CC BY
24ТЕРМОРЕЗОНАНСНЫЙ ЭФФЕКТ В КОЛЕБАНИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА
Вениамин Тихонович Балобаев,
советник РАН, член-корреспондент РАН, доктор геолого-минералогических наук
Виктор Васильевич Шепелев
заместитель директора Института мерзлотоведения СО РАН, доктор геолого-минералогических наук, профессор
Глобальные факторы, которые вызывают изменения климата на всей планете, можно подразделить на космопланетарные, астро-планетарные и геопланетарные [1].
Космопланетарными следует считать факторы, которые влияют на орбитальные параметры Солнечной системы и нашей Галактики в целом. К ним необходимо отнести, прежде всего, обращение Солнечной системы вокруг центра Галактики с периодом около 200 миллионов лет [2]. В эту группу глобальных факторов можно, видимо, включить обращение нашей Галактики вокруг Метага-лактического центра с предполагаемым периодом 1,3 млрд. лет.
Астропланетарными являются внешние факторы, связанные с орбитальными параметрами Земли и влияющие на величину светового потока, поступающего от Солнца. К ним относятся, прежде всего, изменение эксцентриситета земной орбиты с периодом около 100 тыс. лет, наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики с периодом 40,7 тыс. лет, а также прецессия земной оси, имеющая период около 20 тыс. лет. Именно эта группа факторов была учтена М. Миланковичем [3] при разработке астрономической теории колебаний глобального климата.
Геопланетарные кпиматооб-разующие факторы обусловлены особенностями состава, строения, агрегатного состояния и динамики основных геосфер, спецификой их взаимосвязи, а также изменением скорости вращения Земли и эволюцией системы «Земля - Луна». Действия факторов этой группы носят характер обратной реакции основных геосфер Земли на внешние возмущения климатической системы. Учитывая это, к геопланетарным факторам можно отнести автоколебательный характер энерго-и массообмена в системе океан-атмосфера-суша-оледенение, периодичность проявлений лунно-земных гравитационных связей, цикличность тектонической и вулканической активности, дрейф континентов, эволюционный характер изменения состава и массы биосферы, ее энерго- и массообмен с лито-
В. Т. Балобаев, В. В. Шепелев
сферой и, наконец, техногенную деятельность человека.
Роль и степень влияния перечисленных выше глобальных факторов на климатическую систему относительно невысоки. Наиболее изученными в этом отношении являются факторы астропланетар-ной группы. Однако очевидно, что астропланетарные факторы, без учета кпиматообразующих факторов двух других групп, вряд ли могли явиться причиной тех мощных трансформаций глобальной климатической системы, которые происходили в истории Земли.
По нашему мнению, взаимосвязь между различными климатооб-разуюшими глобальными факторами осуществляется по принципу резонанса [4, 5]. Концептуальная модель проявления этого эффекта в условиях глобальной климатической системы показана на рис. 1. При построении этой модели нами было принято, что периоды и амплитуды температурных колебаний, вызываемых отдельными глобальными факторами, постоянны во времени. В представленной модели учтено четыре основных климатообразующих фактора: один космопланетарный с периодом 200 млн. лет и три астроп-ланетарных с периодами 100, 40,7 и 20 тыс. лет. В качестве базисного уровня колебаний меньшего по продолжительности климатообразу-ющего цикла принималась кривая колебаний предыдущего более длительного цикла. Так, базисным уровнем, на котором проявляются температурные колебания, вызываемые воздействием на глобальную климатическую систему астроплане-тарного цикла с периодом 100 тыс. лет, принят космопланетарный цикл с периодом в 200 млн. лет. В свою очередь 100-тысячелетний цикл служит базисным уровнем проявления температурных колебаний с периодом 40,7 тыс. лет и т. д. При подобном наложении гармоник взятых в расчет климатообразующих циклов обозначились отчетливые пики, соответствующие периодам совпадения фаз отдельных температурных колебаний. Именно этот эффект, названный нами терморезонансным, приводит к значительным
Время между экстремумами периодов потепления климата, тыс. лет
— 40 ->7«--80
Время между экстремумами периодов потепления климата, тыс. лет
Прошлое, тыс. лет
1-1-1-1-1-1-Г"
140 120 100 80 60 40 20
Будущее
Рис. 1. Концептуальная модель интегрально-динамической взаимосвязи между основными глобальными факторами формирования климата в течение последних 150 тыс. лет: 1 -ход кривой цикла с периодом около 200 млн. лет, обусловленного обращением Солнечной системы вокруг Галактического центра; 2-ход кривой цикла с периодом 100 тыс. лет, обусловленного изменением эксцентриситета орбиты Земли; 3 - ход кривой цикла с периодом 40,7 тыс. лет, обусловленного изменением наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики; 4 - ход кривой цикла с периодом 20 тыс. лет, обусловленного прецессией земной оси; 5 -область оптимальных климатических условий; 6 - периоды экстремального потепления климата; 7 - периоды экстремального похолодания.
