Характеристика климатической системы древней Земли

Реферат

"Характеристика климатической системы древней Земли"

Для понимания причин изменения климата исключительно важно знать его эволюцию на протяжении всей истории развития нашей планеты, которая оценивается периодом примерно в 4,6 млрд. лет. Наибольший интерес представляет климат эпохи, получивший название "голоцен". Он начался 15-18 тыс. лет назад и продолжается по настоящее время. Именно с ним связано развитие современной цивилизации.

Изменения климата Земли зависят от взаимодействия основных компонентов климатической системы: наиболее подвижной и ответственной за условия существования жизни - атмосферы, менее подвижных - океана и криосферы, т.е. воды в замерзшем состоянии (континентального и морского льда, снега), а также поверхности суши и биосферы, включающей растительный, животный мир и самого человека.

Весьма характерно, и это является, по-видимому, особенностью климата нашей планеты, что биосфера, влияя на другие компоненты климатической системы, в свою очередь полностью зависит от них. Из-за сложности взаимодействия компонентов климатической системы современные исследования эволюции и истории климата основываются не только на анализе эмпирических данных, но и на физических, физико-химических, астрофизических и математических методах анализа, на изучении биохимических циклов, протекающих в климатической системе с учетом сложных обратных связей.

Лишь в середине текущего столетия наука начала переходить от стадии статистического описания хронологии климата к стадии его объяснения на основе физических теорий.

К настоящему времени известно несколько десятков определений понятия "климат". Сам термин, буквально означающий "наклонение солнечных лучей", был предложен древнегреческим астрономом Гиппархом (190-150 гг. до н.э.). Затем это понятие развивалось древнегреческими учеными.

Примерно до конца XVIII в. господствовало мнение, что климат определяется высотой Солнца над горизонтом. Согласно этому представлению, существовало девять климатов. Первый охватывал полосу в 12° шириной к северу и югу от экватора, остальные климаты разделялись кругами широт через 5°30'. Все, что было севернее 50° с.ш., относилось к девятому климату, в то время считавшемуся необитаемым. Южное полушарие, о котором тогда ничего не было известно, вообще ни к какому климату не причислялось.

В дальнейшем было принято другое деление. Земля делилась на 36 климатов по обе стороны от экватора. Район вблизи экватора, где разность между самым продолжительным и коротким днем в году составляла менее 1 часа, относился к первому климату. Там, где эта разность была 1-2 часа, - ко второму и т.д. до 24-го климата. Кроме того, между полюсом и полярным кругом размещалось еще 12 климатов. Там, где Солнце не заходит до одного, полутора, двух, двух с половиной месяцев, полагали 26-29-й климаты вплоть до 36-го у полюса, где Солнце не заходит шесть месяцев.

В скором времени люди, однако, убедились, что средние условия погоды в этих так называемых одинаковых климатических зонах разные, и начали искать тому объяснение. Появились новые определения климата. Наиболее полное было дано А. Гумбольдтом, который считал, что слово "климат" прежде всего обозначает "специфическое свойство атмосферы, которое зависит от непрерывного совместного действия подвижной поверхности моря, изборожденной течениями противоположных температур, излучающей тепло суши, которая определяет громадное разнообразие в отношении своей орографии, окраски и состояния покрова". Это определение, однако, продержалось недолго. С 70-х гг. XIX в. климат трактуется уже "как общее состояние погоды в определенном месте или в определенной стране, или, точнее говоря, совокупность средних величин и свойств всех метеорологических элементов есть не что иное, как то, что называют климатом какого-либо места".

В 20-30-х и в конце 40-х - начале 50-х гг. нашего столетия вновь разгорелись дискуссии по климату. Лишь в 70-х гг. было предложено определение понятия климата как совокупности статистических свойств климатической системы за достаточно длительный, но ограниченный промежуток времени. Большинство исследователей сходятся на том, что период осреднения должен быть от нескольких лет до 10 и даже 30 лет. Имеются серьезные основания относить к климату все то, что не может быть выражено в терминах погоды, особенно в части прогноза. Под погодой при этом понимается совокупность значений метеорологических элементов в любой точке трехмерного пространства в любой момент времени. В такой трактовке существует предел предсказуемости погоды, который оценивается двумя-тремя неделями. За пределами предсказуемости можно, по-видимому, говорить не о прогнозе погоды, а о прогнозе осредненных характеристик, т.е. о климатических прогнозах.

Для оценки изменений климата в прошлом и прогноза его изменений в будущем важное значение имеет изучение условий формирования крупных климатических аномалий, которые в основном и определяют экстремальные климатические условия жизни на Земле.

Хорошо известно, что для существования жизни необходимо наличие жидкой воды и атмосферы с определенным химическим составом и массой. При этом необходимым условием является протекание ряда биохимических циклов в круговороте воды, углекислого газа (углерода), кислорода, азота, фосфора, серы, поддерживаемых солнечным излучением.

Кислород, как известно, необходим для процессов окисления и дыхания. В результате разложения молекулы кислорода под действием солнечного излучения и последующей реакции тройного соударения в атмосфере образуется трехатомное соединение кислорода - газ озон. Последний поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение и, таким образом, несмотря на очень низкое его содержание (2,5-3 мм, а в высоких широтах - 4 мм ртутного столба), защищает от гибели биосферу.

В связи с этим воздействие на озоновый слой, которое начало осуществляться в результате деятельности человека, крайне нежелательное явление.

Вода - прекрасный растворитель. Она способна легко разогреваться и отлично поглощать тепловое (инфракрасное) излучение. Оставаясь в жидком состоянии в широком диапазоне температур, вода может превращаться в водяной пар и замерзшую форму в виде льда и снега. Любая из этих крайних форм не пригодна для обеспечения нормальных условий существования человека, для которого температура "комфорта" лежит в довольно узком диапазоне порядка 20-25°С.

