Характерной чертой четвертичного периода является формирование биосферы, т. е. тонкой воздушной, водной и почвенной оболочек земного шара, в которых существует жизнь. Биосфера образовывалась в течение миллионов лет из безжизненной геосферы, развивавшейся несколько миллиардов лет. Именно по этой причине в отличие от климатов глубокой древности, когда биосфера отсутствовала, климатические условия четвертичного периода могут соответствовать диапазону возможных изменений климата в будущем.
Последние 1,5—2 млн. лет характеризовались чередованием длительных ледниковых периодов средней продолжительностью 70—120 тыс. лет с более короткими межледниковыми периодами по 15—20 тыс. лет. Предпоследний теплый межледниковый период отмечался 75—120 тыс. лет назад. История цивилизации приходится на последний межледниковый период, начавшийся примерно 10—15 тыс. лет назад, в конце которого мы в настоящее время живем. Этот период получил название голоцена.
Согласно палеоклиматическим данным в течение последних 2 млн. лет средняя температура Земли была близка к нынешней, т. е. порядка 15° С, и колебалась в пределах ±5÷10° С при переходе от ледниковых к межледниковым периодам. На рис. 1 приведены результаты модельных расчетов температуры Земли за последние 4,5 млн. лет. Следует иметь в виду, что и для этого времени термин «ледниковый-межледниковый» периоды не означал, что Земля полностью покрыта льдом или свободна от него. Есть основания полагать, что Северный Ледовитый океан никогда не был полностью свободен ото льда, а Антарктический континент всегда покрывался ледовым панцирем.
Наиболее подробные данные благодаря бурению и анализу колонок континентальных льдов в Гренландии, Антарктиде и других районах земного шара имеются о климате последних 150 тыс. лет. Точность анализа колонок льда для периода последних 50 тыс. лет существенно повысилась в результате применения методов радиоуглеродного анализа данных о вариациях отношения изотопов 18O/16O.
На рис. 2 приведены результаты анализов климата Земли за последние 130—140 тыс. лет. Одна кривая характеризует результаты анализа колонок льда в Гренландии по кислороду, другая — в горах Франции — по радиоуглероду. Оба анализа независимо друг от друга указывают на наличие последнего ледникового периода примерно 15—80 тыс. лет назад и наступление 10—15 тыс. лет назад последнего межледникового периода. Чередование этих периодов происходило в северном и южном полушариях.
Наиболее полно этот вопрос исследован при осуществлении американской программы Climap (картирование климата). Были восстановлены ландшафты, температура поверхности воды, орография за последние 450 тыс. лет и более подробно за последний ледниковый период плейстоцена. Методами спектрального анализа различных косвенных показателей климата были установлены три периодичности колебаний климата.
Период в 100 тыс. лет связан с практически таким же периодом колебания эксцентриситета земной орбиты (отношения фокального расстояния от Солнца до Земли к длине главной оси земной орбиты). Периодичность приблизительно в 40—43 тыс. лет связана с периодическими изменениями угла наклона плоскости экватора к плоскости орбиты Земли. Третий период порядка 19—23 тыс. лет связан с прецессией земной орбиты.
Рис. 1. Средняя глобальная температура поверхности Земли за последние 4,5 млн. лет
Рис. 2. Средняя температура поверхности Земли за последние 130—140 тыс. лет
Таким образом, колебания ледниковых-межледниковых периодов в эпоху плейстоцена в значительной мере были обусловлены изменениями приходящей на Землю солнечной радиации в результате колебаний параметров земной орбиты. Ниже мы рассмотрим и другие факторы, ответственные за изменения климата.
Климат последнего ледникового периода и голоценаДля лучшего понимания истории современного климата и оценки возможных состояний климатической системы в ближайшем будущем наибольший интерес представляет климат последнего ледникового периода и голоцена. Связано это по крайней мере с тремя соображениями. Во-первых, во многих научных исследованиях высказываются опасения, что в отдаленном будущем возможно наступление очередного ледникового периода.
