Главная > Разное > Эволюция атмосферы, биосферы и климата
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

11. Атмосфера и оледенения

Именно Аррениус [1] был первым, высказавшим идею о климатическом влиянии содержания углекислоты в атмосфере. Он показал, что изменение концентрации могло бы быть причиной изменения температуры поверхности Земли. Согласно его расчетам уменьшения содержания на треть достаточно для понижения температуры в среднем на 3° С, что вызвало бы новое оледенение Северной Америки и всей северной Европы. Если же, наоборот, содержание увеличится вдвое или втрое, то в названных районах произойдет потепление, которое можно оценить в 8—9° С, что соответствует климату, господствовавшему здесь в эоценовую эпоху. Не оспаривая пока этих оценок, заметим, что их физическая основа достаточно сомнительна и, вероятно, нуждается в пересмотре.

Аррениус приписывал изменения содержания углекислоты в атмосфере вулканической деятельности, очень усилившейся в третичный период, и считал несомненным увеличение усвоения с ростом парциального давления неявно допуская колебания системы

до ее перехода в состояние равновесия. По крайней мере именно так нужно понимать большую часть его статьи [1], и в особенности те места, где он настаивает на множестве периодов оледенения и невозможности объяснения этого факта иначе, как его гипотезой.

Очень трудно оценить влияние газа внутреннего происхождения на состояние атмосферы и на климат. Согласно Вернадскому [21] «количество углекислоты недавнего происхождения, появляющееся на поверхности Земли, огромно... Ее общая масса имеет тот же порядок, что масса углекислоты гидросферы и атмосферы». По Буссенго количество выделившееся из вулкана Котопахи в течение года, превышает 2-106 т. Следовательно, только один вулкан способен за 2 млн. лет воспроизвести весь запас атмосферного

Предположим, что вследствие вулканической активности атмосфера получала огромные количества углекислоты. К каким климатическим последствиям это должно было привести? Наблюдений, проясняющих этот вопрос и заслуживающих доверия, почти нет. В 1912 г. извержение вулкана Катмай на Аляске сопровождалось исключительно дождливым и холодным летом, что приписывают выбросам гигантских облаков вулканической пыли, включенных в циркуляцию атмосферы. Напротив, известное извержение Кракатау в 1883 г., также сопровождавшееся извержением пыли, имело только оптические последствия. К тому же очень трудно предсказать влияние вулканизма на климат, тем более, если принять во внимание, что выделение углекислого газа всегда сопровождается выделением водяного пара и вулканической пыли. Условия, которые при этом возникнут, могут очень сильно отличаться от тех которые имел в виду Аррениус.

Предположим, однако, что гипотеза Аррениуса верна, и оценим количество углекислоты, необходимое для изменения климата в тех пределах, которые он указал. Заметим, что речь идет не только об углекислоте атмосферы, но обо всем запасе в океане и атмосфере. Приняв порядок этой величины , можно показать, что для создания вариации средней температуры северной Европы в нужно сначала ввести, а затем вывести из атмосферы Для первой части этой операции необходимо действие 150 вулканов размеров Котопахи в течение миллиона лет. Вторая часть потребует также усиленной деятельности растений в течение 100 000 лет. Чтобы дать о ней представление, достаточно напомнить, что масса всего каменного угля не превосходит . Следовательно, в течение относительно короткого периода растения должны поглотить из атмосферы и океана вчетверо больше углерода, чем это было сделано за всю историю Земли. Подобное заключение находится в полном противоречии с известными данными о четвертичных отложениях. Таким образом, придется либо отказаться от гипотезы Аррениуса, либо пересмотреть данные об углекислоте океана и условия равновесия газов между атмосферой и океаном. Можно допытаться спасти гипотезу Аррениуса, если предположить, что углекислота океана в результате деятельности живых организмов быстро превращается в карбонатные осадки и откладывается на дне океанов; тем самым будет объяснено исчезновение громадных количеств углекислоты, извергаемой вулканами.

Придадим этой гипотезе математическую форму. Введем обозначения:

— концентрация в океане;

- концентрация живого вещества в океане;

скорость роста концентрации за счет внешних факторов;

- относительное потребление организмами за единицу времени;

- отрицательный жизненный бюджет организмов при отсутствии

При обсуждаемых условиях процесс описывается дифференциальными уравнениями

и стремится к стационарному состоянию:

Это состояние устойчиво, так как характеристическое уравнение

имеет отрицательные корни при и комплексные с отрицательной вещественной частью при

Предположим, что до момента имеет место слабый прирост и почти достигается стационарное состояние:

Начиная с этого момента до момента продолжается период повышенной вулканической активности и средний прирост становится равным Равновесие нарушается, и система стремится к новому состоянию равновесия:

Допустим, что в момент это состояние почти достигается. Мы видим, что конечная концентрация углекислого газа совпадает с начальной тогда как концентрация живого вещества окажется возросшей. Предположим далее, что после этой вспышки вулканической активности она снова вернется к исходному состоянию и при всех прирост опять составит Достигнутое равновесие еще раз будет нарушено, при этом система

будет снова стремиться к прежнему состоянию равновесия:

описывая сужающуюся спираль с фокусом в точке Вначале этот процесс квазипериодичен, т. е. концентрация углекислого газа в океане, а следовательно, и в атмосфере, проходит последовательность максимумов и минимумов.

Выше был более детально рассмотрен другой биологический механизм, порождающий колебания концентрации в атмосфере, который мог вызвать изменения климата. Имеется ли связь между этими двумя механизмами? Нетрудно составить систему дифференциальных уравнений, включающую как частные случаи системы (1)-(5), (13)-(18) и (24), (25), но она будет слишком сложной. Удобнее изучить отдельные системы, предполагая, что оба механизма реализуются одновременно. Если масса живой материи в океане намного больше, чем на континентах, практически можно рассматривать только уравнения (24), (25).

Выше мы рассмотрели некоторые биологические последствия изменения концентрации Вкратце они сводятся к следующему. За усилением вулканической активности следует развитие живой материи в океане и отложение карбонатных осадков, а на континентах — развитие растений, также поглощающих углекислоту. После возвращения к нормальному дебиту и в океане, и на континентах происходят прогрессивно затухающие колебания системы, до нового состояния равновесия. В частности, этим механизмом можно объяснить периодичность накопления известковых отложений. В конце концов, пройдя через ряд максимумов и минимумов, процесс стремится к стабилизации в новом состоянии равновесия.

Итак, гипотеза Аррениуса при некоторой ее модификации может объяснить четвертичные оледенения. Имеется, однако, несколько очень важных возражений.

1. Оледенения, порождаемые таким образом, должны происходить одновременно в двух полушариях, причем похолодание должно наблюдаться на всех широтах. Между тем четвертичныа оледенения не происходили одинаково в Европе и Азии, а пермо-карбоновые оледенения оставили следы лишь в южном полушарии.

2. Очевидной связи между явлениями вулканизма и оледенениями не обнаружено.

3. Орогенические и эпейрогенические явления, которые связывают с изменениями вулканизма, могут быть косвенным следствием отступления оледенения.

Эти проблемы будут обсуждаться в следующей главе.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление