На протяжении всей климатической истории Земли ( палеоклимат ) ее климат колебался между двумя основными состояниями: оранжереей и ледником Земли . [1] Оба климатических состояния длятся миллионы лет, и их не следует путать с ледниковыми и межледниковыми периодами, которые происходят как чередующиеся фазы внутри ледникового периода и, как правило, длятся менее 1 миллиона лет. [2] В истории климата Земли известно пять ледниковых периодов, которые известны как гуронское , криогенное , андско - сахарское , позднепалеозойское и позднекайнозойское оледенения. [1] Считается, что основными факторами, участвующими в изменениях палеоклимата, являются концентрация углекислого газа в атмосфере (CO 2 ), изменения орбиты Земли , долгосрочные изменения солнечной постоянной , а также океанические и орогенические изменения, вызванные динамикой тектонических плит. . [3] Парниковый и ледниковый периоды сыграли ключевую роль в эволюции жизни на Земле, прямо и косвенно вызывая биотическую адаптацию и оборот в различных пространственных масштабах во времени. [4] [5]
«Парниковая Земля» — это период, в течение которого нигде на планете не существует континентальных ледников . [6] Кроме того, уровни углекислого газа и других парниковых газов (таких как водяной пар и метан ) высоки, а температура поверхности моря (SST) колеблется от 28 ° C (82,4 ° F) в тропиках до 0 ° C ( 32 °F) в полярных регионах . [7] Земля находилась в парниковом состоянии около 85% своей истории. [6]
Это состояние не следует путать с гипотетическим безудержным парниковым эффектом , который представляет собой необратимый переломный момент , соответствующий продолжающемуся безудержному парниковому эффекту на Венере . [8] МГЭИК заявляет , что «безудержный парниковый эффект», аналогичный венерианскому, практически не имеет шансов быть вызванным антропогенной деятельностью». [9]
Существует несколько теорий относительно того, как на Земле может возникнуть парниковый эффект. Геологические климатические показатели указывают на то, что существует сильная корреляция между парниковым состоянием и высокими уровнями CO 2 . [1] Однако важно признать, что высокие уровни CO 2 интерпретируются как индикатор климата Земли, а не как независимая движущая сила. Вместо этого другие явления, вероятно, сыграли ключевую роль в влиянии на глобальный климат, изменяя океанические и атмосферные течения [10] и увеличивая чистое количество солнечной радиации, поглощаемой атмосферой Земли. [11] Такие явления могут включать, помимо прочего, тектонические сдвиги, которые приводят к выбросу парниковых газов (таких как CO 2 и CH 4 ) в результате вулканической активности . [12] Вулканы выбрасывают в атмосферу огромное количество CO 2 и метана. когда они активны, что может удерживать достаточно тепла, чтобы вызвать парниковый эффект. На Земле концентрации парниковых газов в атмосфере, таких как углекислый газ (CO 2 ) и метан (CH 4 ), выше, что приводит к удержанию солнечной энергии в атмосфере за счет парникового эффекта. Метан, основной компонент природного газа, ответственен за более четверти нынешнего глобального потепления. Это грозный загрязнитель, потенциал глобального потепления которого в 80 раз выше, чем у CO 2, через 20 лет после его попадания в атмосферу. Увеличение солнечной постоянной увеличивает чистое количество солнечной энергии, поглощаемой атмосферой Земли, [11] , а изменения наклона и эксцентриситета Земли увеличивают чистое количество солнечной радиации, поглощаемой атмосферой Земли. [11]
