Методы изучения климата прошлого

Сведения о климатах отдаленных эпох получены в результате изучения материалов о природных условиях прошлого. Поскольку процессы форми­рования осадочных отложений, выветривания горных пород, развития водоемов, существования живых организмов зависели от атмосферных факторов, данные об этих процессах позволяют оценить климатические условия соответствующих периодов вре­мени.

Интерпретация материалов о природных условиях геологи­ческого прошлого для выяснения климатического режима свя­зана с большими трудностями, причем некоторые из них имеют принципиальный характер. К таким трудностям, в частности, относится необходимость применения в этих исследованиях принципа актуализма, который в данном случае соответствует принятию допущения о сохранении в прошлом таких же связей между климатом и другими природными явлениями, какие существуют в настоящее время. Хотя подобный подход не яв­ляется бесспорным, многообразие природных процессов, зави­сящих от климата, позволяет осуществлять независимую про­верку результатов восстановления климатических условий про­шлого по различным палеогеографическим показателям. В связи с этим можно не сомневаться в достоверности наиболее общих закономерностей климатических условий геологического прош­лого, установленных в палеогеографических исследованиях, хотя более частные результаты этих исследований нередко являются дискуссионными и требуют дальнейшего изучения.

Существенным дополнением к палеогеографическим данным при изучении климатических условий прошлого являются ма­териалы по палеотемпературам, получаемые в результате ана­лиза изотопного состава органических остатков. Оценка точ­ности таких материалов и вопрос об их правильной интерпрета­ции связаны с значительными трудностями, которые постепенно преодолеваются по мере развития методов палеотемпературных исследований.

При изучении климатов прошлого используются сведения о структуре осадочных пород, геоморфологические показатели и материалы об ископаемых флорах и фаунах. В основе первого подхода находятся хорошо изученные в на­стоящее время связи литогенеза с климатическими факторами. Так, в частности, в условиях жаркого и влажного климата про­исходит интенсивное химическое выветривание горных пород, приводящее к разрушению неустойчивых минералов. При су­хом жарком климате химическое выветривание менее интен­сивно, в таких условиях большое значение приобретает разру­шение горных пород под влиянием ветра и колебаний темпе­ратуры. Еще менее существенно химическое выветривание в условиях холодного климата, где преобладает физическое вы­ветривание, при котором сохраняются малоустойчивые в хими­ческом отношении минералы.

Условия увлажнения оказывают большое влияние на объем и структуру осадочных отложений, в сухих районах этих осад­ков обычно немного, во влажных областях их количество возра­стает, причем среди них значительное место занимают аллюви­альные осадки.

С климатическими условиями тесно связан процесс углеобразования, в связи с чем, данные об ископаемых углях могут быть использованы для реконструкции климатов прошлого. Ин­терпретация этих данных связана, однако, с определенными труд­ностями, так как зависимость угленакопления от климата в раз­ные периоды времени существенно изменялась в соответствии с изменениями характера растительности, из которой формиро­вались угли. Например, если многие угли девонского периода накапливались в условиях сухого климата, в пермо-карбоновое время образование угля чаще было связано со сравнительно более влажными климатическими условиями.

При изучении климатов прошлого применяются также мате­риалы об отложениях известняков, доломитов и о соленосных отложениях, которые особенно существенны для реконструкции климатических условий древних водоемов.

В некоторых случаях материалы о структуре осадочных по­род используются для оценки сезонных изменений климата. Наи­более известный пример такого рода — изучение ленточных глин, образовавшихся в районах, близких к периферии конти­нентальных оледенений. При летнем таянии ледников водные потоки выносили с их поверхности большое количество грубого обломочного материала, в холодное время года в этих районах отлагалось гораздо меньшее количество мелкозернистого глини­стого вещества. Слоистая структура ленточных глин позволяет оценить длительность периода их образования.

Для изучения режима атмосферных осадков и формирования ледяного покрова широко используются геоморфологические показатели. Из них следует выделить данные о положении бе­реговой линии океана, которые позволяют оценить объем воды, израсходованной на образование континентальных оледенений или полученной океаном при таянии этих оледенений.

Основным показателем развития ледников служат матери­алы об изменениях рельефа под влиянием оледенений. Наряду с ними важной характеристикой климатов прошлого могут быть данные о высоте снеговой линии в горах, положение которой определяется режимом температуры и осадков.

Определенные сведения об условиях увлажнения можно по­лучить по данным о древних озерах и речных долинах. Так, на­пример, следы многочисленных озер и рек на территории совре­менных пустынь свидетельствуют о больших изменениях режима увлажнения, произошедших в этом районе.

Материалы о колебании уровня таких замкнутых водоемов, как, например, Каспийское море, позволяют оценить приток воды в этот водоем и, следовательно, количество осадков в бас­сейнах питающих его рек для различных периодов времени.

Для изучения условий увлажнения и термического режима в прошлом используются данные о характере ископаемых почв. Следы вечной мерзлоты в почвах имеют значение для восстанов­ления зон с холодным климатом.

Для палеоклиматических исследований представляют также интерес сведения о характере процесса эрозии, который суще­ственно зависит от климатических условий, в частности от усло­вий увлажнения.

Большое значение для изучения климатов прошлого имеют материалы о географическом распределении живых организмов, в особенности о распределении растений, которое существенно зависит от климатических условий. Применение этого метода дает более надежные результаты для не очень отдаленного прошлого, когда растения мало отличались от их современных форм и когда, по-видимому, климатические условия также влияли на распространение растений, как и в наше время. Для более древних эпох применение связей жизнедеятельности со­временных растений с метеорологическими факторами в рекон­струкции климатов прошлого становится затруднительным, что ограничивает возможности использования материалов о распре­делении растений в палеоклиматических исследованиях.

Крупным достижением последних десятилетий явилось при­менение метода анализа ископаемой пыльцы и спор растений, который позволяет получить характеристику состава раститель­ного покрова в определенном районе. Этот метод также легче использовать для эпох, в течение которых растения были близки к современным.

Следует упомянуть о применении в изучении изменений кли­мата данных о годичных кольцах деревьев. Изменения этих колец позволяют обнаружить короткопериодические колебания климата, а их структура характеризует общие климатические условия (например, слабое развитие годичных колец у деревьев карбоновых болот свидетельствует об отсутствии в этом случае сезонных изменений климата).

Труднее использовать для изучения климатов прошлого ма­териалы об ископаемых фаунах, так как зависимость географи­ческого распределения животных от климата, в общем, слабее аналогичной зависимости для растений. Тем не менее, такие ма­териалы, особенно относящиеся к пойкилотермным животным (не имеющим терморегуляции), являются ценным дополнением к другим методам изучения изменений климата. Интерпретация данных о распределении животных для оценки климатических условий, так же как и данных о распределении растений, стро­ится на предположении, что влияние климата на жизнедеятель­ность соответствующих организмов было аналогично влиянию на существующие сейчас родственные им формы.

Особое значение для палеоклиматологии имеет применение метода определения палеотемператур по содержанию изотопа кислорода О¹⁸ в ископаемых остатках водных животных. Уста­новлено, что отношение количества изотопа О¹⁸ к количеству О¹⁶ в раковинах моллюсков и других остатках морских организмов зависит от температуры, при которой эти организмы существо­вали.

Для определения палеотемператур по изотопному составу изучаемых образцов потребовалось создание высокочувствитель­ных масс- спектрометров и решение ряда других технических за­дач. Начиная с середины нашего века, метод прямого измерения палеотемператур нашел широкое применение в исследованиях климатических условий, относящихся ко времени от недав­него прошлого до эпох, отстоящих от нас на сотни миллио­нов лет.

Оценивая результаты применения перечисленных здесь ме­тодов для изучения изменений климата, следует отметить, что за исключением относительно короткого современного периода почти все имеющиеся сведения о климатах прошлого относятся к режиму температуры воздуха у земной поверхности, темпе­ратуры поверхности суши, температуры водоемов, а также, в меньшей степени, к режиму увлажнения на континентах.

Хотя из палеогеографических данных можно извлечь сведе­ния о некоторых других элементах климата (например, в от­дельных случаях по форме ископаемых дюн и барханов можно оценить направление преобладающего ветра и т. д.), объем та­ких сведений невелик по сравнению с материалами о назван­ных выше элементах климата.

Климаты дочетвертичного времени. Излагаемые ниже све­дения о климатах дочетвертичного времени главным образом основаны на материалах исследований В. M. Синицина (1965, 1967 и др.), о которых подробнее говорится ниже.

Климатические условия палеозоя (570—230 млн. лет до на­шего времени) известны очень приближенно. По-видимому, на протяжении большей части палеозоя на всем земном шаре кли­мат был очень теплым, причем условия увлажнения на конти­нентах изменялись в широких пределах. В конце палеозоя, на границе каменноугольного и пермского периодов, возникло оле­денение, которое охватило значительную территорию суши, расположенную сейчас в основном в тропических широтах. Оце­нить географическое положение этого оледенения в эпоху его развития довольно трудно из-за вероятности за столь длитель­ное время значительного перемещения континентов и изменения положения полюсов земного шара.

Характерно, что климатические условия других районов земного шара в эпоху пермо-карбонового оледенения были до­статочно теплыми.

В пермском периоде стала заметной термическая зональ­ность, причем на континентах значительно расширились области сухого климата. Климат мезозоя (230—65 млн. лет до нашего времени) был довольно однообразным. На большей части зем­ного шара климатические условия были близки к современным тропическим, тогда как в высоких широтах климат был более прохладным, хотя все же очень теплым, с незначительными се­зонными изменениями температуры. Условия увлажнения на континентах в мезозое, по-видимому, были более однородными по сравнению с современной эпохой, хотя в это же время суще­ствовали зоны как недостаточного, так и избыточного увлаж­нения.

В конце мелового периода зона жаркого климата сократи­лась, а область сухих климатических условий расширилась. При переходе к кайнозойской эре заметного изменения климата не произошло. На протяжении третичного периода проходил про­цесс прогрессивного похолодания, который был наиболее заме­тен в умеренных и особенно высоких широтах. С середины тре­тичного периода в высоких широтах появляется и постепенно расширяется новая климатическая зона, в которой метеорологи­ческий режим напоминает современные климатические условия средних широт. В этой зоне температура воздуха зимой опуска­лась ниже нуля, что делало возможным образование сезонного снежного покрова. Одновременно в удаленных от океанов райо­нах континентов усиливалась континентальность климата.

Процесс похолодания не был равномерным, в отдельные эпохи происходили потепления, которые, однако, не изменяли общей тенденции к усилению термической зональности, обусловленной снижением температур в высоких широтах. Этот процесс ускорился в плиоцене, когда расширилось возникшее ранее кон­тинентальное оледенение в Антарктиде.

Хотя в конце плиоцена климат был теплее современного, он уже меньше отличался от современных климатических условий по сравнению с климатом мезозоя и начала третичного периода.

Рассматривая последовательность изменений климата за время, для которого имеются более или менее достоверные дан­ные, следует обратить внимание на нетипичность режимов с сильно выраженной термической зональностью для климати­ческих условий на нашей планете.

Большое различие температур между полюсами и эквато­ром, существующее с конца третичного периода и особенно воз­раставшее в ледниковые эпохи, характерно для малой части вре­мени, прошедшего после начала палеозоя. За последние 600 млн. лет, кроме четвертичных оледенений, было только одно крупное пермо-карбоновое оледенение, длительность которого также была невелика по сравнению со временем, прошедшим с начала палеозоя.