Занимательная климатология

Когда возник климат на Земле? По современным представлениям, после того как недра планеты вновь стали разогреваться и в них стали образовываться конвективные потоки - глубинные «реки», переносящие тепло. В это время сквозь расплавленные участки земной коры на ее поверхность стали поступать различные газообразные соединения. Удерживаемые силами гравитации, они и дали начало первой атмосфере.

Представители альтернативной точки зрения считают, что атмосфера произошла из того первичного газообразного материала, который сохранился вблизи земной поверхности после образования земной коры, мантии и ядра. В настоящее время многие все же склоняются к первой гипотезе, так как в противном случае, считают они, любая первичная атмосфера, какой бы она ни была, не смогла бы удержаться вблизи планеты ввиду того, что гравитационные силы ее еще были весьма слабыми.

Первичная атмосфера состояла из смеси углекислого газа, аммиака, азота, водяного пара, водорода, соединений серы и паров сильных кислот. Абсолютно преобладали первые три из перечисленных газов. Предположение о составе атмосферы, возникшей после выплавления глубинного вещества, требовалось еще подтвердить. Если оно верно, то состав газов, выделяющихся при извержении современных вулканов, должен быть однотипен с составом древней атмосферы. Оказалось, что так оно и есть. Более того, в древних изверженных горных породах иногда сохраняются странные мелкие пустоты, похожие на окаменелые пузырьки. У геологов возникла мысль, не заполнены ли эти пустоты тем газом, который выделялся во время древних извержений. Профессор Ю. П. Казанский провел анализы и блестяще подтвердил эту идею. Он определил химический состав газовых включений в изверженных породах различного возраста и тем самым не только установил состав древнейшей атмосферы, но и проследил ее эволюцию.

Итак, вернемся к климату той эпохи, когда возникла атмосфера. Абсолютное преобладание в ней углекислого газа и высокое содержание водяного пара способствовали тому, что такая атмосфера легко пропускала солнечные лучи, но задерживала мощный тепловой поток, идущий от Земли. В конце концов это привело к сильному возрастанию приземных температур, которые нередко достигали порядка 500° С. Аналогичные температуры в настоящее время характерны для поверхности Венеры.

В дальнейшем в связи с постепенным уменьшением количества углекислого газа, аммиака и водяного пара в атмосфере и появлением других газов так называемый парниковый эффект пошел на убыль. Температуры на земной поверхности стали снижаться. Это, в свою очередь, способствовало конденсации паров воды. Возник новый компонент климатической системы - гидросфера. С образованием гидросферы начался качественно новый этап развития органических веществ. С одной стороны, вода стала той первой средой, в которой родилась и развивалась жизнь, а с другой,- она служила основой формирования осадочных горных пород.

Первые микроскопические организмы возникли немногим более 3,8 млрд. лет назад. Следы их недавно обнаружены в горных породах под большим увеличением. Но сказать что-либо об условиях существования этих первых организмов пока очень и очень трудно. Американские геохимики Л. П. Кнот и С. Эпштейн провели анализы кремнистых пород, которые образовались за счет деятельности микроорганизмов, в частности мельчайших синезеленых водорослей, около 3 млрд. лет назад. На основании содержания в них изотопов кислорода, дейтерия и водорода они высказали мысль о том, что на Земле в то время температуры вод достигали не менее 70°С. На первый взгляд величина фантастическая. Отсюда, несомненно, возникает мысль о наличии горячего, если не кипящего, океана. Но надо учитывать, что тепловой поток, идущий из глубин Земли, тогда был значительно мощнее, чем сегодня. Земная кора была тоньше, а значит, чаще и легче проплавлялась. Кроме того, совершенно иными были состав и плотность атмосферы. Ее большая плотность и высокое содержание углекислоты создавали высокий парниковый эффект и обусловили более или менее равномерное распределение температур на земной поверхности.

Довольно неуютным для живых существ было это время. Плотная бескислородная атмосфера, непрерывно раскалывающаяся сильнейшими землетрясениями поверхность планеты, к тому же часто подверженная проплавлению, огромные потоки изливающегося глубинного расплавленного вещества и непрерывно выделяющиеся из недр газы. Даже в воде нельзя было найти спасения, если бы в то далекое время туда попали современные организмы. Вода постоянно вскипала. В такой обстановке могли существовать лишь немногие микроорганизмы. Подобные формы жизни обнаружены недавно в горячих вулканических источниках - гейзерах в областях современной активной вулканической деятельности, в частности на Камчатке и в Исландии. Оказалось, что в воде, насыщенной различными газами, даже с температурой около 100° С целый ряд микроорганизмов живет и хорошо развивается.

Время неумолимо шло вперед. Внутренняя активность планеты постепенно затухала. Все меньше и меньше из глубин выделялось аммиака и углекислого газа, то, что находилось в атмосфере, расходовалось на процессы окисления и использовалось микроорганизмами на образование кремнистых и карбонатных горных пород. Возможно, в связи с этим и началось понижение температуры на земной поверхности. По геологическим масштабам оно произошло просто стремительно, и уже 2,5-2,6 млрд. лет назад настолько сильно похолодало, что на Земле началось первое оледенение.

Изучая возникшие в тот период напластования горных пород, геологи не раз обращали внимание на присутствие в них образований, похожих на современные морены. Это были хорошо окатанные и отполированные отдельные валуны и скопления галек очень твердых пород с многочисленными штриховками и шрамами, которые могли быть нанесены только острыми краями горных пород, впаянных в лед. Довольно часто такие породы покоятся на отполированной поверхности, напоминающей собой выпаханные льдом русла или долины. Все это свидетельствовало о ледниковой природе горных пород и рельефе, но в то же время противоречило господствующему мнению о существовании в то далекое время очень теплого климата.