Вода состоит из двух наиболее распространенных химических элементов - водорода и кислорода. Под действием ультрафиолетового излучения молекулы воды распадаются, что приводит к образованию кислорода, способного формировать другие соединения, включающие аминокислоты. Последние являются теми строительными "кирпичиками", которые так необходимы для жизни.

Углероду, также широко распространенному химическому элементу не только на нашей планете, но и во Вселенной, присуща уникальная способность образовывать большое количество различных сложных соединений. Он необходим для существования саморазвивающихся систем, которые мы называем живыми.

Углеродный цикл в системе "атмосфера - океан - биосфера" - один из важнейших биохимических циклов. В результате фотосинтеза из каждой грамм-молекулы углекислого газа, поглощаемого растениями из атмосферы, образуется одна грамм-молекула кислорода и одна грамм-молекула углерода. Таким путем образовался весь кислород нашей атмосферы. Значительная же часть имевшегося в первичной атмосфере углерода перешла в биосферу, образовав запасы органического топлива, и в океан, где она находится в виде как растворенного углерода, так и главным образом карбонатных осадков. Механизм превращения углекислого газа из первичной атмосферы в органический углерод был очень длительным.

В настоящее время человек, добывая и усиленно сжигая химическое топливо, возвращает накопленный углерод в атмосферу, откуда он частично поглощается биосферой (главным образом океаном). В результате хозяйственной деятельности этот биохимический цикл заметно нарушен. Достаточно сказать, что природе нужно было около одного миллиона лет, чтобы накопить то количество углерода в виде органического топлива, которое сжигается в настоящее время в течение всего лишь одного года.

Азотный цикл достаточно сложен и включает фиксацию азота в различных соединениях, необходимых для поддержания жизни. Этот цикл в первичной атмосфере Земли был прежде всего связан с преобразованием аммиака. В результате окисления 4 грамм-молекул аммиака и 3 грамм-молекул кислорода образуется 6 грамм-молекул водяного пара и 2 грамм-молекулы азота. Эти два газа - азот и кислород - и определяют основной состав нашей атмосферы, сформировавшейся в течение длительной истории развития Земли.

Ни один из указанных газов не обладает активными радиационными свойствами, т.е. они пропускают как коротковолновое солнечное излучение с максимумом излучения в видимой области спектра, так и уходящее длинноволновое (инфракрасное) излучение с максимумом в области 12-15 мкм. Однако начавшийся процесс сжигания топлива, ядерные взрывы и т.п. приводят к образованию окислов азота, которые являются радиационно активными газовыми примесями и поглощают как солнечное, так и инфракрасное тепловое излучение системы "Земля - атмосфера", меняя ее радиационный баланс.

Имеются и другие биохимические циклы, важные для поддержания жизни на Земле и участвующие в эволюции различных компонентов климатической системы. К ним относятся фосфорный цикл, важный прежде всего для эволюции биосферы, и серный цикл, который приобрел первостепенное значение в последние десятилетия. В атмосферу в результате антропогенного воздействия стало поступать большое количество серы и ее соединений, что резко нарушило естественный серный цикл. Так как серные соединения (серная кислота прежде всего) являются токсичными для биосферы, изучение серного цикла важно для понимания эволюции климата и отдельных компонентов климатической системы в условиях антропогенного воздействия.

В результате сложного многообразия действующих факторов климат Земли менялся на протяжении всей ее истории. Поскольку процесс эволюции климата продолжается и ныне, а зависимость общества от меняющихся климатических условий возрастает, очень важно понять физические факторы формирования климата. Для этого прежде всего необходимо восстановить историю климата Земли, оценить диапазон возможных изменений климата и его влияния на биосферу, а также влияние климата на различные стороны хозяйственной деятельности человека. История дает немало примеров, когда климатические изменения способствовали как расцвету, так и упадку отдельных цивилизаций. Многие из этих исторических уроков в достаточной мере не осознаны и до сих пор.

Рассмотрим некоторые фактические данные о современном климате, с которым мы в дальнейшем будем сравнивать климат прошлого.

Как известно, в среднем на верхнюю границу атмосферы поступает около 1356 Вт/м² солнечной радиации. Фактически за счет смен времен года, дня и ночи эта величина будет несколько меньше. Часть приходящей солнечной радиации отражается обратно, что определяется альбедо (отражательной способностью) системы "Земля - атмосфера", а часть поглощается атмосферой и главным образом подстилающей поверхностью и переизлучается обратно в виде длинноволнового (инфракрасного) излучения в космическое пространство. Только малая часть (не более 1%) солнечного излучения идет на поддержание кинетической энергии атмосферных движений. Эта часть энергии в конечном итоге диссипируется и превращается в тепло.

Умеренные и высокие широты обоих полушарий (выше ±30-35° широты) - это зоны потери энергии. Экваториальные районы - зоны накопления энергии. Зоной потери энергии является современная Сахара вследствие большого нагрева подстилающей поверхности, большого излучения и сухости атмосферы, которая пропускает уходящее излучение. Данный пример наглядно иллюстрирует роль пустынь в формировании климата. Пустыни как бы сами поддерживают свое существование.

Альбедо в высоких широтах в 2,5-3 раза выше, чем в низких, т.е. в высоких широтах отражается большее количество приходящей энергии.

Приходящая солнечная радиация и отраженная радиация по сезонам года, по широтным зонам распределены неравномерно. Вследствие этого возникает перераспределение энергии между низкими и высокими широтами, чем и обеспечивается сравнительное постоянство климата в определенные периоды в определенных географических зонах.

Указанный межширотный обмен осуществляется благодаря общей циркуляции атмосферы. Главными носителями в механизме перераспределения энергии между широтными зонами являются крупномасштабные атмосферные вихри - циклоны и антициклоны. Их эволюция и динамика во времени приводят к формированию крупных циркуляционных эпох, характеризующихся определенным преобладающим переносом воздушных масс, формированием неустойчивых режимов погоды и крупных погодных и климатических аномалий. Такого же рода процессы протекают и в океане.

Широтная зональная циркуляция является преобладающей. Максимальная интенсивность циркуляции отмечается на широтах 30-35° с. ш. в северном и 40-45° ю. ш. в южном полушариях. Эти зоны получили название зон струйных течений. Вдоль них, преимущественно с запада на восток, осуществляется преобладающее перемещение барических образований (циклонов и антициклонов). Имеются области наибольшей интенсификации зон струйных течений - к востоку от США и над Японией.

В ряде случаев образуются обширные малоподвижные циклоны, которые блокируют западно-восточный перенос. В этом случае в восточной части циклонов южные потоки приносят тепло далеко на север, а в западной части холод проникает далеко на юг. Так возникают аномальные условия погоды.

Изменение климата включает прежде всего общие тенденции изменения температурного, циркуляционного и влажностного режимов атмосферы, климата океана, изменения биосферы, т.е. формирование длительных климатических эпох в геологической истории Земли. Помимо этого каждая климатическая эпоха характеризуется наличием крупных флюктуации климата (климатических аномалий), накладывающихся на фон общих и длительных изменений климата. По этой причине, анализируя историю климата Земли, его эволюцию и влияние на биосферу и самого человека, необходимо отличать общие периоды похолоданий или потеплений, сухие или влажные периоды от изменчивости климата, вызываемые климатическими аномалиями, имеющими меньший характерный временной и пространственный масштабы.

Общие черты климата земли до периода голоцена

Восстановление геологической истории Земли, основанное на методах стратиграфии, т.е. на изучении ископаемых органических остатков, а также на изучении последовательности образования горных пород, помогает воссоздать и общие климатические условия прошлого, т.е. историю климата Земли.

Полагают, что зачатки органической жизни на Земле появились уже в архейскую эру (более 900 млн. лет назад). Однако более отчетливо датировка остатков органической жизни относится к протерозойской эре (продолжительностью 600 млн. лет).

В палеозойскую эру (продолжительностью 325 млн. лет) растительный и животный мир становится важным фактором развития Земли. С этого времени биосфера начинает заметно влиять на эволюцию всей климатической системы, будучи в свою очередь зависимой от климата.

В соответствии с имеющимися представлениями на Земле было не менее трех крупных ледниковых эпох. Последняя имела место около 600 млн. лет назад.

Здесь мы не будем детализировать геологический климат безжизненной Земли. Отметим только, что в истории Земли помимо ледниковых были и очень теплые периоды. Так, в течение фанерозоя (последние 570-650 млн. лет) наблюдался теплый каменноугольный период в палеозое (около 300 млн. лет назад).

В мезозое, около 200 млн. лет назад, наблюдался холодный климат. В третичный период, около 70 млн. лет назад, вновь наступил теплый период.

На рис.1 приведены восстановленные палеотемпературы морской воды за последние 140 млн. лет. Из рисунка видно, что наблюдается повышение температуры примерно с 22 до 30°С по мере удаления в прошлое. На этом фоне фиксируется некоторая периодичность в изменении климата мезозоя и кайнозоя с периодом около 300 млн. лет. В период 100-65 млн. лет назад на Земле было намного теплее, чем теперь, и, возможно, отсутствовали полярные льды. Примерно 55 млн. лет назад начали образовываться и расти полярные шапки. Около 25 млн. лет назад температура существенно понизилась, и климат стал намного холоднее. Примерно 10 млн. лет назад температура еще более понизилась. Мы живем, таким образом, в одну из сравнительно холодных эпох истории Земли, которая еще не окончилась.

Рис.1. Палеотемпературы морской воды в тропической зоне за последние 140 млн. лет (по данным изотопного анализа).

Верхняя кривая характеризует температуру морской воды у поверхности в тропической зоне, нижняя - температуру глубинных вод

Однако внутри данного периода наблюдаются существенные колебания климата, приводящие к формированию ледниковых и межледниковых периодов.

В течение последних 20 млн. лет распределение материков и океанов на нашей планете, по всей вероятности, стало напоминать настоящее. К этому времени земная атмосфера, пройдя длительный период эволюции, приблизилась к современной.

Более или менее надежные косвенные данные имеются о климате четвертичного периода, характерной чертой которого стало формирование биосферы.

Именно в четвертичный период отмечаются существенные колебания климата. Согласно палеоклиматическим данным, в течение последних 2 млн лет средняя температура Земли была близкой к нынешней, т.е. около плюс 15°С и колебалась в пределах ±5-10°С при переходе от ледниковых к межледниковым эпохам.

Следует отметить, что термин "ледниковый-межледниковый период" не означает, что Земля полностью была покрыта льдом или была полностью свободна от него. Есть основания полагать, что и в межледниковые периоды Северный Ледовитый океан не был полностью свободен ото льда, а Антарктический континент был покрыт ледниковым панцирем.

Последние 1,5-2 млн. лет характеризовались чередованием длительных ледниковых периодов средней продолжительностью около 70-120 тыс. лет, прерываемых более короткими межледниковыми периодами в 15-20 тыс. лет.

В эпоху плейстоцена, т.е. в последнее миллионолетие, климат Земли в основном был холодным. Такие условия определяли существование серий длительных ледниковых периодов, влияние которых было

Рис. 2. Средняя температура различных периодов за последние 130-140 тыс. лет

преобладающим по сравнению с влиянием коротких межледниковий. По некоторым палеоданным, наиболее интенсивными были четыре ледниковых периода. По другим данным, в течение последнего миллиона лет наблюдалось около семи ледниковых и межледниковых периодов.

