На протяжении всей истории климата Земли ( палеоклимата ) ее климат колебался между двумя основными состояниями: парниковым и ледниковым . [1] Оба климатических состояния длятся миллионы лет и их не следует путать с гораздо меньшими ледниковыми и межледниковыми периодами, которые происходят как чередующиеся фазы в течение ледникового периода (известного как ледниковый период ) и, как правило, длятся менее 1 миллиона лет. [2] В истории климата Земли известно пять ледниковых периодов , а именно гуронское , криогеновое , андийско-сахарское (также известное как раннее палеозойское), позднепалеозойское и позднекайнозойское оледенения. [1]
Основными факторами, влияющими на изменения палеоклимата, считаются концентрация парниковых газов в атмосфере , таких как углекислый газ (CO 2 ) и, что менее важно, метан ( CH 4 ), изменения орбиты Земли , долгосрочные изменения солнечной постоянной , а также океанические и орогенические изменения, вызванные динамикой тектонических плит . [3] Парниковые и ледниковые периоды сыграли ключевую роль в эволюции жизни на Земле, напрямую и косвенно вызывая биотическую адаптацию и оборот в различных пространственных масштабах с течением 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 (ТПМ) колеблется от 28 °C (82,4 °F) в тропиках до 0 °C (32 °F) в полярных регионах . [7] Земля находится в парниковом состоянии около 85% своей истории. [6]
Это состояние не следует путать с гипотетическим неуправляемым парниковым эффектом , который является необратимой точкой невозврата , соответствующей продолжающемуся неуправляемому парниковому эффекту на Венере . [8] МГЭИК утверждает, что «неуправляемый парниковый эффект» — аналогичный [такому] на Венере — по-видимому, практически не имеет шансов быть вызванным антропогенной деятельностью». [9]
Существует несколько теорий относительно того, как может возникнуть парниковое состояние Земли. Геологические климатические косвенные показатели указывают на то, что существует сильная корреляция между парниковым состоянием и высоким уровнем CO 2 . [1] Однако важно признать, что высокий уровень CO 2 интерпретируется как индикатор климата Земли, а не как независимый фактор. Другие явления, скорее всего, сыграли ключевую роль в воздействии на глобальный климат, изменяя океанические и атмосферные течения [10] и увеличивая чистое количество солнечной радиации, поглощаемой атмосферой Земли. [11] Такие явления могут включать, но не ограничиваются тектоническими сдвигами, которые приводят к выбросу парниковых газов (таких как CO 2 и CH 4 ) посредством вулканической активности , [12] Вулканы выбрасывают огромное количество CO 2 и метана в атмосферу, когда они активны, что может удерживать достаточно тепла, чтобы вызвать парниковый эффект. На Земле концентрация парниковых газов, таких как углекислый газ (CO 2 ) и метан (CH 4 ), в атмосфере выше, что приводит к захвату солнечной энергии в атмосфере через парниковый эффект. Метан, основной компонент природного газа, ответственен за более чем четверть текущего глобального потепления. Это грозный загрязнитель с потенциалом глобального потепления в 80 раз выше , чем у CO 2 за 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 солнечного излучения, поглощаемого атмосферой Земли. [11]
Земля сейчас находится в состоянии ледника, и ледяные щиты присутствуют на обоих полюсах одновременно. [6] Климатические косвенные данные указывают на то, что концентрации парниковых газов имеют тенденцию к снижению во время ледникового периода на Земле. [13] Аналогично, глобальные температуры также ниже в условиях ледникового периода. [14] Затем Земля колеблется между ледниковыми и межледниковыми периодами, а размер и распределение континентальных ледяных щитов резко колеблются. [15] Колебания ледяных щитов приводят к изменениям в региональных климатических условиях, которые влияют на ареал и распространение многих наземных и океанических видов. [4] [5] [16] В масштабах от тысяч до сотен миллионов лет климат Земли переходил от теплых к холодным интервалам в пределах диапазонов, поддерживающих жизнь. В фанерозое было три периода оледенения (ордовикский, каменноугольный и кайнозойский), каждый из которых длился десятки миллионов лет и опускал лед до уровня моря в средних широтах. Во время этих холодных интервалов «ледников» уровень моря был в целом ниже, уровень CO 2 в атмосфере был ниже, чистый фотосинтез и захоронение углерода были ниже, а океанический вулканизм был ниже, чем во время чередующихся интервалов «парникового» периода. Переходы от фанерозойских ледниковых интервалов к парниковым совпадали с биотическими кризисами или катастрофическими событиями вымирания, что указывает на сложные обратные связи биосфера-гидросфера. [39]
Ледниковые и межледниковые периоды имеют тенденцию чередоваться в соответствии с солнечными и климатическими колебаниями, пока Земля в конечном итоге не вернется к парниковому состоянию. [15]
Текущее состояние ледника на Земле известно как Четвертичный ледниковый период , начавшийся примерно 2,58 миллиона лет назад. [17] Однако ледяной щит в Антарктиде существует 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 эмский , который произошел между 130 000 и 115 000 лет назад, во время которого можно будет наблюдать лес в Нордкапе, Норвегия, и бегемотов в реках Рейн и Темза. [16] Ожидается, что Земля продолжит переходить от ледниковых к межледниковым периодам до окончания 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 основным фактором перехода к состоянию ледника. [11] [18] Скорее, это может быть индикатором других солнечных, геологических и атмосферных процессов в действии. [18] [10] [11]
Потенциальными движущими силами предыдущих ледниковых состояний являются движение тектонических плит и открытие и закрытие океанических шлюзов. [19] Они, по-видимому, играют решающую роль в перемещении Земли в ледниковое состояние, поскольку тектонические сдвиги приводят к перемещению холодной, глубокой воды, которая циркулирует к поверхности океана и способствует развитию ледяного покрова на полюсах. [7] Примерами сдвигов океанических течений в результате динамики тектонических плит являются открытие Тасманийских 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 ледяного покрова . Закрытие Панамского перешейка и Индонезийского морского пути примерно 3-4 миллиона лет назад также может быть фактором, способствующим нынешнему ледниковому состоянию Земли. [22] Одним из предполагаемых факторов ордовикского ледникового периода была эволюция наземных растений. Согласно этой парадигме, быстрое увеличение фотосинтетической биомассы постепенно удалило CO 2 из атмосферы и заменило его растущим уровнем O 2 , что вызвало глобальное похолодание. [23] Одним из предполагаемых факторов четвертичного ледникового периода является столкновение Индийского субконтинента с Евразией, в результате чего образовались Гималаи и Тибетское плато . [17] Согласно этой парадигме, в результате континентального подъема были обнаружены огромные количества невыветренных силикатных пород CaSiO
3, который реагировал с CO 2 с образованием CaCO
3(известь) и SiO
2(кремнезем). CaCO
3В конечном итоге он был перенесен в океан и поглощен планктоном, который затем погиб и опустился на дно океана, что фактически удалило CO2 из атмосферы. [17]
В пределах ледниковых состояний существуют « ледниковые » и « межледниковые » периоды, которые заставляют ледяные щиты нарастать или отступать. Основными причинами ледниковых и межледниковых периодов являются изменения в движении Земли вокруг Солнца . [ 24] Астрономические компоненты, открытые сербским геофизиком Милутином Миланковичем и теперь известные как циклы Миланковича , включают наклон оси Земли, эксцентриситет орбиты (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. Изменение фактически влияет на сезонность на Земле, поскольку изменение солнечной радиации чаще затрагивает определенные области планеты при более высоком наклоне, а более низкий наклон создает более равномерный набор сезонов во всем мире. Изменения можно увидеть в ледяных кернах, которые также содержат доказательства того, что во время ледниковых периодов (при максимальном расширении ледяных щитов) в атмосфере были более низкие уровни углекислого газа. Это может быть вызвано увеличением или перераспределением кислотно - щелочного баланса с ионами бикарбоната и карбоната , которые отвечают за щелочность . Во время ледникового периода только 20% времени приходится на межледниковые или более теплые времена. [24] Модельные симуляции показывают, что текущее межледниковое климатическое состояние будет продолжаться по крайней мере еще 100 000 лет из-за выбросов CO2 , включая полное таяние ледников в Северном полушарии. [25]
«Снежная Земля» — полная противоположность парниковой Земле, при которой поверхность Земли полностью замерзает. Однако технически снежная Земля не имеет континентальных ледяных щитов, как во время ледникового состояния. «Великий инфракембрийский ледниковый период» был объявлен хозяином такого мира, и в 1964 году ученый У. Брайан Харланд выдвинул свое открытие признаков ледников в низких широтах (Харланд и Радвик). Это стало проблемой для Харланда из-за мысли о «парадоксе бегущего снежного кома» (разновидность эффекта снежного кома ), что как только Земля вступит на путь превращения в снежную Землю, она никогда не сможет выйти из этого состояния. Однако Джозеф Киршвинк предложил решение парадокса в 1992 году. Поскольку континенты тогда были сгруппированы в низких и средних широтах, было меньше океанской воды, доступной для поглощения большего количества солнечной энергии, достигающей тропиков, а также увеличилось количество осадков, поскольку большее количество земель, подвергавшихся воздействию более высокой солнечной энергии, могло вызвать химическое выветривание, что способствовало удалению CO2 из атмосферы. Оба условия могли вызвать существенное падение уровня CO2 в атмосфере, что привело к понижению температуры и увеличению альбедо льда (отражательной способности льда входящего солнечного излучения), что еще больше усилило глобальное похолодание (положительная обратная связь). Это могло быть механизмом вхождения в состояние Snowball Earth. Киршвинк объяснил, что выход из состояния Snowball Earth может быть снова связан с углекислым газом. Возможным объяснением является то, что во время Snowball Earth вулканическая активность не прекращалась, а накапливала атмосферный CO2 . В то же время глобальный ледяной покров предотвратил бы химическое выветривание (в частности, гидролиз ), ответственное за удаление CO 2 из атмосферы. Таким образом, CO 2 накапливался в атмосфере. Как только накопление CO 2 в атмосфере достигло бы порогового значения, температура поднялась бы достаточно для того, чтобы ледяные щиты начали таять. Это, в свою очередь, уменьшило бы эффект альбедо льда, что, в свою очередь, еще больше уменьшило бы ледяной покров и позволило бы выйти из Snowball Earth. В конце Snowball Earth, до того, как равновесный «термостат» между вулканической активностью и к тому времени медленно возобновляющимся химическим выветриванием был восстановлен, CO 2в атмосфере накопилось достаточно, чтобы температура достигла пика до 60 °C, ввергнув Землю в кратковременное влажное парниковое состояние. Примерно в тот же геологический период Snowball Earth (спорно, было ли это причиной или результатом Snowball Earth) произошло Великое событие оксигенации (GOE). Затем последовало событие, известное как Кембрийский взрыв , которое привело к появлению многочисленных двусторонних организмов, а также к большему разнообразию и мобильности многоклеточной жизни. [26] Однако некоторые биологи утверждают, что полностью Snowball Earth не могло бы возникнуть, поскольку фотосинтетическая жизнь не выжила бы под многими метрами льда без солнечного света . Однако было замечено, что солнечный свет проникает сквозь метры льда в Антарктиде [ нужна цитата ] . Большинство ученых [ нужна цитата ] теперь считают, что «твердая» Snowball Earth, полностью покрытая льдом, вероятно, невозможна. Однако «slushball Earth» с точками открытия вблизи экватора считается возможной.
Недавние исследования, возможно, снова усложнили идею о снежном коме Земли. В октябре 2011 года группа французских исследователей объявила, что уровень углекислого газа во время последней предполагаемой «снежной Земли» мог быть ниже, чем первоначально предполагалось, что создает проблему в выяснении того, как Земля вышла из своего состояния и произошла ли снежная или слякотная Земля. [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, «суперпарниковый» период в конечном итоге стал ледниковым периодом к концу эоцена. Считается, что снижение CO 2 вызвало изменение, но механизмы положительной обратной связи могли способствовать охлаждению.
Лучшая доступная запись о переходе от ледникового периода к периоду теплицы, в котором существовала растительная жизнь, относится 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 тропики покрывали тропические леса, в жаркое, сухое и ветреное место, в котором мало что могло выжить. Профессор Изабель П. Монтаньес из Калифорнийского университета в Дэвисе , исследовавшая этот период времени, обнаружила, что климат был «крайне нестабильным» и «отмечен падениями и подъемами уровня углекислого газа». [29]
Эоцен-олигоценовый переход был последним и произошел примерно 34 миллиона лет назад. Он привел к быстрому глобальному похолоданию, оледенению Антарктиды и серии биотических вымираний. Наиболее драматичным событием смены видов, связанным с этим периодом времени, является Гранд Купюр , период, в течение которого европейские виды млекопитающих, обитающие на деревьях и питающиеся листьями, были заменены мигрирующими видами из Азии. [30]
Палеоклиматология — это раздел науки, который пытается понять историю парниковых и ледниковых условий в течение геологического времени. Изучение ледяных кернов , дендрохронологии , океанических и озерных отложений ( варвы ), палинологии ( палеоботаники ), изотопного анализа (например, радиометрического датирования и анализа стабильных изотопов) и других климатических показателей позволяет ученым создавать модели прошлых энергетических бюджетов Земли и возникшего в результате этого климата. Одно исследование показало, что уровень углекислого газа в атмосфере в пермский период колебался между 250 частями на миллион , что близко к сегодняшним уровням, и до 2000 частей на миллион. [29] Исследования озерных отложений показывают, что «тепличный» или «суперпарниковый» эоцен находился в «постоянном состоянии Эль-Ниньо » после того, как потепление на 10 °C в глубине океана и высокие широтные температуры поверхности остановили Эль-Ниньо- Южное колебание Тихого океана . [31] Была предложена теория для палеоцен-эоценового термического максимума о внезапном снижении изотопного состава углерода глобального пула неорганического углерода на 2,5 части на миллион. [32] Гипотеза, предложенная для этого падения изотопов, заключалась в увеличении гидратов метана , причина которого остается загадкой. Увеличение атмосферного метана , который является мощным, но недолговечным парниковым газом, повысило глобальную температуру на 6 °C с помощью менее мощного углекислого газа. [ требуется ссылка ]
В настоящее время Земля находится в состоянии климата ледника. Около 34 миллионов лет назад ледяные щиты начали формироваться в Антарктиде ; ледяные щиты в Арктике начали формироваться только 2 миллиона лет назад. [33] Некоторые процессы, которые могли привести к нынешнему леднику, могут быть связаны с развитием Гималайских гор и открытием пролива Дрейка между Южной Америкой и Антарктидой, но моделирование климатических моделей предполагает, что раннее открытие пролива Дрейка сыграло лишь ограниченную роль, а позднее сужение Тетиса и Центральноамериканских морских путей более важно для объяснения наблюдаемого кайнозойского похолодания. [34] Ученые пытались сравнить прошлые переходы между ледником и парниковым режимом и наоборот, чтобы понять, какой тип климатического состояния будет на Земле следующим.
Без влияния человека на концентрацию парниковых газов следующим климатическим состоянием был бы ледниковый период. Прогнозируемые изменения в орбитальном воздействии предполагают, что при отсутствии антропогенного глобального потепления следующий ледниковый период начался бы по крайней мере через 50 000 лет [35] (см. циклы Миланковича ), но продолжающиеся антропогенные выбросы парниковых газов означают, что следующим климатическим состоянием будет парниковый период Земли. [33] Постоянный лед на самом деле является редким явлением в истории Земли и происходит только в сочетании с эффектом ледникового дома, который повлиял примерно на 20% истории Земли.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
