Морской геолог Ярослав Овсепян о формировании климата, методах реконструкции и принципе актуализма.

Палеонтология изучает органический мир прошлого и воссоздает его вместе с его законами развития во времени и пространстве. Одной из целей палеонтологии является восстановление природных условий по остаткам организмов для различных периодов истории Земли. Одним из наиболее важных параметров окружающей среды является климат. Он регулирует не только условия, в которых существует живая природа, но и условия формирования определенных типов полезных ископаемых и осадочных горных пород.

Палеогеография

Основной задачей при описании последовательной смены климата в прошлом является выявление закономерности и цикличности в истории планеты. Вместе с изучением конфигурации материков, соотношения суши и моря, характера рельефа и с определением палеотемператур эти сведения позволяют проводить палеогеографические реконструкции и восстанавливать палеоклимат.

В исследованиях используется принцип актуализма, суть которого состоит в том, что раньше природные процессы проходили по тем же законам, что и сейчас. То есть если мы находим колонию окаменевших кораллов, то, скорее всего, можно говорить о морских условиях с теплой соленой водой в пределах глубины 50 метров, куда проникает солнечный свет. Множество таких кораллов на большой площади можно объединить в один район с одинаковыми климатическими условиями. Объединение одинаковых находок из разных районов позволяет выделить область с одинаковыми условиями для отдельного интервала геологического времени. Так в общих чертах можно описать принцип палеобиогеографического районирования.

Интересным фактом является то, что именно человеком, изучавшим климат, была выдвинута важная теория, объясняющая развитие земной коры. В начале XX века метеоролог и геолог Альфред Вегенер на основе сходства палеоклиматических условий, геологического строения и очертаний материков изложил первую теорию о дрейфе континентов, которая послужила основой для современной теории тектоники литосферных плит.

Современный климат

Сегодняшнее представление о формировании климата носит название орбитальной теории, так как связано с изменением орбитальных параметров, таких как: эксцентриситет (Е, степень удлиненности эллиптической орбиты нашей планеты), угол наклона земной оси (Т) и прецессия (P, изменение направления земной оси относительно большой оси эллипса орбиты). Эти параметры обусловливают характер поступления на Землю солнечной радиации (инсоляции). Атмосферные и океанические процессы влияют на перераспределение тепла на планете, они могут усиливать эффект вариаций инсоляции, такие процессы носят название положительных обратных связей.

Изображение: Rahmstorf S. and Schellnhuber H., 2006: Der Klimawandel. Beck Verlag, Munich, 144 pp.

Океан является очень важным агентом при перераспределении тепла. Современная концепция циркуляции вод Мирового океана, предложенная в 90-х годах ХХ века, связана с перемещением водных масс за счет перепада плотности из-за неравномерного распределения температуры и солености и носит название глобальной термохалинной циркуляции. Из-за того, что по мере движения происходит последовательное изменение и других свойств воды (содержание кислорода и различных химических элементов), эту схему называют глобальным океаническим конвейером. Поверхностные течения обычно отмечаются красным цветом, глубинные — синим, а придонные — фиолетовым. Наибольшее внимание ученых привлекают Северная Атлантика и Южный океан, где расположены четыре района с наиболее резким изменением свойств воды, так называемые конвекционные ячейки, где происходит основное погружение поверхностных вод. В таких ключевых регионах наиболее интересно и важно изучать изменение климата в прошлом.

Изображение: Rahmstorf S., 2002: Ocean circulation and climate during the past 120,000 years. Nature, 419, 207–214.

Предпосылки к формированию климата

Циркуляция по современному принципу начала формироваться в палеогеновом периоде благодаря дрейфу континентов, когда Южная Америка и Австралия начали отделяться от Антарктиды. Это привело к разделению теплых экваториальных и холодных антарктических течений и к усилению широтной зональности. Формирование циркумантарктического течения и Южного океана способствовало связыванию Атлантического, Индийского и Тихого океанов в единую систему. С этого времени начинается похолодание на полюсах и формирование ледовых шапок. В эоцене 47–46 млн лет назад отмечается появление в Арктике морского льда. Постепенно ледовый покров усиливается, и на границе эоцена и олигоцена, около 34 млн лет назад, происходит обширное оледенение Гренландии и Антарктиды.

К тому времени, как сформировался современный рельеф, а именно: произошло поднятие Тибета и Панамского перешейка, закрытие океана Тетис и формирование на его месте Средиземного моря, сужение Индонезийского прохода, — примерно 2,7 млн лет назад устанавливается термохалинная циркуляция по современному типу. Это привело к общему похолоданию климата с ростом ледников и морского льда. Время с 2,6 млн лет назад и по ныне часто называют плейстоценовым ледниковым периодом, на протяжении которого интервалы оледенения чередовались с интервалами межледниковья. Вместе с изменением орбитальных параметров и их обратных связей перенос тепла конвейером замедлялся или останавливался, приводя к смене холодных и теплых эпох. Для последнего миллиона лет выделяется 100-тысячелетняя периодичность в чередовании ледниковых циклов (в среднем около 90 тыс. лет ледниковье и 10 тыс. лет межледниковье). В палеоархивах наряду с этими циклами можно обнаружить и меньшую периодичность, вплоть до сезонной. Чем детальнее масштаб изучения геологической летописи, тем точнее можно выявить короткопериодичные события.

Источники информации о климате

Какие записи климата прошлого можно изучать? Это отложения в геологических разрезах на суше (например, самыми известными ледниковыми отложениями являются морены), донные отложения в морях, а также ледники. Донные отложения в океанах изучаются морскими геологами, они поднимают на поверхность морские осадки с помощью специальных приборов, таких как ударные трубки, дночерпатели, мультикореры, буровые установки.