периодическим похолоданиям и потеплениям глобального климата.
Для подтверждения существования терморезонансного эффекта и обоснования построенной концептуальной модели, мы взяли температурные данные, полученные после обработки кернов льда скважин на станции «Восток» в Антарктиде [6, 7]. Нами был проведен гармонический анализ кривой температурных колебаний поверхности льда за последние 400 тыс. лет (рис. 2). По этому рисунку видно, что исходная кривая (а) слагается из гармоник с периодами в 100 (Ь), 40-41 (с), 20 (с1) тыс. лет и из малоамплитудных короткопериодных гармоник (е). Трендовая полупрямая (рис. 2, Ь) свидетельствуете медленном понижении температуры со временем и, вероятно, является частью гармоники 200-миллионного цикла.
Фактически получается, что в периоды наибольшего повышения или понижения температуры в 100-тысячелетнем цикле климатическая система Земли возбуждается и становится менее устойчивой, поэтому воздействие на нее 40- и 20-тысячелетних циклов происходит по типу резонанса. Этот эффект приводит к тому, что кратковременному очень теплому периоду предшествуют периоды с самым холодным климатом. Используя предлагаемую концепцию о терморезонансном эффекте, можно попытаться реконструировать климатическую обстановку для всего фанерозойского этапа развития Земли, охватывающего последние 570 млн. лет. На рис. 3 представлена схема, построенная нами с учетом проявления терморезонансного эффекта между временем действия двух основных космопланетарныхклиматообразующихфакторов и охватывающая по времени последние 700 млн. лет
t,°c
k
1 / г
\ 1 Л . ! i!
inl 1 г #
J j 1 МП N 1/У / ¥ 1VV
Г v ъ
4 у л 1Л ,
—С-
Л
\ / —ё-
\ j* Л /\А / \ .л/ Л /
Vs7 V / v м^'л/
А Лчл «А д -a -w j е
yvvvw^y 100 2( 0 3 Ю 4 00
тыс. лет назад
Рис. 2. Результаты частотно-амплитудного анализа кривой изменения температуры воздуха за предшествующие 400 тыс. лет (по данным скважины в районе антарктической станции "Восток"): а - исходная температура, рассчитанная по данным комплексного анализа керна льда до глубины 3300 м [3-10]; Ь - гармоника с периодом 100 тыс. лет и трендовая температура за весь период; с - гармоника с периодом 40-41 тыс. лет; d - гармоника с периодом 20 тыс. лет; е - остаточные малопериодные гармоники.
Рис. 3. Схема взаимосвязи между двумя основными космопланетарными факторами формирования
глобального климата Земли. 1 - ход кривой цикла с периодом около 1,3 млрд. лет, обусловленного обращением нашей Галактики вокруг Метагалак-тического центра; 2 - ход кривой цикла с периодом около 200 млн. лет, обусловленного обращением Солнечной системы вокруг Галактического центра; 3 - область оптимальных климатических условий; 4 - экстремальные периоды потепления климата; 5 - экстремальный период похолодания.
Время между экстремумами периодов потепления климата, Д X , млн. лет
_____
1 12 1 1з ви и
истории развития Земли. Эта схема свидетельствует о том, что фанерозой, включающий палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры, был в целом благоприятным в климатическом отношении. Это обусловливается соответствием данного этапа положительной фазе температурной кривой цикла с периодом в 1,3 млрд. лет. Три отмеченных на схеме глобальных похолодания климата в фанерозое, связанные с 200-миллионным циклом, приурочены соответственно к границе ордовика и силура, к перми и раннему триасу, а также к позднему мелу и кайнозою. Эти похолодания, безусловно, были усилены наложением астропланетарных и геопланетарных факторов, что могло способствовать развитию кратковременных покровных оледенений в палеозое, мезозое и особенно в кайнозое.
Длиннопериодные климатические ритмы, обусловленные космопланетарными факторами, сыграли решающую роль в истории развития биосферы Земли. Если в течение всего фанерозойского этапа, в соответствии с биологическими законами, шло неуклонное развитие от простых биосистем к сложным, то формирование разнообразных форм жизни и их смена происходили под сильнейшим влиянием окружающей среды, в основном - температуры приземного воздуха и увлажненности материков. Начало палеозоя характеризовалось значительным потеплением, связанным с повышением температуры земной поверхности под влиянием восходящих ветвей 1,3-миллиардного и 200-миллионного космопланетарных циклов (см. рис. 3). Это потепление привело к бурному развитию в океанах водорослей и беспозвоночных животных.
Похолодание климата, вызванное 200-миллионным циклом во второй половине ордовика и начале силура (480-410 тыс. лет назад), привело к массовому вымиранию морских организмов. Это была первая глобальная биологическая катастрофа в истории
развития биосферы Земли. Несмотря на то, что по сравнению с сушей океан представляет термически более стабильную среду и колебания температуры воды в нем не очень значительны, в период этого похолодания, по разным оценкам, исчезло около 35% семейств морских организмов [8, 9]. По нашему мнению, это связано с тем, что даже небольшое понижение температуры океана вызывает весьма существенное повышение содержания в нем растворенных газов и, прежде всего, углекислого газа и метана. Это, видимо, и обусловило массовую гибель морских организмов, не адаптировавшихся кподобным изменениям среды.
В следующую фазу потепления климата, связанную с 200-миллионным космопланетарным циклом, первый выход на сушу совершили растения. Теплый и влажный климат обусловил их бурное развитие вплоть до древовидных споровых и первых голосеменных. Вслед за растительностью вышли на сушу животные (земноводные и первые пресмыкающиеся).
Очередное глобальное похолодание климата (280-200 млн. лет назад) вызвало вторую глобальную биологическую катастрофу. В этот период практически исчезли животные на суше. Массовое вымирание затронуло и морские организмы. Перестали существовать, например, такие типичные палеозойские группы животных, как табуляты, трилобиты и другие. В этот период глобального похолодания климата исчезло около 22% семейств морских организмов [10].
Новый этап бурного развития биосферы Земли связан с мезозойским периодом потепления климата (180-80 млн. лет назад), обусловленного 200-миллионным космопланетарным циклом. Если в предыдущий теплый период наблюдалось интенсивное развитие растительности, то в мезозое был всплеск активности животного мира. Это было время развития пресмыкающихся на суше, в море и воздухе - эпоха динозавров.
Животный мир завоевывал континентальные пространства. Биомасса Земли достигла в эту эпоху потепления огромного объема.
Начавшееся в конце мелового периода очередное похолодание климата привело к третьей глобальной биологической катастрофе в истории биосферы Земли. Падение таксономического разнообразия семейств в это время составило 16-17% [10,11]. Исчезли все теплолюбивые формы и сохранились только те виды, которые были более приспособлены кхолодному климату. Голосеменные растения заменялись более устойчивыми покрытосеменными. Вымерло большинство пресмыкающихся на суше и в воде, исчезли динозавры. Они были холоднокровными и не могли вынести похолодания, так как уже при температуре 6-10°С теряли подвижность. Нам представляется, что быстрое вымирание динозавров произошло из-за прекращения их воспроизводства. В откладываемых ими яйцах развитие зародыша могло происходить только при температуре выше определенной. Как только температура в окружающей среде понизилась, размножение динозавров прекратилось. Подтверждением этого могут служить многочисленные находки окаменелых яиц динозавров. Потомки летающих пресмыкающихся - птицы - приспособились к выращиванию птенцов в условиях понижения температур, высиживая яйца и согревая их своим теплом. Сохранились и широко развились млекопитающие, благодаря тому, что они теплокровные и способны регулировать температуру своего тела и не зависеть поэтому от среды обитания. Некоторые виды пресмыкающихся выжили, вернувшись к водному образу жизни или впадая в анабиоз в зимний период.
Приведенная выше картина связи эволюции биосферы с космопланетарными циклами изменения климата носит глобальный характер. Для отдельных территорий и континентов, возможно, были определенные сдвиги во времени биосферной эволюции, ускорение или замедление ее. Это связано с широтной зональностью температуры (различие ее на полюсе и экваторе доходило до 30-40°С), постоянными перемещениями литосферных плит и с изменением взаимного положения и площади материков и океанов. Эти обстоятельства позволили отдельным наиболее мобильным видам исчезнувших классов и семейств животных и растений сохраниться до нашего времени.
Представленная на рис. 3 схема показывает, что положительная фаза 1,3-миллиардного климатического цикла, охватывающая практически весь фанерозой, завершается. Отсюда следует, что будущее нашей планеты на ближайшие 500-600 млн. лет можно представить как царство холода и льда. В этом отношении ледяной континент Антарктида и вечная мерзлота, занимающая в настоящее время огромную площадь суши в Северном полушарии, являются не только следствием прошедших плейстоценовых оледенений, но,
видимо, и первыми предвестниками надвигающегося эпохального похолодания на нашей планете, сравнимого по величине с верхнепротерозойским оледенением Земли. Это, безусловно, не исключает того, что на отдельных этапах наступающей холодной климатической эры могут происходить короткопериодные потепления глобального климата, обусловленные астро- и геопланетарными температуроформирующими факторами и их резонансным усилением.
Литература
1. Шепелев В. В. О взаимосвязи между главными факторами формирования климата и криолитосферы Земли//Гэография и природные ресурсы. -1999. -№3,-С. 138-142.
2. Shapley Н., Ames A. A survey of the external galaxies brighter than the thirteenth magnitude // Ann. Harv. Coll. Obs. -1932. - V. 88.-№2. -P. 121-135.
3. Миланкович M. Математическая климатология и астрономическая теория колебания климата. - М.-Л., 1939.-207 с.
4. Балобаев В. Т., Шепелев В. В. Космопланетарные климатические циклы и их роль в развитии биосферы Земли//Доклады Академии наук, 2001. - Т. 379. - № 2. -С. 247-251.
5. Balobaev V. Т., Shepelev V. V. The role of cosmoplanetary climate cycles in Earths cryolithosphere evolution//Extended Abstracts Reporting Current Rosearch and New Information. -Zurich, Switzerland, 2003.-P. 5-6.
6. Котляков В. M., Лориус К. Четыре климатических цикла по данным ледяного керна из глубокой скважины на станции "Восток" в Антарктиде // Изв. РАН. Сер. геогр. - 2000. -№ 1,-С. 7-19.
7. Petit J. R., Jouzel J., Raynaud D. et al. Climate and atmosferic history in the last 420 000 years from the "Vostok" ice core//Nature. -1999. - V. 399. - P. 429-436.
8. Бондаренко О. Б. Об изменении состава табуля-томорфных кораллов на рубеже ордовика и селура // Биотические события на рубежах фанерозоя. - М., 1989.-С. 104-121.
9. Sepkovski J. J. Patterns of Phanerozoic Extinction: A Perspective from global data base // Global events and event stratigraphy in the phanerozoic: Results of international interdisciplinary cooperation in the JGCP Project 216. "Global biological events in Earth history". -Berlin;Heidelberg, 1995.-P. 35-52.
10. Алексеев А. С. Глобальные биологические кризисы и массовые вымирания в фанерозойской истории Земли // Биотические события на основных рубежах фанерозоя. - М., 1989.-С. 22-47.
11. Найдин Д. П. Граница мела и плейстоцена // Гэаницы геологических систем. - М., 1976.-С. 225-257.
а<рх№ муффыхмъкжй
Во время кризиса нельзя пренебрегать искусством и науками; наоборот, следует больше значения придавать духовным ценностям. А расширение пределов человеческой мысли посредством изучения мира, в котором мы живем, - это великая радость!
Вайскопф
