Удивительная палеонтология. История земли и жизни на ней
Шрифт:
Поскольку планета шарообразна, солнечные лучи нагревают ее экватор сильнее, чем полюса, – экваториально-полярный температурный градиент. Любой градиент стремится к выравниванию (по второму закону термодинамики); в нашем случае – за счет постоянного теплообмена между низкими и высокими широтами. Теплообмен этот осуществляется посредством конвекции в обеих подвижных оболочках Земли (гидросфере и атмосфере).
Конвекция в гидросфере – это теплые морские течения, которые обогревают высокоширотные области точно так же, как водяное отопление – наши квартиры. Движущей силой конвекционных токов, как мы помним из главы 2 (о мантийной конвекции), являются возникающие в среде архимедовы силы плавучести: когда часть вещества «тонет» или «всплывает», этот объем – в силу связности среды – замещается веществом, поступающим из другой ее точки. В нашем случае токи в Мировом океане могут возникать за счет того, что «тонет» либо холодная (четырехградусная) вода в высоких широтах (термическая циркуляция), либо избыточно осолоненная (в результате испарения) вода на экваторе (галинная циркуляция).
Говоря о конвекции в атмосфере, необходимо учитывать, что здесь тепло переносится главным образом водяным паром: тепловая энергия, затраченная на испарение воды, выделяется там, где этот пар, перенесенный воздушными течениями, превратится обратно в жидкость, т.е. выпадет в виде осадков. Атмосфера каждого из полушарий распадается на три широтных сегмента [43] – конвективные ячейки (экваториальная, умеренных широт и приполярная). В каждой из ячеек существует относительно замкнутая воздушная циркуляция, причем направления циркуляции в граничащих между собой ячейках противоположны («по часовой стрелке» – «против» – опять «по») – в точности, как в цепи шестеренок (рис. 34, а). В одной половине ячейки доминируют восходящие токи, во второй – нисходящие; соответственно, влага, испаряющаяся в первой половине, выпадает главным образом во второй – и при этом происходит разгрузка теплоты парообразования. Например, в экваториальной ячейке Северного полушария ток направлен от севера к югу, так что в южной ее половине возникают влажные тропические леса, а в северной – засушливые саванны; в ячейке же умеренных широт, где направление тока обратное, пустыни возникают на юге, а субтропические и широколиственные леса – на севере. Другим фактором атмосферной конвекции (главным образом широтным) являются муссоны – сезонные ветры постоянного направления, дующие с океана на континент или обратно; с муссонами связано, среди прочего, чередование сухого сезона и сезона дождей в тропических широтах, где температура весь год постоянна.
43
Сферический сегмент – часть шара, отделенная секущей плоскостью.
Теперь вернемся к криоэрам и термоэрам. Ныне (как, видимо, и вообще в криоэрах) основной приток тепла в высокие широты осуществляется мощными теплыми течениями вроде Гольфстрима. При этом возникает температурная аномалия: океан в районе 60-х широт существенно (почти на 20 градусов!) теплее, чем следовало бы из соображений геометрии планеты. Однако это обстоятельство имеет и оборотную сторону: на материке развивается мощный зимний антициклон (область высокого давления) с температурами на 20°С ниже, чем следовало бы. Из антициклона «вытекает» холодный сухой воздух, тогда как встречный ток теплого воздуха лишь «приподнимает верхушку» антициклона, т.е. тепловая энергия расходуется на механическую работу против силы тяжести. Континентальные антициклоны работают как мощные всепланетные холодильники (влияние Сибирского антициклона ощущается далеко на юге и приводит к холодным зимам не только в Приморье, но и в Китае, и даже во Вьетнаме), которые ослабляют муссоны и не дают им продвинуться сколь-нибудь далеко в полярном направлении. Теплые воды отводятся из экваториальной зоны столь быстро, что практически не успевают осолониться за счет испарения, так что галинная составляющая океанской циркуляции по сравнению с термической пренебрежимо мала; в атмосфере существуют упомянутые выше три ячейки. Ситуация может быть кратко охарактеризована так: «водный теплоперенос – теплые океаны – холодные материки».
В термоэры (в частности, в мезозое) ситуация, судя по всему, была принципиально иной. А. Г. Пономаренко (1996), предложивший соответствующую модель, обращает внимание на два обстоятельства, кажущиеся необъяснимыми с нынешних позиций. Во-первых, приполярные области были очень теплыми (исходя из состава их фауны и флоры), что требует куда более интенсивного, чем ныне, теплопереноса от экватора к полюсу. Во-вторых, в тогдашней экваториальной зоне (где ныне находятся дождевые тропические леса) растительность была явно ксерофильной и возникали эвапориты – отложения, являющиеся показателем аридных (пустынных) условий.
