Введение

Очень долгосрочные изменения температуры Земли
изменения температуры на других временных масштабах

Геологическая летопись температур – это изменения в окружающей среде Земли, установленные на основе геологических данных за миллионы и миллиарды (109) лет. Изучение прошлых температур предоставляет важные сведения о палеоокружающей среде, поскольку является частью климата и океанографии того времени.

Методы

Доказательства прошлых температур поступают главным образом из изотопных исследований (особенно ); соотношение Mg/Ca в раковинах фораминифер и алкеноны также являются полезными индикаторами. Часто для получения комплексной прокси-оценки температуры используют несколько методов одновременно. Это оказалось решающим в изучении температур ледниковых и межледниковых периодов.

Плейстоцен

Последние 3 миллиона лет характеризуются циклами ледниковых и межледниковых периодов в постепенно углубляющемся ледниковом периоде. В настоящее время Земля находится в межледниковом периоде, начавшемся около 20 000 лет назад (20 тыс. лет назад). Циклы оледенения включают рост и отступ континентальных ледяных щитов в Северном полушарии и характеризуются колебаниями в различных временных масштабах, в частности, 21 тыс. лет, 41 тыс. лет и 100 тыс. лет. Эти циклы обычно интерпретируются как результат предсказуемых изменений в орбите Земли, известных как циклы Миланковича. В начале среднего плейстоцена (0,8 миллиона лет назад, близко к геомагнитной реверсии Брунес-Матуяма) произошел во многом необъяснимый сдвиг в доминирующей периодичности оледенений с 41 тыс. лет на 100 тыс. лет. Постепенное усиление этого ледникового периода за последние 3 миллиона лет связано со снижением концентрации парникового газа – углекислого газа, хотя пока неясно, достаточно ли велико это изменение, чтобы вызвать изменения температуры. Снижение температуры может приводить к уменьшению содержания углекислого газа, поскольку, согласно закону Генри, углекислый газ лучше растворяется в холодной воде, что может объяснять 30 ppmv из 100 ppmv снижения концентрации углекислого газа во время последнего ледникового максимума. Кроме того, начало этой фазы углубления примерно совпадает с закрытием Панамского перешейка в результате тектонических процессов. Это предотвратило прямой океанический обмен между Тихим и Атлантическим океанами, что оказало бы значительное влияние на океаническую циркуляцию и распределение тепла. Однако результаты моделирования неоднозначны относительно того, могло ли это быть прямой причиной усиления современного ледникового периода. Этот недавний период циклических изменений климата является частью более длительного ледникового периода, начавшегося с оледенения Антарктиды.

Начальные тепловые максимумы эоцена

В самом начале эоценового периода наблюдалась серия резких тепловых скачков, длительностью не более нескольких сотен тысяч лет. Наиболее выраженный из них, палеоценовый-эоценовый тепловой максимум (PETM), показан на рисунке справа. Обычно это интерпретируется как результат внезапного выброса метана из клатратов (гидратов метана – замороженных метановых льдов, накапливающихся на дне океана), хотя некоторые ученые считают, что метана было бы недостаточно для вызывания наблюдаемых изменений. Во время этих событий температура в Арктическом океане могла достигать уровней, обычно характерных для современных умеренных (то есть средних широт) океанов. В период PETM глобальная средняя температура, по-видимому, повысилась на 5–8 °C (9–14 °F), достигнув в среднем 23 °C (73 °F), в отличие от современной глобальной средней температуры, которая составляет чуть менее 15 °C (60 °F). Геологи и палеонтологи полагают, что на протяжении большей части палеоцена и раннего эоцена полюса были лишены ледяных щитов, а пальмы и крокодилы обитали за Полярным кругом, в то время как значительная часть континентальной территории Соединенных Штатов имела субтропический климат.

Тепловой оптимальный период мелового периода

В течение позднего мелового периода, с , средние глобальные температуры достигли максимального уровня за последние ~200 миллионов лет. Это, вероятно, связано с благоприятным расположением континентов в этот период, которое обеспечило улучшенную циркуляцию в океанах и препятствовало формированию крупных ледниковых щитов.

