Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед - Дж. Д. Макдугалл

КЛИМАТ КАЙНОЗОЯ

По сравнению с современным, климат конца мезозойской эры был мягким и оставался таким в течение части кайнозоя. И действительно, в начале эоцена средняя годовая температура, очевидно, повысилась, что сделало время около 55 миллионов лет назад самым теплым за последние 70-80 миллионов лет. Но вскоре после этого климат резко похолодал. Несмотря на наступавшие время от времени довольно длинные периоды сравнительно устойчивых температур, Земля с тех пор стала все более охлаждаться. Откуда мы об этом знаем? Температуры не могут окаменеть, но изобретательность ученых нашла несколько вполне качественных «палеотермометров», которые позволили с успехом реконструировать климаты прошлого, в частности климаты кайнозоя. Наряду с более количественного характера данными, например, наблюдениями над распределением по широтам некоторых животных или растений, которые, как нам известно, предпочитают определенные температурные границы, эти индикаторы позволили составить очень полную летопись глобальных флуктуации температуры в течение кайнозоя.

В принципе, все, что реагирует на изменения температуры окружающей среды предсказуемым образом и сохраняет «запись» об этой реакции как часть окаменевшей летописи, может быть использовано в качестве палеотермометра. Как оказалось, две серии записей температур кайнозоя включают такие радикально разные характеристики ископаемой летописи, как очертания листьев растений и содержание изотопов кислорода в известняке.

Но как же могут очертания листьев указывать на температуру? Как ни удивительно, но они делают это очень хорошо. То, что существует определенная связь между очертаниями листьев и климатом, было установлено еще в начале двадцатого столетия, но в 1978 году Джек Уолф, работавший в Геологической службе Соединенных Штатов, поставил эту связь на количественную основу. Пользуясь данными, относящимися к современным лесам восточной Азии, он показал, что существует замечательная корреляция между средней годовой температурой и очертаниями листьев. Особенностью листьев, которая, по-видимому, наиболее показательна в этом отношении, является форма контура листа (рис. 11.3). В тропических областях, отличающихся высокой температурой и обилием осадков, растения, в общем и целом, обладают крупными листьями с плавными очертаниями, без зубцов, и часто имеют узкий и удлиненный кончик — называемый иногда капельницей (a drip tip), — облегчающий стекание воды с листа. В противоположность этому в более прохладных областях листья в общем имеют меньшую величину и более узкую форму, обычно с зазубренными краями. В современных лесах эти особенности характеризуют климатические различия во всем мире и не совпадают с фаунистическими особенностями различных областей. Кажется вполне разумной экстраполяцией допустить, что такие же отношения между формой листьев и климатом существовали и в более древние времена, и детальная хроника изменения среднегодовых температур в кайнозое, реконструированная палеонтологами на основе изучения окаменевших остатков и отпечатков листьев, с уверенностью подтверждает это допущение.

Кислородно-изотопный палеотермометр очень отличается по лежащему в его основе принципу от предыдущего, но он рассказывает нам ту же историю, что и остатки листьев, давая нам значительную степень уверенности в правильности нашего понимания климатических колебаний в течение кайнозоя. Этот метод был придуман Харолдом Юри, химиком и лауреатом Нобелевской премии, которого мы уже упоминали в главе 3 в связи с его экспериментами, проведенными совместно со Стэнли Миллером, по происхождению жизни. Как уже разъяснялось в главе 6, различные изотопы одного элемента ведут себя одинаково в химических реакциях, но слегка различаются по массе составляющих их атомов. В результате один изотоп может чуть-чуть накапливаться или теряться в некоторых химических реакциях или в некотором физическом процессе, например при испарении.

Рис. 11.3. Листья растений могут иметь плавно изогнутые или зубчатые очертания, что иллюстрируется рисунком вверху слева. В современных лесах преобладают виды с плавными очертаниями листьев, что соответствует высоким значениям средней температуры, как это видно на верхнем графике, построенном на основе фактических наблюдений. Применяя эту закономерность к очертаниям ископаемых листьев по территории Тихоокеанского Северо-запада Северной Америки, можно реконструировать температурную историю кайнозоя (нижний график). Наблюдаемые флуктуации средней температуры, особенно ее резкое падение около границы эоцен — олигоцен, очень похожи на флуктуации, выведенные из совершенно независимых данных, например показанных на рисунке 11.4. Приводится с изменениями по рисункам 1, 2 и 3 из статьи Дж. А. Вольфа в журнале «Американ Сайентист», том 66, стр. 695, 696, Sigma Xi, 1978. 

