Говоря о климате всей Земли, оперируют средней температурой на ее поверхности. В отдельных регионах температура может меняться очень значительно. Но когда в одних регионах температура понижается, она повышается в других. Поэтому средняя температура на поверхности Земли при этом меняется незначительно или вовсе не меняется. Если нас интересуют не региональные проблемы изменения климата, а глобальное его изменение, то надо рассматривать среднюю температуру. Она определяется соотношением двух энергий — той, которую Земля получает от Солнца, и той, которую она отдает обратно в космос. Разницу она оставляет себе. Ею и определяется средняя температура на поверхности Земли. Сразу скажем, что эта разница за всю историю Земли изменялась очень незначительно. Другими словами, средняя температура у поверхности Земли за всю ее историю менялась мало. Эти изменения происходили в пределах от 5 до 40 °C. Откуда мы это знаем?Сделать такой вывод нам позволяет анализ таких фактов. Во-первых, океан на Земле с момента своего возникновения до сих пор существовал всегда — он никогда не вымерзал и никогда не испарялся. Значит, температура не понижалась до 0 °C и не повышалась до +100 °C. Анализ останков растений и животных в древних породах свидетельствует о том, что жизнь никогда не прекращалась, она развивалась в благоприятных условиях— происходило ее непрерывное поступательное развитие. Если бы температура на Земле (средняя) достигала +50 °C, то это было бы невозможным— произошла бы пастеризация, в результате чего большая часть организмов была бы уничтожена в условиях высокой температуры. Но этого не произошло. Следовательно, таких высоких средних температур (+50 °C) на Земле не было. Среднюю температуру Земли сверху ограничим величиной в +40 °C. Нижняя температура, как мы видели, не могла опускаться до 0 °C. Более того, она не могла быть ниже +5 °C. Если бы это случилось, то на больших пространствах быстро распространились бы ледники, которые сами создают благоприятные условия для своего развития. Это своего рода цепная реакция, в результате чего происходят необратимые изменения. Вот поэтому можно уверенно утверждать, что средняя температура у поверхности Земли за всю ее историю не выходила за пределы от 5 °C до 40 °C. С точки зрения сохранения и развития жизни вообще такие изменения средней температуры вполне допустимые. Можно сказать, что это очень узкий диапазон колебаний температуры, который сохранялся в течение всей истории Земли.
Но если говорить не просто о развитии жизни, а о биосфере, ее характеристиках, то она кардинально менялась, если средняя температура на поверхности Земли менялась на 5—10 °C. В истории Земли эпохи оледенения ("зимы нашей планеты"), которые длились десятки и сотни миллионов лет, сменялись еще более длительными теплыми эпохами.
Каким был климат на Земле в самый давний — архейский период? Анализ отложений этого периода свидетельствует об обилии воды в это время. Атмосфера была агрессивно-восстановительной. Вода морей характеризовалась высокой кислотностью. Это был самый теплый период на Земле. Атмосферный газ содержал большое количество углекислого газа, а также других примесей, которые создавали парниковый эффект. Образовывалась мощная облачность, поскольку при высокой температуре воды океана интенсивно испарялись. Облака закрывали свет, и на поверхности Земли под облаками царил полумрак. К этому добавим, что почти непрерывно гремели грозы и шли обильные кислые дожди и ливни. В определенной мере это та перспектива, которая ожидает нас, если выбросами в атмосферу человечество раскачает ее тепловой баланс и начнется реальный процесс потепления на Земле. Если к этому добавится проникновение губительного ультрафиолета к поверхности Земли (поскольку озонный слой будет разрушен), то трагизм происходящего достигнет своего апогея: не только произойдет необратимое изменение климата, но и перестанет существовать биосфера как таковая. Но вернемся к описанию изменения климата в прошлом. Собственно, мы и делаем экскурс в историю климата с целью найти ответ на вопрос — что нас ждет в результате изменения состава атмосферы, а значит, и энергетического соотношения, что неизбежно должно привести к изменению средней поверхностной температуры Земли.
После описанного выше периода наступила протерозойская эра. В это время начали появляться первые ледники, а значит, и первые ледниковые отложения. Эта эпоха была учеными названа гуронской, поскольку впервые эти отложения были обнаружены в Канаде в районе озера Гурон. Затем они были обнаружены и в других регионах Земли (в Южной Америке, в западной Австралии) .
Ледниковую гуронскую эпоху сменил период потепления, который длился около одного миллиарда лет. За ним последовала вторая эпоха оледенения (гнейсесская). Она сменилась сравнительно теплым периодом, который длился 100—150 млн. лет. Затем произошло новое похолодание и распространение ледников (стертская ледниковая эпоха). После этой ледниковой эпохи последовал период потепления, который сменился третьей эпохой оледенения (вараган-ской) . Все эти три эпохи оледенения укладываются в первый зон — докембрийский.
Что же касается фанерозойского эона, то он начался с теплого кембрийского периода, за которым последовал ордовикский период. В конце этого периода вновь началось оледенение, о чем свидетельствуют обширные отложения тиллитов с гигантскими валунами, которые были обнаружены относительно недавно. Следы ордовикского оледенения обнаружили в 1960-е гг. французские геологи-нефтяники в Западной Африке и в Сахаре. Любопытно, что именно в Сахаре, самой большой пустыне мира, были обнаружены доказательства былого оледенения. Ордовикское оледенение закончилось в селуре. После него наступил длительный теплый период, который длился до каменноугольного периода. В начале этого нового периода начинается новое похолодание. Оно достигло своего апогея примерно 280 млн. лет тому назад. В то время возникли огромные ледниковые покровы и шельфовые ледники над мелкими морями. Плавучие льды покрывали моря, а также пространства вокруг полюсов. Айсберги бороздили воды океанов. Вечная мерзлота широко распространилась на больших пространствах в обоих полушариях. Об этом оледенении свидетельствуют отложения тилли-тов. Они обнаружены на огромных пространствах Южной Америки, Южной Африки, Индии, Австралии и Антарктиды. Обнаружены они и в Сибири. Мощность пластов тиллитов достигает сотен метров.
После этого оледенения в конце пермского периода началась теплая эпоха, которая продолжалась до середины кайнозойской эры, а затем вновь наступил период оледенения.
Продолжительность ледниковых эпох определяется достаточно точно с помощью радиоизотопных методов. Эти методы позволяют определять возраст пород, которые затем были покрыты слоем тиллитов. Эти измерения позволили установить, что самая древняя ледниковая эпоха — гуронская. Она началась 2,34 млрд. лет тому назад и закончилась 1,95 млрд. лет назад. Следующая, гнейсесская, эпоха оледенения имела место 950—900 млн. лет назад. Стертская эпоха оледенения продолжалась от 810 до 715 млн. лет назад. Последняя эпоха оледенения— варангская— длилась от 680 до 570 млн. лет назад. Это речь шла о первом зоне — докембрийском.
Во втором зоне— фанерозойском— первая эпоха оледенения продолжалась от 460 до 410 млн. лет назад. Ее называют ордовикской. После теплого перерыва последовало новое гондванское оледенение, эпоха которого длилась от 340 до 240 млн. лет назад.
Любопытна регулярность эпох оледенения и их большая продолжительность. Ясно, что они не являются случайными эпизодами на Земле. Учеными была высказана мысль, что эпохи оледенения повторяются на Земле с периодом в 150 млн. лет. Они считают, что часть эпох оледенения пока что не обнаружена, поэтому эта периодичность и не подтверждается. Вопрос этот важен, поскольку надо понять причину чередующихся эпох оледенения. На рис. 22 показана схема чередования эпох оледенения, которое происходило в продолжение последнего миллиарда лет. Заштрихованы периоды (эпохи) оледенения. Весьма любопытно, что эпохи оледенения не только чередуются с теплыми эпохами, но за последние 2,5 млрд. лет занимают примерно столько времени, сколько и теплые эпохи. Это в том случае, если в это время включить продолжительность развития и завершения оледенения.
В эпохи оледенения ледниковый покров вначале наступал, затем отступал. Ледники то стягивались к полюсам, то широко распространялись по пространству суши и прибрежных морей. В пределах одной ледниковой эпохи этот колебательный процесс стягивания— расширения ледникового покрова повторялся неоднократно. Поэтому сама эпоха оледенения не однородна во времени.
Следует отметить, что с течением времени в пределах одной эпохи оледенения центры оледенения постепенно смещались. Отнюдь не всегда такими центрами были полюса. По мере вымерзания воды в периоды разрастания ледниковых покровов уровень воды в океанах, естественно, уменьшался. Это падение уровня океанов достигало десятков метров. Когда льды таяли, воды в океанах прибавлялось. Ясно, что от уровня воды в Мировом океане зависят очертания и размеры суши — ее то заливает водой, то с нее вода стекает в океан. Размеры суши менялись. Растения и животные полностью зависели от этого процесса. По мере наступления эпохи оледенения теплолюбивые растения и животные сменялись холод-нолюбивыми. Потом все возвращалось на круги своя. И так периодически, а точнее циклически все повторялось много раз.
Как видим, эпохи оледенения были очень динамичными в смысле изменения температуры, уровня воды в океане, движения ледников. Это сказывалось на биосфере, на растительном и животном мире. Теплые эпохи были значительно стабильнее. Изменение внешних условий происходило медленнее, средняя температура на поверхности Земли изменялась незначительно. Кстати, разница в значениях средней температуры на Земле в эпохи оледенения и в теплые эпохи составляла не так уж и много, всего 7—10°. Такая разница характерна для условий, когда ледники стягиваются около полюсов. Это в эпоху оледенения. Когда же ледники широко разрастались, то эта разница средних температур на Земле в теплые эпохи и эпохи оледенения достигала 20°. Мы сейчас живем в эпоху оледенения, когда ледники стянуты к полюсам. Средняя температура на поверхности Земли сейчас составляет 15 °C. В предыдущий теплый меловой период средняя температура у поверхности Земли была на 7° выше, то есть она составляла 22 °C. Десятки тысяч лет тому назад ледники разрастались до своих максимальных размеров. Тогда средняя температура у поверхности Земли была ниже современной примерно на 6—10°. Разница ее с такой температурой в теплый меловой период достигала 13—17° .
Таким образом, за последние 2,5 млрд. лет происходили следующие изменения климата на Земле. После теплой архейской эры наступил длительный период чередования теплых и холодных эпох, которые имели различную продолжительность. Это значит, что на Земле в этот период сменяли друг друга два различных устойчивых типа климата. Каждый из них длился десятки миллионов лет. Во время одного климата— теплого— суша и моря были безледными. Во время второго климата — холодного — часть суши и морей была покрыта ледовым панцирем. Ясно, что оба эти климата принципиально отличались друг от друга. Ледники шли от полюсов, то есть в широтном направлении. Поэтому во время оледенелого климата зональные климатические изменения были более резкими, чем во время теплого климата. Так, например, в период гондванского оледенения в его пике ледниковый покров в южном полушарии расширялся в направлении экватора и достиг широты в 35° . На этой широте находится, например, Буэнос-Айрес. Таким образом, в пики оледенения зона жизни буквально прижималась к экватору. Все остальное пространство было покрыто льдами.