Історія льодовикових періодів

Льодовиковий період. Що ми знаємо про льодовиковий період? Ми турбуємося про глобальне потепління, з тривогою спостерігаємо, як тане Арктика та зростає середня температура на планеті. Ще недавно про льодовиковий період ми не знали абсолютно нічого.

До середини XIX століття панували уявлення про стабільність клімату минулого нашої планети. Та й скільки було цього самого минулого? Сім тисяч років, як кажуть у Біблії, чи сотні мільйонів, за розрахунками геологів та астрономів? Минуле тільки починало набувати своїх обрисів, як берег незвіданого континенту, що виростає з туману.

Ні, звичайно, були відомі закам'янілі залишки тропічної рослинності та кістки теплолюбних тварин, знайдені у північних широтах. Але ці знахідки цілком відповідали передовій на той час ідеї про Землю, що остигає. Розпечена, вкрита лавовими морями, планета поступово втрачала тепло, перетворюючись на відомий нам світ. Екваторіальне пекло мезозою змінювалося третинними тропіками та знайомим кліматом четвертинного періоду. Вільям Томсон Кельвін дав обґрунтування цієї ідеї за допомогою термодинаміки і навіть вивів приблизний вік планети – від 20 до 100 млн років.

Наявність льодовиків у горах і льодових покривів на полюсах планети вкладалося у ці уявлення. А ось геологічне дослідження льодовиків призвело до несподіваних результатів. Виявилося, що льодовики можуть розповзатися і відступати, залишаючи характерні сліди як валунів, морен і поздовжніх борозен на скелях. Те, що давно було відомо жителям полонин, геологи дізналися лише у XVIII столітті.А в XIX столітті такі ж сліди були виявлені в тих регіонах Європи та Північної Америки, для яких льодовий покрив був невідомим. У 1837 році Луї Агассіс опублікував доповідь «Теорія льодовиків», висловивши припущення про епохи глобального похолодання та поширення льодовикового покриву на значну частину Північної півкулі.

Припущення Агассіса було сприйнято науковою спільнотою з неабиякою часткою скепсису. Ну ще б пак! Арктичні льоди на місці Берліна чи Санкт-Петербурга? Навіть біблійний міф про Потоп виглядає правдоподібнішим. Льодовикові епохи представлялися фантазією до 70-х років ХІХ століття. Їхнє визнання почалося з робіт шотландського вченого Джеймса Кролла. Було визначено критерії, що дозволяють відрізнити льодовикові відкладення від інших. Зміна епох глобального похолодання та потепління отримала пояснення через зв'язок із сонячною активністю, парниковими газами та ефектом альбедо. А в 20-30-х роках уже XX століття сербський вчений Міланкович створив модель кліматичних циклів, яка дозволяє розрахувати зміни клімату в плейстоцені та голоцені.

То що ми знаємо про льодовиковий період? Кажуть, це коли лід, холод, хуртовина, снігова пустеля до самого горизонту, печерні люди у шкурах печерних ведмедів – льодовиковий період.

Механіка заледенінь

Льодовиковий період називається тривалий в геологічних масштабах проміжок часу, під час якого клімат на планеті стає холодним і встановлюється льодовий покрив на материках.

Льодовиковий період складається з парних епох, що чергуються, «льодовик-міжльодовик». Льодовик – це коли все погано, холод, падіння рівня моря, зледеніння. Міжледників – навпаки, світло, тепло, і рівень моря високий.Усередині цих епох також виділяють періоди похолодання та потепління, але менш масштабні. Ми, до речі, живемо зараз у міжльодовичну епоху, що почалася 11,7 тисячі років тому. А одним із прикладів незначного похолодання в наш, загалом теплий час, був малий льодовиковий період, що тривав з XIV до середини ХІХ століття. Після цього почалося глобальне потепління, посилене антропогенним впливом.

