Занимательная климатология
Шрифт:
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
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.