Доктор геолого-минералогических наук Алексей ГЕРМАН, Геологический институт РАН

Изучая образцы ископаемой флоры, произраставшей на Земле в середине мелового периода (около 100 млн. лет назад), палеоботаники не только уточняют климатические особенности далекой геологической эпохи, но и стремятся заглянуть за горизонт, пытаясь представить последствия возможного грядущего глобального потепления.

Погодные аномалии последних лет бьют все рекорды. Правительства большинства стран выражают серьезную обеспокоенность тем, что происходит с климатом планеты. И это понятно: в особо жаркое лето 2003 г. от последствий высоких температур в Италии погибло около 20 тыс. человек, во Франции - почти 15 тыс. Вопрос о противодействии глобальному потеплению в числе приоритетных обсуждался на встрече лидеров Большой восьмерки в июле 2005 г. Осознание мировым сообществом данной проблемы способствовало расширению ее исследования. Чрезвычайно важны при этом геологические све-

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 37

Зависимость процентного содержания во флоре видов с цельнокрайними листьями от среднегодовой температуры; график построен для не испытывающих засухи современных флор Юго-Восточной Азии.

дения о древних климатах Земли. Но зачем нужно изучать давно вымершие растения для понимания предстоящих катаклизмов?

МЕТОД РЕКОНСТРУКЦИИ

Цитологические, изотопные, палеонтологические исследования дают важные сведения о палеоклиматах нашей планеты. Но большинство из них позволяет только оценить, что происходило некогда (было жарко или холодно, влажно или сухо), и лишь отдельные - изотопная палеотермометрия и палеоботаника - вскрывают количественные характеристики древнего климата. В палеоботанике широко используют анализ края листа растений, основанный на количественной корреляции между содержанием во флоре видов древесных двудольных* с цельнокрайними листьями и среднегодовой температурой ее произрастания. В идеальном случае, зная соотношение в древности видов с цельным и зубчатым краями листа, можно вычислить вероятную среднегодовую температуру того времени, когда они существовали. Однако нельзя ли по морфологии листьев рассчитать не один, а несколько климатических параметров?

В середине 90-х годов XX в. американский ученый Джек Вулф разработал методику многомерного статистического анализа комплекса морфологических (физиономических) признаков листьев древесных двудольных с точки зрения их корреляции с рядом климатических параметров, получившую название CLAMP (Climate-Leaf Analysis Multivariate Program). Изучив более сотни современных флор, растущих вблизи метеостанций, он установил: наилучшее соответствие наблюдается между десятью параметрами климата и 29 признаками их листьев.

Затем британец Роберт Спайсер и автор данной статьи усовершенствовали и детализировали предложенное Джеком Вулфом, применив так называемый канонический корреспондентский анализ (CANOCO), позволяющий установить и прокалибровать корреляции между листовыми признаками и климатическими факторами. Мы использовали 31 морфологический признак листьев покрытосеменных, описывающий пропорции, форму и размер листовой пластинки, характер края, форму основания и верхушки. В результате для ископаемых флор были рассчитаны 8 климатических показателей: среднегодовая температура, наиболее теплого и холодного месяцев, продолжительность вегетационного периода, общее количество осадков в нем и среднемесячное, а также количества осадков за три последовательных наиболее влажных и наиболее сухих месяца.

В CLAMP физиономические особенности листьев современных двудольных, растущих в известных нам климатических условиях, используются как набор данных, в сравнении с которым определяются соответствующие вероятные условия произрастания ископаемых флор. Иными словами, мы можем получить ответ на вопрос: если бы та или иная ископаемая флора обитала на современной Земле, где, в каком климате можно было бы ее обнаружить? Что касается CANOCO - этот метод позволяет расположить в 31 - мерном гипотетическом признаковом пространстве флористические выборки и векторы восьми (в нашем случае) климатических параметров, коррелятивно связанных с "архитектурой" листьев. Дело в том, что они упорядочиваются относительно друг друга в таком пространстве в соответствии с морфологией листьев входящих в них растений, а климатические данные на их положение не влияют. И чем ближе расположены здесь две точки, отвечающие двум флорам, тем последние физиономически более сходны. Словом, CANOCO позво-

* Двудольные - класс покрытосеменных растений с двумя семядолями в зародыше. Травы, кустарники, деревья. Свыше 180 тыс. видов (прим. ред.).

стр. 38

ляет сократить количество измерений в пространстве исходных признаков при максимальном сохранении его структуры. Таким же образом учитываются признаки листьев ископаемых флор; различие лишь в том, что они участвуют в анализе как "пассивные образцы", не влияя на положение осей и структуру виртуального пространства, задаваемого характеристиками современных флор. Зная же климат их произрастания, можно проградуировать векторы климатических характеристик, а затем, определив по морфологическим признакам ископаемых листьев положение в виртуальном пространстве соответствующих древних флор и "спроецировав" их на векторы, рассчитать для них вероятные палеоклиматические параметры.

ОСОБЕННОСТИ ПОЗДНЕМЕЛОВОЙ ЭПОХИ

Используя описанный метод, мы проанализировали 20 ископаемых флор, возраст которых от 75 млн. лет (кампанский век) до 100 млн. лет (конец альбского века). Итог позволил сделать интересные выводы об особенностях климата той эпохи.

Во-первых, расчеты говорят о том, что меловой период был в истории Земли весьма теплым. Изученные нами ископаемые флоры Казахстана, Якутии, северо-востока России, Аляски произрастали в условиях теплоумеренного влажного климата, а флоры Центральной Европы - в теплоумеренном гумидном* с жарким летом либо субтропическом. Среднегодовые температуры тогда составляли от 7,3°С на севере Камчатки до 19,8°С в Чехии и существенно превышали наблюдаемые в тех же регионах в настоящее время. Подчеркну: ранее вывод о весьма теплом климате мелового периода был сделан на основе многочисленных данных литологии, изотопной палеотермометрии морских осадков и палеонтологии. Теперь же он нашел количественное подтверждение и в соответствующих параметрах, рассчитанных для суши по обитавшим на ней растениям.

Во-вторых, наши данные свидетельствуют: климат Арктики был необычно теплым и влажным даже на фоне в целом более теплого, чем ныне, глобального климата мелового периода. Среднегодовые температуры составляли 7 - 14°С, наиболее теплого месяца - 17 - 22°С, самого холодного - от - 2 до +9°С. Следовательно, в те времена в Арктике преобладал умеренно теплый климат, а умеренно холодный был, по-видимому, только вблизи полюса. Собственно же арктический отличался высокой влажностью: среднемесячное количество осадков за вегетационный период составляло 90 - 160 мм. Но самое удивительное: теплый климат сочетался тут с резкой световой сезонностью; наклон земной оси, скорее всего, не отличался от современного, а значит, в высоких широтах солнце зимой, как и сейчас, надолго скрывалось за горизонтом - на 4 месяца (85° с.ш.). Что же поддерживало сравнительно высокую (положительную) температуру в течение долгой полярной ночи? Очевидно, демпфером сезонных колебаний мог служить Арктический бассейн. Он же был значительно теплее нынешнего Северного Ледовитого океана, о чем красноречиво свидетельствует отсутствие ледово-морских отложений в верхнем мелу Северной Евразии. Следовательно, меловой высокоширотный климат Арктики характеризовался весьма нео-

* Гумидный климат характерен для областей с избыточным увлажнением, когда осадки превышают сумму влаги, идущей на испарение и просачивание в почву, а избыток влаги удаляется речным стоком (прим. ред.).

стр. 39

Методика CLAMP-анализа ископаемой флоры: А - распределение (в проекции на плоскость) 103 современных флористических выборок (различным цветом показаны среднегодовые температуры (МАТ) произрастания этих флор) и ископаемой флоры (обозначена крестиком), взятой как "пассивный образец", в заданном морфологическими признаками 31 - мерном пространстве; В - расположение в этом же пространстве 8 векторов климатических параметров, коррелятивно связанных с физиономическими признаками листьев двудольных растений; С - распределение современных флористических выборок в зависимости от их координат вдоль вектора среднегодовой температуры. WMMT- температура наиболее теплого месяца, СММТ - наиболее холодного, LGS - продолжительность вегетационного периода, MGSP - общее количество осадков в нем, MMGSP - среднемесячное, 3WM - за три последовательных наиболее влажных, 3DRIM - наиболее сухих месяца.