Тривалість льодовикових епох і міжльодовикових може коливатися в межах десятків тисяч років. А льодовиковий період може налічувати десятки таких епох, розтягуючись на мільйони років. Послідовна низка льодовикових періодів утворює льодовикову еру.

Універсальної причини, що запускає та зупиняє механізм охолодження планети, немає. Є набір повторюваних умов і факторів, кожен з яких робить свій внесок у конкретну льодовичну еру:
- Довге холодне літо у північній півкулі, що виникає через зміни орбіти планети та коливання кута нахилу земної осі.
- Зниження сонячної активності, що зменшує кількість тепла, що надходить на Землю.
- збільшення відбивної здатності поверхні (альбедо) планети через зниження площі лісів або виникнення постійного снігового покриву.
- Нагромадження великих масивів суші як на полюсах, так і на екваторі.
- Зміна океанічних течій та циркуляції повітряних мас над ними.
- Падіння концентрації парникових газів (метану та вуглекислого газу) в атмосфері.

Запустити процес глобального похолодання може як один, так і кілька факторів, але як зупинити його? Якби всі сили, що викликають заледеніння, діяли тільки на його посилення чи стабілізацію холодного клімату, планета давно перетворилася б на гігантську снігову кулю.Цього не відбувається, тому що в міру розвитку заледеніння значення факторів, що його викликали, знижується, запускаючи механізм негативного зворотного зв'язку. Як це працює? Подивимося на конкретні приклади.

Льодовикові ери

Сучасна геологія здатна побачити далеке минуле планети у подробицях, недоступних дослідникам ХІХ століття. Ми знаємо, що вік Землі близько 4,5 млрд. років, і 640 млн. років з них тривали періоди глобальних похолодань, відомі, як льодовикові ери. Усього таких ер виділяють чотири.

Найдавніша льодовикова епоха посідає ранній протерозою і пов'язані з кисневої катастрофою. Фотосинтезуючі організми, левову частку яких становили ціанобактерії, першими навчилися забруднювати атмосферу, викидаючи до неї токсичні продукти життєдіяльності. Таким продуктом став кисень. Головний парниковий газ первинної атмосфери, метан, виявився окисленим менш ніж повністю, і близько 2,4 млрд років тому температура на Землі впала з +54°С до -40°С. Гуронське заледеніння, що настало, вважається наймасштабнішим в історії: вся Земля була вкрита крижаним панциром, і навіть у тропіках товщина льодовиків становила кілька сотень метрів. Анаеробні організми, які харчувалися метаном, майже вимерли, та й фотосинтетикам довелося не солодко. Вуглекислий газ, що надходить через вулкани в атмосферу, поступово накопичувався, поки не спрацював парниковий ефект, що поклав край Гуронському заледеніння 2,1 млрд років тому.

Наступна льодовикова ера почалася близько 750 млн років тому, охопивши весь геологічний період з назвою «кріогеній», що говорить, і закінчившись близько 580 млн років тому, в едіакарії. Масштаб нового заледеніння був порівнянний з Гуронським, зате тривалість була майже вдвічі меншою.Модель, що описує цей період, зветься «Земля-Сніжок». Вуглекислий газ, що витяг планету з обійм Гуронського заледеніння, поставлявся в основному вулканами. І переходив в осадові гірські породи у процесі хімічного вивітрювання силікатів. Чим більше дощів йде над сушею, тим активнішим є процес хімічного вивітрювання та вилучення вуглекислого газу з атмосфери. А що буде, якщо всю суходіл зібрати в тропіках, у зоні рясних дощів? Коли літосферні плити склалися в суперконтинент Батьківщину, відповідь стала зрозумілою. Безкраї льодові поля і -20 ° С в жаркий полудень на екваторі. Життя, що стало вже багатоклітинним, тулилося в підлідних озерах і біля геотермальних джерел. Підсумок заледеніння був закономірний. Крижаний покрив перешкоджав вивітрюванню, вулкани продовжували працювати, і рівень вуглекислого газу почав зростати. До середини едіакарію парниковий ефект розтопив криги, відкривши Батьківщину, що розповзається на континентальні клапті. Стік, що посилився, з суші збагатив води океану фосфором і карбонатами, що призвело в результаті до кембрійського вибуху.

Масштаб зледенінь у палеозої був непорівнянний із Землею-Сніжком, але все ще залишався суттєвим. Двічі полярні широти ховалися під товщею снігу та льоду. Перше заледеніння відоме як Андсько-Сахарське і має часові рамки 460 - 420 млн років. Друге - льодовиковий період Кару, що трапився 360 - 260 млн. років тому. Сліди обох зледенінь можна побачити у Бразилії, Марокко, Сахарі, Лівії та Південній Африці. Обидві геологічні події подібні між собою. Центром заледеніння стає великий масив суші, що дрейфує у районі Південного полюса – Гондвана. А фактором, що запускає механізм глобального похолодання, є падіння рівня CO₂ у атмосфері.Але тепер його концентрація залежить не тільки від вулканів та вивітрювання.

В ордовику до ціанобактеріальних матів, що впливали на склад атмосфери ще протерозої, додалися водорості, фітопланктон і перша наземна флора, лишайники. Збільшення їхньої біомаси призвело до вилучення великої кількості CO₂ з атмосфери та поховання вже у вигляді великих покладів горючих сланців. Як результат – похолодання, широке заледеніння і падіння рівня моря, що занапастило багаті життям шельфові зони. На рубеж ордовика-силура припадає друге за масштабністю вимирання, що знищило до 70% видів. Після чого знову став зростати рівень CO₂, парниковий ефект повернув лід у рідкий стан і біомаса рослин знову почала збільшуватися.

У кам'яновугільному періоді сценарій із заледенінням повторився. Тільки цього разу не водорості, а заболочені ліси з деревоподібних папоротей зіграли роль накопичувача оксиду вуглецю. Поки меганеври насолоджувалися рекордними 35% кисню в атмосфері, і формувалися багатометрові товщі кам'яного вугілля, з півдня насувалися льодовикові пустки. Кінець їх просування поклали гриби та бактерії, що навчилися харчуватися деревиною і повертають в атмосферу CO.₂.

До мезозою у світі встановився тендітний кліматичний баланс. Материки почали розповзатися подалі від полюсів, збільшилася площа епіконтинентальних морів, сформувався ґрунтовий покрив. Роль хімічного вивітрювання впала, а з поверненням в атмосферу CO₂, накопиченого рослинами, чудово справлялися сапрофіти та травоїдні тварини. Планета вступила в термоеру, що тривала до середини кайнозою. Середні температури від +20°С і вище, широкий екваторіальний та тропічний пояси, теплі мілководні моря.Рай для динозаврів та давніх ссавців, який не міг тривати вічно.

Зима близько

Перші дзвіночки про майбутні зміни пролунали ще наприкінці крейдяного періоду. Рух континентів, поява молодого Атлантичного океану, скорочення акваторії Тетіса призвело до зміни морських течій та циркуляції повітряних мас. У полярних областях стало по-справжньому холодно, на Чукотці та Антарктиці динозаврам доводилося виживати за умов суворих снігових зим. Але вже в палеоцені, 55 млн років тому, почалося швидке та несподіване потепління. Причиною різкого (на 8°С) зростання температури могло стати вивільнення метану, накопиченого в морських донних відкладеннях наприкінці крейдяного періоду. Настало вічне літо еоцену, і широколистяні ліси росли за полярним колом.

А тим часом світ невловимо змінювався. Ще на початку мезозою з'явився фітопланктон нового типу, представлений діатомовими водоростями, динофлагелятами та кококолітофоридами. При низькій біомасі фітопланктон має величезну продуктивність, виступаючи основою трофічних ланцюгів в океанах. Продуктивність обертається підвищеним споживанням CO₂, частина якого включається в кругообіг речовин гідросфери, частина перетворюється на поклади вуглеводнів. До середини кайнозою падіння рівня вуглекислого газу почало позначатися на річних температурах.