Ледовые керны из Антарктиды и Гренландии считаются одними из наиболее информативных, они содержат детальную запись тысячелетних событий. В них можно изучать изменение химического состава льда, тем самым прослеживая изменения в атмосфере. Например, непрерывная последовательность в ледовом керне Гренландии NGRIP выбрана в качестве эталона (стратотипа) для проведения нижней границы последнего отдела геохронологической шкалы — голоцена. Кроме характера отложений горных пород (их литологического состава) важную информацию об условиях окружающей среды дают нам остатки различных организмов, живших в то время, — от мамонтов до микроскопических простейших. Также изучение геохимического состава — как минералов, так и раковин организмов — дает возможность количественной оценки различных параметров (например, палеотемператур). В настоящее время приоритетным является комплексное исследование геологической летописи с одновременным изучением литологии, геохимии, палеонтологии и так далее.

Изображение: Фораминиферы http://www.foraminifera.eu/carla8.html

Методы реконструкции

Одновременное применение нескольких методов дает более полную картину палеоклимата, они дополняют друг друга и дают возможность проконтролировать результат. Одним из важных инструментов при проведении аналитических исследований является микроскоп. Комплексный литологический анализ изучает вещественный состав отложений, что позволяет определить генезис породы, источники сноса и произвести сопоставление (корреляцию) с осадками в других разрезах и регионах.

Высшие растения и водоросли являются непосредственными свидетелями изменений климата. Дендрохронология по годовым кольцам деревьев позволяет судить о сезонной периодичности. Палинологический метод исследования заключает в себе определение состава флоры по спорам и пыльце растений, он также широко используется в стратиграфии и определении относительного возраста пород. При изучении древних ландшафтов важное место занимает исследование палеопочв. Анализ комплексов диатомей (водорослей, покрытых кремниевым панцирем), живущих как в пресных, так и в морских водоемах, позволяет решать множество палеоклиматических проблем. Эта группа водорослей участвует в создании большей части первичной продукции в умеренных и высоких широтах. Изучаются цисты и других групп водорослей (например, динофлагелляты).

Среди различных остатков животных наибольшую важность для палеогеографических и палеоклиматических реконструкций представляют остатки мелких организмов, так как вероятность нахождения их в геологической летописи намного выше. Так, среди позвоночных животных наиболее распространены кости мелких млекопитающих, главным образом их зубы. Среди беспозвоночных широко распространены моллюски — как двустворчатые, так и гастроподы (со спиральной раковиной). Этот тип организмов чрезвычайно разнообразен. Благодаря биологическим особенностям, разным темпам эволюционного развития и реакции на изменения условий практически каждый вид свидетельствует об индивидуальных обстановках окружающей среды.

Особую роль при палеоклиматических исследованиях играет микропалеонтологический метод. Изучение микрофауны морей и океанов позволяет не только решать палеоэкологические задачи, но и использовать раковины в качестве материала для геохимических исследований и определения абсолютного возраста отложений. Популярными для исследования группами среди простейших являются фораминиферы и радиолярии, а также остракоды—– микроскопические раковинные рачки. Использование планктонных организмов, живущих в толще воды на разных глубинах, и бентосных, обитающих на дне, позволяет судить о характеристиках различных водных масс и течений — от поверхностных до придонных.

В палеоклиматологии и палеогеографии применяется метод геохимии стабильных изотопов (наиболее часто кислорода, углерода и водорода). Изотопно-кислородный метод является самым широко употребляемым, в том числе он дает возможность сопоставлять морские и континентальные отложения. Этот метод носит название изотопно-кислородной стратиграфии. Для каждого конкретного разреза важно получить непрерывную запись, где изменение соотношения изотопов кислорода (?18О, ‰) наглядно показывает колебание объемов льда на континентах и температуры, что отражает ледниковые и межледниковые стадии, а также другие региональные события. Для определения стратиграфического положения изучаемого интервала в глобальной геологической истории получившуюся последовательность сравнивают с эталонными. Одна из таких эталонных кривых, морская, представляет собой синтез 57 кривых изотопно-кислородного состава раковин бентосных фораминифер из различных районов Мирового океана.

Изображение: Lisiecki, L. E., and M. E. Raymo (2005), A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic d18O records, Paleoceanography, 20, PA1003.

Перспективы и актуальность

В настоящее время остро стоит проблема изменения климата, и многие говорят о глобальном потеплении из-за наблюдения метеорологами повышения средней температуры на протяжении последнего столетия, повышения уровня моря и увеличения концентрации парниковых газов. Разобраться с этой проблемой и смоделировать климат в будущем поможет изучение динамики палеоклимата в геологической летописи, так как прошлое — ключ к настоящему.

Для изучения палеоклимата и восстановления недавних событий прошлого лучше всего подходит последний геологический период (2,6 млн лет назад), который называется четвертичным. Для этого интервала времени эффективнее всего работают имеющиеся методы определения абсолютного возраста горных пород. Четвертичная геология решает множество проблем, связанных с историей изменения климата, с помощью изучения разрезов на суше или в море, исследуя ледники и ледовые керны. Ученые также ищут аналоги современной ситуации развития климата в прошлом. Теории, выдвинутые по результатам исследований, проверяются с помощью составления климатических моделей посредством просчета целого ряда параметров окружающей среды на суперкомпьютерах. Чем больше параметров удастся включить в модель, тем достовернее она будет. С помощью этих моделей рассчитываются прогнозы развития климата в будущем. Чем детальнее мы сможем изучать палеоклимат, тем вернее мы сможем выделять закономерности и прогнозировать климат будущего.

Источник: postnauka.ru