Хорошим примером действия этого принципа является влияние испарения на содержание изотопов кислорода в воде. Как мы уже объясняли выше в этой книге, кислород имеет три изотопа, из которых изотоп 16 является наиболее распространенным в природе, составляя более 99 процентов обычного кислорода. Однако всякий природный кислород содержит небольшое количество изотопа 17 и изотопа 18. Таким образом, молекула воды, весьма вероятно, имеет вид H2O-16, но может также быть и H2O-17 или H2O-18. Во время процесса испарения более легкие молекулы воды — те, которые содержат кислород 16, — имеют большую вероятность испариться. Таким образом, в этом процессе изотопы кислорода разделяются на фракции — части, отличающиеся содержанием составных частей. По мере испарения пар обогащается более легким кислородом 16 и становится (в пересчете на жидкость) легче, а остающаяся жидкость, с большей долей кислорода 17 и кислорода 18, становится тяжелее.

Юри изучал процесс фракционирования (разделения) изотопов в различных химических реакциях и знал, что точное значение степени фракционирования исходной смеси изотопов контролируется температурой, при которой протекает реакция. Затем ему пришла в голову блестящая мысль. Он понял, что когда обитающие в океане организмы образовывали свои раковинки из карбоната кальция, используя растворенные в морской воде компоненты в качестве сырья, то относительное содержание изотопов кислорода в раковинах зависело от температуры воды. Открывались захватывающие перспективы возможных дальнейших исследований. В принципе, это был метод, позволяющий расшифровать летопись изменения температур моря во времени, просто измеряя содержание изотопов в крошечных раковинках давно погибших организмов в керне океанских осадков. Но поскольку сохранились остатки как обитателей поверхностных слоев, так и обитателей дна, то открывалась возможность что-то узнать о разнице температур между поверхностными и донными водами древних океанов. И более того, путем анализа образцов одного возраста, но взятых на низких и на высоких широтах, можно было определить температурный градиент, то есть изменчивость температур, от полюса до полюса, что, как оказалось, представляет собой важный параметр для понимания мирового климата.

Как часто происходит с научными открытиями, внедрение в практику палеотермометра Юри оказалось не таким простым делом, как представлялось. Например, снег, образующий полярные снеговые шапки, состоит из воды, испарившейся из океанов, — этот процесс, как мы видели, изменяет содержание изотопов кислорода в остающейся морской воде. Поэтому в периоды оледенения изменения в содержании изотопов кислорода в морской воде в результате образования приполярных ледников могут быть не меньше обусловленных флуктуациями температуры. Но в определенном смысле это всего лишь проблема интерпретации. Это не меняет того факта, что флуктуации содержаний изотопов кислорода происходят реально и постоянно фиксируются в раковинах ископаемых организмов. Даже если точные значения температур остаются несколько неопределенными, то время температурных сдвигов может быть определено очень точно. В наши дни изучение содержания изотопов кислорода стало твердо установившимся методом познания климатов прошлого.

Рис. 11.4. Содержание изотопов кислорода в раковинках планктона из керна глубоководных скважин, пробуренных в Атлантическом океане, можно пересчитать в температуры воды в прошлые эпохи. Обратите внимание на резкое падение средней температуры около границы эоцена и олигоцена, а также за несколько последних миллионов лет, которое, вероятно, указывает на начало постоянного оледенения в северном и южном полярных регионах соответственно. Содержание изотопов кислорода свыше 1 (в использованных здесь единицах), по-видимому, соответствует эпохам значительного глобального оледенения. Приводится с изменениями по рисунку 1 из книги: К. Г. Миллер, Р. Г. Фэрбенкс и Г. С. Маунтин. «Палеоокеанография», том 2, стр. 3. Американский геофизический союз, 1987.