Земля сейчас находится в состоянии ледника, и ледяные щиты присутствуют на обоих полюсах одновременно. [6] Климатические показатели указывают на то, что концентрации парниковых газов имеют тенденцию снижаться во время существования ледника на Земле. [13] Аналогичным образом, глобальные температуры также ниже в условиях ледника. [14] Земля затем колеблется между ледниковыми и межледниковыми периодами, а размер и распределение континентальных ледниковых щитов резко колеблются. [15] Колебания ледниковых щитов приводят к изменениям региональных климатических условий, которые влияют на ареал и распространение многих наземных и океанических видов. [4] [5] [16] В масштабах от тысяч до сотен миллионов лет климат Земли перешел от теплых к холодным периодам в пределах диапазона поддержания жизни. В фанерозойском эоне было три периода оледенения (ордовик, каменноугольный и кайнозойский период), каждый из которых длился десятки миллионов лет и приводил к опусканию льда до уровня моря в средних широтах. В течение этих холодных периодов «ледяного дома» уровень моря, как правило, был ниже, уровни CO 2 в атмосфере были ниже, общий фотосинтез и захоронение углерода были ниже, а океанический вулканизм был ниже, чем во время альтернативных «парниковых» периодов. Переходы от фанерозойского ледника к парниковым интервалам совпадали с биотическими кризисами или катастрофическими событиями вымирания, что указывает на сложные обратные связи биосферы и гидросферы. [39]
Ледниковые и межледниковые периоды имеют тенденцию чередоваться в соответствии с солнечными и климатическими колебаниями, пока Земля в конечном итоге не вернется в парниковое состояние. [15]
Нынешнее состояние ледникового периода на Земле известно как Четвертичный ледниковый период и началось примерно 2,58 миллиона лет назад. [17] Однако ледниковый щит существует в Антарктиде уже около 34 миллионов лет. [17] Сейчас Земля находится в мягком межледниковом периоде, который начался примерно 11 800 лет назад. [17] Земля, скорее всего, вступит в другой межледниковый период, такой как Эемский период, который произошел между 130 000 и 115 000 лет назад, во время которого можно наблюдать свидетельства леса в Нордкапе, Норвегия, и гиппопотамов в реках Рейн и Темза. [16] Ожидается, что Земля продолжит переходный период между ледниковым и межледниковым периодами до прекращения четвертичного ледникового периода, а затем войдет в другое парниковое состояние.
Хорошо известно, что существует сильная корреляция между низким уровнем CO 2 и состоянием ледника. [18] Однако это не означает, что снижение уровня CO 2 в атмосфере является основной движущей силой перехода к состоянию ледника. [11] [18] Скорее, это может быть индикатором других солнечных, геологических и атмосферных процессов. [18] [10] [11]
Потенциальные движущие силы предыдущих ледниковых состояний включают движение тектонических плит, а также открытие и закрытие океанических ворот. [19] Похоже, они играют решающую роль в превращении Земли в ледниковое состояние, поскольку тектонические сдвиги приводят к транспортировке прохладной глубокой воды, которая циркулирует к поверхности океана и способствует развитию ледникового покрова на полюсах. [7] Примеры сдвигов океанических течений в результате динамики тектонических плит включают открытие Тасманских ворот 36,5 миллионов лет назад, которые разделили Австралию и Антарктиду, [20] [21] и открытие пролива Дрейка 32,8 миллионов лет назад. в результате разделения Южной Америки и Антарктиды , [21] оба из которых, как полагают, способствовали развитию антарктического ледникового щита . Закрытие Панамского перешейка и индонезийского морского пути примерно 3–4 миллиона лет назад также может способствовать нынешнему состоянию ледника на Земле. [22] Одной из предполагаемых движущих сил ордовикского ледникового периода была эволюция наземных растений. Согласно этой парадигме, быстрое увеличение фотосинтетической биомассы постепенно привело к удалению CO 2 из атмосферы и замене его растущими уровнями O 2 , что вызвало глобальное похолодание. [23] Одним из предполагаемых факторов четвертичного ледникового периода является столкновение Индийского субконтинента с Евразией , в результате которого образовались Гималаи и Тибетское нагорье . [17] Согласно этой парадигме, возникшее в результате континентальное поднятие выявило огромные количества невыветренной силикатной породы CaSiO.
