Вчені вже деякий час знали, що Земля проходить цикли кліматичних змін. Через зміни на орбіті Землі, геологічних факторів та/або змін сонячного випромінювання Земля час від часу відчуває значне зниження температури поверхні та атмосфери. Це призводить до довготривалих періодів зледеніння, або того, що в розмовній мові називають «льодовиковим періодом».
Ці періоди характеризуються зростанням і розширенням льодових щитів по всій поверхні Землі, що відбувається кожні кілька мільйонів років. За визначенням ми все ще перебуваємо в останньому великому льодовиковому періоді, який розпочався в епоху пізнього пліоцену (близько 2,58 мільйона років тому), і зараз перебуваємо в міжльодовиковому періоді, що характеризується відступом льодовиків.
Визначення:
Хоча термін «льодовиковий період» іноді широко використовується для позначення холодних періодів в історії Землі, це, як правило, заперечує складність льодовикових періодів. Найточнішим було б визначення, що льодовикові періоди — це періоди, коли льодовикові покриви та льодовики розширюються по всій планеті, що відповідає значним падінням глобальних температур і може тривати мільйони років.
Антарктичний льодовиковий щит, який розширився під час останнього льодовикового періоду. Авторство: Wikipedia Commons/Стівен Хадсон
Під час льодовикового періоду існують значні перепади температур між екватором і полюсами, а також було показано, що температура на глибоководних рівнях також знижується. Це дозволяє розширюватися великим льодовикам (порівнянним з континентами), покриваючи більшу частину поверхні планети. Починаючи з докембрійської ери (близько 600 мільйонів років тому), льодовикові періоди відбувалися через великі космічні інтервали близько 200 мільйонів років.
Історія навчання:
Першим вченим, який висловив теорію про минулі льодовикові періоди, був швейцарський інженер і географ 18 століття П'єр Мартель. У 1742 році, відвідуючи альпійську долину, він писав про розсіювання великих порід у нестабільних утвореннях, які місцеві жителі приписували тому, що льодовики колись простягнулися набагато далі. Подібні пояснення почали з'являтися в наступні десятиліття для подібних моделей поширення валунів в інших частинах світу.
З середини 18 століття європейські вчені все частіше почали розглядати лід як засіб транспортування скельного матеріалу. Це включало наявність валунів у прибережних районах у країнах Балтії та на Скандинавському півострові. Однак саме датсько-норвезький геолог Йенс Есмарк (1762–1839) першим стверджував про існування послідовності льодовикових періодів у всьому світі.
Ця теорія була докладно викладена в статті, яку він опублікував у 1824 році, в якій він припустив, що відповідальність за це були зміни клімату Землі (які були пов’язані зі змінами її орбіти). За цим послідував у 1832 році німецький геолог і професор лісового господарства Альбрехт Райнхард Бернхарді, який роздумував про те, як полярні льодовикові шапки могли колись досягати помірних зон світу.
Вид на льодовик Гріннелл у національному парку Глейшер, штат Монтана. Авторство: USGS
У той же час німецький ботанік Карл Фрідріх Шимпер і швейцарсько-американський біолог Луї Агасіс почали самостійно розробляти власну теорію про глобальне зледеніння, що призвело до того, що Шимпер ввів термін «льодовиковий період» у 1837 році. До кінця 19 століття теорія льодовикового періоду поступово почало набувати широке визнання через уявлення про те, що Земля поступово охолоджується зі свого початкового, розплавленого стану.
У 20 столітті сербський вчений Мілютін Міланкович розробив свою концепцію циклів Міланковича, яка пов’язувала довгострокові зміни клімату з періодичними змінами орбіти Землі навколо Сонця. Це дало наочне пояснення льодовикових періодів і дозволило вченим зробити прогнози про те, коли можуть знову відбутися істотні зміни клімату Землі.
Докази льодовикових періодів:
Існують три форми доказів теорії льодовикового періоду, які варіюються від геологічних і хімічних до палеонтологічних (тобто літопис скам’янілостей). Кожен з них має свої переваги та недоліки, і він допоміг вченим розробити загальне розуміння впливу льодовикових періодів на геологічні записи за останні кілька мільярдів років.
