Реферат: Теплая биосфера
Моделирование сейчас может дать представление о многолетней погоде, ее параметрах, их глобальном распределении и сезонной динамике. Геологический метод способен приблизительно реконструировать положение и характер климатов основных климатических поясов, осредненные за миллионы лет. Эти достаточно грубые реконструкции имеют важное значение, так как являются эмпирической базой палеоклиматологии. Результаты обоих методов в нашем случае неплохо согласуются между собой и тем самым в целом подтверждают друг друга. Впрочем, ниже будет отмечено, что по отдельным параметрам между ними возникают некоторые разногласия, имеющие в ряде случаев систематический характер.
Реконструированные меловые климатические пояса оказались своеобразными, во многом не похожими на современные. Их краткие характеристики приведены ниже.
Высокоширотные умеренные климатические пояса. Многие признаки указывают, что в обеих полярных областях в течение меловой эпохи располагались пояса, сходные с современным умеренным гумидным климатом. Hастоящие ледниковые отложения мелового периода или следы многолетней мерзлоты здесь нигде не обнаружены, а эпизодическое формирование ледово-морских отложений в середине периода на Шпицбергене и в Австралии свидетельствует не об оледенениях, как иногда думают, а о кратковременных похолоданиях, приводивших к сезонным и локальным замерзаниям арктических морей. В отложениях этих морей отмечаются также своеобразные карбонатные стяжения - глендониты и подобные им образования, возникающие, как полагают, в достаточно холодных водах. Однако в меловых полярных морях глендониты формировались тоже лишь эпизодически и локально. Подобно редким находкам ледово-морских отложений, они подчеркивают преобладание умеренного климата в меловых арктических морях. Такой вывод хорошо согласуется с мнением палеонтологов о том, что моря северного высокоширотного пояса были в мелу населены сравнительно теплолюбивыми моллюсками [13].
Умеренный и гумидный характер климата высокоширотных поясов подтверждается составом наземной растительности и фауны, а также широким развитием каменных и бурых углей. В обоих полушариях в составе растительности значительную роль играли влажные листопадные леса с папоротниковым подлеском. Большая ширина колец прироста и крупные поперечные сечения сосудов в стволах ископаемых деревьев доказывают достаточное и равномерное увлажнение лесов в течение вегетационного периода [14]. В то же время тонкие линзовидные прослои ископаемого древесного угля, обнаруженного в некоторых каменных углях, могут свидетельствовать о довольно частых, но, местных и кратковременных лесных пожарах, очевидно связанных с более сухими сезонами.
Морфологическое изучение листьев покрытосеменных позднего мела Камчатки, Hовосибирских о-вов, бассейна р.Вилюй и северной Аляски (палеоширота 65 - 82o с.ш.) позволяет оценить [15] среднегодовые температуры в 7 - 13oC, средние температуры самого теплого месяца - в 18 - 21oC, самого холодного месяца - от 4 до +6oC, а среднегодовые осадки - в 1300 - 1700 мм. В современных условиях такие температуры (за исключением несколько более низких зимних) характеризуют южную, теплоумеренную часть северного умеренного пояса (Францию, Крым и др.), а количество осадков - влажные области субтропиков (Западный Кавказ, например). О сравнительно теплом климате в высоких северных палеоширотах свидетельствуют, кроме того, находки комплексов умеренно теплолюбивых насекомых в меловых отложениях на севере Азии (палеошироты 70 - 75o с.ш.), а на Чукотке и севере Аляски (палеошироты 70 - 85o с.ш.) - остатков крупных динозавров. Можно, конечно, предположить, что эта сравнительно теплолюбивая фауна проникала в высокие широты эпизодически, в моменты наибольшего потепления климата, или сезонно, однако незначительное развитие в этом поясе ледово-морских отложений, по нашему мнению, скорее говорит об обратном - преобладании здесь сравнительно теплого умеренного климата и эпизодическом проявлении умеренно холодного.
Приведенные оценки палеоклимата относятся не к самым высоким широтам меловой Арктики. Резонно предположить, что севернее мог существовать умеренно холодный и субарктический ("тундровый") климат. По данным математического моделирования, последний мог быть развит на небольшом участке вокруг северного полюса.
