Палеоклиматоло́гия (греч. παλαιός — «древний», «старинный», др.-греч. κλίμα — «наклон», др.-греч. λόγος — «учение, слово») — наука о климатах прошлого и климатической истории Земли. Древние климаты реконструируются по различным косвенным признакам — вещественному составу и текстурным особенностям осадочных горных пород, по ископаемым остаткам организмов и другим признакам. Анализ и обобщение сведений, полученных по геологическим данным, проводятся на основе теоретических положений климатологии, метеорологии, географии, геофизики и астрономии.
История науки Палеоклиматическая реконструкция Альфреда Вегенера на время пермского и каменноугольного периодов. Показаны оледенения (Е), болота (К — уголь) и пустыни (S — соль, G — гипс, W — песчаники пустынь), заштрихованы аридные климатические области.
Первые попытки палеоклиматического толкования ископаемых органических остатков принадлежат английскому физику и математику Р. Гуку, установившему в 1686, что когда-то на Земле климат был более тёплым, и объяснившему этот факт изменением положения земной оси. Толчком к развитию палеоклиматологии послужило открытие и исследование в Европе следов четвертичного оледенения (одним из основоположников учения об оледенениях был Петр Кропоткин), которые стали главными объектами изучения палеоклиматологии. Однако сама наука ведёт начало лишь с 80-х гг. XIX века, когда в качестве показателей древних климатов начали использовать наряду с палеонтологическими данными литологические, которые в значительной степени зависят от климатических факторов и служат весьма ценными климатическими индикаторами: соль (аридный климат), бокситы и бобовая руда (чередование влажного и сухого тёплого климата), торф и каменный уголь, каолин (влажный климат), известняк (тёплый климат), ледниковые морены (холодный климат). Появляются монографии по истории древних климатов (французский учёный Э. Даке, 1915; немецкие — В. Кеппен и А. Вегенер, 1924; американский — К. Брукс, 1926; немецкий — М. Шварцбах, 1950), в которых развитие климата ставилось в зависимость от какого-либо одного фактора. Так, Брукс объяснял изменение климата палеогеографическими условиями, Кеппен и Вегенер — перемещением полюсов и дрейфом материков
Большой вклад в её развитие как отдельной области знания сделал Альфред Вегенер. Он не только сделал много в деле создания палеоклиматических реконструкции, но и использовал их для восстановления расположения континентов и обоснования своей теории дрейфа материков — предтечи современной тектоники плит.
Мощнейшее развитие наука получила в конце XX — начале XXI веков в связи с возрастающей остротой проблемы изменения климата. Её решение или хотя бы понимание происходящего невозможно без тщательного изучения истории климата прошлых геологических эпох.
В конце XX века были проведены масштабные международные и междисциплинарные проекты по изучению климата. В их числе можно назвать бурение покровных ледников Антарктиды и Гренландии; бурение крупных континентальных озёр с длительной историей осадконакопления: Байкала, Иссык-Куля, Каспийского моря и некоторых других. В результате получено огромное количество новых данных об истории климата четвертичного и третичного периодов, однако создание климатической теории, объясняющей все факты, далеко от завершения. В научном сообществе нет единства по самым основополагающим вопросам.
В арсенале палеоклиматологии множество самых разнообразных методов, но именно это разнообразие нередко и приводит к противоречивым результатам. Это позволило одному известному палеоклиматологу в книге К. Ю. Еськова «Удивительная палеонтология» охарактеризовать состояние науки следующим образом:
— Глубокоуважаемые коллеги! Я категорически настаиваю на том, что Земля круглая. (Лёгкий шум в зале.) Я настаиваю также на том, что Земля вертится, а ось её вращения наклонена относительно плоскости эклиптики. Из этих трёх обстоятельств следует, как вам должно быть известно из курса географии для шестого класса средней школы, существование экваториально-полярного температурного градиента, западного переноса в атмосфере и смены времён года. (Шум в зале сменяется полной тишиной.) Так вот, обращаю ваше внимание на то, что в подавляющем большинстве из представленных здесь палеоклиматических реконструкций нарушается по меньшей мере одно из этих исходных условий…
Методы В палеоклиматологии используются разнообразные косвенные методы изучения истории климата. Изучение осадочных пород может многое рассказать о климате, в котором они образовались. Во время оледенений образуются морены, тиллиты и породы с валунами, транспортированными ледниками. Когда ледник отступает, то на его обнажённом ложе начинаются ураганы, которые переносят огромные массы песка и пыли, отлагающиеся в виде лёссов. В жарком климате пустынь формируются отложения песчаников и эвапоритов.
Биогеографические методы основаны на связи ареалов живых организмов в зависимости от климата. Многие виды животных и растений могут жить только в узком диапазоне климатических условий, и по их ареалам можно восстановить климатические зоны.
Существуют и минералогические признаки климата. Так, например, минерал глауконит, выглядящий как зелёная глина, образуется только при температуре воды ниже 15 °C и часто используется как признак в климатических реконструкциях.
Оценка температуры вод древних морских бассейнов осуществляется с помощью количественных соотношений изотопов кислорода 18O и 16O в кальците раковин ископаемых беспозвоночных (белемнитов, фораминифер), а также соотношений Ca:Mg и Ca:Sr в карбонатных осадках и скелетах ископаемых организмов. Существенное значение также приобрёл палеомагнитный метод (см. Палеомагнетизм), позволяющий вычислить положение древних широт с использованием остаточной намагниченности некоторых вулканических и осадочных пород, содержащих ферромагнитные минералы (магнетит, гематит, титаномагнетит), приобретённой под влиянием магнитного поля Земли, существовавшего во время формирования этих пород.
