ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. КОСМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

§ 1. Имитационные и кинетические модели

1.1. Солнечная активность и ее влияние на климатические процессы

1.2. Атмосфера Земли, ее состав, примеси, структура, стратификация

1.3.Имитационные модели процессов

1.4. Переход от имитационных к кинетическим моделям

§ 2. Диаграммная техника построения и анализа моделей.

2.1. Построение диаграмм

2.2. Правила соответствия для составления кинетических уравнений

2.3. Последовательные приближения

2.4. Некоторые примеры

§ 3. Модели радиационного баланса

3.1. Инсоляция

3.2. Тепловой баланс

3.3. Климатические зоны

3.4. Вариации солнечной активности в геологическом прошлом

§ 4. Сравнение некоторых моделей с геологическими данными.

4.1. Докембрий

4.2. Рифей

4.3. Венд

4.4. Пермокарбон

4.5.Кайнозой

ГЛАВА II. ФАКТОРЫ ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ

§ 5. Модели вихрей и теория подобия

5.1. Иерархия вихрей

5.2. Муссоны

5.3. Центры действия атмосферы

5.4. Теория подобия

5.5. Линейные модели источников и стоков вихрей

§ 6. Энергетика и уравнения динамики атмосферы

6.1. Энергетика циркуляции

6.2. Оценки альбедо

6.3. Уравнения динамики атмосферы

6.4. Последовательные приближения

6.5. Принцип наименьшего отклонения

§ 7. Общие законы зональной классификации климатов

7.1. Элементы климата и климатические факторы

7.2. Радиация

7.3. Океаны и материки

7.4. Циркуляция, облака и осадки

7.5. Классификация климатов

§ 8. Сравнение модельных представлений с геологическими данными

ГЛАВА III. ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ОКЕАНА

§ 9. Общие уравнения динамики океана

9.1. Гидросфера Земли, ее состав, примеси, структура, стратификация

9.2. Кинетические и имитационные модели

9.3. Обще ковариантные модели гидросферной циркуляции

9.4. Классификация климатических зон в акваториях

§ 10. Взаимодействие атмосферы и океана

10.1. Воздействие атмосферы на океан

10.2. Воздействие океана на атмосферу и климат

10.3. Система атмосферы и океана

10.4. Теоретические методы восстановления фаунистических провинций

§11. Взаимодействие суши и океана

11.1. Влияние суши на океанические течения

11.2. Накопление воды в ледниках

11.3. Литогенез

§12. Сравнение моделей с геологическими данными

12.1. Палеозой (570-246 млн. лет)

12.1.1 Вариации климатической зональности в раннем палеозое (570-410 млн. лет)

Кембрийский период (570-511 млн. лет)

Ордовикский период (510-440 млн. лет)

Силурский период (439-410 млн. лет)

12.1.2. Вариации климатической зональности в позднем палеозое (409-246 млн. лет)

Девонский период (409-364 млн. лнт)

Каменноугольный период (363-352 млн. лет)

Пермский период (290-246 млн. лет)

Ранняя пермь (290-269 млн. лет)

Поздняя пермь (268-246 млн. лет)

12.2. Мезозой (245-66 млн. лет)

Триас

Юра

Мел

12.3. Кайнозой (65-11 млн. лет)

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВРЕМЕННОГО РЯДА СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

ГЛАВА V. ВАРИАЦИИ ЗОН И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В МЕЛОВОМ ПЕРИОДЕ

5.1. О модели вариации климатических зон

5.1.1. Модели циркуляции подвижных оболочек Земли

5.1.2. Закономерности структуры системы океанических течений

5.1.3. Обсуждение результатов реконструкции глобальных течений в меловом периоде

5.1.4. Обсуждение реконструкций региональных систем течений в Северном полушарии

ГЛАВА VI. ВАРИАЦИИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН И ПОВЕРХНОСТНЫХ ОКЕАНСКИХ ТЕЧЕНИЙ В ЮРСКОМ ПЕРИОДЕ

6.1. Модельная классификация зональных течений Мирового океана

6.2. Правила восстановления палеотечений при наложении зональных течений на конкретную палеогеографическую основу

6.3. Обсуждение результатов реконструкций и сравнение их с геологическими данными

6.4. Возможные применения реконструкций

ГЛАВА VII. О ПОЗДНЕМЕЛОВЫХ ОКЕАНСКИХ ТЕЧЕНИЯХ

7.1. Модельные реконструкции палеотечений и вариации зон пассатных ветров и атмосферного давления