3, который прореагировал с CO 2 с образованием CaCO
3(известь) и SiO
2(кремнезем). CaCO
3в конечном итоге был перенесен в океан и поглощен планктоном, который затем погиб и опустился на дно океана, что эффективно удалило CO 2 из атмосферы. [17]
В ледниковых государствах существуют « ледниковые » и « межледниковые » периоды, которые вызывают наращивание или отступление ледниковых щитов. Основными причинами ледниковых и межледниковых периодов являются изменения в движении Земли вокруг Солнца . [24] Астрономические компоненты, открытые сербским геофизиком Милютином Миланковичем и теперь известные как циклы Миланковича , включают осевой наклон Земли, орбитальный эксцентриситет (или форму орбиты ) и прецессию (или колебание) вращения Земли . Наклон оси имеет тенденцию колебаться от 21,5° до 24,5° и обратно каждые 41 000 лет по вертикальной оси. Это изменение фактически влияет на сезонность на Земле, поскольку изменение солнечной радиации чаще поражает определенные районы планеты при более высоком наклоне, а более низкий наклон создает более равномерный набор времен года во всем мире. Изменения можно увидеть в ледяных кернах, которые также содержат свидетельства того, что в ледниковые времена (при максимальном расширении ледниковых щитов) в атмосфере было меньше углекислого газа. Это может быть вызвано увеличением или перераспределением кислотно - щелочного баланса за счет бикарбонатных и карбонат- ионов , что связано с щелочностью . В период ледников только 20% времени проводится в межледниковье или в более теплые времена. [24] Модельное моделирование предполагает, что нынешнее состояние межледникового климата сохранится еще как минимум 100 000 лет из-за выбросов CO 2 , включая полное исчезновение ледников Северного полушария. [25]
«Земля-снежок» — полная противоположность тепличной Земли, у которой поверхность Земли полностью замерзла. Тем не менее, Земля, похожая на снежный ком, технически не имеет континентальных ледяных щитов, как во время состояния ледника. «Великий инфракембрийский ледниковый период» был объявлен хозяином такого мира, и в 1964 году ученый У. Брайан Харланд объявил о своем открытии признаков наличия ледников в низких широтах (Харланд и Радвик). Это стало проблемой для Харланда из-за мысли о «парадоксе убегающего снежка» (разновидность эффекта снежного кома ), согласно которому, как только Земля вступит на путь превращения в Землю-снежок, она никогда не сможет покинуть это состояние. Однако Джозеф Киршвинк предложил решение парадокса в 1992 году. Поскольку континенты тогда были сосредоточены в низких и средних широтах, в океане было меньше воды, которая могла бы поглотить большее количество солнечной энергии, попадающей в тропики, и там Было также увеличение количества осадков, поскольку большее количество земель, подвергающихся воздействию более высокой солнечной энергии, могло вызвать химическое выветривание, которое способствовало бы удалению CO 2 из атмосферы. Оба условия могли вызвать существенное падение уровня CO 2 в атмосфере, что привело к снижению температуры и увеличению альбедо льда (отражательная способность льда приходящей солнечной радиации), что еще больше усилило бы глобальное похолодание (положительная обратная связь). Возможно, это был механизм входа в состояние Земли-снежка. Киршвинк объяснил, что способ выхода из состояния Земли-снежка может быть снова связан с углекислым газом. Возможное объяснение состоит в том, что во время Земли-снежка вулканическая активность не прекращалась, а накапливала атмосферный CO 2 . В то же время глобальный ледяной покров предотвратит химическое выветривание (в частности, гидролиз ), ответственное за удаление CO 2 из атмосферы. Таким образом, CO 2 накапливается в атмосфере. Как только накопление CO 2 в атмосфере достигнет порога, температура повысится настолько, что ледяные щиты начнут таять. Это, в свою очередь, уменьшит эффект альбедо льда, что, в свою очередь, еще больше уменьшит ледяной покров и позволит покинуть Землю-снежок. В конце «Земли-снежка», до того, как был восстановлен равновесный «термостат» между вулканической активностью и медленно возобновившимся к тому времени химическим выветриванием, CO 2в атмосфере накопилось достаточно, чтобы температура достигла пика до 60 ° C, в результате чего Земля на короткое время погрузилась в влажное парниковое состояние. Примерно в тот же геологический период Земли-снежка (до сих пор ведутся споры, было ли это причиной или результатом Земли-снежка) произошло Великое событие оксигенации (GOE). Событие, известное как Кембрийский взрыв, последовало за появлением густонаселенных двусторонних организмов, а также к большему разнообразию и мобильности многоклеточной жизни. [26] Однако некоторые биологи утверждают, что полный снежный ком на Земле не мог возникнуть, поскольку фотосинтетическая жизнь не выжила бы под многометровым льдом без солнечного света . Однако было замечено , что солнечный свет проникает через метры льда в Антарктиде . Большинство учёных [ нужна цитата ] теперь считают, что «твердая» Земля-снежок, полностью покрытая льдом, вероятно, невозможна. Однако считается возможным создание «слякотной Земли» с точками открытия вблизи экватора .
Недавние исследования, возможно, снова усложнили представление о Земле-снежке. В октябре 2011 года группа французских исследователей объявила, что уровень углекислого газа во время последнего предполагаемого «снежного кома на Земле» мог быть ниже, чем первоначально заявлено, что ставит задачу выяснить, как Земля вышла из своего состояния и был ли снежный ком или произошла слякоть Земли. [27]
Эоцен , который произошел между 56,0 и 33,9 миллионами лет назад, был самым теплым температурным периодом на Земле за 100 миллионов лет. [28] Однако к позднему эоцену «суперпарниковый» период в конечном итоге превратился в период ледников. Считается, что такое изменение вызвано снижением концентрации CO 2 , но похолоданию могли способствовать механизмы положительной обратной связи .
Наилучшие доступные данные о переходе от ледникового периода к оранжерейному периоду, в котором существовала растительная жизнь, относятся к пермскому периоду , который произошел около 300 миллионов лет назад. Крупный переход произошел 40 миллионов лет назад и привел к тому, что Земля превратилась из влажной, ледяной планеты, на которой тропические леса покрывали тропики, в жаркое, сухое и ветреное место, в котором мало что могло выжить. Профессор Изабель П. Монтаньес из Калифорнийского университета в Дэвисе , исследовавшая этот временной период, обнаружила, что климат «крайне нестабильен» и «отмечен падениями и подъемами содержания углекислого газа». [29]
Эоцен-олигоценовый переход был последним и произошел примерно 34 миллиона лет назад. Это привело к быстрому глобальному похолоданию, оледенению Антарктиды и серии вымираний биотики. Самым драматичным событием смены видов, связанным с этим периодом времени, является Гранд-Купюр , период, когда европейские виды древесных и листоядных млекопитающих были заменены мигрирующими видами из Азии. [30]
Палеоклиматология — это отрасль науки, которая пытается понять историю условий теплиц и ледников на протяжении геологического времени. Изучение ледяных кернов , дендрохронологии , отложений океанов и озер ( варв ), палинологии ( палеоботаники ), изотопного анализа (например, радиометрического датирования и анализа стабильных изотопов) и других климатических показателей позволяет ученым создавать модели прошлых энергетических балансов Земли и результирующий климат. Одно исследование показало, что уровень углекислого газа в атмосфере в пермский период колебался между 250 частями на миллион , что близко к сегодняшнему уровню, достигающему 2000 частей на миллион. [29] Исследования озерных отложений позволяют предположить, что «тепличный» или «суперпарниковый» эоцен находился в «постоянном состоянии Эль-Ниньо » после того, как потепление глубин океана на 10 °C и температура поверхности в высоких широтах закрыли Тихий океан . s Эль-Ниньо – Южное колебание . [31] Была предложена теория палеоцен-эоценового термического максимума, основанная на внезапном уменьшении изотопного состава углерода в глобальном пуле неорганического углерода на 2,5 части на миллион. [32] Гипотеза, выдвинутая для этого падения изотопов, заключалась в увеличении количества гидратов метана , причина которого остается загадкой. Увеличение содержания метана в атмосфере , который является мощным, но недолговечным парниковым газом, привело к повышению глобальной температуры на 6 °C с помощью менее мощного углекислого газа. [ нужна цитата ]
В настоящее время Земля находится в климатическом состоянии ледника. Около 34 миллионов лет назад в Антарктиде начали формироваться ледяные щиты ; Ледяные щиты в Арктике начали формироваться только 2 миллиона лет назад. [33] Некоторые процессы, которые, возможно, привели к нынешнему леднику, могут быть связаны с развитием Гималайских гор и открытием пролива Дрейка между Южной Америкой и Антарктидой, но моделирование климата предполагает, что раннее открытие пролива Дрейка сыграло свою роль. лишь ограниченную роль, и более позднее сужение Тетиса и Центральноамериканских морских путей более важно для объяснения наблюдаемого кайнозойского похолодания. [34] Ученые пытались сравнить прошлые переходы между ледником и теплицей и наоборот, чтобы понять, какой тип климатического состояния будет на Земле в следующем.
Без антропогенного влияния на концентрацию парниковых газов следующим климатическим состоянием стал бы ледниковый период. Прогнозируемые изменения в орбитальном воздействии предполагают, что в отсутствие антропогенного глобального потепления следующий ледниковый период начнется как минимум через 50 000 лет [35] (см. циклы Миланковича ), но продолжающиеся антропогенные выбросы парниковых газов означают, что следующее климатическое состояние будет будет парниковый период Земли. [33] Вечный лед на самом деле является редким явлением в истории Земли и возникает только одновременно с эффектом ледника, который затронул около 20% истории Земли.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