Выше мы отмечали, что чередование ледниковых-межледниковых периодов в значительной мере объясняется изменением параметров земной орбиты. Их экстраполяция указывает на медленную тенденцию к похолоданию. Деятельность человека, по-видимому, внесет серьезные коррективы в ход естественных процессов. Однако при рассмотрении всех вариантов изменения климата вероятность наступления новой ледниковой эпохи исключить нельзя.
Второе соображение основывается на том, что потепления или похолодания в будущем могут иметь черты, присущие отдельным периодам эпохи голоцена. Дело в том, что примерно за последние 10 тыс. лет климат Земли неоднократно менялся. Так, после окончания ледникового периода началось быстрое потепление климата. Примерно 7—8 тыс. лет назад климат был теплее, а некоторые субтропические и теплые умеренные пояса влажнее, чем сейчас. Это привело к развитию культуры Северной Африки, Среднего Востока и долины Инда. Скотоводство, охота и земледелие развивались в местах, которые когда-то были пустынями и засушливы теперь.
Около 4 тыс. лет назад в северном полушарии началось похолодание. Климат высоких широт стал более суровым, многие субтропические области превратились в пустыни. Это привело к исчезновению многих культур, в частности в Сахаре, Аравии, Раджахстане, в долине Инда. Ряд цивилизаций переместились на возвышенности и в долины рек Тигра, Евфрата и др. В последнее тысячелетие климат стал более или менее устойчивым, но в VIII—XII вв. отмечалось потепление, в XIV—XIX вв. — похолодание, а в начале XX в. климат вновь потеплел.
Третьим соображением является то, что наука располагает более надежными данными о климате последних нескольких десятков тысяч лет, а для голоцена имеется даже ряд архивных и летописных источников. Палеоклиматические исследования в последние годы шли по пути использования косвенных данных для восстановления состояния поверхности суши, ее ландшафта, растительности, орографии, температуры поверхности океана. Эти показатели характеризуют такие параметры климатической системы, как альбедо поверхности, ее тепловые свойства, теплообмен атмосферы с подстилающей поверхностью суши и океана, уровень океана, положение ледников и др. С помощью математических моделей общей циркуляции атмосферы можно реконструировать режим климатической системы с учетом перечисленных и некоторых других внешних параметров климатической системы для различных месяцев.
Геологам, археологам, палеогеографам и другим специалистам удалось восстановить основные характеристики подстилающей поверхности ледникового периода (рис. 3). Рис. 4 иллюстрирует разность температур поверхности Мирового океана для августа в период последнего максимального оледенения, около 18 тыс. лет назад, и в современную эпоху. Как видно из рисунков, расхождения с современными условиями существенные. Уровень океана был примерно на 85 м ниже, чем теперь, температура океана в среднем на несколько градусов, а местами в Атлантике на 10° ниже, ряд континентов покрыт ледовым панцирем, альбедо поверхности также было иным. Камни, лед и песок занимали 40 млн. км2 (в настоящее время — 24 млн. км2), тундра и альпийские сообщества — 20 млн. км2 (в настоящее время — 8 млн. км2), пустыни и полупустыни — 12 млн. км2 (в настоящее время — 18 млн. км2). Общая площадь под лесами, кустарниками, саванной и другими сообществами была такой же, как сейчас.
На основании этих данных были выполнены серии численных экспериментов с тремя типами моделей общей циркуляции атмосферы, разработанными в США. В первой серии экспериментов моделировался характер средних климатических условий на земном шаре для летнего вегетационного и зимнего периодов ледниковой эпохи. В результате оказалось, что для летнего периода средняя температура у поверхности была меньше на 5,3 в северном и 4,5° С в южном полушариях, чем теперь, облачность соответственно меньше на 2,9 и 2,2%, количество осадков меньше на 8,3 и 3,9 мм, среднее давление в северном полушарии было меньше на 8,7 мб, а в южном на такую же величину больше. Была ослаблена средняя зональная циркуляция в южном полушарии. Более подробные характеристики климата содержатся в табл. 1.
Рис. 3. Основные характеристики подстилающей поверхности ледникового периода (по В. Гейтсу и др., 1976) Изотермы — в °С, высоты — в м, положение ледников заштриховано
Рис. 4. Разность температур поверхности Мирового океана ледниковой и современной эпох (по В. Гейтсу в др., 1976).