Тщательное изучение следов оледенения в докембрии привело к тому, что были найдены неопровержимые доказательства наличия в глубокой древности обширных ледниковых покровных оледенений. В Канаде и на Аляске были обнаружены три толщи древнейших морен, разделенные горными породами, которые могли образоваться только в условиях значительно более теплого климата. Получалась довольно невероятная картина. Как будто бы древнейшее оледенение развивалось стадийно и в какой-то мере напоминало оледенение четвертичного периода. Те же ледниковые эпохи, разделенные потеплениями, или межледниковьями, но значительно большей продолжительности. А ведь эти два оледенения разделяет время в 2,5 млрд. лет. В дальнейшем древние морены (их геологи называют тиллитами) были обнаружены в Карелии, Индии и даже в Западной Австралии.

Холодная эпоха длилась довольно долго. Затем температуры на Земле повысились, льды растаяли, уровень Мирового океана поднялся и вновь наступила благоприятная пора, сопровождающаяся расцветом микроорганизмов и синезеленых водорослей.

Животные и растения. Папоротниковые, хвойные, широколиственные и вечнозеленые леса. Беспозвоночные суши и моря. Рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и млекопитающие. Все они живут и развиваются, рождаются и умирают в определенных природных условиях, которые мы называем окружающей средой. Температура воды и воздуха, соленость и газовый режим морского бассейна, химический состав воздуха. Эти и многие другие факторы оказывают влияние на жизнедеятельность организмов. А нельзя ли по степени реакции организмов на те или иные факторы попытаться определить их значения, столь необходимые для реконструкции природных условий прошлого? Не только интересно, но и очень важно знать климат далекого геологического прошлого. Длительное время для реконструкции климатов прошлого геологи пользовались методами, которые раскрывают качественную картину. Главную роль здесь играл вещественный состав осадочных горных пород. Наличие среди горных пород углистых прослоев свидетельствует об образовании их в условиях теплого влажного климата, а если имеются слои солей, гипсов или ангидритов, то по аналогии с современными можно считать, что они возникли в жарком засушливом климате. Таких индикаторов климата довольно много. Но важно было знать температурные условия, существовавшие в геологическом прошлом.

Определить температуры сегодняшнего дня или ночи довольно просто. Высоко в горах, в городах и сельской местности, в тайге и тундре, в ледяных пустынях Антарктиды и на дрейфующих полярных станциях ведутся непрерывные наблюдения за погодой. Приборы все время фиксируют температуры, влажность воздуха, скорость ветра, солнечное излучение и ряд других метеорологических элементов. Просторы океанов бороздят корабли науки. Ученые следят за морскими течениями, температурой различных слоев воды, изучают места возникновения циклонов и определяют их направления. В определенных точках Мирового океана устанавливаются специальные буи с самозаписывающимися приборами и автоматически передающими сведения метеорологического характера через спутники в определенные научные центры. В атмосферу запускаются метеорологические ракеты и зонды, пилотируемые и автоматические космические корабли непрерывно следят за погодой на Земле. И все это делается только для того, чтобы полнее раскрыть современный климат нашей планеты, чтобы определить погодные условия на тех или иных участках земной поверхности и дать краткосрочные и долгосрочные прогнозы погоды. Ведь все это очень важно для человека, для нашей хозяйственной деятельности.

А как быть с прошлым? Близким и далеким. Можно ли каким-нибудь образом определить температуру, влажность, количество атмосферных осадков для времени, отстоящего от настоящего на десятки и сотни миллионов лет? Задача очень трудная, но, как оказалось, вполне выполнимая.

Температуру и влажность геологического прошлого определяют по целому ряду косвенных признаков ископаемых находок. Но такие качественные определения климатов прошлого основаны на неукоснительном применении принципа актуализма. Как в современном мире, так и в геологическом прошлом пальмовые и все вечнозеленые деревья произрастали только в тропическом или экваториальном влажном климате. В таком же климате жили крокодилы и бегемоты, слоны и удавы. Ведь невозможно представить этих животных без воды, в пустыне или в условиях снежной зимы. Значит, если мы находим отпечатки нежных побегов и листьев вечнозеленых деревьев и скелеты этих животных, то имеем полное основание сказать, что температуры этого участка земной поверхности в то время, когда жили эти животные или росли деревья, должны были быть высокими, по крайней мере не ниже 22° С. О такой же температуре свидетельствуют находки в ископаемом состоянии рифов, как барьерных, так и атолловых. Ведь современные кораллы, которые построили эти удивительные и грандиозные сооружения, живут только в прозрачной и очень теплой воде. О теплых условиях свидетельствуют и пласты каменных солей и гипса. И наоборот, о холодных условиях свидетельствуют находки остатков мамонтов и животных, имевших волосяной покров, растений, выдерживающих большие температурные колебания, например мхов, лишайников. Очень ценные сведения о холодном климате прошлого дают нам сохранившиеся в ископаемом состоянии конечные и боковые морены, валуны, на которых сохранились штрихи, оставленные движущимся льдом, своеобразные булыжные мостовые и отполированные поверхности, по которым перемещался ледник, осадки приледниковых озер.

Эти и многие другие признаки позволяют палеоклиматологам узнать о том, каким был климат в геологическом прошлом. Но при реконструкциях палеоклиматологи пользуются только качественными характеристиками. Тепло или холодно было много миллионов лет назад? Или не очень. Был ли климат похожим на современный тропический или на умеренный? Был он влажный или очень засушливый? Вот, пожалуй, и все предполагаемые характеристики. Но ведь для того, чтобы представить климат прошлого, а тем более сравнить его с современным, это до обидного "мало. Да и сравнения не всегда бывают объективными.

