Режима земной поверхности за 3,5 млрд. лет

Моделирование процесса динамики температурного

Анализ поэтапного развития геологических знаний позволил сделать вывод, что вся геологическая эволюция Земли происходила на фоне постепенного охлаждения планеты. Термическая эволюция Землиподчинялась закону экспоненциальной функции, которая может быть выражена уравнением:

(8.3.1)

где: t_h - начальная температура воздуха у земной поверхности.

e - основание натурального логарифма.

Т_i - фактическое время от того периода, от которого производится расчет остывания планеты.

Т_c - постоянная времени охлаждения Земли. Это промежуток времени, за который температура воздуха у остывающей поверхности Земли (t_h) уменьшится в e раз.

(8.3.2)

где: G - вес тела Земли, (^кал/_г.град),

G = m х g = 5,98 х 10²⁹ х 9,81 = 58,6638 х 10²⁹ = 5,87 х I0 ³⁰ г.

S – поверхность земли (см²),

S х g_y – полная теплоотдача со всей земной поверхности

с - удельная теплоемкость Земли, (^кал/_г.град)

Удельная теплоемкость минерального скелета грунта равна 0,2 ^кал/_г.град, а воды - 1,0 ^кал/_г.град. Земная кора состоит из силикатного материала и воды, поэтому нами удельная теплоемкость верхних слоев коры принята 0,5 ^кал/_г.град.

Если принять, что поверхность Земли равна 5,1^х10¹⁸ см² , а полную теплоотдачу со всей ее поверхности – 2,5^х10^{21 кал}/_год, то постоянная времени охлаждения Земли будет равна Тс = 0,94^х10⁹ лет. Используя эту информацию нами по формуле 9.1. рассчитана температура охлаждающейся поверхности Земли (в масштабе 1:100 000 000).

Приведенная информация, а также расчетные данные (рис. 9.3.1.) позволили сделать вывод, что к началу геологической истории Земли (3,5 млрд. лет назад) температура поверхности Земли была уже в пределах современных значений и решающего влияния на климат планеты не оказывала.

Климат на Планете стал определяться энергией Солнца. Все другие факторы, то усиливали поступление Солнечной радиации на земную поверхность, то ослабляли.

Снижение поступления солнечной энергии на земную поверхность формировалось похолодание климата, при повышении поступления энергии – потепление.

Рис. 8.3.1. Кривая температуры охлаждающейся поверхности Земли.

Модель расчета температурных аномалий приземных слоев атмосферы за 3,5 млрд. лет

Земля, как планета солнечной системы, испытывает на себе все флюктуации галактической среды. Как отмечалось нами ранее, скорость вращения Солнца вокруг Галактического ядра составляет 250 ^км/_сек. При расстоянии от Солнца до центра Галактики (созвездие Стрельца), равного около 10 000 пс, Солнце совершает полный оборот за 175 млн. лет.

При вращении солнечной системы вокруг галактического ядра в одном из рукавов галактики Солнце периодически испытывает на себе ударные волны за счет различной плотности галактической среды. При этом космические лучи сверхвысоких энергий, проникая в солнечную систему, вызывают определенную реакцию в деятельности Солнца и планет солнечной системы,

За период 3,5 млрд. лет геологического развития нашей планеты Солнечная система, в т.ч. и Земля, совершили 23 полных оборота вокруг галактического ядра. Это не могло не сказаться на эволюции литосферы, гидросферы и биосферы Земли. Вариации воздействия плотности межзвездной среды регулировали солнечную активность, геомагнитные бури и оказывали существенное влияние на земные процессы (вариации атмосферной циркуляции, скорость вращения Земли, смену траектории холодных и теплых течений, тектонические движения земной коры и вулканические извержения). Каждый из отмеченных факторов соответственно влиял на температурный режим нашей планеты и формировал климат Земли.

В 1965 нами (Сверлова Л.И., 1973) разработан метод реконструкции климатов планеты на основе моделирования процессов, вызывающих изменения климата исходя из учета следующих закономерностей:

1. На каждом временном интервале эволюционного развития крупные ритмы, оказывали большее влияние на изменение климата, чем мелкие. Мелкие ритмы воздействия только затушевывали влияние основных ритмов, определяющих тенденцию развития климата.

2. Крупные ритмы воздействия космической среды на климат планеты имеют меньшее влияние, чем мелкие. Значительность воздействия на климат крупных ритмов достигается за счет продолжительности влияния.

Это подтверждается данными, полученным с помощью искусственных спутников Земли. Стало известно, что вариации в ультрафиолетовом излучении в течение 27-дневного цикла солнечной активности быстро уменьшаются с ростом длины волны.

При реконструкции палеоклиматов нами использован математический метод суперпозиции гармоник циклов и ритмов) воздействия внешних факторов на климат Земли.

К реконструкции палеоклимата мы подходили с точки зрения расчета палеотемпературных аномалий приземных слоев атмосферы для широт 40-50°.

Таблица 8.3.1.

Экстремальные феномены изменений климата, использованные при реконструкции

Модель расчета палеотемпературных колебаний в приземных слоях атмосферы имеет следующий вид.

где:

А - амплитуда колебаний температуры приземных слоев атмосферы от воздействия ритмов (табл. 8.3.1.)

W – угловая частота колебаний определяется по формуле , где Т_n – периоды ритмов (табл. 8.3.1)

Т – временной интервал, через который определяется данная температура. Если масштаб времени выбран 1:100, то значение температуры мы получим с интервалом через 100 лет. Если масштаб времени выбран 1:10, то значение температур мы получим через каждые 10 лет.

g - углы начальных фаз гармонических колебаний внешних воздействий на температурный режим приземных слоев атмосферы от начала отсчета (каждому ритму придаются значения g от 0 до 360°, при этом выбирается тот вариант, который по температурным показателям колебаний нашел свое отражение в геологических событиях данного отрезка времени).

Угловая частота колебаний определяется величиной смещения синусоиды относительно начала координат. Она измеряется абсциссой точки перехода отрицательной полуволны в положительную. При реконструкции отрицательной полуволне придавалось значение похолодания климата на планете, а положительной – потепления. Значения начальной фазы изменялись от 0 до 360 градусов. В процессе моделирования принималась та величина «гармоники», которая при суперпозиции обеспечивала резонанс – либо яркого потепления, либо похолодания в соответствии с принятым постулатом для рассматриваемого отрезка времени (табл. 8.3.1.).

При реконструкции климата определялся масштаб времени, в пределах которого рассматриваются колебания климата. В зависимости от временного масштаба осуществлялось построение модели. При этом последовательно осуществлялся переход от больших отрезков времени к меньшим. Например, 3,5-0,1 млрд. лет; 600-0,1 млн. лет; 60-0,1 млн. лет; 10-0,1 млн. лет; 2-0,1 млн. лет; 12-0,1 тыс. лет.

За период геологической истории Земли кривая термического состояния Земли имеет довольно плавный ход (рис. 8.3.1), поэтому те термические вариации, которые на планете имели место в прошлом, можно отнести за счет вариаций, связанных с экзогенными воздействиями.

Рассмотрим методику составления расчета палеотемпературных вариаций в пределах разных временных периодов: 3,5 млрд. лет, 600 млн. лет, 10 млн. лет, 10 тыс. лет и 2 тыс. лет до настоящего времени. Для каждого периода нами устанавливались ритмы возможных космических воздействий и время ярчайших потеплений либо похолоданий климата (названных нами «постулатами»), которые были подтверждены палеомагнитными, палеоморфологическими и палеонтологическими данными и радиоуглеродными датировками (табл. 8.3.1).

В связи с тем, что среднегодовая температура планеты по своей абсолютной величине близка к среднегодовой температуре умеренных широт, мы производили расчет для широт 40-:-6О⁰.

Расчет вариаций термического режима автором выполнен для периодов 3,5 млрд. лет (в масштабе 1:100 000 000), 600 млн. лет (М 1:10 000 000), 10 млн. лет (М 1:100 000), 100 тыс. лет (М 1:1000), 10 тыс. лет (М 1:100), 2 тыс. лет (М 1:100) и составлен прогноз возможных вариаций климата в будущем.

При моделировании обязательным условием было выполнение следующих постулатов (основных положений, четко зафиксированных в палеогеологии и палеонтологии):

1. В течение всей геологической истории Земли (3,5 млрд. лет) наибольшее потепление климата имело место 1,4 млрд. лет назад, а наибольшее похолодание – 600 млн. лет назад. В течение 10 млн. лет наибольшее потепление климата отмечено 4,5 млн. лет назад. (Брукс А., 1952; Синицын П.С..1963; Сорохтин О.Г., Ушаков С.А, 1991; Будыко М.И., 1997 и др).

Рис. 8.3.2. Максимальное распространение льдов Северного полушария в плейстоцене. Материковые льды (наземные и подземные) и морские льды (по К. К. Маркову):

1 – современная граница морских льдов, 2 – древняя граница морских льдов, 3 – современные наземные материковые льды, 4 – древнее наземное максимальное оледенение, 5 – современная граница многолетней мерзлоты и подземного оледенения.

2. В течение последних 100 тыс. лет наибольшее похолодание климата отмечено 23 тыс. лет назад (Флирт, Брандтер, 1966, Эмилиани, 1969). В плейстоцене эпохой максимального похолодания была Валдайская ледниковая эпоха. Это похолодание вызвало сильное уменьшение влажности воздуха, суровость и малоснежность зим (Брукс, 1952; Фейрбридж, 1976, Сорохтин О.Г. соавт., 1991).

На рис. 8.3.2 приводятся границы максимального оледенения планеты в четвертичном периоде (23 тыс. лет назад) и границы ледников на современном этапе геологического развития Земли.

3. В течение 10 тыс. лет выдающимся климатическим феноменом (голоцен) был климатический оптимум, имевший место 4 тыс. лет назад (Айдероон,1905; Строка,1960; Гричук Е.П., 1969. Будыко М.И., 1996).

4. За последние 2 тыс. лет наибольшее похолодание произошло в V-VII веках н.в. с кульминацией в 520 году (Брукс,1952; Альман,1962, Ладюри,1971).