В олігоцені почала покриватися льодом Антарктида, що змістилася в район Південного полюса. У міоцені льодовики з'явилися у гірських долинах Гренландії. У пліоцені рух континентів призвело до остаточного зникнення Тетіса, а заразом до утворення Панамського перешийка. Система течій змінилася, і теплі води з тропічної Атлантики попрямували до Північного, тоді ще Льодовитого, океану.Зі зміною географії змінювалася і біосфера планети. На зміну безкраїм лісам прийшов новий тип ландшафту – степу, що призвело до збільшення альбедо та прискорило загальне похолодання клімату.

Відкриті простори з трав'янистою рослинністю, чагарниками та ділянками лісу вздовж річкових долин поступово зливались в одну величезну екосистему. У пліоцені (12 - 2 млн років тому) степи, савани та рідкісного лісу простяглися від Південної Африки до Центральної Азії і далі на схід, через Берінгову протоку в Нове Світло. Єдність ландшафту сформувало і загальний фауністичний комплекс – гіппаріонову фауну. Тут були великі травоїди (бики, носороги з бегемотами etc), швидконогі антилопи та гіпопаріони, що еволюціонують у коней, хижаки на кшталт псових, гієн та шаблезубих кішок, жирафи, страуси, борсуки, гризуни. Хоботних представляли сімейства слонів та мастодонтів. А в африканських саванах мешкало кілька видів прямоходящих людиноподібних мавп.

Перенесення теплих вод Атлантики у північні широти призвело до збільшення обсягу опадів у приполярних областях суші. Літо ставало все холоднішим і дощливішим, зима затягувалася, і швидкість накопичення снігових мас перевищила швидкість їхнього танення. Альбедо планети, посилене поширенням степів, ще більше збільшилося за рахунок територій, вкритих снігом цілий рік. Підраховано, що для формування льодовика необхідний шестиметровий шар щільного снігу, що злежався. Ця межа була подолана 2,6 млн років тому. Ставало дедалі холодніше, дедалі більше вологи йшло на формування льодових щитів у Європі та Північній Америці. Почалося Четвертичне заледеніння.

Новий порядок

Протягом усього плейстоцену холодні епохи змінювалися теплими міжльодовиками.Льодові щити пульсували, то стискаючись, то займаючи до чверті площі всієї суші, і разом із ними змінювався рівень світового океану. Остання льодовикова епоха, відома як валдайське заледеніння, тривала близько 100 тисяч років і закінчилася 11,7 тисячі років тому. Якою була планета за часів максимального заледеніння? Дані геології дозволяють зазирнути у минуле та намалювати карту цього дивовижного світу.

У Північній півкулі льодовикові маси підживлювалися вологою з північних областей Атлантики та Тихого океану. Це визначило характер розташування континентальних льодовикових щитів. Льодовий панцир завтовшки два-три кілометри розповзався на південь та схід від Скандинавії, доходячи до середньої смуги Росії. Шотландія та частково Альпійський регіон були вкриті власними льодовиками. Ще один центр заледеніння розташовувався на Уралі. В Америці Кордильєрський і Лаврентійський льодовикові щити зливалися в один масив, що простягся від Аляски до Лабрадору. У Північному Льодовитому океані залишалися вільні від багаторічного льоду зони.

Клімат став холоднішим за сучасний на 6°С, і набагато сухіше через те, що значна частина води була пов'язана в льодовиках. Саме малою кількістю опадів пояснюється практично повна відсутність льодовиків у Сибіру та Чукотці. За межами прильодовикової зони тягнулися степи та рідкісні ліси, що переходять у величезні пустелі. Тропічні ліси Амазонії та Конго, що здаються незмінними з часів динозаврів, поступилися місцем саваннам. Гірські області, навіть у Тайвані, на Новій Гвінеї та Австралії, стали центрами локального поширення льодовиків.