Долгое время пытались определить абсолютные температуры геологического прошлого. Но всякий раз попытки оказывались неудачными. Но вот в начале 50-х годов XX в. американский ученый Г. Юри оповестил научный мир об открытии «геологического» термометра. Это, конечно, не означало, что изобретен какой-то необыкновенный прибор, похожий на всем известный градусник, который можно приложить к земным слоям и узнать температуру воздуха или воды в далеком прошлом.

Известие об открытии заинтересовало многих. Его ждали. Надеялись. Да, действительно это был термометр, но уж очень своеобразный. Морские беспозвоночные живут в самых разных физико-географических обстановках. Одни свободно плавают, другие только ползают по дну, третьи прикрепляются к неподвижным предметам на поверхности дна, четвертые всверливаются в каменистое дно или в прилегающий скальный берег. Одни могут жить в воде только нормальной солености, другие предпочитают пресную воду. Одни живут в холодной воде, а другие только в теплой. Но все морские беспозвоночные, фильтруя воду, поглощают кислород, выуживают из воды питательные вещества, в том числе и целый ряд химических элементов. Некоторые из них организмы используют для постройки раковин. В морской воде, кроме самых различных химических элементов и соединений, находятся и изотопы кислорода. В природе их существует три. Они имеют атомный вес 16, 17 и 18. Самым распространенным изотопом является изотоп кислорода с атомным весом 16. Он всем хорошо известен. А вот тяжелый изотоп кислорода с атомным весом 18 встречается довольно редко. Но он обладает одной примечательной способностью: чем выше температура морской воды, тем больше в ней находится тяжелого изотопа кислорода.

Г. Юри провел большое число экспериментальных работ и установил, что каждый организм строит свою карбонатную раковину и при этом в ней всегда практически неизменным сохраняется то самое соотношение изотопов кислорода, которое свойственно морской воде при определенной температуре. Самое примечательное состоит в том, что концентрация изотопов кислорода, приобретенная карбонатной раковиной живого организма, без потерь сохраняется и после смерти животного. И не только это. Соотношение изотопов кислорода не изменяется и после захоронения раковины в толщах глин, песков и известняков.

Главная трудность заключалась в точном определении количества изотопов кислорода, которые находились в раковинах в очень небольших количествах. Это можно было сделать с помощью прибора, известного под названием масс-спектрометра.

В начале исследования были определены температуры по соотношению изотопов кислорода (этот метод носит название изотопного) по раковинам организмов, которые ныне живут в морских бассейнах в разных климатических зонах и на различной глубине. Это давало возможность следить за изменением соотношения изотопов кислорода в морской воде и в раковинах организмов в зависимости от температурного фактора и каждый раз вносить определенные коррективы. На основании этого были составлены предварительные таблицы или шкалы изменения соотношения изотопов кислорода в зависимости от температурного режима. Были осуществлены и определенные экспериментальные работы. Искусственно изменялась температура морской воды в аквариумах и проводились наблюдения за изменением изотопов кислорода в раковинах беспозвоночных.

После того как метод изотопной палеотермометрии всесторонне был проверен на современных беспозвоночных, были предприняты попытки определить температуры по соотношению изотопов в раковинах ископаемых моллюсков.

Эффект полученных температур превзошел все ожидания. Многих цифры ошеломили своей точностью, но все-таки выглядели очень неправдоподобно. Нет, никакого подлога не совершалось. Просто сами исследователи давали пищу для недоверия. Нередко в научной статье или в солидной монографии можно было встретить такие цифры. Допустим, в каком-нибудь периоде или геологическом веке, отстоящем от современной эпохи на десятки миллионов лет, оказывалось, что средние температуры составляли 15,3° С, не 15 или 16° С, а именно 15,3. Вот такая точность для столь отдаленного времени вызывала сомнения и даже недоумение. Ведь такой точности мы не можем достичь сегодня, имея для наблюдений самые современные приборы. А здесь для столь далекого времени дается такая точная цифра.

Такие результаты давали основание любому здравомыслящему человеку высказывать определенные сомнения в правильности метода. А не лежит в основе такой точности недобросовестность исследователя? А может, имеет место и подтасовка фактов? Или желаемое выдается за действительное? Такие и подобные недоуменные вопросы возникали очень часто.

На самом деле температуры с десятыми долями градусов получались довольно просто. Десятки определений температур для одного и того же пункта и возраста, полученные по раковинам различных организмов, суммировались и рассчитывались средние арифметические значения. Стремясь к объективности, авторы публикаций работали себе во вред. Надо было быть объективным до конца и писать о температурах прошлого, давая крайние значения. Примерно таким образом. Средние температуры среды обитания такого-то организма изменялись в пределах 12-16° С. Этого было бы вполне достаточно, чтобы судить о температурах прошлого, сравнивать эти значения между собой и сопоставлять с современными.

Изотопный метод определения древних температур довольно сложен и трудоемок. Его можно проводить только в тех лабораториях, где имеются масс-спектрометры. Это обстоятельство в какой-то мере ограничивало применение метода. Надо было искать другой, доступный и легкий в производстве, метод определения температур водной среды геологического прошлого.

