Палеоэкология: учебное пособие

Континентальные плиты могут сходиться и расходиться, причем на их стыках могут возникать «нагромождения», подобно тому, как обломки льда при подвижках и столкновениях ледовых полей образуют торосы. Так возникли горные хребты Урала и Гималаев. Плиты могут также раскалываться, образуя глубокие разломы – рифты. Рифтообразование вызвано усиленной тектонической и вулканической деятельностью.

Периодически сближаясь, континентальные плиты образуют единый суперконтинент Пангею («вся Земля»), Под ним накапливается тепло от радиоактивного распада в глубине Земли, так как гранитная континентальная плита вдвое хуже проводит тепло, чем базальтовая океаническая. Вследствие усиления конвекции, континентальная плита вздымается (как пена на закипающем молоке), швы между плитами расходятся (продолжая аналогию, как лопается пенная шапка на вскипевшем молоке) и единый суперконтинент раскалывается снова на отдельные плиты. По линиям будущих разломов предварительно усиливается вулканическая деятельность. После раскола и разделения континентов тепло уходит в океанические бассейны, так как базальтовая кора океанического дна легче отдает тепло, чем гранитная, а теплоемкость воды вообще очень велика. Морское дно, старея, опускается, и континенты снова сдвигаются. Этот цикл дрейфа континентов называется суперконтинентальным циклом, или циклом Уилсона. Необходимо отметить, что Тихий океан оставался океаном на всех этапах суперконтинентального цикла, а в период схождения всех континентов в единую Пангею являлся единым водным пространством Земли – Панталассой («все море»). Атлантический же и Индийский океаны периодически появлялись и исчезали в зависимости от положения и конфигурации континентальных плит в периоды их раздельного существования.

Весь цикл носит регулярный характер и длится от 400 до 600 млн лет. Из них около 40 млн лет проходит от начала рифтообразования до раскола суперконтинента, еще примерно 160 млн лет идет расхождение плит, около 160 млн лет – их сближение и около 100 млн лет существует Пангея до начала рифтообразования.

Сильные горообразовательные процессы, связанные со сдвигом плит, происходили 2600, 2100, 1700, 1100, 650 и 250 млн лет назад, а примерно через 100 млн лет после каждого такого периода происходил процесс рифтообразования и раскола единого континента. Значит, за этот период произошло 4 полных цикла (500, 400, 600, 450 млн лет), и сейчас происходит 5-й цикл.

Как же влияет различная конфигурация плит в процессе суперконтинентального цикла на изменения климата Земли? Если принять количество воды на Земле за постоянную величину, то уровень океанов зависит от глубины дна и от массы континентов. При собирании всех плит в единый суперконтинент дно океана углубляется, уровень его падает, а площадь уменьшается. При расползании континентальных плит дно поднимается, уровень океана тоже поднимается, а площадь его увеличивается.

При существовании единого суперконтинента, в силу низкого уровня океана, усиливается сток и перенос в океан различных минеральных веществ, в частности силикатов кальция, попадающих в сток в результате эрозии. В воде ионы кальция соединяются с растворенным в ней углекислым газом (образующим в воде карбонатные ионы) и вхвойношироколистадают в осадок в виде углекислого кальция СаСОз (извести). При этом содержание углекислого газа, растворенного в воде, падает, и вода растворяет дополнительно часть углекислого газа, содержащегося в атмосфере.

Углекислый газ является так называемым парниковым газом – он пропускает к поверхности Земли видимый солнечный свет, но задерживает отраженные от поверхности Земли более длинные инфракрасные (тепловые) лучи. Это явление называется парниковым эффектом и приводит к тому, что на Земле средняя температура положительная. При уменьшении количества углекислого газа в воздухе происходит снижение парникового эффекта, наступает похолодание, образование полярных «шапок» льда и снега, из-за чего уровень океана падает еще сильнее. Но при этом наступает также и известная сухость климата (влага из воздуха «вымораживается» на полюсах), снижается количество осадков, что, в свою очередь, уменьшает сток, следовательно, уменьшается поступление в океан кальция и происходит уменьшение «откачки» углекислого газа из атмосферы.

Но наиболее заметное увеличение поступления углекислого газа в атмосферу происходит при рифтовых разломах и расколах суперконтинента за счет усиления вулканической деятельности. При уменьшении глубины океана вследствие расхождения континентов увеличивается площадь прибрежных мелководий, которые более продуктивны и, следовательно, более интенсивно дышат, чем глубокие воды, и за счет их увеличивается поступление углекислого газа сначала в воду, а потом и в атмосферу.