При изучении палеоклимата Арктики используется соотношение изотопов 18O и 16O в повторно-жильных и поровых льдах. По соотношению изотопов кислорода можно рассчитать температуру осадков, которые сформировали многолетние мерзлые породы, а их возраст часто датируется по органическим остаткам в льдах радиоуглеродным методом.
Чтобы получить более комплексную информацию о климатах прошедших эпох применяют математическое моделирование. Для этого глобальная климатическая модель инициализируется при помощи данных полученных косвенными методами. При палеоклиматических исследованиях обычно используют модели с небольшим пространственным разрешением, поскольку обсчитываются сравнительно большие периоды времени и на высоких разрешениях это заняло бы значительное время.
Основные положения В результате комплексного изучения геологических отложений учёные составляют палеоклиматические реконструкции: специальные карты, на которых на определённый момент геологического времени отображены климатические зоны. Такая карта может являться источником новой информации. Как было сказано выше, Альфред Вегенер использовал их для определения положения континентов. Также обобщением данных по всей Земле можно получить представление о глобальном климате Земли на определённый момент геологического времени.
Палеоклиматологические исследования показывают, что климат на Земле неразрывно связан с историей её живых обитателей, космическими факторами, как-то: изменениям земной орбиты, падениями крупных метеоритов; геологическими событиями, типа крупных извержений, эпох горообразования и перемещений континентов. При этом большинство этих факторов действуют совместно и одновременно и взаимно влияют друг на друга. Поэтому в большинстве случаев, установив изменение климата, не удаётся однозначно связать его с каким-либо одним фактором, и событие объясняют комплексом факторов.
В последнее время большую популярность приобрели гипотезы, рассматривающие изменения климата как результат взаимодействия биосферы с атмосферой и другими оболочками земли. При этом большая роль отводится парниковым газам. Один из механизмов такого взаимодействия заключается в том, что бурное развитие жизни обедняет атмосферу углекислым газом и метаном, в результате чего парниковый эффект ослабляется и на планете наступает похолодание, вплоть до начала ледникового периода. Современные геологические данные показывают, что ни одна из многочисленных гипотез не может до конца выяснить причины изменения климатов прошлого.
Значение палеоклиматологии состоит в том, что, изучая историю климатического развития Земли, она расширяет представления о протекавших в прошлом процессах выветривания и осадконакопления, и об образовании связанных с ними месторождений полезных ископаемых, показывает условия существования растительности и животного мира в минувшие геологические эпохи, позволяет прогнозировать изменения климата в будущем.
История климата
Знания о точных климатических явлениях уменьшаются по мере того, как записи уходят в прошлое, но некоторые значимые климатические события считаются известными:
Парадокс слабого молодого Солнца (начало) Гуронское оледенение (~2400 млн л.н. Земля полностью покрылась льдом в возможной связи с Кислородной катастрофой) Андско-Сахарское оледенение (~450 млн л.н.) Кризис карбоновых лесов (~300 млн л.н.) Массовое пермское вымирание (251,4 млн л.н.) Аноксия океана (~120 млн л.н., 93 млн л.н., и пр.) Мел-палеогеновое вымирание (66 млн л.н.) Палеоцен-эоценовый термический максимум (55 млн л.н.) Поздний дриас (большой мороз) (~11 000 л. до н. э.) Атлантический климатический оптимум (~7000-3000 л. до н. э.) Похолодание 535—536 годов (535—536 гг н. э.) Средневековый климатический оптимум (900—1300) Малый ледниковый период (1300—1800) Год без лета (1816)
История атмосферы Земли
Ранняя атмосфера Первая атмосфера состояла из газов солнечной туманности, преимущественно из водорода. Также в её состав вероятно входили летучие водородные соединения, найденные у газовых гигантов таких как Юпитер и Сатурн, в особенности водяной пар, метан и аммиак. С рассеиванием солнечной туманности, газы были унесены, отчасти за счёт солнечного ветра.
Вторая атмосфера Следующая атмосфера, содержащая преимущественно азот, углекислый и инертные газы, была выброшена вследствие вулканических явлений, подогреваемых поздней тяжёлой бомбардировкой Земли огромными астероидами. Большая часть углекислого газа вскоре растворилась в воде и образовала карбонатные отложения.
Находки водных отложений датируются 3,8 млрд л.н.B. Windley: The Evolving Continents. Wiley Press, New York 1984 Около 3,4 млрд л.н., азот был главным компонентом стабильной в дальнейшем «второй атмосферы». Продукты жизнедеятельности довольно скоро окажут своё влияние на атмосферу, ведь находки ранних форм жизни обозначены 3,5 млрд л.н.J. Schopf: Earth’s Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution. Princeton University Press, Princeton, N.J., 1983 Факт же, что солнечная светимость была на 30 % меньше наблюдаемой сегодня, обозначен как парадокс слабого молодого Солнца.
Геологические записи, однако, свидетельствуют об относительно тёплой температуре поверхности Земли в то время, за исключением одной ледниковой фазы около 2,4 млрд л.н. В позднем Архее стала формироваться кислород-содержащая атмосфера, видимо благодаря фотосинтезирующим цианобактериям (см. кислородная катастрофа), которые были найдены в виде окаменелостей строматолитов 2,7 млрд л.н. Изотопное соотношение углерода в то время во многом соответствовало нынешнему, это позволяет полагать, что основные особенности углеродного цикла были установлены 4 млрд л.н.
Третья атмосфера