Предпоследний теплый межледниковый период отмечался 75-130 тыс. лет назад. Этот период в Европе получил название земского интергляциала, а в нашей стране - микулинского межледниковья. Климат этого периода был близок к климату последнего межледникового периода, в конце которого мы живем.

Наиболее подробные данные, полученные при анализах колонок континентальных льдов в Гренландии, Антарктиде и в других районах земного шара, имеются об изменениях климата за последние 150 тыс. лет.

На рис.2 приведены результаты анализа климата Земли за последние 130-140 тыс. лет, выполненные по кислороду (в Гренландии) и по радиоуглероду (во Франции). Оба анализа независимо друг от друга указывают на наличие холодного периода в интервале 70-15 тыс. лет назад. В это время средняя глобальная температура была на 2-5°С ниже современной.

Однако теплые и холодные периоды, о которых шла речь выше, не были однородными. Так, в начале и конце теплого периода (70-130 тыс. лет назад) зафиксированы сравнительно кратковременные похолодания. Точно так же был неоднороден и холодный климат последнего ледникового периода. Очень сильные флюктуации климата зафиксированы в интервале 33-22 тыс. лет назад.

Ниже мы увидим, что, приближаясь к эпохе голоцена, которая наиболее интересна для понимания причин изменений современного климата, прослеживается климатическая неоднородность всех рассматриваемых периодов. Однако вполне закономерно, что в истории климата Земли наибольший интерес представляют теплые и холодные эпохи.

В настоящее время методы палеоклиматологии и методы математического моделирования позволили достаточно подробно восстановить климат последнего ледникового периода.

Так, во время последнего ледникового периода уровень океана был примерно на 85 м ниже современного, температура океана в среднем на 2-6°С, а местами на 8-10°С была ниже, чем теперь. Над сушей это различие достигало 20-25°С.

Некоторые континенты были покрыты ледовым панцирем. Альбедо подстилающей поверхности в этой связи было больше, и большее количество солнечной энергии вследствие этого отражалось от подстилающей поверхности и уходило в космическое пространство.

Камни, лед и песок занимали около 40 млн. км² (в настоящее время - около 24 млн. км²), тундра и альпийские сообщества - 20 млн. км² (в настоящее время - 8 млн. км²). Общая площадь, покрытая растительностью, была тем не менее примерно такой же, как сейчас, хотя, естественно, вид этой растительности был иным.

Численные эксперименты, выполненные на моделях общей циркуляции атмосферы, показали, что в летний период средняя температура у поверхности Земли была меньше на 5,3°С в северном и на 4,5°С в южном полушарии, облачность соответственно меньше на 2,9 и 2,2%. Существенно отличались от современных и другие характеристики климата. Более детально картину климата последнего ледникового периода можно восстановить по данным табл.1.

Приведенные характеристики - результат реконструкции климата на базе теоретических моделей, которые в основном дают сходные оценки. Поэтому есть все основания предполагать, что реальные климатические условия ледникового периода в главных чертах вряд ли могли сильно отличаться от восстановленных.

Тогда можно сделать вывод, что наступление ледниковой эпохи привело бы к таким климатическим условиям, которые катастрофически повлияли бы на все стороны хозяйственной деятельности и на самого человека.

Достаточно сказать, что среднему похолоданию на ГС соответствует сокращение вегетационного периода на две недели.

Таким образом, среднее похолодание на 5,4°С (согласно моделям) привело бы к сокращению вегетационного периода почти на три месяца, что для многих районов мира равносильно его отсутствию.

Таблица 1. Осредненные характеристики климата ледниковой эпохи (412)

Характеристика климата	Среднее значение для июля по полушариям	Разность между средним значением и современным состоянием по полушариям
	северное южное	северное южное
Температура поверхности, °С	17,8	7,6	-5,3	-4,5
Температура воздуха у поверхности, "С	18,0	7,1	-5,3	-4,5
Температура воздуха на уровне 800 мб, °С	7,8	-3,3	-5,0	-4,8
Температура воздуха на уровне 400 мб, °С	-23,4	-30,7	-8,2	-5,0
Зональный ветер на уровне 800 мб, м/с	0,9	3,6	-0,3	-0,9
Зональный ветер на уровне 400 мб, м/с	2,4	14,7	-0,1	-2,1
Облачность,%	22,5	44,2	-2,9	-2,2
Относительная влажность на уровне 800 мб,%	46,8	63,1	-2,6	-0,1
Содержание влаги в атмосфере, мм	14,2	12,9	-8,3	-3,9
Испарение, мм/день	4,0	3,5	-0,5	-0,9
Осадки, мм/день	4,5	3,1	-1,2	-од
Давление у поверхности, мб	972,9	995,1	-8,7	8,7

Отсюда понятен огромный интерес к оценке возможных изменений климата и их последствий на условия жизни.

Остановимся теперь несколько подробнее на климате голоцена, в который развилась современная цивилизация.

Под голоценом понимают последнюю межледниковую и еще не закончившуюся антропогенную эпоху, т.е. связанный с воздействием человеческой деятельности последний отрезок четвертичного периода продолжительностью 15-20 тыс. лет. Его начало совпадает с окончанием последнего материкового оледенения на севере Европы.

В течение голоцена суша и моря приняли современные очертания, сложились современные географические зоны, состав атмосферы практически стал близок к современному. И тем не менее климат голоцена отличался достаточно большим разнообразием.

Быстрое глобальное потепление климата началось примерно за 13 тыс. лет до н.э. В Западной Европе уже за 12,7 тыс. лет до н.э. установился климат, близкий к современному. Относительно теплый период отмечался около 11 тыс. лет до н.э., в течение которого фиксировались периоды похолодания климата. Примерно в 10 000 г. до н.э. климат стал значительно теплее на всем земном шаре, хотя в северном полушарии еще оставались континентальные ледниковые щиты.

Скандинавский ледяной щит начал быстро таять в 9000-8000 гг. до н.э. Между 8000 и 7500 г. до н.э. распался североамериканский ледяной панцирь; к 6000 г. до н.э. на этом континенте осталось три небольших ледника в Северной Канаде, которые вскоре исчезли.

Основные черты климата голоцена

Рис.3. Общие черты климата в период климатического оптимума

Лабрадорский лед растаял примерно к 4500 г. до н.э. (льды на Баффиновой Земле, Новосибирских островах сохранились и поныне).

К этому времени субарктические леса сместились примерно на 300 км севернее их нынешней полярной границы. На несколько сот километров отступила к северу вечная мерзлота в Восточной Сибири и Северной Америке.

Почти везде, за исключением некоторых зон, климат был более влажным, чем теперь. Примечательно, что влажный климат длительное время господствовал во всем засушливом поясе, простирающемся от Западной Африки до Раджастхана на северо-западе Индии. Даже в засушливом центре нынешней Сахары годовое количество осадков составляло 250-400 мм (сейчас 6 мм в год). Уровень озера Чад на 40 м превышал современный, а само озеро достигало размеров Каспийского моря. Обширные пастбища использовались скотоводами-кочевниками, интенсивно развивалось земледелие без орошения в районах Ближнего и Среднего Востока, включая северо-запад Индии, т.е. в районах, которые ныне относятся к засушливым. Некоторые области в полосе 35-40° с. ш. в это время были более засушливыми (Калифорния, Невада, Иран, Южная Африка), и это сказывалось на развитии их экономики. Климат наиболее теплого и благоприятного в климатическом отношении периода голоцена, получившего название климатического оптимума, иллюстрирует рис.3.

Во время теплого периода голоцена и его пика около 6 тыс. лет назад климат менялся в различных районах земного шара не одинаково. Как отмечает Флон (439), температура воды Куросио в этот период между Японией и Тайванем была почти на 6°С выше, чем теперь. В то же время на северо-востоке Северной Америки температуры были не так высоки. Некоторые районы Юго-Западной Сибири, Турции в это время были суше. Имеющиеся данные указывают, что подобного рода колебания температуры в 1-1,5°С в сочетании с колебаниями осадков существенно повлияли на развитие культуры целых народов (436).

Примерно 4 тыс. лет назад во многих районах земного шара началось резкое похолодание климата, и он стал суше. Так, в Раджастхане около 3700 лет назад примерно в 3-4 раза уменьшилось количество осадков и составило 200 мм в год. Весьма впечатляющий пример - история Сахары, на месте которой в прошлом был цветущий сад, а весь район Сахары "зеленел подобно Нормандии" (211).

Среди прочих открытий в Сахаре самым интересным было обнаружение на территории современного Алжира нескольких тысяч наскальных росписей. На фресках зафиксирована история Сахары с периода, предшествующего неолиту.

В истории цивилизации можно выделить несколько периодов. Первый период (6-7 тыс. лет до н. э) - "период охотников", или "буйвола". Вероятнее всего, что в это время климат Сахары был влажным. В течение первого периода население Сахары было негроидным. Затем следует переходный период, который, судя по изображениям, свидетельствует о высоком для того времени развитии культуры и искусства этой цивилизации.

Второй период относится к эпохе неолита и начинается примерно с 4-го тысячелетия до н.э. В долинах (как свидетельствуют росписи) появляются новые поселенцы, отличающиеся от коренных жителей Сахары. На фресках изображены люди и огромные стада рогатого скота. Начинается "период скотоводства", для которого, бесспорно, должны были существовать только определенные климатические условия, прежде всего вода и сочная растительность.

Около 1200 г. до н.э. наступает новый период - "период лошадей", и лишь за несколько десятилетий до нашей эры начинается "период верблюда". Климат Сахары к этому времени уже изменился, и Сахара стала превращаться в пустыню.

Изображенные на самых древних фресках травоядные и плотоядные животные могли водиться только там, где выпадают обильные дожди, а земля покрыта густой растительностью. В последний дождливый период неолита климат Сахары, по-видимому, напоминал климат района нынешних саудовских саванн. В это время характерными для Сахары были обширные зеленеющие равнины, лесистые долины, где водились жирафы, буйволы, слоны, страусы, антилопы. В водоемах, наполненных круглый год водой, жили бегемоты, крокодилы.

С иссушением Сахары представители четвертичной фауны покинули Северную Африку и нашли убежища в лесах и саваннах Центральной Африки, где они обитают и по сей день.

В Европе за последние 4 тыс. лет по косвенным данным также установлены существенные колебания климата. Можно выделить четыре периода, в течение которых климат Европы до нашей эры был более холодным и влажным. Начало периодов приходится на 2000, 2600, 3100 и 3680 гг. до н.э. (176). Имевшие место резкое похолодание и иссушение климата в это время, по-видимому, были повсеместными.

Есть основания предполагать, что некоторым климатическим изменениям уже тогда наряду с естественными факторами способствовала человеческая деятельность, в частности вытаптывание растительности скотом и наступание пустынь.

Как указывается в ряде источников, наиболее холодный период после климатического оптимума отмечался между 2500 и 350 гг. до н.э. Он продолжался в некоторых районах до начала нашей эры. Интересную информацию о климате прошлого оставил римский поэт рубежа нашей эпохи Публий Овидий Назон (43 г. до н.э. - 18 г. н. э) (328). В конце жизни, находясь в изгнании в небольшом городке Тимы на берегу Понта (Черного моря), Овидий написал большое количество писем, в которых содержится описание природы и климата Придунайского региона и Причерноморья.

Так, он отмечал, что река Истр (Дунай) замерзает по три года подряд; что во время замерзания Дуная возможно пешее и конное движение по льду; что в некоторые годы замерзает Черное море. Такие явления имеют место и в современную эпоху.

Имеются упоминания "о рыбе, вкрапленной во льду", о снежных зимних покровах. Вот одно из этих описаний:

"Я живу, брошенный всеми, в песках на краю мира, где земля занесена вечными снегами. Поле здесь не производит ни плодов, ни сладкого винограда, не зеленеют на берегах ивы и на горах дубы. Да и море не похвалишь больше земли! Морская пучина, лишенная солнечного света, вечно волнуется от бурных ветров. Куда ни взгляни, везде простираются лишенные земледельца обширные поля и луга, на владение которыми никто не претендует..." (328, 120).

В этом, как, впрочем, и в других высказываниях Овидия, конечно, звучит явное преувеличение суровости климата здешних мест. Поэтому для реконструкции климата подобного рода исторические описания должны подтверждаться другими объективными критериями.

Тот факт, что на границе нашей эры климат был более суровым и, по-видимому, близким к климату малого ледникового периода, зафиксирован многими источниками. В этой связи представляется оправданной гипотеза о некотором влиянии изменений климата в начале нашей эры на упадок Парфянского царства, занимавшего в период расцвета (I в. н. э) территорию от Двуречья до реки Инд и пришедшего в упадок к концу II - началу III в. н.э.

Или другой пример.

В настоящее время на юго-западе Аравии под песками погребено древнее Сабейское царство, возникшее на рубеже 2-1-го тысячелетия до н.э. и просуществовавшее под разными названиями в течение полутора тысячелетий. "Южноаравийская цивилизация", включавшая такие государства, как Хадрамаут, Катабан, Саба (позднее Майн), отличалась высокой культурой и располагалась на плодородных землях.

Рис.4. Колебание уровня открытого океана за последние 200 тыс. лет

Древние источники сообщают о Южной Аравии того времени как о благословенной плодородной земле, называемой древними римлянами "Арабия феликс" ("Счастливая Аравия").

Чтобы представить культуру цивилизации, укажем, что на ныне высохшем русле реки Адкына, там, где воды редких в восточной части Йеменских гор дождей пробили себе дорогу через горы, в IX в. до н.э. было начато строительство грандиознейшей по тому времени плотины. К VI в. до н.э. были поставлены огромная плотина длиной 600 м, шириной 80 м и высотой 15 м (плотина Мариба), водохранилище, два шлюза, распределительный и водосборный бассейны. Имеются исторические указания и о других не менее искусно построенных тысячелетия назад плотинах на территории обоих нынешних Йеменских государств.

Неоднократные разрушения плотины Мариба происходили в IV, V и VI вв. н.э., т.е. в пору неблагоприятного климата. Последняя катастрофа - страшное наводнение - произошла в 570 г. н.э. Остальное довершили пески, которые продолжают наступать и ныне. В настоящее время на этой территории растут лишь отдельные кустики мятлика и колючек.

По мере приближения к нашей эре наука располагает все большим количеством косвенных данных, характеризующих климат, особенно его аномалии. Так, косвенные источники о климате Египта, Китая и Южной Европы датированы соответственно 3000, 2500 и 500 гг. до н.э. Для Северной Европы они имеются за всю историю современного летосчисления, для Северной Америки - лишь зa последние несколько сот лет.

Согласно имеющимся источникам, температура за первые два тысячелетия из последних пяти в Китае была на 2° выше, чем теперь. В других районах земного шара нередко отмечались заметные похолодания климата. Последние 3 тыс. лет в Китае температура колебалась в пределах 2-3°С. Большой объем имеющихся фактических данных по истории климата голоцена обобщен в монографии Лэмба (419).

Хорошим индикатором климата прошлого являются уровни открытого моря и озер. Радиоуглеродные методы анализа позволяют восстановить амплитуду этих колебаний.

Рис.5. Колебания уровня озера Чад за последние 80 тыс. лет

На рис.4 приведены данные о колебании уровня океана за последние примерно 200 тыс. лет по данным Вина и Чеппела (419). Особенно низок был уровень в период последней ледниковой эпохи. В период потепления произошло его резкое увеличение. Всего примерно за 4 тыс. лет уровень моря при потеплении повысился почти на 40 м.

Имеется довольно обширная информация о состоянии уровня внутренних озер за период голоцена и даже несколько ранее. Характер колебаний уровня озер не всегда согласуется с колебаниями уровня Мирового океана. Так, уровень озер в Экваториальной Африке (между 5° с. ш. и 9° ю. ш) за последние 20-30 тыс. лет показывал значительные колебания. В качестве примера на рис.5 приведены имеющиеся данные о колебании уровня озера Чад. За период примерно от 30 000 г. до н.э. до приблизительно 6000 г. до н.э. уровень озера понизился более чем на 70 м. Затем были подъемы и опускания. Последний максимум уровня был в период климатического оптимума, после которого уровень моря понизился еще более чем на 25 м.

На Рис.6 показано изменение уровня Каспийского моря (419).50 - 60 тыс. лет назад уровень Каспийского моря был почти на 80 м выше современного. Затем уровень резко падал. Примерно в 6000-4000 гг. до н.э. уровень Каспийского моря был на 20-22 м ниже современного.

Более детальный анализ колебаний уровня озера Чад и уровня Каспийского моря указывает, что на фоне общего понижения уровня этих озер за последние 20 тыс. лет наблюдались отдельные флюктуации, которые носили нерегулярный характер.

В период потепления климата почти на 1000 м повысилась верхняя граница линии лесов в Альпах. Колебания климата в период голоцена сопровождались существенными изменениями циркуляционных процессов. Так, в период последней ледниковой эпохи субтропическая область высокого давления и субполярная область низкого давления смещались к югу. Первая была южнее почти на 20-25° по сравнению с периодом климатического оптимума и на 8-10° южнее современного положения.