Парниковый эффект усиливается, высота ледового покрова в полярных областях уменьшается за счет таяния льда, уровень океана повышается, при этом ослабевает горизонтальная и вертикальная циркуляция воды в океане и общая биологическая продуктивность Мирового Океана понижается. В период последнего суперконтинентального цикла уже появляется наземная растительность и наземные животные. Общая биомасса, в том числе и масса фотосинтезирующих организмов, растет, и наземные организмы начинают играть заметную роль в общем балансе углекислого газа в воде и в атмосфере.

Влияние суперконтинентального цикла на климат Земли зависит также и от того, каково положение континентов и океанов относительно полюсов Земли. Плотность потока энергии солнечного луча на поверхности Земли прямо пропорциональна синусу угла падения и максимальна на экваторе, где лучи Солнца падают отвесно (Sin 90° = 1). На полюсе лучи Солнца падают почти параллельно земной поверхности и передача энергии минимальна (Sin 0° = 0). Но резко различаются показатели отражательной способности суши и воды – их альбедо. Если альбедо континентов в среднем равно 0,3, то альбедо водной поверхности менее 0,01. А чем меньше альбедо, тем выше радиационный баланс, тем больше солнечной энергии передается нагреваемой поверхности.

Предположим, что в какой-то из этапов цикла на обоих полюсах нет континентальных плит. Тогда даже небольшое количество солнечного тепла будет усвоено и вследствие большой теплоемкости воды сохранено и передано течениями в другие части гидросферы, а от нее – и в атмосферу. Но если в районе полюсов окажутся континенты, то большая часть тепла будет отражаться от земной поверхности и уходить в космическое пространство. Охлаждение полярных континентов будет сопровождаться их оледенением и вхвойношироколистадением снега, что еще больше увеличит альбедо. Таким образом, воды океана в приполярных областях – «грелка», а континенты – «холодильники».

1.4. Остановимся несколько подробнее на другом аспекте изменений климата: изменении газового состава атмосферы. Здесь наибольшее значение будет иметь наличие в атмосфере газов, вызывающих парниковый эффект. Это могут быть метан, аммиак, водяной пар, но прежде всего углекислый газ. Его содержание в атмосфере Земли с момента появления живых организмов, и особенно фотосинтезирующих продуцентов, определяется в первую очередь именно их жизнедеятельностью, а в отсутствие жизни (и в периоды ее начального развития) оно определялось интенсивностью вулканической деятельности и карбонатно-силикатным циклом кальция (есть также гипотеза О. Г. Сорохтина и С. А. Ушакова, утверждающая, что парниковый эффект зависит не от газового состава атмосферы, а от ее плотности).

Атмосферный углекислый газ, растворяясь в капельках воды, вхвойношироколистадает на Землю в виде угольной кислоты. Она разрушает кальциевые силикаты, высвобождая ионы кальция, поступающие в грунтовые воды. С поверхностным стоком они в итоге попадают в океаны, где происходит образование углекислого кальция, плохо растворимого и накапливающегося в осадках. При движении дна морей и континентов, покрытые известковыми осадками участки океанической коры при субдукции погружаются под континентальные плиты и соприкасаются с мантией. Это, а также рифтовые разломы, увеличивает поступление углекислого газа в атмосферу и в воду. Таким образом, круговорот углерода до появления жизни существовал, живые организмы лишь увеличили во много раз его интенсивность.

В этой связи интересно сравнить климатические условия на планетах земной группы: Венере, Марсе и Земле. Средняя температура Марса -60 °C, Земли +14,5 °C, а Венеры +460 °C. Разница возникла, как считает планетолог Дж. Кастангс, из-за различия в циркуляции углекислого газа в древнейшие эпохи существования этих планет, которые первоначально, возможно, имели сходное строение атмосферы и не такие резкие различия в температурном режиме. Но на Марсе отсутствовала явная тек-тоника плит, поэтому углекислого газа поступало в атмосферу мало, и он был «вымыт» из нее осадками, атмосфера стала сильно разреженной, и Марс «замерз». На Венере вода быстро испарялась и почти не было осадков. Углекислый газ накапливался в атмосфере, ее плотность повышалась, рос и парниковый эффект, и Венера «разогревалась». На Земле же возникло более-менее оптимальное соотношение процессов циркуляции углекислого газа между атмосферой, литосферой и гидросферой. Плотность атмосферы была оптимальна, что дало умеренный парниковый эффект и привело к возникновению климата, благоприятного для возникновения и развития жизни.

Глава 2 Древность жизни. преджизнь, или химическая эволюция

2.1. Возникновение жизни и биосферы – одна из важнейших проблем современного естествознания, которая еще далеко не решена. Предполагается, что жизнь на Земле возникла из «пред– жизни», эволюции химических веществ, которые мы теперь называем органическими, с постепенным усложнением их строения вплоть до появления аминокислот и нуклеотидов – «кирпичиков», из которых строились белки и нуклеиновые кислоты.