Известный советский палеогеограф и геолог, ленинградский ученый Александр Васильевич Хабаков первый предложил и обосновал так называемый магнезиальный метод определения температур древних морских бассейнов. Тщательное изучение работ биохимиков дало многое для открытия нового метода. Среди морских беспозвоночных, так же как и среди других групп животных, имеются формы, которым безразлично, при каких температурах им жить. Они могут жить и в холодной и в теплой воде, но главное, чтобы в ней содержалось необходимое количество питательных элементов и кислорода. Жизнедеятельность стенотермных форм протекает только при определенной температуре. Например, ни одно морское беспозвоночное, составляющее сложный биоценоз, допустим, на Багамской банке или на Большом барьерном рифе, не способно жить в водах Северного или Баренцева моря. Точно так, как и моллюски, привыкшие к жизни в прохладных водах, не могут жить в тропиках. Но этого мало. Необходимо было обнаружить другие признаки. Еще в 20-е и 30-е годы XX столетия было замечено, что в раковинах одного и того же вида беспозвоночных, начиная от экваториальных вод и кончая полярными формами, изменяется количество карбоната кальция, а значит, и сильно меняется толщина самой раковины. В теплых водах обычно живут организмы с толстой раковиной, а в полярных морях раковина у беспозвоночных тонкая. Этот признак все-таки довольно шаткий. Но он пригоден для подтверждения или отрицания полученных температур как косвенный метод, но как самостоятельный метод существовать не может.

А. В. Хабаков убедился в наличии одного примечательного явления. Концентрация растворенных в морской воде химических элементов и соединений, среди них кальция, магния, стронция и некоторых других, зависит от температурных условий. Чем выше температура воды, тем больше в ней растворено магния и стронция, но меньше углекислого газа. Поэтому в теплой воде легко осаждаются карбонаты кальция, обогащенные магнием. Но надо помнить, что организмы при постройке своей раковины всегда извлекают из воды те элементы, которые в ней имеются, и причем соотношение этих элементов всегда одинаковое.

Много сложностей пришлось преодолеть, провести большое число экспериментов, прежде чем удалось получить первые обнадеживающие результаты. Оказалось, что, определяя обычным химическим методом содержание кальция и магния в карбонатных раковинах, можно узнать не только качественные характеристики морской воды, но и количественные значения. Температуры удавалось определить не только по скелетным образованиям древних головоногих моллюсков, имеющих торпедо-образную форму тела (белемниты), но и по многим раковинам двустворчатых моллюсков, кораллам, мшанкам, брахиоподам и даже по микроскопическим одноклеточным животным - фораминиферам и нанопланктону.

Оказалось, что температуры можно установить не только по остаткам ископаемых животных, которых встретить можно не везде и не всегда, но и по существенно органогенным известнякам, т. е. горным породам, которые практически целиком состоят или из обломков раковин вымерших беспозвоночных, или слагаются микроскопическими раковинками одноклеточных форм.

В настоящее время как изотопным, так и магнезиальным методом установлены температуры поверхностных и придонных участков древних морских бассейнов вплоть до начала фанерозоя, т. е. почти за 570 млн. лет.

Цифры привлекают. Цифры завораживают. Но возникает закономерный вопрос: а все-таки действительно ли они отражают температурный режим геологического прошлого? Полученные температуры проверялись и проверяются геологическими данными, и практически не было случая, чтобы они противоречили им. Как ведется проверка? Объективная проверка проводится путем сопоставления полученных температур с реконструированным растительным покровом суши или биоценозом наземных и морских животных, по степени преобразования горных пород и по вещественному составу накопившихся горных пород.

Современная средняя глобальная температура на Земле составляет 14,3° С. Давайте сравним ее с температурами прошлого. В истории Земли были периоды, когда было холоднее, чем в настоящее время, но были и эпохи, когда средняя глобальная температура достигала 22-26 °С. Означает ли это, что в прошлом на экваторе было не 26-28 °С, а в 2 раза и более теплее, чем ныне. Ни в коей мере. На экваторе даже в очень далекие времена температура мало чем отличалась от современной. Просто ширина экваториального и тропического поясов в 2 с лишним раза была больше, а на полюсах отсутствовали ледяные шапки.

В одной из своих работ известный советский палеоботаник С. В. Мейен впервые употребил новое словосочетание - вымерший климат. Мы все привыкли к таким выражениям, как «вымершие животные» или «вымершие растения», и хорошо себе представляем, что некогда такие организмы жили на Земле, но в определенное время исчезли. Но мы никогда не употребляем слово «вымерший» по отношению к объектам неживой природы. Ведь, действительно, нельзя сказать «вымерший известняк» или «вымерший гранит». И в древности, и сейчас они одинаковы по составу и строению. А вот вымершие животные действительно совсем не похожи на современных. Мы также никогда не употребляем слово «вымерший» по отношению к ландшафтам. Никогда не говорим: вымершая гора, а произносим: исчезнувшая. Вероятно, нам стоит, как предлагал С. В. Мейен, проанализировать и составить список вымерших и вымирающих объектов живой и неживой природы. Вот в таком абстрактном списке достойное место займут и вымершие климаты.

Когда мы читаем древнюю историю Земли и встречаем упоминание о древнем климате, то невольно перед нами возникают картины, почерпнутые из современной физической географии. Если речь идет о тропиках, то перед нами разворачивается панорама вечнозеленой влажной тропической растительности, дремучие и непроходимые леса, джунгли, перевитые лианами деревья. Одни деревья отцветают, другие плодоносят. Сезонов практически нет. Вечная весна или лето. Когда речь заходит о холодном полярном климате геологического прошлого, то перед читателями возникают картины ледяного безмолвия Гренландии и Антарктиды, ужасающей силы ураганов, ледяных трещин и торосов Северного Ледовитого океана. Так современная ландшафтно-климатическая зональность ассоциируется с климатами прошлого.

