Фанерозойская история климата. Основные черты кайнозойского экогенеза

Вследствие шарообразности Земли и ее обращения вокруг Солнца природная широтная зональность и провинциальность существовали во все периоды геологической истории планеты. Вместе с тем перемещения крупных массивов суши, вызванные движениями литосферных плит, влияли на планетарные характеристики Земли. Считается, в частности, что вскоре после образования Земли средний наклон ее орбиты (эклиптики) к экватору составлял примерно 10°, тогда как в настоящее время он несколько превышает 23°. Таким образом, отношения суммарных количеств солнечного тепла — инсоляции (от лат. insolare — выставлять на солнце), приходящего в экваториальные и полярные широты, изменялись на протяжении фанерозоя, и это определяло отличные от современных условия проявления широтной зональности в разные периоды геологической истории Земли (рис. 91). Одновременно с изменением угла наклона земной оси к плоскости эклиптики и вследствие некоторых других астрономических и геофизических причин скорость вращения Земли вокруг Солнца уменьшалась, а положение северного и южного полюсов отличалось от современного в разные геологические эпохи.

Рис. 91. Отношение годовых количеств инсоляции (при отсутствии атмосферы) на экваторе (Wэ) и на полюсе (Wп) в зависимости от наклона экватора к эклиптике (ε°)

Отношение годовых количеств инсоляции (при отсутствии атмосферы) на экваторе (Wэ) и на полюсе (Wп) в зависимости от наклона экватора к эклиптике (ε°)

   Более высокая скорость вращения Земли в прошлом и малый наклон экватора к плоскости эклиптики способствовали более ярко выраженной широтной зональности климатов древней Земли. Еще более резкой была эта зональность вследствие меньшей массы атмосферы и океана. Когда материки из-за движения литосферных плит оказывались вблизи полярных районов, это вызывало обширные материковые оледенения. Так, на всех континентах бывшей Гондваны геологи обнаружили следы нескольких крупных и продолжительных протерозойских и палеозойских оледенений (рис. 92).

Рис. 92. Генеральная схема максимальной фазы гондванского оледенения

Генеральная схема максимальной фазы гондванского оледенения

1 — область распространения следов ледниковой деятельности; 2 — древняя береговая линия; 3 — современная западная береговая линия Южной Америки; 4 — направление движения льда

   Средняя температура воды достигла минимума (локальные максимумы и минимумы температур в ходе истории климата иногда не совсем правильно именуют климатическими соответственно оптимумами и пессимумами) в перми (см. табл. 1), во время максимума пермо-карбонового оледенения. После этого температура постепенно повышалась, достигнув максимума в меловой период. Большинство современных биологов считает, что конец последнего ознаменовался глобальной катастрофой — столкновением Земли с астероидом или кометой, которая врезалась в Землю в районе современной Мексики (район Чиксулуб, северное побережья п-ова Юкатан) около 65 млн лет назад. Огромные тучи поднятой при этом пыли и дым от лесных пожаров резко уменьшили инсоляцию и вызвали условия «космической зимы», когда средняя температура на поверхности Земли резко уменьшилась. С резко изменившимися климатическими условиями в конце мезозоя многие специалисты связывают массовое вымирание многих представителей морской и континентальной биоты, в том числе и динозавров. Ранее массовые вымирания были приурочены к периодам крупных оледенений.

В целом в фанерозойской истории Земли выделяется два климатических режима, тесно связанных с вулканической активностью, повышением — трансгрессией (от лат. transgressio — переход) или, напротив, понижением — регрессией (от лат. regressio -движение назад) уровня Мирового океана. При усилении вулканической деятельности и трансгрессии моря возникал так называемый оранжерейный режим, при уменьшении вулканической активности и регрессии моря — ледниковый режим.

Климатическая и природная зональности при оранжерейном режиме выражены слабо. Существует всего три климатических пояса: экваториальный — с температурами на 2-3 °С выше современных, тропический и паратропический (от греч. para — возле, при и тропический) высоких широт — своеобразная, ныне неизвестная разновидность ослабленного тропического пояса. Сезонные колебания температуры на всех широтах малы. До 5-10 °С снижается разница температур между поверхностью и дном океана, между экватором и высокими широтами. В современном океане глубины и придонные слои почти повсеместно хорошо снабжаются кислородом потому, что в приполярных областях (например, моря Уэделла, Лабрадорское, Ирмингерово) зимой поверхностная вода настолько выстуживается, что опускается до самого дна (растворимость кислорода и плотность воды, как известно, повышаются с понижением температуры), неся с собой кислород в придонные участки. В условиях оранжерейного климата, при резком снижении разницы температур между поверхностью и дном океана, а также между высокими и низкими широтами, такого выстуживания не происходило, опресненные дождями поверхностные слои воды не допускали конвекционного перемешивания. В итоге океанические глубины не получали кислород и оказывались зараженными сероводородом, подобно глубинам современного Черного моря. Не только абиссальный, но даже нижнесублиторальный бентос в таких условиях существовать не могли.