При отсутствии полярных шапок температура океанической воды не падает до 4°С, когда ее плотность максимальна, и не происходит полного опускания поверхностных вод. Компенсирующие такое погружение мощные теплые течения не возникают; теплая вода из экваториальной зоны практически не отводится, она осолоняется за счет испарения и погружается на дно; галинная циркуляция здесь резко доминирует над термической. Поверхностные слои океанов в умеренных широтах относительно холодны, и температурного контраста между океанами и материками не возникает; не возникает и зимнего антициклона, так что ничто теперь не мешает муссону переносить теплый воздух и водяной пар чуть ли не до самого полюса.
Если в криоэрах в каждом из полушарий существуют три атмосферные ячейки и единственная (термическая) океанская, то в термоэрах ситуация, похоже, была как бы зеркальной. В атмосфере существует единственная ячейка, в которой происходит прямой перенос тепла и влаги из приэкваториальных областей в приполярные; это хорошо объясняет упомянутый выше парадокс с располагающимся на экваторе аридным поясом. [44] В гидросфере, напротив, существуют две ячейки, причем в экваториальной ячейке циркуляция идет по галинному типу, а в высокоширотной – по термическому. В зоне соприкосновения гидросферных ячеек, где водные массы движутся навстречу друг другу, должны возникать апвеллинги; [45] подтверждением тому служит распространение по этой предполагаемой границе обогащенных органикой черносланцевых формаций, которые отлагаются в избыточно-продуктивных морских акваториях.
44
Интересно, что подобную схему атмосферной циркуляции (с одной ячейкой) предполагал еще в начале XVIII века – правда, для современности – физик Дж. Гадлей, однако позже выяснилось, что атмосфера Земли организована иначе, с тремя ячейками, и о модели Гадлея забыли.
45
Апвеллинг – место подъема к поверхности океана глубинных вод. Последние всегда обогащены биогенами (прежде всего фосфором), и потому в зонах апвеллингов развиваются чрезвычайно высоко продуктивные морские сообщества. Апвеллинги, развивающиеся вдоль западных побережий Южной Америки и Южной Африки (там, где к этим материкам подходят рукава Циркумантарктического течения), служат главными районами морского рыболовства.
Данную ситуацию (ее, по аналогии с предыдущей, можно охарактеризовать как «атмосферный теплоперенос – холодные океаны – теплые материки») отличает высокая выровненность климата по всей планете: температурный градиент как между низкими и высокими широтами, так и между океанами и материками много слабее нынешнего. Климат на большей части Земли был близок к субтропическому и теплоумеренному средиземноморского типа. Следует особо подчеркнуть, что результатом этой выровненности был не только более сильный (по сравнению с нынешним) обогрев приполярных областей, но и некоторое охлаждение областей экваториальных. Иными словами, в мезозое, судя по всему, отсутствовал не только бореальный климат (как в тундре и тайге), но и тропический климат современного типа!
Возвращаясь к истории наземной растительности в позднем палеозое (который, как мы теперь знаем, был криоэрой), следует опровергнуть еще один широко распространенный стереотип. Часто говорят, что палеозой был «временем споровых растений», а мезозой – «временем голосеменных». В действительности же заболоченные леса из древовидных папоротников, древовидных плауновидных (лепидодендронов) и древовидных хвощеобразных (каламитов) – те самые, что обычно фигурируют на картинках в популярных книжках по палеонтологии и в школьных учебниках (рис. 35, а) – характерны лишь для тропического пояса тех времен – Еврамерии и Катазии с их жарким и влажным климатом. Во внетропических же областях и Северного, и Южного полушарий, где тогда существовали покровные оледенения, исчезновение древовидных споровых и наступление «времени голосеменных» произошло уже в середине карбона.
На севере, в Ангариде, основу растительности составляли хвойные из подкласса кордаитов – деревья до 20 м высотой (рис. 35, е). Древесина ангарских кордаитов имеет четкие годичные кольца, подтверждающие существование там сезонного климата; эти леса иногда называют «кордаитовой тайгой». В раннем карбоне, когда климат Ангариды еще был безморозным, здешняя растительность была представлена плауновидными, правда, совершенно не похожими на еврамерийские: густо росли томиодендроны – неветвящиеся «палки» высотой в 2–3 м и диаметром в 10–15 см (рис. 35, д). На юге, в Гондване, растительность состояла в основном из глоссоптериевых – листопадных гинкговых [46] (рис. 35, ж). Существование единой позднепалеозойской глоссоптериевой флоры в Африке, Южной Америке, Австралии и Индии послужило, как мы помним, одним из главных аргументов в пользу единства этих континентов в составе суперконтинента Гондвана. И кордаиты, и глоссоптериевые первоначально появились в тропиках, в Еврамерии, но там они не играли сколь-нибудь заметной роли в экосистемах; затем они расселились во внетропические области, где и пережили подлинный эволюционный расцвет. Такая ситуация (эволюционный расцвет группы вдали от первичного центра ее происхождения) весьма обычна; очень характерно и направление этой миграции – из тропиков во внетропические области (более подробно см. в дополнении к главе 14).
46
Глоссоптериевые – архаичные гинкговые, которые в старых классификациях относили к «семенным папоротникам» (птеридоспермам) (см. сноску 42).