Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №10 - Журнал «Домашняя лаборатория»
Мы с вами помним, что в верхнепалеозойских слоях всех гондванских материков найдены ледниковые отложения — тиллиты (которые послужили одним из отправных пунктов в построениях Вегенера); следы оледенений найдены и в одновозрастных отложениях Ангариды. А вот за изъятием этого отрезка времени (поздний карбон — ранняя пермь) и современности климат в высоких широтах был если и не жарким, то во всяком случае безморозным: в раннем карбоне и Европы, и Шпицбергена, и Сибири найдены толстые, явно многолетние стволы плауновидных с маноксилической древесиной[41], а в эоцене острова Элсмир (Канадский архипелаг) — крокодилы. Современная климатическая картина с крупными полярными шапками из снега и льда — скорее исключение, чем правило в геологической истории. Так что следует искать ответа не на вопрос, почему в раннем карбоне и в мезозое не было полярных шапок, а на вопрос, отчего они иногда образовывались (и меняли весь климат планеты). Периоды существования такого контрастного климата с холодными полюсами, как в позднем палеозое и позднем кайнозое, называют криоэрами ("криос" — по-гречески холод), а выровненного по всей Земле (как в мезозое) — соответственно, термоэрами. Общее количество тепла, получаемое Землей от Солнца, считается достаточно постоянным во все времена; здесь существует своя циклика (см. главу 14), но расстояние-то между ними неизменно. Следовательно, дело в основном в распределении этого тепла по поверхности планеты, прежде всего — в характере и интенсивности теплопереноса от экватора к полюсам.
Для начала, как водится, несколько общих замечаний. Поскольку планета шарообразна, солнечные лучи всегда будут, при прочих равных, нагревать ее экватор сильнее, чем полюса — экваториально-полярный температурный градиент; любой градиент стремится к выравниванию (просто по Второму закону термодинамики) — в нашем случае за счет постоянного теплообмена между низкими широтами и высокими. Теплообмен этот осуществляется посредством конвекции в обеих подвижных оболочках Земли — гидросфере и атмосфере.
Конвекция в гидросфере — это теплые морские течения, которые обогревают высокоширотные области точно так же, как водяное отопление — ваши квартиры. Движущей силой конвекционных токов, как мы помним из главы 2 (о мантийной конвекции), являются возникающие в среде архимедовы силы плавучести: когда часть вещества "тонет" или "всплывает", этот объем — в силу связности среды — замещается веществом, поступающим из другой ее точки. В нашем случае токи в Мировом океане могут возникать за счет того, что "тонет" либо холодная (четырехградусная) вода в высоких широтах (термическая циркуляция), либо избыточно осолоненная (в результате испарения) вода на экваторе (галинная циркуляция). При термической циркуляции вода движется от экватора по поверхности, а от полюсов — по дну (формируя при этом холодную насыщенную кислородом психросферу), а при галинной — наоборот (рисунок 34, б).
РИСУНОК 34. Циркуляция в атмосфере и гидросфере: схема термической и галинной циркуляции в океанах: (а) — криоэра, (б) — термоэра.
Говоря о конвекции в атмосфере, необходимо учитывать, что здесь тепло переносится главным образом водяным паром: тепловая энергия, затраченная на испарение воды, выделяется там, где этот пар, перенесенный воздушными течениями, превратится обратно в жидкость — то есть выпадет в виде осадков. Атмосфера каждого из полушарий распадается на три широтных сегмента[42] — конвективные ячейки: экваториальная, умеренных широт и приполярная. В каждой из ячеек существует относительно замкнутая воздушная циркуляция, причем направления циркуляции в граничащих между собой ячейках противоположны ("по часовой стрелке" — "против" — опять "по") — в точности, как в цепи шестеренок (рисунок 34, а). В одной половине ячейки доминируют восходящие токи, во второй — нисходящие; соответственно, влага, испаряющаяся в первой половине, выпадает главным образом во второй — и при этом происходит разгрузка теплоты парообразования. Например, в экваториальной ячейке Северного полушария ток направлен от севера к югу, так что в южной ее половине возникают влажные тропические леса, а в северной — засушливые саванны; в ячейке же умеренных широт, где направление тока обратное, пустыни возникают на юге, а субтропические и широколиственные леса — на севере. Другим фактором атмосферной конвекции (главным образом широтным) являются муссоны — сезонные ветры постоянного направления, дующие с океана на континент или обратно; с муссонами связано, среди прочего, чередование сухого сезона и сезона дождей в тропических широтах, где температура весь год постоянна.
Так вот, возвращаясь к крио- и термоэрам. Ныне (как, видимо, и вообще в криоэрах) основной приток тепла в высокие широты осуществляется мощными теплыми течениями вроде Гольфстрима. При этом возникает температурная аномалия: океан в районе 60-х широт существенно (почти на 20 градусов!) теплее, чем следовало бы из соображений геометрии планеты. Однако это обстоятельство имеет и оборотную сторону: на материке развивается мощный зимний антициклон (область высокого давления) с температурами на 20 градусов ниже, чем следовало бы. Из антициклона "вытекает" холодный сухой воздух, тогда как встречный ток теплого воздуха лишь "приподнимает верхушку" антициклона — то есть тепловая энергия расходуется на механическую работу против силы тяжести. В итоге континентальные антициклоны работают как мощные всепланетные холодильники (влияние Сибирского антициклона ощущается далеко на юге и приводит к холодным зимам не только в Приморье, но и в Китае, и даже во Вьетнаме), которые ослабляют муссоны и не дают им продвинуться сколь-нибудь далеко в полярном направлении. Теплые воды отводятся из эваториальной зоны столь быстро, что практически не успевают осолониться за счет испарения, так что галинная составляющая океанской циркуляции по сравнению с термической пренебрежимо мала; в атмосфере существуют упомянутые выше три ячейки. Ситуация может быть кратко охаректеризована так: "Водный теплоперенос — теплые океаны — холодные материки".
В термоэры (в частности, в мезозое) ситуация, судя по всему, была принципиально иной. А.Г. Пономаренко (1996), предложивший соответствующую модель, обращает внимание на два обстоятельства, кажущиеся необъяснимыми с нынешних позиций. Во-первых, приполярные области были очень теплыми (исходя из состава их фауны и флоры), что требует куда более интенсивного, чем ныне, теплопереноса от экватора к полюсу. Во-вторых, в тогдашней экваториальной зоне (где ныне находятся дождевые тропические леса) растительность была явно ксерофильной и возникали эвапориты — отложения, являющиеся показателем аридных (пустынных) условий.
При отсутствии полярных шапок температура океанической воды не падает до 4 °, когда ее плотность максимальна, и не происходит полного опускания поверхностных вод. Компенсирующие такое погружение мощные теплые течения не возникают; теплая вода из экваториальной зоны практически не отводится, она осолоняется за счет