Но ведь тропические или иные типы климата прошлого не могли быть точной копией современных или в силу разных обстоятельств могли абсолютно отличаться от современных. Занимаясь проблемами восстановления климатов прошлого, мы все чаще сталкиваемся с подобными вопросами. С одной стороны, чтобы воспроизвести климат геологического прошлого, надо умело воспользоваться теми индикаторами, которые сохранила до наших дней природа. С другой стороны, возникали новые трудности. Например, как называть древние климаты, полученные на основе реконструкций? Действительно ли это тропический, субтропический и иные типы климата, так хорошо знакомые нам?

Говоря о древних климатах, академик Н. М. Страхов всегда подчеркивал, что субтропический климат далекого прошлого никоим образом не был похож на современный. Он просто напоминал современный субтропический, но отличался тем, что в прошлом не существовало четко разграниченных сезонов года. Древние умеренные климаты тоже не имели ничего общего с современными, а больше напоминали субтропический. Но ведь так легко запутаться. Запутаться самому и запутать читателя. Описывая тот или иной тип климата, давая ему название, надо всегда действовать с оговоркой. Получалось так, что нередко специалисты говорили между собой на разных языках. Одни под тропическим климатом понимали одно, другие - другое. В таком хаосе необходимо было разобраться.

Климатическая зональность на нашей планете существовала всегда. Она предопределена шарообразной формой Земли и наклоном оси ее вращения. Но в различные геологические эпохи зональность выражалась по-разному: в одни - резче, в другие - слабее. Со временем климатическая зональность менялась. Во время потеплений, как, например, в мезозойскую эру, ширина тропического пояса была в 2 с лишним раза больше современного. Далеко за Полярным кругом температуры были точно такими же, как и сейчас в субтропическом поясе.

С наступлением похолодания ширина климатических поясов сокращалась. Суживались тропические и субтропические пояса, все сильнее смещаясь в сторону экватора. Появлялись пояса умеренного и холодного (полярного) типа климата, которые по своим метеорологическим характеристикам мало чем отличались от современных. Сейчас уже ни у кого не вызывает удивления и сомнения тот факт, что в отдельные геологические эпохи на всей Земле существовали безморозные климаты. Так было и в очень далеком прошлом, сотни миллионов и миллиарды лет назад, так было и по геологическим меркам совсем недавно, несколько десятков миллионов лет.

В раннем карбоне, около 300 млн. лет назад, даже в тех районах, где находился в то время Северный полюс, произрастала растительность. Здесь росли не какие-то угнетенные растения типа современных карликовых стелющихся форм или лишайников, а настоящие деревья и кустарники. Советский ученый С. В. Мейен реконструировал лесную растительность этого времени по отпечаткам листьев и веточек деревьев, которые очень хорошо сохранились в ископаемом состоянии. В отличие от своих тропических собратьев арктические плауновидные деревья не имели раскидистой кроны. Ландшафт на полюсе и в приполярных районах был довольно странным. У всех деревьев отсутствовали так хорошо нам знакомые кольца нарастания. Ведь они свидетельствуют о смене времен года. А раз их нет, то и нельзя говорить о значительных изменениях температурного режима по сезонам года. Лето и зима очень похожи друг на друга по температурному режиму.

Но вот что интересно. В горных породах этого возраста, которые образовались в полярных районах, довольно часто встречаются растительные остатки, но нет ни одной косточки наземного животного, ни даже крылышка какого-нибудь насекомого. Это немного настораживает, так как не может идти ни в какое сравнение с буйством растительного покрова в тропических и экваториальных широтах. Здесь высота деревьев достигала 30-40 м. Непроходимые заросли кустарников, деревья с необычайно широкими кронами. Объем растительной биомассы на экваторе и в тропиках несообразно огромен. Здесь в широких масштабах происходило накопление пластов каменного угля. Эти пласты образовались не только по берегам озер и морей, т. е. в наиболее увлажненных и низменных участках земной поверхности, но и довольно далеко от них в межгорных впадинах и внутриконтинентальных низменностях. Все это было в экваториальных и тропических широтах. А в высоких широтах накопление пластов угля происходило очень медленно. То ли растительности было маловато, то ли более интенсивно происходил смыв песков и глин с окружающих долины рек и озер возвышенностей.

О таком своеобразном климате высоких широт в раннем карбоне действительно можно говорить как о вымершем. С. В. Мейен назвал его высокоширотным аридно-безморозным. Все здесь более или менее понятно, за исключением слова «аридный», которое означает засушливый. Действительно, районы развития такого типа климата испытывали определенный дефицит влаги.

Ввиду того что имеется определенное своеобразие климатов прошлого, некоторые ученые предлагают называть их не так, как современные, и употребить для названия характерную растительность. Так поступал в отношении современных климатов, давая их классификацию, крупнейший климатолог конца XIX и начала XX в, В. Кеппен. Так поступал и советский академик-географ Л. С. Берг. Они выделяли климат березы, климат сосны, климат фуксии, климат пальмы и т. д. Но если все это было достаточно четко для современной эпохи, так как трудно встретить человека, который не знал бы характерные особенности широко распространенных деревьев, то как же быть с растительностью, которая произрастала в прошлом, а ныне вымерла. Как можно говорить о климате вымерших растений, если широкий круг людей не только не представляет их облика, но и не знает об условиях их существования.

И если можно говорить о климатах древесных сообществ в современную эпоху, но нельзя этого делать для геологического прошлого. «Вымершие климаты» должны получить характеристику на метеорологической основе. Так будет точнее и объективнее.

Вот один из примеров «вымершего климата», существовавшего всего 30-35 млн. лет назад. Тогда на нашей планете было так же тепло, как и в далеком мезозое. Тропический пояс охватывал всю Европу и некоторые районы Сибири. Лед и многолетний снег, возможно, имелись только на самых высоких горных массивах, но на Северном и Южном полюсах располагались незамерзающие моря. Зима почти не отличалась от лета. Только было немного прохладнее. В то время на островах Канадского Арктического архипелага и на Шпицбергене, которые находятся далеко к северу от Полярного круга, росли деревья. Самые настоящие леса из широколиственных, среди которых нередко встречались и вечнозеленые формы. Эти ландшафты напоминали современные субтропики. Среди угольных пластов, которые образовались в то время, встречаются не только хорошо сохранившиеся отпечатки нежных листьев и побегов, но и кости и даже целые скелеты аллигаторов, черепах, змей. Все эти животные не переносят холода. Это дает нам основание наряду с другими специфическими палеогеографическими данными считать, что климат в высоких широтах в то время был похож на современный субтропический.

Пока остается загадкой один немаловажный факт. Как могли широколиственные деревья расти далеко за Полярным кругом. Конечно, было очень тепло, но ведь Солнце в высоких широтах, так же как и сейчас, на долгие месяцы скрывалось за горизонтом. Наступала теплая длинная арктическая ночь. Пальмовые рощи, гигантские секвойи, плауновидные и папоротниковые деревья по нескольку месяцев стояли в полной темноте. Такой фантастический ландшафт трудно себе представить, но еще сложнее объяснить.

Как в течение долгого времени растительность могла обходиться без солнечного света, а значит, и без процессов фотосинтеза? Вероятно, для растительности длительная многомесячная ночь играла ту же роль, что и зимние сезоны ныне. Жизненные процессы на некоторое время ночью затихали. Растения впадали в своего рода анабиотическое состояние. С первыми лучами солнца растительность пробуждалась и далеко на севере начиналось буйное цветение.

На Антарктическом континенте долгое время отсутствовал ледяной покров. В это трудно поверить. Как могла обходиться без ледников Антарктида? Лед возник в горных районах Антарктиды около 20-25 млн. лет назад. В мезозое этот континент покрывали густые леса, а на лугах паслись гигантские животные - бронтотерии, сумчатые. Просторы Антарктиды очень напоминали современные саванны Африки.

Ныне Австралию называют континентом сумчатых, но они появились не здесь, а проникли из Южной Америки. Более 30 млн. лет назад Южная Америка, Антарктида и Австралия были объединены в единый материк, и транзитный путь миграции животных из Южной Америки в Австралию пролегал через Антарктиду. Именно на последнем, там, где из-под льда выступают скальные породы, были обнаружены скелеты сумчатых.

Около 25 млн. лет назад материки Южного полушария вновь оказались в высоких широтах и сработала система глобального холодильника, когда в районе Южного полюса появилась суша и Южное полушарие стало выхолаживаться. Но какая же существует связь между появлением суши на полюсе и похолоданием? Поверхность суши отражает лучи солнца во много раз сильнее, чем морская вода. Напомним, что Мировой океан, по сути дела, представляет собой глобальный аккумулятор тепла. Мировой океан медленно нагревается и, очень медленно остывая, отдает тепло. Суша же, наоборот, быстро нагревается и быстро остывает. Похолодание усиливалось еще одним обстоятельством. Вначале между Антарктидой и Южной Америкой появился узкий пролив. Затем пролив возник между Австралией и Антарктидой. Проливы расширились, и образовалось круговое, так называемое Циркумантарктическое, течение. На него слабо воздействовали теплые течения, идущие с экватора. Круговое течение и высокая отражательная способность суши, с которой постепенно исчезала растительность, медленно выхолаживали материк. Появился ледяной покров. Он еще больше усилил отражение. Солнечные лучи практически полностью отражались от белой зеркальной поверхности льда, почти его не нагревая. Температуры понижались, а ледник продолжал расти.

Южное полушарие все сильнее оказывало воздействие на Северное. В Исландии и Ирландии первые ледники появились сравнительно недавно, всего 2-2,5 млн. лет назад. Арктический морской бассейн стал покрываться льдом, и с этого момента его с полным основанием уже можно было называть Северным Ледовитым океаном.

Откуда же бралась вода для таких мощных ледниковых покровов? Ведь площадь, занятая льдом всего 1 млн. лет назад, была по крайней мере в 2-3 раза больше современной. Вода изымалась из Мирового океана. И его уровень неуклонно понижался. Уменьшались глубины, осушались обширные шельфовые участки. Это, в свою очередь, влияло на распределение поверхностных теплых и холодных течений.

Во время оледенения прекращали свой стремительный бег реки, застывали озера. Ледники поглощали цветущие ландшафты. Всего 18 тыс. лет назад почти вся Западная Европа, вплоть до побережья Средиземного моря была покрыта ледником. Ледник покрывал территорию верхней Волги, верховья Днепра и Дона. Но в Сибири льда было очень мало. Просто не хватало влаги для образования снега. Но из-за низких температур, которые опускались ниже минус 60°, поверхность Земли промерзала очень глубоко. Остатки этой многолетней мерзлоты мы сейчас встречаем в Сибири.

Изучая историю Земли и ее климат, геологу каждый раз приходится решать сложные задачи, расшифровывая страницы каменной летописи, по крупицам собирать разрозненные факты. На первый взгляд кажется верным, что материки, на которых мы живем, достаточно стабильны, прочны и неподвижны. Однако вот уже несколько десятилетий все большее число фактов свидетельствует о том, что материки хотя и очень медленно, но перемещаются один относительно другого. Например, в далеком прошлом, в палеозойскую эру, около 300-400 млн. лет назад, Северная Америка, Западная, Восточная Европа и Сибирь находились в тропических широтах, а современные материки Южного полушария составляли единый крупный материк, названный Гондваной. Часть этого материка находилась в тропических широтах, но значительные территории располагались в высоких широтах, вокруг Южного полюса.

Людям, привыкшим считать, что окружающий мир незыблем и практически не меняется, в это трудно поверить. Но многие природные процессы протекают настолько медленно, что их просто невозможно уловить. Медленно разрушаются горы, поднимаются возвышенности, образуются глубокие ущелья, появляются и исчезают реки, моря наступают на континенты.

А как нам быть с дрейфом материков? Движутся ли они или неподвижно стоят на своих местах? Да и почему возникло такое - дрейф материков и климат Земли? Есть ли что-нибудь у них общее? На протяжении долгого времени в науке безраздельно господствовала гипотеза о неизменном положении континентов и океанов. Считалось, что материки, возникшие сотни миллионов и миллиарды лет назад, никогда не меняли своего положения. Да и климат Земли если и менялся, то не так сильно.

Идея о движении материков приобрела широкую известность и популярность благодаря исследованиям немецкого геофизика и метеоролога, крупного полярного исследователя А. Вегенера. В начале XX в. А. Вегенер обосновал идею, согласно которой 250 млн. лет назад все современные материки были сгруппированы в один гигантский сверхматерик. Его он назвал Пангеей, т. е. всеобщая Земля. До Пангеи существовали два крупных материка. В Северном полушарии располагалась Лавразия, которая состояла из Евразии, но без Индостана и Северной Америки. В Южном полушарии располагался другой материк, названный Гондваной. Его составляли Южная Америка, Африка, Австралия, Антарктида и Индостан. Между Лавразией и Гондваной находился океан.

Такая реконструкция основывалась не только на наблюдаемом внешнем сходстве материков, но главным образом на сходстве органического мира и палеоклиматических данных. Обнаруженные на разных материках многие наземные позвоночные, пресноводные рыбы и земноводные, не говоря уже о растительности, не моглиперемещаться на значительные расстояния и тем более преодолевать океаны. Фауна и флора по обе стороны океана оказались практически одинаковыми, но с течением времени различие увеличивалось. Трудно объяснить их расселение, если не предположить, что когда-то материки были сближены.

Особенно убедительные данные о существовании Пангеи, Лавразии и Гондваны были получены А. Вегенером и его сторонниками после обобщения палеоклиматических данных. Многочисленные признаки или индикаторы холодного, полярного климата в виде тиллитов - сохранившихся форм ледникового рельефа имеются в Южной Америке, в южной части Африки, Индии, Австралии и Антарктиде. Трудно себе представить, каким образом могло возникнуть обширное покровное оледенение. Ведь абсолютное большинство материков ныне находится в экваториальных и тропических широтах.

Климатическая широтная поясность, столь характерная для современной эпохи вследствие шарообразности Земли, должна была существовать и в далеком прошлом. Но если представить, что материки во второй половине каменноугольного периода располагались бы так, как и ныне, то ни о какой широтной зональности говорить не приходится. Климатические зоны и области на каждом отдельно взятом материке никак не объединяются в пояса и располагаются мозаично. Имеются и парадоксальные случаи. Холодные климатические пояса, выделенные на картах современного положения материков, соседствуют с тропическими, а умеренные - с экваториальными. Но ведь такого в природе не должно быть.

Сторонники неизменного положения материков (их называют фиксистами, в отличие от мобилистов, которые доказывают перемещение материков) для объяснения этого парадоксального явления выставляли ряд аргументов. В частности, они говорили, что все материки, располагавшиеся в экваториальных и тропических широтах, могли обладать гористым рельефом. Именно большая высота обусловила появление ледниковых отложений. Значит, ледники были горными? Оказалось, что факты противоречат даже этому предположению. Нигде не были обнаружены признаки горного оледенения. Горные ледники ведь очень сильно отличаются от равнинных. Кроме того, как можно себе представить, чтобы обширные территории Южной Америки и южной части Африки, Индии и Австралии, расположенные в тропических широтах, имели бы высоты свыше 3500 м над уровнем моря, в то время как в высоких широтах должны были располагаться только низменности. Да и к тому же климат на этих территориях должен был быть сравнительно теплым. Гипотеза А. Вегенера давала вполне логичное, хотя и несколько фантастическое объяснение.

Однако, как иногда бывает в истории науки, после большой критики, причем довольно серьезной, так как при своей внешней простоте и наглядности гипотеза неверно объясняла механизм перемещения материков, интерес к ней быстро охладел. Казалось, что мобилизм был каким-то эфемерным эпизодом в геологическом прошлом и полностью обречен на бесплодие. Но многоплановое изучение дна Мирового океана привело к неожиданным открытиям, которые заставили вспомнить о гипотезе дрейфа материков и возвратиться к некоторым ее положениям.

Исследования показали, что земная кора неоднородна и слагается из нескольких крупных литосферных плит. Шесть из них составляют наши континенты: Евразийский, Североамериканский, Южноамериканский, Африканский, Австралийский и Антарктический. Две плиты находятся в пределах Тихого океана.

Возрожденная на новой основе гипотеза А. Вегенера получила название тектоники литосферных плит. Они не находятся в состоянии покоя, а медленно перемещаются с разной скоростью: от 0,5 до 14-18 см/год. Большой скоростью обладает Австралия, которая отплывает от Антарктиды на север.

Литосферные плиты, раскалываясь, отходят одна ст другой, и на месте возникшей трещины, а затем и впадины образуется океан. В его центральной части располагается протяженное поднятие - срединно-океанический хребет. Это место былого соединения двух соседних материков, а в настоящее время там периодически происходят раскалывание и внедрение в рифтовую долину расплавленного глубинного вещества. Так, в свое время образовался Атлантический океан, так произойдет через десятки миллионов лет с Красным морем. Аравийский полуостров вместе с Евразией «отплывает» от Африки и на этом месте возникнет обширный океан.