При ледниковом режиме резко выражена температурная асимметрия океана и атмосферы: средняя температура вод океана более чем в два раза ниже средней температуры воздуха. Разница в температурах между экватором и высокими широтами в океане, между поверхностью и дном в тропиках достигает 15-20°С. Климатическая зональность и сезонность климата резко выражены. Развиваются наземное, подземное и морское оледенения.

За последние 2,7 млрд. лет существования Земли прослеживается пятикратная смена ледникового и оранжерейного климатических режимов. Ледниковый режим существовал 2,6-2,2 млрд. лет, 770(940)-620, 450-400, 330-240 и 38-0 млн. лет назад и длился каждый раз не менее 50 млн. лет. Оранжерейный режим возникал также не менее 5 раз, причем продолжительность его каждый раз составляла не менее 150-200 млн. лет.

Климатическая история большей части кайнозоя проходила на фоне ледникового режима. В целом она характеризовалась постепенным понижением температуры воды, начиная с палеоцен-раннеэоценового температурного максимума (рис. 93). Это общее понижение температуры, происходившее на фоне нескольких локальных неогеновых температурных максимумов (рис. 94), сопровождалось увеличением сезонности климата и в плейстоцене привело к развитию нескольких глобальных оледенений Северного полушария (рис. 95) (механизм возникновения плейстоценовых оледенений, конечно, кардинально отличался от механизма возникновения протерозойских и палеозойских оледенений).

Рис. 93. Кайнозойские палеотемпературы верхнего слоя воды в северо-западной части Тихого океана по 19°с.ш. (1) и 32°с.ш. (2)

Кайнозойские палеотемпературы верхнего слоя воды в северо-западной части Тихого океана по 19°с.ш. (1) и 32°с.ш. (2)

Рис. 94. Построенная с помощью компьютера палеотемпературная кривая для неогеновых морских бассейнов западной Камчатки

Построенная с помощью компьютера палеотемпературная кривая для неогеновых морских бассейнов западной Камчатки

А — среднегодовые, и Б — августовские температуры поверхности воды; римскими цифрами обозначены номера отдельных геологических слоев, в которых проводили палеотемпературные измерения; вертикальными линиями показаны современные температуры

Рис. 95. Максимальное распространение льдов в плейстоцене в Северном полушарии

Максимальное распространение льдов в плейстоцене в Северном полушарии

1 — современная граница морских льдов; 2 — их древняя граница; 3 — современные льды суши; 4 — древнее наземное максимальное оледенение; 5 — современная граница вечной мерзлоты

   Указанные палеогеографические и палеоклиматические изменения вызывали три теснейшим образом взаимосвязанные, но принципиально различные явления: эволюцию отдельных групп организмов (филогенез), формирование оригинальных композиций таксонов, фаун, флор и биот (фауно-, флоро- и биотогенез) и историческое развитие сообществ (филоценогенез, или биоценогенез). Происходившие в масштабах геологического времени изменения физико-географической оболочки Земли отражались на ее населении, вызывая или локальные вымирания биоты, или миграции отдельных ее представителей в новые регионы. Последний процесс, как правило, сопровождался выработкой приспособлений к новым условиям существования (адаптациогенез, экогенез).

Так, при развивавшемся после палеогенового температурного максимума глобальном похолодании климата (см. рис. 93) часть биоты, располагавшейся в умеренных широтах, вымерла. Миграции видов в южном направлении затруднялись конкурентным давлением со стороны отличавшегося большим видовым богатством аборигенного населения низких широт. Поэтому часть видов вследствие явления вертикальной субмергенции могла осваивать батиальную и абиссальную зоны океана. Это освоение происходило в различных участках Мирового океана (см. рис. 69) и, очевидно, в разные геологические времена, поэтому решение остающегося дискуссионным вопроса о древности или молодости происхождения глубоководной фауны в немалой степени зависит от того, какого ранга таксонами оперируют исследователи. Другие таксоны, адаптируясь к обитанию в условиях пониженных температур, могли, напротив, вселяться в более северные районы, чему благоприятствовало уменьшение числа возможных конкурентов за счет их вымирания. В нотальных водах, по сравнению с бореальными, обитает большее число представителей таксонов исходно тропического происхождения, что свидетельствует о более древнем характере оледенений в Южном полушарии в сравнении с Северным.

Рис. 96. Распространение среднемиоценового (раннесарматского) солоноватоводного бассейна в районе современных Черного и Каспийского морей

Распространение среднемиоценового (раннесарматского) солоноватоводного бассейна в районе современных Черного и Каспийского морей

1 — береговая линия, 2 — предполагаемая береговая линия. 3-12 — разные типы геологических отложений, 13 — Понто-Каспийская часть бассейна за пределами бывшего СССР, 14 — Паннонская часть бассейна

   При повышении солености воды неогеновая солоноватоводная фауна Понто-Каспия (рис. 96) вынуждена была мигрировать в эстуарии и опресненные устья рек, которые представили убежища — азилии (от англ. (из греч.) asylum — убежище) для таких миоценовых и плиоценовых понто-каспийских реликтов (см., например, рис. 87).