бычным сочетанием основных параметров: умеренно теплыми температурами, большим количеством осадков и значительной световой сезонностью. Сейчас на Земле аналогов ему нет.

Самая северная из изученных нами флор (возраст 89 - 93 млн. лет) расположена на арктическом острове Новая Сибирь (75° с.ш.). Судя по реконструкции положения полюса в меловом периоде, она тогда произрастала на широте 82°. Ее открыла в 1886 г. российская арктическая экспедиция, руководимая бароном Эдуардом Толлем*. Поразительно, что территорию, которую он описал как "безотрадную пустыню, наводящую ужас своей безжизненностью", в далеком прошлом покрывала богатая лесная растительность. Судя по нашим данным, она существовала при среднегодовой температуре 8,8° С (в наиболее теплом месяце поднималась до 16,6°С, а в самом холодном опускалась до 1,8° С), среднемесячном количестве осадков за вегетационный период 94 мм. Сейчас подобные показатели свойственны, например, для Великобритании, Северной и Центральной Франции, где далеко не каждый год на Рождество выпадает снег.

И, в-третьих, наши расчеты говорят о том, что в меловом периоде отсутствовал континентальный, а тем более резко континентальный тип климата. В настоящее время примером последнего может служить Центральная Якутия: этот район характеризуется наибольшим в мире годичным диапазоном температур, составляющих в г. Вилюйске в июле 18°С, а в январе до - 38°С. Другая особенность рассматриваемого климата - низкое, около 250 мм/год, количество осадков, сравнимое с таковым в полупустынных и пустынных районах.

В средне- и позднемеловую эпоху, когда значительные части континентов были покрыты водой, основная часть Сибири находилась выше уровня океана и представляла собой крупный континентальный блок. Из его центра и происходит ископаемая флора бассейна реки Вилюй сеноманского возраста (100 - 93 млн. лет назад), и именно там, вдали от морских бассейнов, казалось бы, можно обнаружить следы континентального мелового климата. Однако результаты CLAMP-анализа сеноманской флоры Вилюя свидетельствуют: она существовала во влажном теплоумеренном климате без холодных зим. Среднегодовая температура составляла 13,0°С (наиболее теплого месяца - +21,6°С, самого холодного - +5,7°С), количество осадков за вегетационный период, продолжавшийся, согласно расчетам, 7,5 мес. - 1185 мм.

Естественно, столь неожиданные результаты требовали от нас серьезной проверки с помощью других геологических индикаторов климата. Исследования автора с коллегами в бассейне Вилюя позволили сделать однозначный вывод: особенности верхнемеловых пород этого района, состав глинистых минералов, отсут-

* См.: В. А. Маркин, С. А. Хоркина. Сотрудничество в Арктике. - Наука в России, 2005, N 6 (прим. ред.).

стр. 40

ствие следов сезонных оледенений, палеоботанические и палинологические данные убедительно свидетельствуют, что климат внутриконтинентальных районов Азии 70 - 100 млн. лет назад был теплым, безморозным и влажным.

ЧТО НАС ОЖИДАЕТ?

Сейчас очевидно: накопление техногенного углекислого и других парниковых газов в земной атмосфере вызвало и в ближайшие годы будет вести к потеплению глобального климата Земли*. По некоторым данным, с середины XVIII в. до настоящего времени концентрация двуокиси углерода выросла приблизительно на 30%; за XX в. температура поверхности нашей планеты повысилась примерно на 0,6°, а уровень Мирового океана за счет таяния ледников и теплового расширения воды поднялся на 10 - 20 см. Во многих регионах мира в последние годы увеличилось количество осадков, а 1990-е годы были самым жарким десятилетием второго тысячелетия. Согласно компьютерным моделям, к 2100 г. средняя температура Земли может стать на 1,4 - 5,8°С выше, уровень океана поднимется на 9 - 88 см.

Проблему осознают многие страны на правительственном уровне. Это выразилось в проведении всемирных климатических конференций, принятии мировым сообществом в 1992 г. Рамочной конвенции ООН по изменению климата, поддержанной 185 государствами, и Киоте кого протокола в 1997 г., призванного способствовать уменьшению выбросов в атмосферу как минимум на 5% по сравнению с уровнями 1990 г. шести основных техногенных парниковых газов. Недавно Россия присоединилась к этому документу. Однако некоторые страны, в первую очередь США, не видят необходимости в снижении эмиссии парниковых газов. По мнению противников ограничительных мер, техногенное потепление климата не доказано: небольшие изменения трудноуловимы приборными методами, и в основном выводы о будущих климатических изменениях строятся на данных компьютерного моделирования, адекватность и точность которых еще не доказана.

