Рис. 1. Геохронологическая школа (Кайнозойская эра)

1.1 Неогеновый период

Существенное влияние на климат неогена (22,5-1,2 млн. лет) оказали абсолютное господство континентальных условий на материках, резко выраженные контрасты наземного рельефа, наличие высоких и протяженных орографических рубежей, сокращение размеров Арктического бассейна и его относительная инсоляция, уменьшение площади Средиземного моря и ряда других окраинных морей. Три основные тенденции эволюции данного периода: 1) прогрессирующее похолодание, распространявшееся от высоких широт, и появление ледовитости в полярных областях; 2) существенное обострение температурных контрастов между высокими и низкими температурами; 3) обособление и резкое преобладание континентальных климатов.

По данным Ф. Дормана и Е. Жилла, в первой половине миоцена температура колебалась в пределах 16-20°C, а в позднем миоцене она снизилась до 13-16°C.

В пределах тропического пояса выделяют также сектора аридного, переменно-влажного и равномерно-влажного климата. Положение аридного сектора (Средиземноморье, Ближний и Средний Восток) фиксируется по развитию соленосных и гипсоносных отложений, а также по распространению саванно-пустнынной растительности. В пределах переменно-влажного сектора накапливались также и угленосные толщи (Западная Европа, юг Северной Америки) и произрастала своеобразная растительность сходная с саванной и жестколистными лесами современного Восточного Средиземноморья. Область равномерно-влажного тропического климата характеризовалась формированием мощных латернитых покровов и латеритных кор выветривания. Они известны в Австралии, Африке, Америке.

В пределах субтропического пояса, который наиболее четко и обоснованно выделялся в северном полушарии, располагались области с равномерным и переменным увлажнением. Природные условия этого пояса в течение миоцена испытывали наибольшие изменения, с одной стороны, под влиянием наступающего похолодания, а в другой - в результате увеличения континентального климата.

В конце миоцена в умеренном поясе смешанные хвойно-широколиственные леса обеднялись за счет исчезновения теплолюбивых элементов, а в Сибири и на Аляске в это время сократилась роль широколиственных. В пределах лесов средняя январская температура составляла -10..-12°C, июля- 16-18°C, годовая сумма атмосферных осадков 700-800мм. Характерным для этой эпохи является появление субтропического пояса, сходного по своим климатическим характеристикам с современным. Его появление связано с особенностями атмосферной циркуляции умеренного пояса, на формирование которой влияли климатические условия в Полярном бассейне и в северо-восточной Азии.

В эпохе плиоцена (5,5-1,2 млн. лет) отчетливо выражены 2 климатические фазы. Более теплая фаза характерна для раннего плиоцена, а относительно прохладная существовала в позднем плиоцене.

Также выделяются аридный, переменно-влажный и равномерно-влажный климаты. В пределах аридного - происходило формирование соленосных и гипсоносных осадков. Равнинные пространства были покрыты в основном из травянистых сообществ. В области переменно-влажного тропического климата была развита саванная растительность со свойственным ей животным миром (носороги, жирафы, газели). Условия равномерно-влажного климата способствовали интенсивному развитию мощного растительного покрова.

На протяжении плиоценовой эпохи положение поясов умеренно-холодного и умеренного климата сильно изменялось. Во второй половине плиоцена хвойно-широколиственные леса сменяются хвойно-мелколиственными и березово-ольховыми с примесью кустарниковых, а саванно-степи Поволжья, Казахстана, Монголии и других районов замещаются бореальными степями со злаковой и полынно-лебедовой растительностью.

Похолодание в конце плиоцена настолько усилилось, что привело не только к изменению растительного и животного мира, но и к появлению в начале горно-ледниковых, а затем и небольших покровных оледенений в северном полушарии. В Высоких широтах на смену таежному типу растительности приходит лесотундровая. Похолодание наиболее сильно проявилось в полярных областях и постепенно распространилось в умеренные широты. В течение плиоценовой эпохи климат не был однообразным. Достаточно четко в плиоцене выделяется время потепления, об этом свидетельствуют многочисленные палеоботанические и палеозоологические данные.