7.2. Эффекты эвстазии

7.3. Обсуждение результатов реконструкций палеотечений и сравнение с геологическими данными

ГЛАВА VIII. КЛИМАТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПЕРЕРЫВАХ

8.1. Эмпирические закономерности эволюционных и палеоклиматических изменений

8.2. Природа эволюционных скачков с точки зрения резонансных явлений в Солнечной системе

8.3. Модель палеоклиматических и эволюционных термов

8.4. Сравнение выводов, основанных на модели, с эмпирическими данными

8.5. Возможные теоретические обобщения и выводы

ГЛАВА VIII. КЛИМАТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ГЕОХРОНОЛОГИЯ

9.1. О модели

9.2. Результаты расчетов

9.3. Анализ результатов моделирования палеоклиматической зональности

9.4. Корреляция климатической изменчивости и границ крупных стратиграфических подразделений

9.5. Периодические свойства геохронологической шкалы

9.6. Резонансная модель галактического фактора

9.7. Климаты мелового периода по данным различных геохронологических шкал и модели вариаций зон

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Выводы

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ 1…

Подписи к рисункам

Приложения 2

Во введении приведена историческая справка об исследованиях в области палеоклиматологии; сформулировано, для чего сегодня нужны знания о древних климатах Земли, какие теоретические модели и методы позволяют реконструировать древние климаты.

В главе I рассмотрена энергетическая основа всех климатообразующих процессов – приход и расход внешней космической радиации, пути ее миграции и распределения между элементами всей системы. На этом этапе используются простые имитационные модели (модели Монте-Карло) и кинетические балансовые модели, или «модели резервуаров». Для описания этих моделей достаточно простых математических средств – функций действительного переменного, обыкновенных дифференциальных уравнений. Для удобства пользования этими средствами предложена диаграммная техника, которая позволяет по специальным графикам (диаграммам), отражающим реальные процессы, и правилам соответствия строить модельную систему уравнений, описывающую эти процессы. С использованием этой техники рассмотрены некоторые модели радиационного баланса и проведено их сопоставление с эмпирическими данными.

В главе II рассмотрены факторы общей циркуляции атмосферы, влияющие на климат. Математический аппарат, необходимый для этого типа моделей, состоит в использовании дифференциальных уравнений в частных производных. С целью упрощения применения этого сложного математического аппарата мы используем теорию подобия Г.С.Голицина [4] и теорию вихрей. Использование теории вихрей позволяет свести основные модели подобным тем, что уже рассматривались в первой главе.

В главе III сделана попытка учесть влияние общей циркуляции океана на климатическую зональность в прошлом. Математический аппарат доведен до степени общих ковариантных уравнений (тензорные метрические уравнения, не зависящие от систем координат). В моделях учтены взаимодействия различных подсистем друг на друга.

В главе IV проводится исследование статистических свойств временного ряда сильных землетрясений, приведены рассчитанные на ЭВМ индексы вариаций гравитационного поля, связанные с неравномерностями движения Солнца по орбите вокруг общего центра масс. Установлена корреляционная связь между экстремумами индексов вариации поля и максимальными землетрясениями в каждом году из интервала 1904-1980 г.г.

В главе V рассмотрены вариации зон и поверхостные течения в меловом периоде. Рассмотрены модели циркуляции подвижных оболочек Земли, закономерности структуры системы океанических течений. С учетом привязки этих закономерностей к климатическим зонам, зонам высоких и низких давлений, зонам пассатных и западных ветров их можно переносить в геологическое прошлое с целью реконструкции поверхностных палеотечений.

В главе VI рассмотрены вариации зон и поверхостные течения в юрском периоде. Рассмотрены модели реконструкции поверхностных океанических течений в геологическом прошлом на примере юрского периода, основу которого составляет принцип актуализма. Приведена классификация зональных течений Мирового океана и правила восстановления палеотечений при наложении зональных течений на палеогеографическую основу. Показаны возможности применения теоретических реконструкций палеотечений и зон атмосферного давления для практического использования.

В главе VII рассмотрены реконструкции позднемеловых океанских течений. Сделана попытка определения областей апвеллингов, границ фаунистических провинций и возможных путей миграции морской фауны. Предложены модельные реконструкции течений с сеномана по маастрихт, в основу которых положена связь палеотечений и зон пассатных ветров, зон высоких и низких атмосферных давлений. Рассмотрены эффекты эвстазии и проводится обсуждение результатов реконструкций палеотечений и сравнение их с геологическими данными.