Рис.6. Колебания уровня Каспийского моря за последние 80 тыс. лет

Рис.7. Палеотемпературы июля (А), января (Б), года (В) и палеоосадки года (Г) (в отклонениях от средней). Разрезы: 1 - Заруцкое, 2 - Ругозеро, 3 - Хийлисуо, 4 - Бездонное, 5 – Готнаволок

Область низкого давления была южнее почти на 40° широты зимой и только на 10-15° летом по сравнению с периодом оптимума и соответственно на 30 и 10° южнее по сравнению с современным положением. Вполне естественно, что полярный фронт располагался значительно южнее прохождения осей циклонов в ледниковую эпоху. Эти результаты согласуются с результатами приведенных выше численных экспериментов.

В период же климатического оптимума оси циклонов проходили значительно севернее.

5-6 тыс. лет назад климат был сравнительно теплым и влажным не только в Европе, но и в Китае. Археологические данные указывают на то, что в периоды резких изменений климата, в особенности повышения его неустойчивости, возрастала повторяемость сильных наводнений. Такие периоды отмечались около 4000-2400 гг. до н.э. на Ближнем Востоке (419).

Большой интерес представляют характеристики климата периода голоцена и в особенности периода климатического оптимума на территории нашей страны. Так, в работе В.А. Климанова и Г.А. Единой (255) приведены реконструкции палеотемператур и осадков на протяжении всего голоцена для северо-западной части Русской равнины.

На рис. 7 приведены восстановленные палеотемпературы июля (А), января (Б), среднегодовые (В) и количество палеоосадков за год (Г) в промежуток времени от 10 тыс. до 300 лет назад для пяти разрезов. Три из них (Готнаволок, Бездонное, Хийлисуо) расположены к западу от Онежского озера, т.е. относятся к южной части Карелии, два (Ругозеро, Заруцкое) - в северной части Карелии. Прерываемость палеоклиматических кривых означает перерывы в осадконакоплении. Как видно из рисунков, в последнее позднеледниковое время (10-12 тыс. лет назад) климат был значительно холоднее теперешнего. Зимой отличие достигало 12-14°, в то время как июльские температуры были ниже примерно на 4°С. а средневековые - на 6-7°С. Среднегодовая сумма осадков была ниже на 200 мм. В это время наблюдалось чередование небольших потеплений и похолоданий.

Анализ рисунков показывает, что восстановленные палеотемпературы неплохо согласуются с колебаниями климата в других районах земного шара. Весьма характерным является то, что в период потеплений больше повышались летние температуры, а в период похолоданий больше понижались зимние температуры. Амплитуда изменений январских температур в период голоцена значительнее, чем остальных температурных показателей.

В большинстве случаев в периоды похолоданий происходило уменьшение количества осадков, а в периоды потеплений - увеличение. (Такая закономерность не характерна для малого ледникового периода, когда в умеренных широтах похолодание климата было связано с увеличением осадков) Наиболее часто и резко климат менялся в начале голоцена и в последние 2 тыс. лет. Последний факт находит подтверждение и в других показателях климата. На основе проведенного анализа можно сделать однозначный вывод о тенденции естественных изменений климата в сторону похолодания.

Детальный анализ палеоклимата территории СНГ в период голоцена выполнен Хотинским и Савиной (381). По более ранним данным Хотинского, интерпретация палеоботанических данных и данных радиоуглеродного анализа позволяет выделить на территории СНГ три наиболее теплые фазы голоцена: бореальную - 8300-8900 лет назад, позднеатлантическую (собственно климатический оптимум) - 4700-6000 лет назад, среднесуббореальную - 3200-4200 лет назад. Автором было также установлено, что бореальная фаза потепления наиболее четко проявилась на Северо-Востоке и Дальнем Востоке СНГ, среднесуббореальная - на севере Русской равнины, а позднеат-лантическая - в большинстве районов Евразии.

Для бореального периода в поле температур выделяются области, разделяемые линией, проходящей от Кольского полуострова на Урал, к широте 60° с. ш. и далее на Байкал. К северу от этой линии в указанный период было теплее (местами более чем на 5°С), чем теперь, к югу - холоднее. В июле на севере Русской равнины, в северной части Западной Сибири, в центральных районах Средней Сибири было на 1-2°С холоднее, на остальных частях территории - несколько теплее.

Осадков в северной части территории было больше, чем сейчас, а на большей части территории СНГ и Дальнего Востока на 100 мм, а местами на 200 мм меньше.

Циркуляционная интерпретация этих данных свидетельствует о том, что зимнее потепление или летнее похолодание, сопровождаемое увеличением осадков, может указывать на усиление циклонической деятельности. Зимнее похолодание или летнее потепление, совпадающее с уменьшением осадков, может указывать на усиление антициклонического режима.

Исходя из этого можно предположить, что в бореальный период на севере европейской части территории СНГ и над Сибирью зимой была усилена циклоническая деятельность и развита северо-западная периферия Азорского антициклона, что обусловливало похолодание в Западной Сибири. Повышение циклонической деятельности, по-видимому, отмечалось и в летний период. В бореальный период в целом была ослаблена континентальность климата сибирского сектора СНГ и ослаблено океаническое влияние на климат европейской части.

Климат атлантического периода (около 5 тыс. лет назад) на всей территории СНГ был теплее, чем сейчас. Наибольшие положительные аномалии (3-4°С) наблюдались на севере Русской равнины и Западной Сибири, а в Средней Сибири аномалии доходили до 1-5°С. Южнее величины положительных аномалий температуры уменьшаются до 1-2°С, а в Прикаспии - до 3°С. В июле выделяются две области с границей по широте 50° с. ш. К северу от этой границы в целом было теплее, а к югу даже несколько, хотя и немного, холоднее, чем теперь.

Годовые суммы осадков в атлантический период были большими в северных, южных и отчасти восточных районах СНГ. В полосе 50 - 60° с. ш. осадков было примерно столько же, сколько и теперь, а иногда меньше (на 50 мм). Объяснить эти черты климата максимума потепления только циркуляционными процессами трудно, хотя можно предположить усиление отрога Азорского антициклона летом и усиление циклонической деятельности зимой. Это дает основание воспользоваться для объяснения максимума потепления другими физическими факторами.

Климат суббореального периода (3500 лет назад) и зимой и летом практически на всей территории СНГ был теплее. Незначительные отрицательные аномалии выявлены на северо-востоке СНГ и в южных районах Средней Сибири.

Годовые суммы осадков в этот период на большей части территории СНГ были на 50-100 мм меньше современных. Эти аномалии, как и в предыдущем периоде, трудно объяснить только циркуляционными процессами. Степень континентальности климата в середине суббореального периода мало отличалась от современной.

Приведенные результаты показывают, что период климатического оптимума для территории СНГ изучен наиболее подробно по сравнению с другими районами земного шара.

Для Европы бореального периода (6000-7000 гг. до н. э) летние периоды были несколько теплее, чем теперь. Это относится и к зимним сезонам, хотя в отдельные годы наблюдались холодные сухие зимы.

Атлантический период (6000-3000 гг. до н. э) последнего послеледниковья отмечается как наиболее теплый. Его считают и наиболее благоприятным периодом послеледникового климатического оптимума в Европе. В это время здесь наблюдались влажные теплые зимы. В конце этого периода повсеместно наступило, как мы отмечали, похолодание климата.

В суббореальный период (от 3000 до 1000 - 500 гг. до н. э) климат Европы отличался значительными флюктуациями, из которых наиболее значительной была флюктуация с периодом порядка 200 лет.

Субатлантический период (1000-500 гг. до н. э) характеризовался понижением температуры примерно на 2° по сравнению с климатическим оптимумом. В это время отмечались влажные, ветреные зимы. Наиболее характерной чертой климата Европы в это время было преобладание холодных летних сезонов.

Эти характеристики климата достаточно удовлетворительно согласуются с данными о климате европейской территории в период голоцена.

К настоящему времени выполнены исследования, позволяющие по косвенным данным восстановить циркуляционные условия для следующих периодов (381): бореального (6500 гг. до н. э), атлантического (4500 гг. до н. э), суббореального (2500 гг. до н. э), субатлантического (500 гг. до н. э).

Карты, построенные для первого периода, указывают, что в это время теплый воздух проникал далеко на северо-восток. Зимой и летом над Европой преобладала антициклоническая погода. В результате летние периоды были теплее, чем теперь, зимы были морозные и малоснежные.

В дальнейшем, по мере приближения к атлантическому периоду, циркуляция должна была быть более зональной. В результате активизировалась циклоническая деятельность. В это время, по-видимому, были благоприятные ледовые условия в Арктике.

В суббореальный период должно было произойти ослабление зональной циркуляции, особенно зимней. В результате зимние периоды должны были бы быть холоднее, а летние все еще теплыми.

В субатлантический период должна была вновь усилиться зональная циркуляция. Благодаря активизации длинных волн над Северной, Центральной и Западной Европой должны были активизироваться затоки холодного воздуха с северо-запада как в зимний, так и в летний сезон. Вследствие этого, а также из-за уменьшения затока теплых воздушных масс в высоких широтах, включая арктические моря, следовало ожидать похолодания климата. В то же время в средних и низких широтах климат должен был быть теплее, чем теперь.

Из приведенного анализа видно, что циркуляционный режим, изменение которого порождается предшествующими изменениями внешних климатообразующих факторов, во все эпохи должен был в значительной мере определять региональные изменения климата, формирование климатических аномалий, его сезонные особенности в различные эпохи.

Мы уже приводили примеры, иллюстрирующие влияние климата в эпоху голоцена на развитие многих цивилизаций, в основном в так называемых аридных зонах. Как отмечает Лэмб (419), упадок и гибель Хараппской цивилизации, существовавшей в долине Инда в период 2500 г. до 1700±100 г. до н.э., произошли сравнительно быстро и были вызваны прежде всего климатическими изменениями и сопутствующими им сильными наводнениями.

В районах зачатка цивилизаций, формировавшихся там, где климатические условия были более или менее благоприятными и куда не доходило дыхание ледников, и поныне находят остатки древних культур. Их возраст в основном датируется началом позднего палеолита, что соответствует возрасту примерно 50-30 тыс. лет, т.е. это был один из неблагоприятных периодов в истории климата. Археологические данные свидетельствуют, что уже в то время древние аборигены европейской территории вели оседлый образ жизни. Одним из зачатков такой цивилизации на территории нашей страны было Закавказье и даже несколько более северные районы на Дону.

Как свидетельствуют научные данные, возникновение земледелия, в том числе и на юге нашей страны, относится к периоду 30-50 тыс. лет назад. Этот период был одним из самых неблагоприятных в истории климата Земли. Заметим, однако, что потребности человечества в то время были весьма скромные.

Можно предположить, что 500 тыс. лет назад количество первобытных людей на Земле не превышало 250-270 тыс. человек (152). К моменту возникновения примитивных форм земледелия (примерно 50 тыс. лет назад) народонаселение планеты могло составлять уже 25-26 млн. человек. К началу же нашей эры на Земле насчитывалось 226 млн. человек. Далее население земного шара увеличивалось значительно быстрее, достигнув численности около 1 млрд жителей примерно к 1820 г. То, что развитие человеческой цивилизации приходится на время последнего межледниковья, не случайно и в значительной мере было предопределено благоприятными климатическими условиями этого периода. Но именно с этого периода человечество стало все чаще сталкиваться с воздействием меняющихся климатических условий.