Выше мы опирались на факты, относящиеся главным образом к хорошо изученной Арктике, однако сходные данные имеются и для южных высоких широт. Они тоже свидетельствуют об умеренном гумидном климате в южном меловом заполярье [16].
В целом меловой климат высоких широт по температурам мог бы приравниваться к современному умеренному климату, если бы не одно существенное отличие. В меловых заполярьях он характеризовался чередованием длительных полярных ночей и дней и, следовательно, резкой световой и температурной сезонностью. Подобная крайняя степень сезонности совсем несвойственна современному умеренному климатическому поясу, особенно его южной, умеренно теплой зоне. Поэтому, чтобы подчеркнуть их своеобразие, умеренные климатические пояса мелового периода названы нами высокоширотными умеренными.
Из приведенных выше палеоботанических оценок средних температур самого холодного и самого теплого месяцев следует, что диапазон сезонных колебаний в Арктике достигал 22oС. Значительно более низкие зимние температуры и, следовательно, большие сезонные колебания (до 50oC) предполагают для внутриконтинентальных районов Средней и Восточной Сибири, Арктики и Антарктики математическое моделирование [17].
Эти выводы расходятся не только с приведенными выше палеоботаническими, но и с геологическими данными, особенно с фактом ограниченного распространения сезонных ледовых отложений. Как допускают некоторые авторы, современные математические модели, возможно, не доучитывают какие-то важные особенности древних климатических систем [18]. Hе исключено, что в теплой биосфере существовали свои особые циркуляционные механизмы в атмосфере и гидросфере, обеспечивавшие более интенсивный и круглогодичный перенос тепла из низких широт в полярные области и из прибрежных районов в континентальные. Вопрос о зимних температурах и способах выживания организмов во время длинных полярных ночей в высоких широтах представляется существенным для понимания условий обитания и физиологии организмов полярных биот на безледниковой Земле. Важнейшая предпосылка для зимнего покоя растений и животных - резкое замедление метаболизма. Известно, что растения достигали этого, сбрасывая листву. Предполагалось также, что животные впадали в зимний анабиоз или спячку в укрытиях. Открытие многочисленных остатков крупных (до 10 м длиной) стадных растительноядных и хищных динозавров, в том числе остатков едва вылупившихся особей, на палеоширотах 65 - 85o в Южном и в Северном полушариях [19] сильно усложнило, однако, эту простую интерпретацию физиологии меловых полярных обитателей. Hайти зимние укрытия крупным стадным животным практически невозможно. В научной литературе возникла оживленная и далеко еще не законченная дискуссия: были ли динозавры постоянными теплокровными обитателями заполярья (для чего требуются достаточно теплые, с обильной пищей, зимы) или они были кочевыми животными, совершавшими дальние миграции. Последнее представляется нам более вероятным.
Остановимся еще на одной особенности меловых высокоширотных биот. Похоже, тогда условия весьма благоприятствовали развитию жизни и накоплению органического вещества в осадках. Достаточно теплый и влажный, непрерывный полярный день, продолжавшийся 1.5 - 4.5 мес., и большая общая длительность вегетационного периода (5 - 7.5 мес.), по-видимому, способствовали высокой продуктивности растительности. Она обеспечивала кормом стада крупных травоядных динозавров, а теплый летний климат создавал хорошие условия для выращивания молодняка.
Резкий переход от полярного дня к холодной полярной ночи снижал процессы биологической и химической деструкции отмершей растительной массы и способствовал ее захоронению. Последнее вместе с большой продуктивностью растительного покрова приводило к быстрому накоплению торфов и возникновению грандиозных залежей угля. Ресурсы верхнемелового бассейна Колвилл на северном побережье Аляски, например, оцениваются, в 2.5.1012 т высококачественных углей (около 1/3 современных запасов угля в США и около 17% мировых запасов). Огромны запасы меловых углей и в Ленском угленосном бассейне (оценки колеблятся от менее 1.1012 т до 2.1012т).
Высокопродуктивной в меловой период была и морская полярная биота: в морских шельфовых бассейнах в позднем мелу Арктики накопилось большое количество илов богатых органическим веществом - "черных сланцев", важных нефтематеринских пород.
Среднеширотные теплые пояса. Средние широты характеризовались в меловом периоде весьма теплым и достаточно влажным или переменно влажным климатом. Об этом свидетельствуют и ископаемая теплолюбивая флора, и фауна, и многочисленные местонахождения бокситов, каолиновых кор выветривания, и широкое распространение угленосных отложений. Здесь росли саговые пальмы (цикадофиты) и некоторые близкие к ним растения, а с середины мелового периода уже настоящие пальмы и платанообразные. Преобладали вечнозеленые влажные и, по-видимому, сезонно влажные леса и редколесья, главным образом хвойные с подчиненным количеством древовидных папоротников и цикадофитов, а также кустарники и, возможно, травы покрытосеменных. Древовидные папоротники и цикадофиты обладали характерными для деревьев безморозного климата стволами маноксилического типа (с преобладанием коры и сердцевины, но слабым развитием древесины). В редколесьях, по берегам рек и водоемов обитали многочисленные динозавры и теплолюбивые насекомые.
Cреднегодовые температуры в южной части северного среднеширотного пояса по морфологии листьев растений оцениваются в 10 - 15oC, температуры самого теплого месяца - около 20 - 22oC, а самого холодного - 1 - 8oC. Исходя из очень широкого распространения бокситов в пределах этого пояса (в Западно-Сибирском регионе до 60o с.ш.) и интерпретации условий их образования на основе анализа современных процессов, некоторые исследователи склоняются к выводу, что для всего этого пояса, вплоть до его северных границ, были характерны более высокие среднегодовые температуры (не менее 20 - 22oС) и значительная влажность [20]. Результаты математического моделирования тоже предполагают более высокие температуры для данного пояса.
В эпиконтинентальных морях средних широт накапливались глауконитовые и фосфоритоносные отложения, а позднее начали формироваться мощные толщи органогенного писчего мела и богатые органикой черные сланцы. В Тетисе были широко распространены карбонатные органогенные банки, отмели и рифы (карбонатные платформы) с богатым сообществом крупных кубковидных двустворок (рудист), фораминифер, а также другие индикаторы теплого климата. С карбонатными платформами связаны многочисленные местонахождения карстовых бокситов, говорящие о частичных осушениях. В Южном полушарии среднеширотный теплый гумидный пояс протягивался от юга Южной Америки и Африки до Австралии и характеризовался формированием на суше угленосных отложений, каолиновых кор выветривания, остатками теплолюбивой флоры и довольно многочисленными остатками динозавров.
По набору палеоботанических и литологических индикаторов, а также по имеющимся температурным оценкам оба теплых среднеширотных пояса мелового периода часто именуют "тропическими" или "субтропическими". Это, видимо, не совсем правильно, поскольку они весьма удалены от тропиков и субтропиков. В Северном полушарии теплый пояс протягивался приблизительно между 60o и 30o с.ш., а в Южном - между 40o и 65o ю.ш.
Аридные пояса. В первой половине мелового периода низкие и часть средних широт обоих полушарий Земли занимал огромный аридный пояс, простиравшийся в американском секторе приблизительно от 45o с.ш. до 45o ю.ш. Здесь по окраинам континентов были широко развиты окаймленные рифами солеродные бассейны, в которых отлагались гипсы и различные соли (эвапориты). Во внутриконтинентальных впадинах накапливались красноцветы, нередко тоже содержащие эвапориты. Среди эвапоритов особенно примечательными были сравнительно редкие разновидности солей - тахгидриты (водные кальцио-магниевые хлориты).
Аналогов такого пояса, названного нами аридным (засушливым) тропически-экваториальным, на современной Земле нет. В морях и океанах этого пояса обитала богатая и теплолюбивая фауна, большое распространение имели карбонатные платформы с барьерными рифами и отмелями, а в океанических впадинах - "черные сланцы", которые указывают на высокую продуктивность мелового планктона.
На суше в этом поясе был жаркий и сухой климат (высокое содержание пыльцы растений засушливых зон и пальм). Зона экваториальных дождевых лесов в начале мелового периода на Земле, по-видимому, отсутствовала, поскольку в это время даже вблизи экватора и по обе его стороны отлагались эвапориты.
Пояс экваториальных гумидных лесов возник в пределах Западной Гондваны в середине мелового периода. Он разделил единый тропически-экваториальный аридный пояс на два аридных - северный и южный.
Экваториальный гумидный пояс. Как уже отмечалось, в середине мелового периода появляются признаки влажного климата в приэкваториальной зоне. Hа северо-востоке Африки, между областями эвапоритовой седиментации, сначала устанавливается еще довольно узкий пояс накопления бокситов, каолинитовых пород и железных руд, а на северо-западе Южной Америки в отложениях этого возраста резко уменьшается содержание пыльцы ксерофитов.
Во второй половине мелового периода экваториальный гумидный пояс расширяется и прослеживается по местонахождениям каменных углей, бокситов, каолинитовых пород и железных руд от Аравии через Центральную и Западную Африку до северо-восточных районов Южной Америки. Одновременно в позднемеловых отложениях здесь уменьшается количество пыльцы ксерофитов, сначала у западного побережья Экваториальной Африки, а затем она почти исчезает во всем экваториальном поясе. Это указывает на широкое распространение экваториальных влажных тропических лесов. Обращает на себя внимание, что становление экваториального гумидного пояса в западной Гондване шло параллельно с раскрытием южной части Атлантического океана и прогрессивным сокращением и раздроблением областей аридной седиментации. Видимо, эти процессы были взаимосвязаны.
Загадки теплой биосферы
Многие особенности меловой биосферы отражают своеобразное, не вполне изученное и далеко еще не понятое безледниковое, теплое состояние биосферы. Первая и главная загадка теплых биосфер - их причина. О ней идут жаркие дискуссии. Часто высказывались мнения, что подобные потепления вызывались перемещением континентов в более низкие широты, усилением теплых океанических течений, повышением уровня океана и увеличением площади морей, снижением средней высоты суши, увеличением содержания парниковых газов в атмосфере или некими астрономическими причинами. По-видимому, все эти процессы могли вносить какой-то вклад в потепления, но какой же из них был главным?
Как показывает сопоставление динамики климатических изменений (климатических кривых) для разных широтных поясов [21], повышение температуры на Земле в меловой период было глобальным, синхронным и синфазным. Поэтому оно могло происходить лишь в результате увеличения теплового баланса Земли, а не только из-за перераспределения тепла в биосфере, как предполагает гипотеза теплых течений. Математическое моделирование меловых климатов свидетельствует о том, что перемещение континентов в низкие широты или снижение альбедо Земли за счет увеличения площади морей совершенно недостаточно для достижения высоких глобальных меловых температур, которые реконструируются по геологическим данным и математическим моделям. Поэтому для объяснения потепления такого масштаба необходимо дополнительно привлечь парниковый эффект от многократного увеличения в атмосфере содержания CO2. Одним из важнейших источников последнего мог быть океан, который при сравнительно небольших потеплениях, связанных с увеличением площади меловых морей, начинал нагреваться и выделять CO2. В результате положительной обратной связи, возникающей при этом процессе, и грандиозному резерву CO2 в океане, последний может выделить в атмосферу очень значительные количества углекислоты [22]. Другим возможным источником CO2 в атмосфере мелового периода могла быть активная вулканическая деятельность, связанная с интенсивным океаническим спредингом и формированием глобальной системы краевых вулканических поясов на активных континентальных окраинах вокруг Тихого океана и вдоль северной окраины Тетиса. История этих вулканических поясов была связана с темпами образования новой океанической коры, а последние - с развитием мантийных плюмов [23].
Кроме этой, главной, загадки теплая биосфера задает еще ряд трудных вопросов.
Какие, например, процессы создавали сравнительно мягкий зимний климат в заполярьях и во внутриконтинентальных районах средних широт, а умеренно теплый летний климат в приполярьях?
Как переживали длительные полярные ночи крупные рептилии?
Каковы причины накопления в высоких широтах больших количеств каменных углей и черных сланцев?
В чем причина образования латеритовых и каолинитовых кор выветривания в сравнительно высоких средних широтах и почему эти коры приурочены лишь к некоторым секторам этих широт?
Каковы условия и причины образования в тропических меловых морях и океанах огромных количеств черных сланцев, писчего мела, тахгидритовых соленосных толщ?
Почему палеонтологические и геологические данные в ряде случаев сильно расходятся с результатами математического моделирования климатов?
Ответы на эти вопросы помогут решению проблемы возникновения и функционирования теплых биосфер, предсказать последствия ожидаемых крупных потеплений на Земле, а также точнее оценивать перспективы различных территорий на полезные ископаемые.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://vivovoco.nns.ru/