В главе VIII рассмотрены климатические и экологические изменения в резких эволюционных перерывах. Приведены сравнительные описания эмпирических закономерностей эволюционных и палеоклиматических изменений, выявлены связи вымираний биоты с температурными минимумами на примере докембрия и фанерозоя. Рассмотрена природа эволюционных скачков с точки зрения резонансных явлений в Солнечной системе. Приведены модель палеоклиматических и эволюционных термов и сравнение выводов, основанных на этой модели, с эмпирическими данными.

В главе IX рассмотрены вопросы климатической изменчивости и геохронология. Приведена модель, результаты расчетов по ней, дан анализ результатов моделирования палеоклиматической зональности. Омечена корреляция климатической изменчивости и границ крупных стратиграфических подразделений. Выделены периодические свойства геохронологической шкалы и приведена резонансная модель галактического фактора. Класифицированы климаты мелового периода по данным различных геохронологических шкал и модели вариаций климатических зон.

В заключении сформулированы общие выводы по результатам проведенных исследований.

ВВЕДЕНИЕ.

Палеоклиматология – часть науки о Земле, изучающая существовавшие в геологическом прошлом многолетние состояния древней атмосферы и океана, их изменения и влияния на животный и растительный мир, на многочисленные гипергенные процессы, часть из которых могла завершиться формированием месторождений полезных ископаемых. Некоторые виды гипергенных полезных ископаемых являются прекрасным индикатором, указывающим на существовавший в прошлом тип климата (эвапориты, ископаемые угли, бокситы, фосфориты, россыпи и др.). Наличие ископаемых углей в Антарктиде или на Щпицбергене – это свидетельства иных климатических режимов, имевших место в прошлом. Другие отложения, такие как тиллиты (ископаемые морены ледников), не отсортированные терригенные осадки с большим количеством неустойчивых к выветриванию минералов – свидетельства холодных климатических условий. Большое значение имеет анализ литогенетических формаций, благодаря которым устанавливается температурный режим. Температурный режим и влажность определяются при анализе растительных остатков и споро-пыльцевых комплексов. Метод индикаторов широко применяется в палеоклиматологии и в настоящее время [5,6,13], позволяя с той или иной достоверностью восстанавливать климатическую зональность прошлого и ее вариации.

Прямыми количественными методами определения термических условий прошлого служат методы анализа изотопного состава кислорода в органогенных известняках, раковинах моллюсков или ископаемых льдах. Этим же целям служат и магнезиальный и стронциевый методы. Названные методы составляют экспериментальную основу палеоклиматологии как науки.

Развитие теоретических моделей в этой области пока значительно отстает и успехи здесь еще невелики. Это, конечно, неудивительно, поскольку и современная климатология пока не располагает эффективными моделями. В то же время считается [4], что со временем роль математических моделей климата будет возрастать.

Восстановление палеоклиматов как одного из элементов исторической геологии имеет важное научное и практическое значение. Изучение перемен климатических обстановок позволяет понять этапы развития органического мира, пространственное размещение фауны и флоры, условия формирования гипергенных месторождений полезных ископаемых. Климат оказывает большое влияние на все экзогенные процессы и формы жизни, поэтому осадочные породы также несут информацию о палеоклиматах. Различные геохимические, минералогические и литологические особенности, а также ископаемые остатки организмов служат как сказано выше, индикаторами, по которым восстанавливается картина климатов прошлого [3,8,47,51,54,56,62,75,78].

Задача реконструкции палеоклиматов весьма сложна. Необходимо использовать все открывающиеся возможности. Одной из таких возможностей служит теоретическое моделирование с применением ЭВМ [39].

В данной работе рассмотрены самые простые малопараметрические модели, но, вместе с тем, авторы стремились доводить их до сопоставления с эмпирическими материалами.

Изложение материала построено по принципу «от простого к сложному» как в отношении использованного математического аппарата, так и в отношении моделей предметной области.

В основе модели лежит представление о периодической изменчивости активности Солнца под влиянием гравитационного воздействия планет. Идея эта не нова. Ее высказывали в разное время и в различных контекстах Р.Вольф (1889) - планетная обусловленность солнечной активности [11]; П.П. Предтеченский (1948)-климаты геологического прошлого и схема зависимости их от изменений солнечной активности [40]; М.С. Эйгенсон (1963) - иерархия циклов солнечной активности и палеоклиматы [59]. В самом деле, Солнце является практически единственным источником энергии на земной поверхности и в атмосфере - тепловая энергия внутренних источников составляет 1/6000 долю от солнечной, и именно в изменениях солнечной энергии в первую очередь надо искать причины климатических изменений [2].

Недостаток перечисленных выше работ заключается в отсутствии конкретной расчетной схемы, которая позволила бы рассчитать климатические характеристики для любого момента геологической истории. Остается не ясной проблема, каким образом планеты воздействуют на Солнце, так как прямые расчеты приливных эффектов не дают желаемого результата [11]. Прогресс наметился с появлением современных ЭВМ - нового инструмента более быстрых и точных исследований. Работа Вудов (R.M.Wood and K.D.Wood, Nature,208,129,1965.) положила начало новому подходу к анализу планетного влияния на солнечную активность. В отличие от более ранних исследований в этой работе рассчитывались движения самого Солнца по отношению к центру тяжести солнечной системы. С резкими изменениями в угловой составляющей ускорения Солнца сопоставлялись всплески проявленной солнечной активности. Для некоторых промежутков времени получалась почти функциональная связь.

На первом этапе исследований нами были воспроизведены на ЭВМ все основные результаты работы Вудов, чтобы экстраполировать их в далекое геологическое время и использовать при реконструкциях климатов тех эпох. Анализ физического содержания модели позволил выявить главенствующую роль соленоидальной компоненты гравитационного поля, как фактора, влияющего на проявления солнечной активности и связанных с ней явлений в солнечной системе. На кривой временных вариаций индекса этой величины [14] можно наблюдать наличие резких пиков, которые были названы "резонансами". Особую роль таких резонансов можно было предвидеть ввиду того влияния, которое имеет солнечная активность для процессов на земной поверхности и явлений органической жизни.

Теория резонансов позволила преодолеть математические трудности, которые неизбежно вставали на пути расчетов характеристик системы на столь большие промежутки времени, с какими имеет дело геология. Была разработана классификация резонансов и расчетная схема вариаций климатических зон. Далее работа развивалась по пути сопоставления расчетных данных с геологическими материалами и включением в учет новых физико-географических факторов. Данная работа подводит некоторый итог исследований в этой области и дает цельное представление о современном состоянии развития модели.

Построение теоретических моделей палеоклиматов является актуальной задачей исторической геологии, так как от них зависит осмысление и упорядочивание материалов по реконструкции климатов. Использование теоретических моделей даст новые возможности в уточнении и углублении научной базы прогнозирования гипергенных месторождений полезных ископаемых.

В этой работе представлены материалы по развитию и современному состоянию малопараметрической модели вариаций климатических зон в геологическом прошлом, применимой для изучения:

- влияния солнечной активности на изменения климата в палеозое и мезозое;

- возможной связи границ крупных геохронологических и стратиграфических разделов с климатической изменчивостью;

- возможности применения математического моделирования вариаций климатической зональности к решению проблемы выбора между несколькими геохронологическими шкалами;

- возможной связи темпов эволюционного процесса, в частности, вымирания одних видов организмов и появления других, в ходе геологической истории Земли;

- возможной связи тектонического (и сейсмического) процесса с вариациями соленоидальной компоненты гравитационного поля Солнца в солнечной системе и моментами резонансов;

- реконструкций палеотечений мирового океана, учитывающих изменения широты зон высокого и низкого давления, а также зоны пассатных ветров - ведущего звена, определяющего картину поверхностных течений, в частности, на примере течений в меловом и юрском периодах.

В этой и некоторых других работах [15-20] впервые получены и исследованы численные расчетные схемы вариаций климатических зон для палеозоя и мезозоя. В качестве исходных данных использованы представления о резонансах в солнечной системе и проявляющихся в циклах солнечной активности большой продолжительности; впервые проведено сопоставление расчетных климатических изменений с показателями климатической изменчивости в прошлом; впервые установлена связь климатической изменчивости и границ крупных подразделений геохронологической шкалы; впервые проведены реконструкции поверхностных течений мирового океана в меловом периоде на основе модельных расчетов смещений пассатных ветров.

Модельные исследования вариаций климатических зон и палеотечений могут использоваться как дополнительный метод в проведении реконструкций палеоклиматов и палеотечений в фанерозойский этап геологической истории.

формате PDF (2539Кб)