Возникновение материковых покровных оледенений было подготовлено общим понижением температуры приземного слоя воздуха и переносом влаги, испарявшейся с поверхности океанов и выпадавшей на материках в твердом виде. Это положение представляется очевидным. Но почему в таком случае материковые оледенения, достигнув некоторой максимальной степени развития, разрушались и формировались вновь без каких-либо заметных изменений климатообразующих факторов? В чем заключается причина цикличности этого процесса?
Согласно современным представлениям, переход от поступательного режима изменений климата к ритмичным колебаниям связан с появлением морских льдов — нового элемента климатической системы Северного полушария. Предположительно это произошло около 700 тыс. лет назад. Арктический океанический бассейн покрылся конжеляционными2 льдами, в природе Земли появился Северный Ледовитый океан. Надо полагать, что переход от безледного режима к ледовому был постепенным, и его установление потребовало нескольких тысяч лет. В конечном итоге арктический морской ледовый покров стал важным звеном в системе океан — атмосфера — ледники — морские льды.
Главным аккумулятором солнечного тепла на Земле является Мировой океан. Высокая теплоемкость и большая масса воды (1, 37
1018 т) сообщают этому звену климатической системы исключительно высокую инерционность. Поглощая и отдавая огромные количества тепла, океан очень мало изменяет свою температуру. Если представить возможным резкое изменение поступления солнечного тепла, то в атмосфере это станет заметным уже через несколько лет, но изменение средней температуры океана может быть замечено только спустя несколько тысяч лет.
Столь же инерционны и наземные покровные оледенения. Континентальные ледниковые щиты типа антарктического или гренландского формируются на протяжении десятков тысяч лет и являются показателем большого дефицита тепла высокоширотных и полярных областей. Для перевода их в жидкое состояние необходимо затратить такое количество тепла, на подведение которого потребуется также несколько тысяч лет. По этой причине высказываемые иногда прогнозы скорого таяния ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии, что должно повлечь за собой катастрофическое затопление низменных приморских районов, мягко говоря, несостоятельны.
Морской ледовый покров Арктики появился в результате глубокого охлаждения северной околополярной области и увеличения пресной составляющей водного баланса. Сформировавшаяся в поверхностном слое Северного Ледовитого океана распресненная арктическая водная масса оказалась отделенной от глубоководной части устойчивым галоклином, препятствующим обмену теплом с нижележащими слоями воды, что и делает возможным существование морского льда в Арктике.
Появление морского льда на площади свыше 10 млн км2 резко увеличило альбедо на акватории Арктического бассейна и привело к дефициту тепла. Это обстоятельство способствовало дальнейшему развитию наземных оледенений Евразии и Северной Америки, которые в результате слились в единый ледниковый покров в северной полярной области Земли. Южные границы оледенения постепенно достигли предельного положения, где дальнейшее разрастание ледникового покрова начало тормозиться процессами таяния в умеренных широтах. Накопление льда повышало высоту ледяных куполов, а изъятие влаги из океана приводило к понижению уровня воды. Когда уровень опустился ниже порога Берингова пролива, прекратился водообмен с Тихим океаном. Сплошной ледниковый покров лишил Северный Ледовитый океан атмосферных осадков, которые теперь выпадали на лед, в то же время прекратился и речной сток.
Оледенение северной полярной области понизило температуру воздуха над Северной Атлантикой и северной частью Тихого океана. Уменьшилось испарение, что вызвало сокращение переноса влаги с океанов на материки, питание ледникового щита сократилось. Арктический атмосферный фронт, связанный с положением кромки морских льдов, сместился к югу. По этой причине атлантические циклоны стали проходить значительно южнее, что еще сократило количество осадков над акваторией Северного Ледовитого океана. Все это время Мировой океан продолжал накапливать тепло в экваториальном и тропическом поясах. Происходило обострение температурных контрастов между экватором и полюсом. Продвижение ледникового щита к югу существенно замедлилось, а затем и вовсе прекратилось.