Действительно, единственный инструмент для предсказания характера будущих изменений климата - пока только этот подход, и в первую очередь модели общей циркуляции (GCM). Их разрабатывали и "настраивали" так, чтобы они хорошо отражали современную ситуацию. Но нынешний климат - ненормально холодный для нашей планеты. На ней было теплее, чем сейчас, в течение 85% времени за примерно 570 млн. лет ее существования. И неудивительно, что GCM зачастую не могут воспроизвести некоторые особенности палеоклиматов в эпохи глобальных потеплений.

Итак, модели призваны предсказывать, что нас ожидает в случае возможного потепления. Для более контрастного и отчетливого выявления их возможных де-

Положение меловых флор Евразии и Аляски, использованных для расчета количественных палеоклиматических параметров с помощью CLAMP-анализа.

* См.: Ю. А. Израэль. Грозит ли нам климатическая катастрофа? - Наука в России, 2004, N 4 (прим. ред.).

стр. 41

фектов тестирование следовало бы проводить по более теплому климату, чем современный. Где взять такую информацию? Существует лишь один источник - геологическая летопись. И меловой период - экстремально теплое время в истории Земли - как нельзя лучше подходит для этого.

Преимущество CLAMP перед другими методами палеоклиматологии в том, что он дает целый ряд количественных показателей древнего климата. Именно поэтому может служить хорошим инструментом для тестирования соответствующих моделей. Для сравнения результатов CLAMP с предсказаниями GCM мы взяли наши расчеты по флорам сеноманского возраста и результаты двух наиболее совершенных GCM - Проекта атмосферного моделирования группы британских университетов (UGAMP) и британского центра Хадли. Последние использовал английский палеоботаник Пол Валдис для моделирования климата сеноманского века. Расчетные параметры среднегодовых температуры и количества осадков для исследуемых флор, произраставших вблизи морских бассейнов Евразии (Арктического, Тихого океана, Тетиса, Тургайского залива), в целом соответствуют результатам GCM. Однако для внутренних районов Азии мелового периода картина существенно иная. Согласно CLAMP, данный регион, как показано выше, характеризовался ровным и влажным климатом с положительными зимними температурами и теплым летом. Это заметно отличается от прогнозов GCM: для той же азиатской территории они предсказывают резко континентальный сухой климат с низкой среднегодовой температурой (0 - 4°С), холодными зимами (до - 15 - - 20°С) и жарким летом (до 30 - 35°С).

стр. 42

Сравнение рассчитанных по методике CLAMP среднегодовых температуры и количества осадков в сеномане Евразии (точки и цифры на картах) с таковыми параметрами, предсказываемыми моделью общей атмосферной циркуляции UGAMP для сеномана (карта). Точками показаны местонахождения следующих ископаемых флор (с запада на восток): перуцкой (= 96 млн. лет назад), теректы-сай (= 95 млн. лет назад), вилюйской, гребенкинской (= 97 млн. лет назад).

Выходит, GCM не в состоянии воспроизвести климатические параметры внутриконтинентальных районов в условиях более теплого, чем ныне, мелового периода: модели "приписывают" им близкий к современному резко континентальный климат, а результаты CLAMP вместе с другими геологическими данными (седиментологическими, палинологическими, анализом глинистых минералов и др.) свидетельствуют о теплоумеренном влажном с мягкими зимами. Это вызывает серьезные сомнения в возможности применять GCM для предсказания будущего потепления.

Мы можем согласиться с критиками GCM: современные, даже наиболее совершенные модели неточны и содержат в себе изъяны. Но гораздо важнее другое: указанные их ошибки - в недооценке возможных климатических изменений. Согласно прогнозам, при потеплении климат внутриконтинентальных районов останется, как и сейчас, резко континентальным, однако геологические свидетельства о глобальном потеплении в меловом периоде дают повод для сомнений. То есть ожидающие нас из-за изменений климата невзгоды могут быть значительнее, чем предсказывают модели.

Постоянный адрес данной публикации: