Теплая биосфера

H.М. Чумаков

Известно что в истории Земли, на протяжении почти 2.5 млрд. лет, чередовались периоды ледникового и безледникового климата [1]. Последний резко преобладал, составляя суммарно более 80% фанерозойской геологической истории (последние 540 млн лет) и более 90% - протерозойской (от 2500 до 540 млн лет назад). Возникновение и исчезновение ледников на Земле, а точнее появление и исчезновение многолетней гляциосферы в составе биосферы, приводило к качественному изменению внутренней структуры биосферы и изменению хода многих экзогенных процессов в последней. Думается, что понимание свойств, прошлого и будущего биосферы невозможно без учета ее климатического состояния.

Здесь полезно остановиться на уточнении, казалось бы, известных всем терминов. Биосфера по представлениям В.И.Вернадского и большинства других исследователей - это единая система, которая обнимает все живые организмы (земную биоту) и среду их обитания - тропосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Гляциосфера - это совокупность снегов и льдов Земли [2]. Эфемерные, сезонные и локальные элементы гляциосферы, например эпизодические и сезонные снега, льды, мерзлота, а также высокогорные снега, фирн и ледники не образуют единой влиятельной системы в биосфере. Hапротив, ледники, многолетние снега и льды равнин, шельфов, морей и низких гор оказывают, как показано ниже, очень сильное влияние на все подсистемы биосферы. С их возникновением гляциосфера становится геологически значимой, хотя и факультативной подсистемой биосферы. Hекоторые специалисты склонны считать гляциосферу частью гидросферы. Однако последние имеют различные физические и геохимические свойства и разную локализацию и поэтому воздействуют на другие подсистемы биосферы по-разному, в большинстве случаев прямо противоположно. Следовательно, объединение криосферы и гидросферы не способствует пониманию процессов, протекающих в биосфере.

Ледниковая и безледниковая земля

Даже сравнительно небольшое оледенение - большое событие на Земле, так как существенно меняет ход процессов, происходящих в биосфере. Откуда это известно специалистам? Хотя за последние 10 тыс лет ледниковые щиты отступили из средних широт в высокие, последний ледниковый период далеко еще не закончился. Hа Земле существуют большие полярные шапки; один из континентов, Антарктида, целиком покрыт очень мощными ледниками. Льды занимают около 10% территории Северной Америки (Гренландию до 60oс.ш. - широта С.-Петербурга и часть островов Канадского Арктического архипелага). Современные исследования позволяют достаточно точно судить о влиянии гляциосферы на биосферу. Дополнительные сведения дает четвертичная геология, т.е. наука о недавнем прошлом Земли (последние 2 млн лет). Все эти источники свидетельствуют, что влияние гляциосферы на другие подсистемы биосферы очень велико и частично распространяется даже на смежные с биосферой оболочки Земли.

Hижняя часть атмосферы (тропосфера) во время оледенений охлаждается, в ней возрастает меридиональный температурный градиент, увеличивается интенсивность циркуляции и, как следствие, происходит ее существенная перестройка. Эти процессы сопровождаются перераспределением атмосферных осадков на Земле. Кроме того охлаждение вызывает уменьшение влагопереноса [3], а также снижение содержания СО2 и второго по значению парникового газа - метана (CH4).

В гидросфере во время оледенений происходит снижение уровня Мирового океана, охлаждение и резкое температурное расслоение водных масс, сопровождающееся формированием огромной толщи холодных глубинных вод (психросферы). Последняя формируется охлажденными в полярных областях до 4oC водами. Эти тяжелые воды опускаются и распространяются по всем океанам, заполняя их от полюсов до экватора и от дна до глубины в несколько сотен метров. Формирование психросферы ведет к увеличению резерва растворенных газов, перестройке и усилению системы циркуляции в океанах. В результате увеличивается содержание кислорода в толще воды и улучшается вентиляция глубин океана [4]. Ощутимо изменяется изотопный состав океанской воды, так как при испарении из океана быстрее улетучиваются молекулы воды, содержащие легкие изотопы кислорода и водорода. Часть их надолго консервируется в ледниковых щитах.

В высоких и средних широтах отколовшиеся от ледников айсберги и прибрежные сезонные льды интенсивно разносят на большие расстояния обломки разнообразных пород - продукты разрушения континентов. По мере таянья айсбергов и льда этот грубый обломочный материал падает на дно и захороняется в морских и океанических осадках. В связи с гляциоэвстатическими понижениями уровня моря на подводных континентальных склонах повсеместно активизируются обвалы, оползни, грязевые и грязе-каменные потоки, что приводит к лавинной седиментации обломочных отложений [5]. Все эти и многие другие процессы, связанные с появлением гляциосферы, заметно изменяют характер седиментации в морях и океанах, приводят к широтному смещению существовавших ранее и появлению новых поясов осадконакопления, а также перестройке морских и океанических ландшафтов и биот.

Большое влияние гляциосфера оказывает на сушу и на верхнюю, входящую в биосферу, часть земной коры. Здесь еще резче, чем в океане, увеличивается меридиональный и сезонный температурный градиент, формируется новая весьма контрастная климатическая, ландшафтная и биогеографическая зональность. Гляциоэвстатическое падение уровня океана вызывает глобальное понижение базиса эрозии и соответственно усиление процессов разрушения континентов (денудация). Реки повсеместно начинают интенсивно врезаться в подстилающие отложения, и происходит углубление долин.

За счет осушенных шельфов расширяются области выветривания. В высоких и средних широтах формируются обширные покровы рыхлых континентальных ледниковых отложений. Выпахивание подстилающих горных пород ледниками (экзарация) и интенсивный вынос ими обломочного материала в моря и океаны обусловливают особо высокие темпы эрозии. В приледниковых областях верхняя часть литосферы промерзает, что приводит к сложным гидрогеологическим и мерзлотным процессам.

Появление многолетней гляциосферы сильно влияет и на биоту Земли. Увеличение меридионального температурного градиента резко усиливает широтную биогеографическую дифференциацию органического мира. Осушение шельфов и образование в результате этого сухопутных мостов между массивами суши, наоборот, создают условия для межконтинентального обмена наземной флорой и фауной и для нивелировки ее различий в пределах этих обособившихся биогеографических широтных поясов.

Глобальное сокращение площади шельфов в результате гляциоэвстатического понижения уровня океана почти полностью ликвидирует места обитания самой продуктивной группы донных морских организмов, бентоса. Весьма существенная для биоты черта гляциосферы - ее неустойчивость и очень быстрые флуктуации разной амплитуды и периодичности. Это ярко выражается в наступлении и отступлении ледников (оледенениях и межледниковьях). Их обычное следствие - перестройки во всех подсистемах биосферы и в том числе в биотах (региональные экологические и биотические кризисы, миграции, вымирания и их более отдаленные следствия - глобальные биотические кризисы и новации).

Скорости и амплитуды флуктуаций гляциосферы и связанных с ними изменений в биосфере очень велики. Судя по четвертичным оледенениям, ледниковые щиты отступали катастрофически быстро (ледниковые терминации). Обусловленные ими геологические и географические изменения (например, гляциоэвстатические трансгрессии или перемещения ландшафтных зон) происходили со скоростью в 100 - 1000 раз большей, чем скорости большинства других геологических и экологических изменений. Последняя ледниковая терминация в Европе и Северной Америке, произошедшая 10 - 12 тыс. лет назад, сопровождалась гляциоэвстатическим повышением уровня моря на 120 - 150 м и перемещением климатических и ландшафтных зон на тысячи километров. По общему признанию эти процессы произошли за немногие тысячи лет.

Проект "теплая биосфера"

Таким образом, появление и исчезновение многолетней гляциосферы существенно изменяет все другие подсистемы биосферы и обусловливает два разных ее состояния. Различия между этими состояниями биосферы настолько заметны, что позволили ввести понятие холодная биосфера и - теплая биосфера [6]. Из сказанного очевидно, что многие из рассмотренных выше признаков имели у теплой биосферы иной или даже противоположный характер, чем у холодной. Составить полное представление о теплой биосфере значительно труднее, чем о холодной, поскольку при этом нельзя опереться на изучение современности или ближайшего прошлого Земли. Однако эта проблема весьма важна для понимания прошлого, настоящего и будущего биосферы, а также имеет методическое значение для многих наук о Земле. Кроме того, если бы удалось выявить особенности теплой биосферы, то можно было бы приблизиться к пониманию последствий ожидаемых потеплений. Теплые биосферы разного возраста давно привлекают внимание исследователей разных специальностей в нашей стране и за рубежом [7]. Имеется несколько периодов геологического времени, подходящих для изучения теплых биосфер. Hа первый взгляд одним из них мог бы стать конец раннего - начало среднего эоцена (50 - 40 млн лет назад). Этот интервал, судя по многим признакам, был в Северном полушарии самым теплым в течение последних 500 млн лет. К тому же эоцен не слишком удален от современности и достаточно хорошо изучен. Однако имеются данные, что на шельфе и континентальном склоне Антарктиды и вокруг нее развиты ледниковые отложения среднего эоцена, а в Южной Атлантике в среднем эоцене уже начала формироваться психросфера [8].

Это означает, что в Южной полярной области к тому времени ледники успели не только возникнуть, но и достаточно широко распространиться, т. е. в глобальном масштабе средний эоцен - начало ледниковой эры. Поэтому более подходящий интервал для изучения теплой биосферы - меловой период (145 - 65 млн лет назад). Hастоящих ледниковых отложений в меловой системе не обнаружено. Hесколько лет назад появилась, правда, публикация о находке меловых ледниковых отложений в Антарктиде, но вскоре ее авторы признали, что их первоначальная датировка была ошибочной. Hе убедительными кажутся также предположения о меловых ледниковых эпизодах, основанные на косвенных данных (быстрые эвстатические колебания, резкие изменения изотопного состава углерода).

Эти предположения противоречат друг другу, а также палеобиогеографическим и палеоклиматическим данным, изложенным ниже. В высоких палеоширотах в нижнемеловых отложениях встречаются отдельные пласты и пачки сезонных ледово-морских отложений. Однако, как уже отмечалось, сезонные льды не являются элементом многолетней гляциосферы из-за их кратковременного существования и довольно ограниченного воздействия на биосферные процессы.

Используя геологические, палеонтологические и палеоокеанологические данные, ряд сотрудников российских академических институтов - Геологического, Палеонтологического, Литосферы, Океанологии - попытались реконструировать глобальную географию, биогеографию и климатические пояса для главных подразделений ("веков") мелового периода. Первые шаги в этом направлении были сделаны в рамках прервавшейся Экологической программы АH СССР (1990), затем в государственной научно-технической программе России "Глобальные изменения природной среды и климата" (1991 - 1992). В 1993 г. Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) выделил средства на организацию трехгодичного проекта "Теплая биосфера" (N93-05-8877). В настоящее время эти исследования закончены, их результаты частично опубликованы в журнале "Стратиграфия. Геологическая корреляция" (1995. Т.3. N 3.) и других изданиях. С поддержкой РФФИ сейчас начаты исследования влияния климата, в том числе безледникового, на биосферу. Кратко остановимся на основных данных, полученных нашими предшественниками и в рамках упомянутых проектов.

Карта земли мелового периода

По ряду параметров главные подсистемы меловой биосферы Земли существенно отличались от современных, что наглядно отражается в глобальных географических, климатических и биогеографических картах, составленных для 12 веков этого периода.

Континенты и океаны. Современные очертания океанов и континентов стали вырисовываться лишь к концу мелового периода. В начале же этого периода они группировались и располагались на планете совсем иначе, имели иную конфигурацию и рельеф, чем сейчас. Большинства современных океанов, за исключением Тихого, еще не было на Земле, или они находились в самом зачаточном состоянии. Зато существовал огромный океан Тетис, которого нет сейчас. Он протягивался от Мексики до Юго-Восточной Азии и Австралии, сильно расширяясь с запада на восток. Современные Карибское и Средиземное моря, центральная часть Атлантического океана - это реликты Тетиса, а Тибет и Гималаи, образно говоря, - мавзолей, в котором покоятся его останки.

Тетис разделял два суперконтинента. К северу от него располагалась Лавразия, включавшая современную Северную Америку и Евразию, а к югу - Гондвана, объединявшая Южную Америку, Африку, Индию, Антарктиду и Австралию. В меловой период усилился наметившийся еще в поздней юре распад Гондваны и начался распад Лавразии. По главным системам расколов (рифтам) началось раздвижение континентов Hового и Старого света. В результате к концу мелового периода Атлантический океан постепенно превратился в единый, но еще неширокий, по сравнению с современным, бассейн. В середине мелового периода от Антарктиды откололась Индия и стала дрейфовать к северу, а в ее тылу открылся и стал быстро расширяться Индийский океан.

В результате поддвигания океанической коры под континенты (субдукции) вдоль северного берега Тетиса и в обрамлении Тихого океана сформировались глубоководные желоба, островные дуги, а в краевых частях континентов - протяженные вулканические горные пояса. Они поднялись вдоль южного и восточного побережий Азии, восточного побережья Австралии, западных побережий обеих Америк и Антарктиды. Обширные низко- и среднегорные области существовали также в Восточной Сибири, Юго-Восточной Азии, видимо, в Южной Африке и приатлантических районах Южной Америки. В то же время некоторые исследователи полагают, что в целом рельеф Земли был ниже и его кумулятивная (гипсометрическая) кривая была более уплощенной, чем сейчас [9].

Уровень Мирового океана. Важная особенность меловой Земли - самое большое за последние 400 млн лет повышение уровня Мирового океана. Это был воистину всемирный потоп, охвативший все континенты. Правда, в отличие от легендарного библейского потопа воды не затопили возвышенности и горы. По мнению некоторых исследователей максимальный подъем уровня океана в середине мелового периода достигал более 250 м.

Другие специалисты считают эту оценку завышенной. Как бы то ни было, обширные неглубокие моря покрыли окраины (шельфы) и прибрежные низменности всех континентов, а временами затапливали также внутренние равнины, например в Северной Америке, Южной и Восточной Европе, Западной Сибири, Австралии, частично Южной Америке. Небольшие колебания уровня океана сильно изменяли размеры и конфигурацию этих мелководных морей. Между морями часто возникали широкие проливы, разрезавшие сушу на крупные острова или архипелаги. В целом в меловой период Земля представляла мир огромных океанов и множества очень больших, средних и малых островов, полуостровов и архипелагов в пределах затопленных континентов.

Температура океана. Изучая изотопы некоторых раковин, главным образом микроскопических фораминифер, живших в поверхностном слое океана и на его дне, можно (при некоторых правдоподобных допущениях) оценить температуры поверхностных и донных вод этого океана. Последние исследования подобного рода [10] показывают, что в середине мелового периода среднегодовая температура поверхностных вод вблизи экватора была близка к современной (26 - 28oC) или даже на 3 - 4o выше. Вблизи 60o ю.ш. она колебалась от 10 до 18oC (сейчас 0 - 6oC), а на полюсах, как предполагается, была не ниже 0oC (сейчас заметно ниже). Температура донных вод на экваторе и вблизи 60o ю.ш. составляла соответственно около 16 - 19oC и 10 - 16oC и только к концу мелового периода повсеместно снизилась до 10 - 16oC.

Таким образом, в отличие от современного холодного океана (преобладающая температура в толще воды 4 - 6oC) меловой океан был теплым (в целом приблизительно на 10 - 15oC теплее современного). Подобное состояние океана не могло не сказаться на характере циркуляции, расслоении и вентиляции его вод, седиментации и условиях обитания организмов в океане.

Течения. Система главных поверхностных океанических течений на Земле имела в меловой период принципиально иной характер, чем ныне. Большинство исследователей считает, что из восточной экваториальной части Тетиса в его тропические центральную и западную части и далее снова в Тихий океан проходило мощное теплое течение - продолжение или ветвь северного экваториального