В целом можно отметить, что в течение плиоценовой эпохи происходило ухудшение климатических условий, и границы климатических зон смещались к экватору. Если в раннем плиоцене эти изменения протекали достаточно медленно и похолодание коснулось только полярных областей и высокогорных районов, то в позднем плиоцене темп резко увеличился.

1.2 Климат четвертичного периода

В начале четвертичного периода было прохладнее, чем в неогене, но теплее по сравнению с современной эпохой. Климатическая зональность имела много общих черт с современной, но ее характерной особенностью являлась большая ширина умеренного и тропического поясов.

Сильное похолодание, наступившее в середине раннего плейстоцена с понижением средних годовых температур на 10-15°С в высоких широтах, привело к образованию вначале мощного снежного, а затем ледяного покрова. Ледниковые покровы, существовавшие в полярных районах, в конце плиоцена стали постепенно увеличиваться в размерах.

В эпохи оледенений нарастание мощности ледниковых покровов вызывало их смещение в направлении к экватору. Наибольшее распространение ледяного покрова отмечалось в районах с влажным морским климатом, в то время как в сухом континентальном климате ледники занимали незначительное площади. Во время наиболее сильных похолоданий ледниковый покров в северном полушарии в среднем достигал 57° с.ш., а в отдельных районах языки ледника простирались до 40° с.ш.

Появление материкового щита и глобальное похолодание вызвали интенсивные изменения климатической зональности. По сравнению с современными пояса арктического и антарктического климатов сильно расширились. Арктический пояс распространился до 40-50° с.ш. Эта территория была занята обширными ледниковыми щитами, тундрой, тундро-степями и морскими льдами. Пояса умеренного, субтропического и тропического климатов были сильно сужены и смещены в низкие широты. В засушливых секторах влажность увеличилась, и в периоды оледенений существовали плювиальные эпохи.

Охлаждающее влияние ледников на прилегающие территории вызвало возникновение своеобразных природных зон, называемых перигляциальными степями. Для них характерно сочетание довольно низких температур в течение года, относительно большого количества суммарной солнечной радиации и очень небольшой суммой атмосферных осадков.

Рост ледникового покрова вызвал общее снижение уровня Мирового океана примерно на 100-150 м по сравнению с современным. В периоды оледенений увеличивалась не только континентальность климата, но и происходило понижение температур ввиду того, что значительная доля солнечной инсоляции из-за высокого альбедо ледяной поверхности не расходовалась на обогрев планеты. В ледниковые эпохи северное полушарие было холоднее южного, и поэтому термический экватор располагался в южном полушарии, а не в северном, как в настоящее время.

Согласно расчетным данным В. Косминского, в арктическом поясе в центральной части ледникового щита годовая суммарная радиация составила 3800-4600 МДж/м2, общее количество атмосферных осадков - 100 мм/год. Средняя температура самого теплого месяца на краю ледникового щита повышалась до 0°C, ВТО время как в центральных районах опускалась до -25…-30C. В перигляциальной области общее количество атмосферных осадков обычно не превышало. 200-250мм/год. Средняя температура самого теплого месяца доходила до 10С, хотя в холодное время года она часто опускалась до -50C. В умеренном поясе расположенном южнее годовой радиационный баланс составлял 600-1000МДж/м2.В некоторых районах температура в летние месяцы составляла 3-5°С, и бывало повышалась до 20°С. На крайнем юге умеренного пояса средние годовые температуры равнялись 7-8°С.

1.3 Климаты ледниковых и межледниковых эпох

В течение четвертичного периода наиболее ярко выразилась ритмичность изменений климата, которые носили глобальный характер. Они приводили к периодическому смещению климатических поясов, и их миграция даже за сравнительно короткий промежуток времени составляла 1000--2000 км. Что же касается районов, прилегающих к экватору, то соотношение между оледенениями и плювиалами, т. е. эпохами выпадения обильных осадков во внеледниковых областях, здесь обратное. Ледниковым периодам соответствовали засушливые эпохи, а межледниковьям -- дождливые.

Геологические данные свидетельствуют о том, что во время ледниковых эпох соленость вод морей, расположенных в тропическом и экваториальном климате, увеличивалась, следовательно, ледниковые эпохи приводили к возникновению сухого климата в тропических областях.

От межледниковья до ледникового периода среднегодовые температуры поверхностных экваториальных вод изменялись на 6--10°С. Амплитуда климатических изменений нарастала по мере движения от экватора к полюсам и от морских районов к континентальным.

Причем если в областях с морским типом климата происходили колебания в температурном режиме, то во внутриконтинентальных районах изменялась влажность.

В ледниковые эпохи разность между температурами низких и высоких широт в северном полушарии достигала 70°С, в то время как в межледниковые эпохи она составляла всего 30 -- 35°С. Увеличение температурных контрастов от межледниковых эпох к ледниковым сопровождалось усилением интенсивности атмосферной циркуляции.

Смещение циклонов к экваториальным широтам приводило к увеличению увлажненности аридных областей, расположенных на территории Южной Европы, Центральной Азии, Африки и Северной Америки.

Циклоническая деятельность в эпохи потеплений обеспечивала обильное выпадение атмосферных осадков в тропических и субтропических широтах. Большое количество атмосферных осадков обеспечивало развитие, с одной стороны, горных ледников, а с другой увеличивало сток равнинных рек. Именно в плювиальные эпохи на равнинах Гоби, Аравии, Сахары Южной Африки и в Австралии была разработана гидрографическая сеть и повышались уровни озер.

В эпохи межледниковий происходило смещение в высокие широты климатических областей, и структура географической оболочки хотя и приближалась к современной. Палеонтологические материалы свидетельствуют о различных особенностях природных зон межледниковий и о значительном расширении экваториальных и тропических поясов по сравнению с эпохами оледенения.

В пределах арктического и антарктического поясов, размеры которых были близки к современным, среднегодовые температуры, как правило, были отрицательными. Средние температуры самого холодного месяца колебались от --30 до --50°С, а в теплые сезоны они повышались до +2°С.

Субарктический пояс характеризовался развитием тундровых и лесотундровых ландшафтов. Средние температуры самого теплого месяца достигали +12°С, и одновременно с этим возрастала годовая сумма атмосферных осадков.

В пределах умеренного пояса, так же как и в современную эпоху были развиты ландшафтно-климатические зоны тайги, широколиственных лесов, лесостепей, степей, полупустынь и пустынь. В зоне тайги в эпохи межледниковий средние температуры в зимнее время не опускались ниже -- 20°С, а среднелетние температуры равнялись +10-15°С.

Зона широколиственных лесов характеризовалась среднегодовыми температурами до +4°С. В пределах лесостепной и степной зон климат был более теплым. Среднелетние температуры в этих зонах нередко повышались до 20--25 °С. Общее количество атмосферных осадков не превышало 500 мм и снижалось в центральных районах континентов, где, так же как и в современную эпоху, располагались обширные аридные области, занятые полупустынями и пустынями.

В пределах субтропического пояса выделяются области с соответствующим типом растительности. Северная граница субтропического пояса в эпохи значительных потеплений проходила в более высоких широтах по сравнению с современными. Среднегодовые температуры этого пояса колебались в пределах 14--18°С. В тропическом и экваториальном поясах располагались области с аридным, переменно-влажным (сезонно-влажным) и равномерно-влажным климатом. Среднегодовые температуры в пределах экваториального пояса изменялись в пределах 25-28°С.

2. РЕКОНСТРУКЦИЯ КЛИМАТИЧЕСКОГО ПРОШЛОГО

Хорошими свидетелями климата прошлого являются варвы, или ленточные глины,-- отложения в озерах. Накопления глинистых озерных отложений имеют годовой цикл. Каждый годовой слой четко отделен от предыдущего и последующего. В нем можно выделить зимнюю и весенне-летнюю прослойки. Толщина слоев, прослоек и состав материала в них дают представление об условиях окружающего района-- потеплениях и похолоданиях, увлажнениях и засухах.

Свидетелями климата прошлого служат также геоморфологические признаки, т. е. особенности рельефа территории или вскрытой под породами поверхности с древним рельефом. Признаком повышенной влажности в прошлом в нынешних пустынях могут служить сохранившиеся следы былой речной сети и речных форм рельефа, их изучение может много рассказать об эпохах увлажнения и иссушения.

Высота древних снеговых линий в горах, отмеченных особыми формами рельефа -- карами и нишами, свидетельствует о прошлых похолоданиях. Ветровые (эоловые) формы рельефа помогают восстанавливать циркуляцию атмосферы. Мерзлотные формы рельефа свидетельствуют о наличии мерзлых грунтов в прошлом и, следовательно, о значительных похолоданиях.

2.2 Индикаторы климата

В холодном климате замедляется химическое разложение (выветривание) пород, преобладающим становится физическое выветривание (разрушение). Поэтому если в отложениях обнаруживают минералы, легко поддающиеся химическому выветриванию, то это свидетельствует о формировании пласта в условиях холодного климата. Особое место среди индикаторов холодного климата занимают отложения, оставленные ледниками, морены -- обломки и частицы породы, перенесенные ледниками. Для них характерен глинистый материал с примесью песка, гравия, щебня, крупных обломков и валунов, иногда хорошо отполированных и даже имеющих царапины, похожие на штриховку. Весь этот материал залегает беспорядочно, не имеет слоев, никак не отсортирован. Мореные отложения древних ледников были погребены под другими отложениями, подвергались давлению вышележащих толщ и даже нагреванию при погружении на значительную глубину. Переработанная временем морена древних ледников, превратившаяся в горную породу, получила название «тиллит». Ледниковое происхождение многих тиллитов подвергалось сомнению, так как похожие отложения могут возникнуть и при оползнях, селях, мутьевых потоках на дне океана. Однако сейчас благодаря усилиям многих исследователей, в. том числе советского ученого Н. М. Чумакова, можно достаточно надежно распознавать тиллиты, оставленные древними ледниками.

Индикаторами сухого (аридного) климата служат отложения, выпадающие из растворов в условиях сильного испарения. К ним относятся отложения каменной поваренной соли, месторождения калийной соли, гипсов. Такие отложения -- прямые свидетели климата, близкого к климату современной пустыни.

Индикаторами теплого климата выступают также крупные насекомые. Из морских организмов свидетелями теплого климата оказываются все те, которые используют процесс выделения извести, в частности фораминнферы и организмы, строящие коралловые рифы, поскольку лишь в условиях теплого климата верхний слой морской воды насыщен известью.

В качестве примера геологических индикаторов можно привести белые глины -- каолины, сырье для производства фарфора. Каолин --это продукт выветривания (разложения) горной породы в условиях влажного климата. Другим показателем влажного климата являются бокситы -- сырье для производства алюминия. В условиях влажного климата шло также образование марганцевых руд и пластов каменного угля. А месторождения фосфоритов формируются в условиях не только влажного, но и теплого климата.

Палеонтологические данные, т. е. остатки животных в отложениях, могут быть важным свидетельством изменений климата в прошлом. Так же, как и для растений, изобилие или, наоборот, бедность видового состава животных могут свидетельствовать о более теплых или более холодных условиях. Холоднокровные животные могут свидетельствовать о теплом климате, особенно если их остатков попадается много. Важным признаком климатических условий могут быть размеры животного. Существует правило Бергмана, согласно которому теплокровные животные близких видов имеют тем больший размер, чем холоднее климат, в котором они живут. Холоднокровные животные, наоборот, больших размеров достигают в условиях теплого климата.

При оценке климата прошлого косвенные индикаторы климата используются очень осторожно. Каждый из них в отдельности не позволяет сделать уверенный вывод о состоянии климата, надежные результаты получаются только при использовании всего комплекса данных -- изучении отложений осадочных пород, рельефа, растительных и животных остатков.

3. КЛИМАТООБРАЗУЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Чтобы раскрыть условия формирования климата, необходимо определить его причины. Их называют климатообразующими факторами. Климатообразующие факторы - это физические механизмы, определяющие внешние воздействия на климатическую систему, а также основные взаимодействия между звеньями климатической системы.

3.1 Основные климатологические факторы

Климатологические факторы можно разделить на две группы. К первой относятся внешние климатологические факторы. Они обуславливают энергетические воздействия на климатическую систему Земли извне. Во вторую группу входят факторы, характеризующие свойства самой климатической системы. Это внутренние климатообразующие факторы.

Внешние, или астрономические, также делятся на две группы. В первую включаются астрономические факторы:

-светимость Солнца;

-положение и движение Земли в Солнечной системе;

-наклон ее оси к плоскости орбиты;

-скорость вращения вокруг Земли.

Эти факторы определяют воздействия на Землю со стороны других тел Солнечной системы - во-первых, ее инсоляцию (облучение солнечной радиацией) и, во-вторых, гравитационные воздействия внешних тел (создающие, как приливы, так и колебания характеристик орбитального движения и собственного вращения Земли, а потому и колебания в распределении инсоляции по внешней границе атмосферы).

По своему влиянию на климат изменения земной орбиты сходны с колебаниями солнечной активности, поскольку небольшие отклонения в положении орбиты приводят к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Такие изменения положения орбиты называются циклами Миланковича, они предсказуемы с высокой точностью, поскольку являются результатом физического взаимодействия Земли, ее спутника Луны и других планет. Изменения орбиты считаются главными причинами чередования гляциальных и интергляциальных циклов последнего ледникового периода. Результатом прецессии земной орбиты являются и менее масштабные изменения, такие как периодическое увеличение и уменьшение площади пустыни Сахара.

Геофизические факторы составляют вторую группу внешних климатообразующих факторов, связанные со свойствами Земли как планеты:

-размер и масса Земли;

-скорость вращения вокруг оси;

-собственные гравитационное и магнитное поля Земли;

-внутреннее тепло, определяющее геотермические источники тепла и вулканизм.

Существенным климатообразующим фактором рассматриваемой группы является скорость вращения Земли вокруг оси. От скорости вращения зависит отклонение формы планеты от шарообразной, она влияет на гравитационное поле. Вследствие вращения Земли многие метеорологические элементы испытывают суточные колебания благодаря изменению притока солнечного тепла. Также скорость вращения влияем на характер всей атмосферной циркуляции.

Главными метеорологическими климатообразующими факторами являются:

- масса атмосферы;

- химический состав атмосферы.

Масса атмосферы определяет ее механическую и тепловую инерцию, ее возможности как теплоносителя, способного передавать тепло от нагретых областей к охлажденным. Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, одни из которых имеют почти постоянную концентрацию, другие - переменную. Кроме того, в атмосфере содержатся различные жидкие и твердые аэрозоли, которые также имеют существенное значение в формировании климата.

Таблица 1 Химический состав современного атмосферного воздуха

Основными составляющими являются азот, кислород, аргон. Химический состав атмосферы остается постоянным до высоты 100км, выше начинает сказываться гравитационное разделение газов и относительное содержание более легких газов увеличивается.

3.2 Другие климатологические факторы

Кроме факторов, рассмотренных выше, имеются также и другие, преимущественно менее важные по действию, что не всеми признается реально. К их числу относятся:

1) Влияние колебаний полюсов Земли, для которых не очень ясно, являются ли ни фактором, влияющим на атмосферную циркуляцию, или сама атмосферная циркуляция вызывает колебания полюсов. К их числу относятся колебания температуры и увлажнения, а также вулканической деятельности длительностью 30-35 лет.

2) Приливными явлениями пытаются объяснить циклы длительность около 19 лет, которые не везде обнаруживаются, и циклы длительностью около 2000 лет, исследовавшиеся Петерсоном.

3) Солнечная активность, влияние которой на приземный климат всё еще остаётся дискуссионным. Многие ученые приписывают этому явлению происхождение почти всех колебаний современного климата и колебаний климата геологического прошлого. Влияние этого же фактора на процессы самых верхних слоев атмосферы и на колебания магнитного поля Земли сомнений не вызывает.

Что же создает солнечная активность в земной атмосфере и литосфере. Она воздействует на магнитное поле Земли, меняет существенно температуру в ионосфере при условии, что возмущения ультрафиолетовой и корпускулярной радиации достигают околоземного пространства, создают полярные сияния и т. п. Но в отношении нижних слоев атмосферы мнения расходятся. Обнаруживаются связи экстремальных явлений погоды с солнечными вспышками, изменения глубины барических образований на протяжении солнечных циклов и т. п. Они могут проявлять длительное время, а потом исчезнуть.

В ходе осредненных температур по площади северного полушария солнечная активность почти не проявляется. Вероятно, с ней связанна интенсивность вулканической деятельности, которая является уже основным фактором современных колебаний температуры.

4. ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