В других местах, дрейфуя, континенты сближаются и сталкиваются. Разделяющие их океаны исчезают и на месте столкновения возникают горные сооружения. Так образовались Альпы и Кавказ, Урал и Гималаи, Аппалачи и Карпаты. Кстати, Гималайские горы возникли на месте столкновения Индостанского полуострова (плиты) с Азией. Начав свой длительный дрейф, Индостан из Южного полушария переместился в Северное и около 20 млн. лет назад столкнулся с Азией. Движение Индостана на север продолжается и теперь, поэтому высота горных сооружений увеличивается.

На протяжении нескольких десятков миллионов лет сокращается Средиземное море. На этом месте ранее существовал крупный океан, названный Тетис. В результате последовательного сближения Африки и Евразии океан Тетис стал сокращаться в размерах, пока не превратился в известное нам Средиземное море. Столкновение Африканской и Евразиатской литосферных плит привело к образованию горных систем - Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Памира и гор Малой Азии.

В том случае когда сталкиваются океанские и континентальные плиты, как это в настоящее время происходит на востоке Евразии, более легкая океанская плита как бы ныряет под континентальную. В этом месте развивается вулканизм, возникают крупнейшие землетрясения, а горные породы, составляющие поверхность плит, попадая в глубинные зоны Земли, переплавляются.

Работами специалистов многих направлений было определено местонахождение всех известных нам континентов в тот или иной отрезок времени в геологическом прошлом. Но довольно непривычно увидеть на земной сфере перевернутую вверх ногами Южную Америку пли Индостан рядом с Африкой, как нынешний Мадагаскар, или соединенные воедино Антарктиду и Австралию, которые к тому же находились в экваториальных широтах. Все это интересно и важно. Но нас все-таки беспокоит вопрос о связи дрейфа материков и климата. Оказывается, что палеоклиматические исследования дают науке очень много. Во-первых, устанавливается причина климатических изменений в геологическом прошлом. Во-вторых, реконструкции древних климатических условий подтверждают или, наоборот, отрицают мобилистские построения. И в-третьих, создается основа для прогнозирования месторождений полезных ископаемых.

Допустим, что за все обозримое время величина солнечной радиации оставалась постоянной (предполагается,что она менялась не более чем на 1-5 %). Количество энергий, затраченное на нагревание нижней части атмосферы и поверхности нашей планеты, зависит от отражательной способности земной поверхности, называемой альбедо. Наименьшим значением альбедо обладает водная поверхность - Мировой океан, а альбедо суши изменяется от 0,15 (поверхность озер и лесов) до 0,9 (поверхность льда и снега). Это означает, что, допустим, от земной поверхности, покрытой льдом, 90 % солнечных лучей отражается обратно в атмосферу.

Моря и океаны, благодаря низкой величине альбедо и большой теплоемкости (вода медленно нагревается, но и также медленно отдает тепло, а солнечные лучи, многократно преломляясь, нагревают воду), способны долго удерживать приобретенное тепло. Они являются как бы естественным тепловым резервуаром нашей планеты, своеобразным аккумулятором тепла. Крупные области суши, наоборот, поглощают тепло, быстро нагреваются и также быстро охлаждаются. Но в отличие от Мирового океана поверхность суши отражает в несколько раз больше солнечных лучей. Поэтому, находясь в высоких широтах, области суши являются своего рода глобальными холодильниками.

По мере перемещения литосферных плит из экваториальных в полярные районы исходя из уменьшающегося радиационного баланса и высокой отражательной способности происходит похолодание. Поэтому на поверхности суши, находящейся в высоких широтах, формируются ледниковые покровы.

Наиболее динамичные климаты и резко выраженная климатическая зональность существовали в те периоды геологического прошлого, когда литосферные плиты, представляющие собой массивы суши, располагались в высоких широтах. Если в приполярных районах находились обширные морские бассейны, будь то эпиконтинентальные моря или океаны, а материки в это время располагались в низких широтах, то на планете устанавливался теплый климат. В такие периоды разница между приземными температурами на полюсах и на экваторе оказывалась минимальной и обычно не превышала 3-5°. В связи с этим скорость воздушных потоков и морских течений резко ослабевала.

Проведем несложный эксперимент. Нанесем на современную географическую карту различные индикаторы древнего климата и на, их основании проведем границы климатических поясов. Получится серия древних климатических карт, каждая из которых характеризует климат какой-то определенной геологической эпохи. Наблюдается довольно интересная картина. Широтная климатическая зональность, подобная той, которая вырисовывается в настоящее время более или менее удовлетворительно, намечается только для времени, отстоящего от современного не более чем на 40-50 млн. лет. Чем дальше в глубь истории, тем меньше сходства с современным климатом. На современной географической карте климатическая зональность, существовавшая 50-60 млн. лет назад, будет располагаться под углом 10-15 ° по отношению к современным широтам. Для времени 100- 150 млн. лет назад этот угол увеличивается до 30-50°, а для палеозоя границы климатических поясов простираются уже меридионально. Оказывается, что на каждом континенте климатическая зональность располагается своеобразно и соединить климатические границы двух соседних континентов не представляется возможным.

Стоит перенести реконструированную климатическую зональность на соответствующие по возрасту карты положения материков, составленные согласно теории тектоники литосферных плит, оказывается, что все климатические пояса и зоны простираются параллельно древним широтам, т. е. закон географической зональности полностью соблюдается. А это, в свою очередь, свидетельствует о достоверности научных положений теории тектоники литосферных плит.