Нагромадження величезних мас льоду викликало зниження рівня моря на 120 метрів.Шельфові ділянки дна перетворилися на сухопутні мости, що з'єднують архіпелаги і навіть континенти. Берінгія, один із таких мостів, перетворилася на транспортний коридор для тварин. Мамонти, стародавні бізони та шаблезубі кішки прийшли до Північної Америки. У Євразії з'явилися вовки, коні та верблюди.

Здавалося б, такі зміни мають завдати серйозного удару по біосфері. Почасти так і сталося. Але для степових екосистем сухий та холодний плейстоцен став періодом розквіту. У північній півкулі пліоценові савани утворили незвичайний ландшафт – тундростеп, мешканці якого отримали назву «мамонтова фауна».

Мамонтові степи

Мандрівник у часі, який повернувся у минуле на 15 – 100 тисяч років тому, не побачив би звичної тайгової зони у північній півкулі. Від Європи на схід до Тихого океану тяглися безкраї рівнини. Великі поля злакових трав, справжнє трав'яне море, перетиналися ділянками тундрової рослинності на пагорбах. Ялівець модрина росла на схилах пагорбів. Уздовж річок простяглися стрічкові хвойні ліси, низинні ділянки були зайняті вербою, вільхою, чагарниками та болотяною осокою. Суха, малосніжна зима перетворювала цей рослинний достаток на доступний для травоїдних тварин корм. За підрахунками фахівців продуктивність тундростепів була не набагато нижчою, ніж у африканській савані. Подібним був і склад фауни тундростепів, і це не дивно. Адже основою (з локальними особливостями) була та сама гіпопаріонова фауна.

Висока продуктивність тундростепу забезпечувалася за рахунок копитних тварин, підтримуючи, у свою чергу, їх чисельність та різноманітність на високому рівні. Біомаса трав на одиницю площі мала, але дуже швидко відновлюється.А коренева система утворює дернину, що захищає ґрунт від розмивання та витоптування. Це сприяє накопиченню органіки у ґрунті, роблячи її родючою. Копитні виїдають доступну траву, не знищуючи її повністю, після чого переміщаються на нове пасовище і залишають цінне добриво, гній. Що, своєю чергою, дозволяє відновитися травам і дає їжу новим тваринам.

Візитною карткою та найбільшими мешканцями тундростепів були мамонти. Найбільш відомий шерстистий мамонт (Mammuthus primigenius), якого можна було зустріти як у районі Воронеж, так і на Чукотці або в Канаді. Всупереч поширеній думці, він не був найбільшим представником загону хоботних. Зростання дорослих самців коливалося від 2,8 до 3,5 метрів, що можна порівняти з африканськими слонами. Щоправда, ці велетні важили майже вдвічі більше, до 8 – 10 тонн. Найбільше був теплолюбний колумбійський мамонт (Mammuthus columbi), який мешкав у Північній Америці – до 4 метрів у загривку. А першість серед хоботних утримує степний мамонт (Mammuthus trogontherii), що виростав до рекордних 4,7 м у висоту!

Шерстистий носоріг (Coelodonta antiquitatis) – інший типовий мешканець північних ландшафтів. Розміром трохи більше чорного, і меншого, ніж білий носоріг, він відрізнявся масивністю і густим рудувато-бурим хутром. Вага великих самців могла досягати 3,5 тонн, самки були меншими. Як і сучасні носороги, морду цієї тварини прикрашав ріг, що сягав величезних розмірів. Відомі зразки довжиною до 1,4 метра та вагою близько 15 кг. Це була не лише турнірна зброя, а й «лопата», якою носоріг розгрібав сніг у пошуках сухої трави.

Численнішими, ніж мамонти і носороги, були степові зубри (Bison priscus), які згодом стали предками європейських зубрів і американських бізонів. Розсіяні по рівнинах, вони збиралися у величезні стада чисельністю десятки тисяч особин тимчасово сезонних міграцій. З зубрами сусідили дикі коні, сайгаки та північні олені. На Алясці та Чукотці можна було зустріти вівцебиків. Великий олень зустрічався по всій Європі, але ніде не був особливо численним.

Пліч-о-пліч з травоїдними тваринами жили хижаки. Вовк, звичний мешканець північної півкулі, з'явився 1,8 млн. років тому в Північній Америці і через Берінгію потрапив до Євразії. Звідки пізніше повернувся до Америки, витіснивши жахливого вовка (Canis dirus). Сибір був батьківщиною бурого ведмедя, котрий поступово розселився повсюдно. Його більший побратим, печерний ведмідь, мешкав у Європі, доходячи на схід до Уралу та Алтаю. Характерною особливістю мамонтової фауни була присутність великих котячих, таких як печерний лев і гомотерій.

І, звичайно, найнезвичайнішим і найнебезпечнішим мешканцем цих ландшафтів була людина. Нечисленні громади первісних мисливців йшли за мігруючими тваринами, розселяючись по всій земній кулі. Незважаючи на суворий клімат, тундростеп був заселений у верхньому палеоліті. Парковки та сліди присутності людини відомі повсюдно. Наші далекі пращури будували житла з кісток мамонтів у районі Воронеж. Вирізали фігурки жінок у Чехії та недалеко від Байкалу. Знали, де добути гострий кремінь для копій, вміли гнути і розпрямляти роги та кістки, шили зі шкір комбінезони, прикрашали волосся раковинами, а стіни печер – чудовими малюнками.Наближалася сучасна геологічна епоха, голоцен, і льодовиковий період добігав кінця.

Глобальне потепління

Завершення останньої льодовикової епохи розпочалося близько 20 тисяч років тому. Важко сказати, який із чинників вплинув цей процес більшою мірою. Однією з найімовірніших причин є збільшення концентрації метану в атмосфері. Метан накопичується в морських донних опадах у вигляді газогідратів. Однією з умов їхньої стабільності виступає тиск товщі морської води. При зниженні рівня моря воно знижується, і починається вивільнення метану. Це призводить до наростання парникового ефекту і запускає танення льодів. Скорочення льодового покриву зменшує альбедо планети, більше сонячного тепла поглинається поверхнею Землі і затримується завдяки метану в атмосфері.

11 – 7 тисяч років тому ландшафти стали набувати звичного нам сьогодні вигляду. Льодовики відступили, хоч і зберігаються в горах та льодових шапках на полюсах планети. Піднявся рівень океану, затопивши величезні території шельфової зоні. Збільшилася площа екваторіальних лісів та скоротилася площа пустель. Місце тундростепей зайняв тайговий пояс, а представники мамонтової фауни, що вижили, розселилися по доступних екосистемах. Тепер уже важко повірити, що казахстанські сайгаки були сусідами колись із гренландськими вівцебиками.

Несподіваним результатом льодовикової епохи стало масове вимирання, темпи якого наростають із початку голоцену. Вимирання більшою мірою зачіпає представників мегафауни, які пережили десятки кліматичних коливань за останні пару мільйонів років. Масштаби його вражають: від 16% видів в Африці до 82% у Південній Америці. Так, є спокуса списати цей процес на зміни клімату.Але надто часто вимирання великих тварин збігається з міграціями людей у ​​місця їх проживання.

Подобається нам це, чи ні, але людська діяльність стає дедалі важливішим чинником на біосферу і клімат планети. Ми активно вносимо свій внесок у зміну концентрації парникових газів у атмосфері. Змінюємо альбедо планети, вирубуючи ліси. Сприяємо зростанню пустель і чагарникових чагарників, винищуючи великих травоїдних. Кайнозойська льодовикова ера не закінчилася, наш теплий час лише перепочинок перед черговим настанням льодів. Коли вона настане – залежить тепер і від нас із вами.