геологічні:Геологічні дані включають розчищення та подряпини гірських порід, вирізані долини, утворення своєрідних типів хребтів, а також відкладення неущільненого матеріалу (морен) і великих порід у нестабільних утвореннях. Хоча такі докази в першу чергу привели до теорії льодовикового періоду, вони залишаються темпераментними.
По-перше, послідовні періоди зледеніння мають різний вплив на регіон, що має тенденцію спотворювати або стирати геологічні дані з часом. Крім того, геологічні дані важко точно датувати, що створює проблеми з отриманням точної оцінки того, як довго тривали льодовикові та міжльодовикові періоди.
Бічні морени у формі підкови на краю льодовикової шапки Пенні на острові Баффіна, Нунавут, Канада. Бічні морени — це скупчення уламків вздовж бортів льодовика, утворені матеріалом, що падає зі стінки долини. Авторство зображення: NASA/Майкл Студінгер
Хімічний:Це значною мірою полягає у варіаціях співвідношення ізотопів у скам’янілих рештках, виявлених у зразках відкладень і гірських порід. Для останніх льодовикових періодів керна льоду використовуються для побудови глобального температурного рекорду, в основному завдяки наявності більш важких ізотопів (які призводять до вищих температур випаровування). Вони також часто містять бульбашки повітря, які досліджують, щоб оцінити склад атмосфери того часу.
Однак обмеження виникають через різні фактори. Перш за все це співвідношення ізотопів, яке може вплинути на точне датування. Але, що стосується останніх льодовикових і міжльодовикових періодів (тобто протягом останніх кількох мільйонів років), зразки керна льоду та океанських відкладень залишаються найбільш надійною формою доказів.
Палеонтологічні:Це свідчення складається зі змін у географічному поширенні скам’янілостей. В основному, організми, які процвітають у теплих умовах, вимирають під час льодовикових періодів (або стають сильно обмеженими в нижчих широтах), тоді як організми, адаптовані до холоду, процвітають у цих же широтах. Отже, зменшення кількості скам’янілостей у високих широтах є ознакою поширення льодовикових льодовикових щитів.
Ці докази також може бути важко інтерпретувати, оскільки вони вимагають, щоб скам’янілості відповідали досліджуваному геологічному періоду. Це також вимагає, щоб відкладення в широких діапазонах широт і тривалих періодах часу демонстрували чітку кореляцію (через зміни земної кори з часом). Крім того, існує багато стародавніх організмів, які продемонстрували здатність переживати зміни умов протягом мільйонів років.
У результаті вчені покладаються на комбінований підхід і безліч доказів, де це можливо.
Льодовикові періоди характеризуються падінням середніх глобальних температур, що призводить до розширення льодовикових щитів у всьому світі. Авторство: NASA
Причини льодовикових періодів:
Науковий консенсус полягає в тому, що кілька факторів сприяють настанню льодовикових періодів. Сюди входять зміни орбіти Землі навколо Сонця, рух тектонічних плит, зміна сонячного випромінювання, зміни складу атмосфери, вулканічна активність і навіть вплив великих метеоритів. Багато з них взаємопов’язані, і точна роль кожної з них є предметом обговорення.
орбіта Землі:По суті, орбіта Землі навколо Сонця піддається циклічним змінам у часі, явище також відоме як цикли Міланковича (або Миланковича). Вони характеризуються зміною відстаней від Сонця, прецесією земної осі та зміною нахилу земної осі – усе це призводить до перерозподілу сонячного світла, одержуваного Землею.
Найпереконливіші докази орбітального впливу Міланковича близько відповідають останньому (і вивченому) періоду в історії Землі (приблизно протягом останніх 400 000 років). Протягом цього періоду час льодовикового та міжльодовикового періодів настільки близький до змін орбітальних періодів Міланковича, що це найбільш загальноприйняте пояснення останнього льодовикового періоду.
Тектонічні плити:Геологічні записи показують очевидну кореляцію між настанням льодовикових періодів і положенням континентів Землі. У ці періоди вони перебували в положеннях, які порушували або блокували надходження теплої води до полюсів, що дозволяло утворювати льодовикові щити.
Тектонічні плити Землі. Авторство: msnucleus.org
Це, у свою чергу, збільшило альбедо Землі, що зменшує кількість сонячної енергії, що поглинається земною атмосферою та корою. Це призвело до петлі позитивного зворотного зв’язку, коли просування льодовикових щитів ще більше збільшило альбедо Землі і дозволило більше охолоджувати і більше зледеніння. Так тривало до тих пір, поки настання парникового ефекту не закінчить період зледеніння.
На основі минулих льодовикових періодів було визначено три конфігурації, які можуть призвести до льодовикового періоду – континент, що сидить на вершині земного полюса (як сьогодні Антарктида); полярне море не має виходу до моря (як сьогодні Північний Льодовитий океан); і суперконтинент, що охоплює більшу частину екватора (як Родинія під час кріогенського періоду).
Крім того, деякі вчені вважають, що Гімалайський гірський ланцюг, який утворився 70 мільйонів років тому, відігравав важливу роль в останньому льодовиковому періоді. Збільшуючи загальну кількість опадів на Землі, вона також збільшила швидкість видалення CO² з атмосфери (таким чином зменшуючи парниковий ефект). Його існування також співпадало з довгостроковим зниженням середньої температури Землі за останні 40 мільйонів років.
Атмосферний склад:Є докази того, що рівень парникових газів падає з просуванням льодовикових щитів і підвищується з їх відступом. Відповідно до ' Земля-сніг Гіпотеза, згідно з якою лід повністю або майже повністю покривав планету принаймні один раз у минулому, льодовиковий період пізнього протерозою завершився підвищенням рівня CO² в атмосфері, що було пов’язано з виверженнями вулканів.
Зображення льодового поля Хардінг на півострові Кенай на Алясці. Авторство: US Fish and Wildlife Service
Однак є ті, хто припускає, що підвищення рівня вуглекислого газу могло служити механізмом зворотного зв’язку, а не причиною. Наприклад, у 2009 році міжнародна група вчених провела дослідження під назвою «Останній льодовиковий максимум», яке показало, що збільшення сонячного опромінення (тобто енергії, що поглинається від Сонця) спричинило початкову зміну, тоді як парникові гази становили причину величина зміни.
Основні льодовикові періоди:
Вчені визначили, що в історії Землі було щонайменше п’ять великих льодовикових періодів. До них належать гуронський, кріогенський, андсько-сахарський, каруський і льодовиковий періоди. Гуронський льодовиковий період датується раннім процерозойським еоном, приблизно 2,4-2,1 мільярда років тому, на основі геологічних даних, що спостерігалися на північ і північний схід від озера Гурон (і співвідносяться з відкладами, знайденими в Мічигані та Західній Австралії).
Кріогенський льодовиковий період тривав приблизно від 850 до 630 мільйонів років тому і був, можливо, найважчим в історії Землі. Вважається, що в цей період льодовикові щити досягли екватора, що призвело до сценарію «Земля-сніг». Вважається також, що закінчився через раптове посилення вулканічної активності, що викликало парниковий ефект, хоча (як зазначалося) це є предметом дискусій.
Андсько-сахарський льодовиковий період припав на пізній ордовік і силурійський період (приблизно від 460 до 420 мільйонів років тому). Як випливає з назви, докази тут засновані на геологічних зразках, взятих з гірського хребта Тассілі-н'Аджєр у західній Сахарі, і співвідносяться з доказами, отриманими з гірського ланцюга Анд у Південній Америці (а також на Аравійському півострові та на півдні). Басейн Амазонки).
Плаваючий лід на передній частині льодовика Кангердлугсуак у Гренландії, сфотографований у 2011 році під час операції IceBridge. Авторство зображення: NASA/Майкл Студінгер
Льодовиковий період Кару пояснюється еволюцією наземних рослин під час настання девонського періоду (приблизно 360-260 мільйонів років тому), що спричинило довготривале підвищення рівня кисню на планеті та зниження рівня CO², що призвело до глобального охолодження. Він названий на честь осадових відкладень, які були виявлені в регіоні Кару в Південній Африці, з відповідними доказами, знайденими в Аргентині.
Нинішній льодовиковий період, відомий як пліоцен-четвертинне зледеніння, почався приблизно 2,58 мільйона років тому під час пізнього пліоцену, коли почалося поширення льодовикових щитів у Північній півкулі. З тих пір світ пережив кілька льодовикових і міжльодовикових періодів, коли льодовикові щити просуваються і відступають у часових масштабах від 40 000 до 100 000 років.
Зараз Земля перебуває в міжльодовиковому періоді, а останній льодовиковий період закінчився близько 10 000 років тому. Те, що залишилося від континентальних льодовикових щитів, які колись простягалися по всій земній кулі, тепер обмежуються Гренландією та Антарктикою, а також меншими льодовиками, як-от той, що покриває острів Баффіна.
Антропогенні зміни клімату:
Точна роль, яку відіграють усі механізми, яким приписують льодовикові періоди – наприклад, орбітальне форсування, сонячне форсування, геологічна та вулканічна активність – ще не повністю зрозуміла. Проте, враховуючи роль вуглекислого газу та інших викидів парникових газів, останні десятиліття викликали велике занепокоєння щодо того, які довгострокові наслідки людської діяльності матиме на планету.
Наприклад, у принаймні двох основних льодовикових періодах, кріогенському та Кару, льодовиковий період, як вважається, відігравало важливу роль збільшення та зменшення вмісту парникових газів в атмосфері. У всіх інших випадках, коли орбітальне форсування вважається основною причиною закінчення льодовикового періоду, збільшення викидів парникових газів все ще було відповідальним за негативний зворотний зв’язок, який призвів до ще більшого підвищення температури.
Додавання CO2 в результаті діяльності людини також відіграє безпосередню роль у кліматичних змінах, що відбуваються в усьому світі. В даний час спалювання викопного палива людьми є найбільшим джерелом викидів вуглекислого газу (близько 90%) у всьому світі, який є одним з основних парникових газів, що сприяє випромінюванню (так само як парниковий ефект).
У 2013 році Національне управління океанічних і атмосферних досліджень оголосило, що рівень CO² у верхніх шарах атмосфери досяг 400 частин на мільйон (ppm) вперше з початку вимірювань у 19 столітті. На основі поточних темпів зростання викидів, За оцінками NASA що рівень вуглецю в найближчому столітті може досягти від 550 до 800 ppm.
Якщо перший сценарій має місце, NASA очікує підвищення середньої глобальної температури на 2,5 °C (4,5 °F), що було б стійким. Проте, якщо останній сценарій виявиться так, глобальні температури підвищаться в середньому на 4,5 °C (8 °F), що зробить життя нежиттєздатним для багатьох частин планети. З цієї причини шукають альтернативи для розробки та широкого комерційного впровадження.
Більше того, згідно з дослідженням 2012 року, опублікованим вПриродознавство– під назвою « Визначення природної довжини поточного міжльодовикового періоду ” – очікується, що викиди CO² людиною також відкладають наступний льодовиковий період. Використовуючи дані про орбіту Землі для розрахунку тривалості міжльодовикових періодів, дослідницька група прийшла до висновку, що наступний лід (очікувано через 1500 років) вимагатиме, щоб рівень CO² в атмосфері залишався нижче приблизно 240 ppm.
Дізнатися більше про тривалі льодовикові періоди, а також про коротші льодовикові періоди, які мали місце в минулому Землі, є важливим кроком до розуміння того, як клімат Землі змінюється з часом. Це особливо важливо, оскільки вчені прагнуть визначити, наскільки сучасні зміни клімату спричинені людиною, і які можливі контрзаходи можна розробити.
Ми написали багато статей про Льодовиковий період для Всесвіту сьогодні. Ось Нове дослідження розкриває невеликий льодовиковий період, викликаний вулканізмом , Астероїд-вбивця загнав планету в льодовиковий період? , Чи існувала Слякоть Земля? , і Марс вийде з льодовикового періоду?
Якщо ви хочете більше інформації про Землю, перегляньте Посібник NASA із дослідження Сонячної системи на Землі . А ось посилання на Обсерваторія Землі НАСА .
Ми також записали епізод Astronomy Cast про планету Земля. Слухай сюди, Епізод 51: Земля і Епізод 308: Зміна клімату .
Джерело: