергия частично поглощается и нагревает Землю. Часть солнечной энергии отражается земной поверхностью (сушей и вод ной поверхностью) обратно в атмосферу и далее в космос. Нагре тая Земля, как и любое нагретое тело, начинает излучать. Но получив световую энергию, она излучает тепловую. Это инфракрасное, или ультрафиолетовое излучение. Это излучение, уходящее от Зем ли, и задерживает диоксид углерода СО2. Если бы СО2, в атмосфере не оказалось, то средняя температура на поверхности очень существенно снизилась бы. При этом на Земле наступили бы условия эпохи оледенения.

Из сказанного выше ясно, откуда столь повышенный интерес к СО2 в атмосфере. Ведь углекислый газ в атмосфере может не только уменьшиться, что угрожает. нам ледниками, но и увели читься, что угрожает нам затоплением, поскольку при сильном потеплении начнут таять ледовые шапки на полюсах. И то и другое плохо. СО2 лучше не трогать. Но как обеспечить его стабильность? Откуда он берется? Основная масса углекислого газа находится в океане. Его там в 50 раз больше, чем в атмосфере. Поставляет угле кислый газ в атмосферу и биосфера. Но самое большое его количество скрыто в земной коре. Он вырывается оттуда время от времени вместе с вулканическими извержениями. Ясно, что в настоящее время установилось некоторое, хотя и весьма хрупкое, равновесие между всеми источниками углекислого газа. Если такое равновесие нарушается, то количество СО2 в атмосфере должно измениться со всеми вытекающими отсюда последствиями. При этом неизбежно на Земле произойдет изменение климата.

Рис. Изменение концентрации диоксида углерода в атмосфере Земли за последние 40 лет

Нельзя исключить, что в прошлом количество углекислого газа в атмосфере изменялось так, что это вызывало сильное похолода ние, оледенение. Можно представить себе такую последовательность событий. Биосфера Земли развивалась таким образом, что посте пенно утилизировала всю углекислоту — переводила в такие формы, которые не восстанавливали количе ство углекислого газа в атмосфере. Например, углекислота транс формировалась в отложения карбонатов, угля и других пород орга нического происхождения, которые содержат углерод. Если это происходило, то наступала эпоха оледенения. Условия для биосфе ры становились неблагоприятными, и биомасса постепенно сокра щалась. Сокращались и ее потребности в углекислом газе. Значит, он стал снова постепенно накапливаться в атмосфере, которая поэтому получила возможность утилизировать солнечную энергию. А дальше все снова, через 100. млн. лет, повторялось. Правда, при таком развитии событий цикл не обязательно должен быть постоянным. Наобо рот, более естественно, что он должен изменяться. И действитель но, специалисты считают, что в продолжение фанерозоя (то есть периода жизни) основным регулятором количества в атмосфере кислорода и углекислого газа была именно биосфера. Ведущая роль в этом принадлежит биомассе океанов.

Углерод постоянно поступает в атмосферу в форме диоксида углерода, метана и других газов. В это же время газ поглощается зелеными растениями, океанами и др. Это и есть круговорот углерода. Баланс в цикле является определяющим моментом в климате земли.

Углерод — важная часть нашего организма, нашей пищи, одежды и большей части топлива. Углерод входит в состав многих повседневно используемых нами вещей. Более 90% известных химических веществ содержат углерод. Не удивительно, ведь углерод легко вступает в связь с элементами, а также с другими молекулами углерода.

Атомы углерода живых и мертвых организмов, океанах, породах и почве находятся в постоянном обмене. C каждым выдохом мы переносим СО2 из легких в атмосферу, этот углерод мы получили из съеденных нами растений и животных. Атомы углерода в наших тела сегодня раньше «принадлежали» различным растениям и животным, возможно, даже динозаврам или другим вымершим видам.

Распределение углерода в атмосфере, организмах, земле и океанах со временем менялась. 550 миллионов лет назад концентрация СО2 в атмосфере была 7 000 промилле, это в 18 раз больше, чем сейчас. Куда исчез весь углерод из атмосферы? По большей части он превратился в осадочные породы (например, песчаники). Ответ о том, как именно это произошло, и есть основная часть повествования о круговороте углерода.

Углеродный цикл объединяет многие биологические, химические и физические процессы перемещения углерода.

Зеленые растения поглощают диоксид углерода в процессе фотосинтеза. Сжигание органического топлива и дерева — источник СО2. Океаны являются и источником, и коллектором СО2. Происходит это потому, что содержащийся в воздухе СО2 растворяется в воде, таким образом, исчезая из атмосферы. В то же время растворенный СО2 выделяется из воды в атмосферу. Баланс между этими двумя процессами зависит от многих факторов и со временем меняется. Сейчас в океанах растворяется больше СО2, чем выделяется. Это значит, что сейчас океан — коллектор СО2.

Рис. Углеродный цикл

По скорости образования углерод содержат, их отложений на континентах можно рассчитать, как изменялся во времени хими ческий состав атмосферы в фанерозое. Оказалось, что за последние 600 млн. лет было несколько всплесков увеличения количества кис лорода и углекислого газа в атмосфере Земли. Более того, периоды повышенного количества СО2 достаточно хорошо совпадают с пе риодами теплых эпох, а периоды уменьшения количества СО2, — с эпохами оледенений. Любопытно, что изменения количества СО2 не очень большие, тогда как результат от такого изменения в переменах климатаналицо. В проведенных расчетах принято, что количество СО2, в атмосфере меняется в ре зультате изменения вулканической активности. Сама вулканичес кая активность была определена по количеству вулканических по род за тот же период времени.

Колебания вулканической активности согла суются с изменением количества углекислого газа. Это подтверж дает правильность предположения о том, что в формировании всплесков увеличения количества СО2 вулканическая активность играет определяющую роль. Теплые эпохи на Земле связаны с повышенной вулканической активностью, а нормальным климатом на Земле является как раз холодный климат в эпохи оледенения.

Вулканическая активность является результатом процессов тер мической (тепловой) конвекции в недрах Земли. Эти процессы, действительно, выявляют определенную периодичность, ритмич ность. Теоретические исследования показывают, что длительные эпохи относительного покоя длятся 100−150 млн. лет. В это время развивается оледенение. Эти эпохи покоя сменяются эпохами активности, которые известны как тектоно-магматические эпохи. Они длятся относительно недолгообычно миллионы лет. Хотя некоторые совпадения во времени между периодами потепления и периодами вулканической активности имеются, тем не менее считать это доказанным нельзя, поскольку нет полного соответствия между похолоданиемпотеплением, с одной стороны, и процессами термической конвекции — с другой. Тут «работает» еще один механизм изменения теплового режима Земли. Когда уровень Мирового океана максимальный, то значи тельная часть суши оказывается под водой (до 40% по сравнению с современной). Отражательная способность поверхности Земли умень шается (вода хуже отражает свет, чем поверхность суши). Значит, энергии отражается меньше и она идет на нагрев вод океана, а также суши. Температура при. этом повышается. Когда площадь суши увеличивается, то происходит обратное — больше солнечной энер гии отражается и температура понижается.

Крупномасштабные изменения глубины Мирового океана, которые длятся сотни миллионов лет, обусловлены изменением скоростей приращения литосферных плит в районах рифтовых до лин срединно-океанических хребтов. Дело в том, что при быстром раздвижении плит вновь образующаяся океаническая кора не успе вает остывать и поэтому формирует «мелкий» океан. Поскольку количество воды неизменное, то часть ее должна выплеснуться на сушу и затопить ее. Когда же скорость приращения литосферных плит уменьшается, то образовавшаяся океаническая кора посте пенно остывает и сжимается. Поэтому океан становится «глубо ким». При этом воде хватает места в океане — она оставляет сушу.

Перемещение материков по поверхности Земли в составе ли тосферных плит также оказывает огромное влияние на изменения климата за продолжительные промежутки времени. Как известно, материки перемещаются, и современная их конфигурация и поло жение совсем не похожи на то, что было, скажем, 150 млн. лет назад. Ясно, что со временем и нынешняя картина изменится.

Былое расположение материков можно восстановить по гео физическим данным. Легче всего это сделать для фанерозойского зона. Любопытно, что следы оледенения специалисты находят по чти на всем протяжении Африки — от северной до ее южной око нечности. Значит ли, что в былые времена ледники достигали даже экватора? Отнюдь нет. Не ледники достигали экватора, а сама Аф рика в какие-то периоды устремлялась от экватора навстречу лед никам. Ученые установили, что всегда в периоды оледене ний один из материков должен находиться в районе полюса. Когда происходило замещение воды сушей (у полюса появлялся мате рик), то увеличивалась отражательная способность поверхности Земли, а значит, температура понижалась (Происходило образова ние льдов). К тому же районы полюсов получают наименьшее ко личество солнечной энергии. Поэтому у полюсов осадки выпадают в виде снега. Весь снег не тает, из года в год он накапливается и превращается в лед. Так формируется около полюсов ледниковый покровсвоего рода глобальный холодильник. Он и оказывает влияние на климат всей планеты.

Совсем по-другому развиваются события в том случае, если на полюсе оказывается не материк, а океан. Тогда ледниковый по кров возникнуть не может. Поэтому у полюсов температура в теп лую эпоху не должна быть ниже нуля градусов, а на экваторе не более 30 °C. В настоящее время у одного полюса — южного — находится Антарктида, а у северного полюса — океан. Над океаном, в Арктике, в 3,5 раза теплее, чем над материком в Антар ктике. Так выражается влияние океана у полюса.

История движения континентов такова, что-то они вместе со ставляли один суперконтинент, то они расходились в разные сто роны. Это просто не могло не вызывать изменения климата хотя бы уже потому, что менялась отражательная способность земной по верхности. Значит, менялось количество энергии, поглощаемой Землей, которая шла на нагрев. В одной из самых теплых эпох фаперозоя — в мезозоеединый суперконтинентПапгея — распо лагался по обе стороны экватора. В результате средняя температура поверхности Земли была выше, чем сейчас.

Конвективное движение мантии может образовывать или одну конвективную ячейку, или две таких ячейки. Но обе эти структуры конвекции являются неустойчивыми, и одна переходит в другую. Ученые предполагают, что за все время существования Земли уже пять раз существовала одноячеистая структура конвекции. При та кой структуре конвекции все материки объединяются в один су перматерик, который затем при переходе к двухъячеистой структу ре раскалывается на части. Эти отдельные материки дрейфуют в сторону вновь возникших нисходящих потоков в мантии. Самая боль шая тектоно-магматичсская активность Земли имеет место в эпохи установления одноячсистой конвекции. В моменты перехода от одноячеистой структуры к двухъячеистой эта активность минимальна. В периоды, когда установится двухъячеистая структура, активность занимает промежуточное положение.

В эпохи повышенной тектоно-магматической активности про исходит горообразование и общее повышение суши. Это ведет к тому, что степень усвоения солнечного излучения уменьшается. В результате температура понижается. Так ученые пытаются объяс нить наступление эпох оледенения. Но это только еще одна ги потеза.

В настоящее время не вызывает сомнения одноформиро вание эпох оледенения и потепления связано с процессами пере стройки активности недр Земли. Эти процессы на поверхности Земли выражаются как движение литосферных плит с ускорени ем или замедлением скоростей приращения, как развитие вулка низма и горообразования, как объединение и разъединение кон тинентов, как изменение площади и глубины океанов и, нако нец, как изменения состава атмосферы и эволюционное развитие биосферы.