Колебания в течение оставшейся части фанерозоя

Фанерозойский эон, охватывающий последние 542 миллиона лет и почти всё время с момента возникновения сложной многоклеточной жизни, в целом характеризовался колебаниями температуры между ледниковыми периодами, такими как современный, и "климатическими оптимумами", подобными тем, что были в меловом периоде. За это время произошло примерно 4 таких цикла, с интервалом около 140 миллионов лет между климатическими оптимумами. Помимо нынешнего, ледниковые периоды наблюдались в пермско-каменноугольном интервале, а также в позднем ордовике и раннем силуре. Существует также более прохладный интервал в юрском и раннем меловом периодах, с признаками увеличения площади морского льда, однако отсутствие континентов на полюсах в этот период препятствовало формированию континентальных ледяных щитов, и поэтому он обычно не считается полноценным ледниковым периодом. Между этими холодными периодами существовали более тёплые условия, которые часто называют климатическими оптимумами. Однако сложно определить, были ли эти более тёплые интервалы на самом деле жарче или холоднее, чем в меловом климатическом оптимуме.

Поздние ледниковые периоды протерозоя

Эпоха неопротерозоя содержит свидетельства по крайней мере двух, а возможно, и больше крупных оледенений. Более позднее из этих ледниковых периодов, включающее Мариноанский и Варангийский ледниковые максимумы (около [вставить цифру]), было предложено как событие «Земли-снежка» с непрерывным морским льдом, простиравшимся почти до экватора. Это значительно серьезнее, чем ледниковые периоды фанерозоя. Поскольку это оледенение завершилось незадолго до быстрого разнообразия жизни во время кембрийского взрыва, было предположено, что это оледенение (или, по крайней мере, его окончание) создало условия, благоприятные для эволюции. Более ранние Стурцианские ледниковые максимумы (~730 миллионов лет назад) также могли быть событием «Земли-снежка», хотя это не доказано. Причины, приводящие к началу событий «Земли-снежка», недостаточно изучены, но утверждается, что они неизбежно приводили к собственному завершению. Широко распространенный морской лед препятствует осаждению свежих карбонатов в океанических отложениях. Поскольку эти карбонаты являются частью естественного процесса рециркуляции углекислого газа, нарушение этого процесса позволяет углекислому газу накапливаться в атмосфере. Это усиливает парниковый эффект и в конечном итоге приводит к повышению температуры и отступлению морского льда.

Общий взгляд

Непосредственное объединение этих интерпретированных геологических записей температуры не всегда корректно, равно как и их объединение с другими, более поздними записями температуры, которые могут использовать различные определения. Тем не менее, общая картина полезна, даже если она не отличается высокой точностью. На графике время отсчитывается назад от настоящего момента, принятого за 2015 год нашей эры. Шкала времени линейна и разделена на пять отдельных сегментов, каждый следующий из которых расширяется примерно в десять раз по сравнению с предыдущим. Температуры, представленные на левой панели, являются весьма приблизительными и должны рассматриваться лишь как качественная оценка. Более подробная информация представлена на странице с описанием графика.

Другие изменения температуры в прошлом Земли

Примерно в период существовал период климатического застоя, также известный как "Скучный миллиард". В этот период практически не было тектонической активности, не было оледенений, а состав атмосферы оставался стабильным. Он ограничен двумя различными событиями оксигенации и оледенения. Температурные реконструкции, основанные на изотопах кислорода и кремния из образцов горных пород, предсказывают значительно более высокие температуры докембрийского океана. Эти прогнозы указывают на температуру океана в диапазоне 55–85 °C в период , с последующим охлаждением до более умеренных температур от 10 до 40 °C. Реконструированные белки из докембрийских организмов также предоставили доказательства того, что древний мир был намного теплее, чем сегодня. Однако другие данные свидетельствуют о том, что период в целом был холоднее и более подвержен оледенениям, чем последние 500 миллионов лет. Это связывают с солнечной радиацией, примерно на 20% ниже, чем сегодня. Солнечная светимость была на 30% слабее, когда Земля сформировалась 4,5 миллиарда лет назад, и ожидается, что она будет увеличиваться примерно на 10% за миллиард лет в будущем. В очень больших временных масштабах эволюция Солнца также является важным фактором, определяющим климат Земли. Согласно стандартным солнечным теориям, Солнце постепенно увеличивало свою яркость как естественная часть своей эволюции, начиная с интенсивности примерно 70% от современного значения. Первоначально низкая солнечная радиация, в сочетании с современными уровнями парниковых газов, была бы недостаточной для поддержания жидких океанов на поверхности Земли. Это известно как парадокс слабого молодого Солнца и обычно объясняется более высокими концентрациями парниковых газов в ранней истории Земли, хотя эти предположения слабо подтверждаются существующими экспериментальными данными.