Изъятие пресной составляющей из водного баланса Северного Ледовитого океана привело к постепенному размыванию галоклина и тем самым сделало возможным возобновление глубокой конвекции. Тепло океанических вод стало поступать к поверхности, и начался процесс разрушения морского ледяного покрова. Появление пространств открытой воды и поглощение на этих участках солнечного тепла усилило процесс таяния и отступания ледников. Оледенение вступило в фазу деградации ледниковых щитов.
После разрушения материкового оледенения в Северном полушарии наступила короткая фаза межледниковья, после чего начало развиваться новое оледенение. К настоящему времени установлено, что описанный ледниковый цикл повторился не менее пяти раз, то есть климатическая система стала развиваться в режиме долгопериодных колебаний.
Главное условие существования колебательного процесса — проскакивание точки равновесного состояния за счет сил инерции. Выведенный из состояния равновесия маятник не остановится в нижней точке, прежде чем не совершит несколько колебаний. Оледенение изначально возникает в результате понижения температуры воды до точки замерзания и расходования теплоты кристаллизации. В дальнейшем процесс развивается по цепочке: атмосферные осадки в виде снега — увеличение альбедо подстилающей поверхности — увеличение суровости климата — формирование ледника. Система тем самым выводится из состояния теплового равновесия и переходит на такой уровень, который способствует накоплению льда. В какой-то момент достигается максимум оледенения.
Тепловая инерция ледникового щита не позволяет начаться таянию, так как подведение теплоты плавления в условиях существующего термического режима на поверхности Земли требует промежутка времени порядка нескольких тысяч лет. Когда инерция наконец преодолевается, начинается разрушение ледников. Установлено, что во всех ледниковых циклах фаза разрушения значительно короче, чем фаза накопления льда. Температура приземного слоя быстро повышается и еще более интенсифицирует процесс таяния льдов. В результате преодолевается уровень равновесия климатической системы и количество сохранившихся в Северном полушарии природных льдов оказывается меньше того, которое соответствовало бы равновесному состоянию. Это означает, что колебательный процесс вышел в исходное состояние и созданы условия для начала формирования нового оледенения.
Заключение
Тепловое состояние на поверхности Земли в настоящую эпоху в среднем таково, что климатическая система планеты, находясь близко к положению равновесия, обязательно содержит в своем составе значительное количество воды в твердом состоянии, в виде наземных ледниковых щитов и постоянного морского ледового покрова в северной полярной области. Сложившаяся система устойчива из-за большой тепловой инерционности Мирового океана, благодаря чему колебания климата происходят очень медленно и мягко.
Установившийся на Земле в плейстоцене режим климатической системы близок к автоколебательному. Сегодня нельзя с полной определенностью сказать, затухают эти колебания или усиливаются. Их периодичность имеет порядок около 100 тыс. лет. За это время колебательный цикл проходит фазы накопления льда в виде крупных материковых оледенений, что сопровождается усилением суровости климата, разрушением ледниковых щитов, наступлением времени межледниковий и потепления климата, после чего все повторяется снова. Мы живем в эпоху типичного межледниковья, оптимум которого отмечался около 7000 лет тому назад.
Морские льды Арктики, периодически покрывающие всю акваторию Северного Ледовитого океана, выполняют важные функции в формировании теплового баланса полярной области. Появление морского льда изменяет отражательную способность подстилающей поверхности в среднем от 15% (чистая вода) до 90% (лед, покрытый снегом). Кроме того, морской лед играет роль теплоизолирующего слоя между водой и воздухом, в сотни раз уменьшая теплоотдачу из океана в атмосферу. Таким образом, морские льды служат своеобразным регулятором поглощения и отдачи тепла полярным океаном, что делает их важным звеном, поддерживающим колебательный режим климатической системы.
1 Приходящую солнечную радиацию принято называть коротковолновой, она поступает на Землю в диапазоне длин волн от 0, 3 до 1, 5 мкм. Встречное излучение Земли происходит в инфракрасном диапазоне, в основном на длинах волн от 8 до 13 мкм, и считается длинноволновым.
2 Конжеляционными принято называть льды природных водоемов, образующиеся в результате замерзания (кристаллизации) воды в отличие от глетчерных льдов, которые по происхождению являются осадочными и метаморфическими.