На рис. 71 показаны колебания значений O18 в раковинках планктона в слоях колонки глубоководных осадков из Тихого океана за последний миллион лет по Н. Шеклтону и Н. Опдайку (1973 г.), отражающие глобальный объем льда на Земле. Этот график показывает, что по крайней мере за последние 600 000 лет континентальные оледенения образовывались и стаивали с периодом в среднем около 100 000 лет; см. на рис. 72 спектр периодов, построенный Дж. Имбри и Н. Шеклтоном (1974 г.) по данным рис. 71. Колебания с таким спектром, в котором интенсивность возрастает с ростом периода, называются «красным шумом»; последовательные состояния климата здесь коррелированы. Иначе говоря, в масштабах десятков тысячелетий система атмосфера-океан-суша обладает «запоминающими устройствами» (таковыми служат ледниковые щиты); поведение такой системы в некоторой мере предсказуемо по ее предыстории. Из рис. 71 видно также, что в течение 90% времени в плейстоцене климат был холоднее современного. Интересно отметить чрезвычайную резкость потеплений (т. е. быстроту таяния континентальных ледниковых щитов), обозначенных на рис. 71 римскими цифрами.
Рис. 71. Значения δ 018 в колонке глубоководных осадков из Тихого океана по Н. Шеклтону и Н. Опдайку (1973 г.).
Рис. 72. Спектр колебаний климата в плейстоцене по Дж. Имбри и Н. Шеклтону (1974 г.).
Последовательность оледенений плейстоцена была впервые изучена на примере Альп А. Пенком и Э. Брюкнером (1901 - 1909 гг.). Разработанная ими схема, позже детализированная Б. Эберлем (1930 г.), включает пять эпох оледенения - Дунайскую, состоявшую из трех стадий (самую раннюю из них теперь называют Биберской), двухстадийные Гюнцскую и Миндельскую и затем, после особенно продолжительного межледниковья, - двухстадийную Рисскую и трехстадийную Вюрмскую (Гюнц, Миндель, Рисс - реки, а Вюрм - озеро в бассейне Дуная). Эта схема, снабженная абсолютными возрастами (в нижней половине плейстоцена имеющими лишь ориентировочный характер), показана в первой графе табл. И. По данным Пенка и Брюкнера, ледниковые цирки Альп в эпохи оледенения заполнялись фирном не больше, чем теперь, т. е. количество осадков тогда не превосходило современного, но температуры были ниже, вследствие чего снеговая линия находилась много ниже современной (на 1200 м), таяние ледников было замедленным, и их языки спускались в долины много ниже, чем теперь, на севере, западе и юге Альп, выходя за пределы гор на равнины и образуя там огромные ледники подножий.
В настоящее время история плейстоцена в большинстве районов мира изучена уже довольно обстоятельно. Сводки данных по всему миру изложены в ряде книг, из которых мы упомянем лишь книгу К. К. Маркова с соавторами [57]. Климат, по определению, есть понятие глобальное, и те или иные проявления каждой ледниковой эпохи, естественно, обнаруживаются во всех районах мира, но, конечно, они отнюдь не везде и не всегда сводились к росту ледников. Иногда их следы еще не найдены или, например, стерты более поздними оледенениями, поэтому создано множество региональных хронологий плейстоцена, различающихся местными наименованиями и рядом деталей. В табл. 11 кроме альпийской хронологии приведена также североевропейская, русская и североамериканская.
Табл. 11. Хронология плейстоцена.
Максимальное оледенение в плейстоцене (Рисс-Заале-Днепровское-Иллинойс) превосходило современное оледенение втрое и покрывало 30% площади суши, или 45 млн. км2, из них 13.9 составляла Антарктида, 13.14 - Лаврентьевский ледниковый щит в Канаде, 5.76 - Европейский ледниковый щит, от 4.3 до 2.7 - Урало-Сибирский ледниковый покров, 2.6 - оледенение Кордильер, 2.16 - Гренландия, 2.25 - горы Евразии, 0.7 - горы южного полушария (это составляло 25% площади Евразии, 60% Северной Америки и 110% Антарктиды; в северном полушарии площадь оледенения превышала современную в 13 раз). Ледовый покров океана превышал современный в 1.5 раза и занимал 4% площади океана, или 25 млн. км2.
Всего льдом было покрыто 14% поверхности Земли, вдвое больше, чем теперь. Ледниковые щиты достигали в Европе 48°30', а в Северной Америке 37° широты. Карта максимального распространения льдов в северном полушарии приведена на рис. 73. На рис. 74 показаны южные границы четырех эпох оледенений - Окской, Днепровской (максимальной, во время которой одна из южных лопастей ледникового щита опускалась далеко вниз по Днепру, а другая почти полностью заполняла междуречье между Доном и Волгой), Московской и Валдайской - на европейской территории СССР.
Рис. 73. Максимальное распространение льдов в плейстоцене в северном полушарии по К. К. маркову с соавторами [57]. 1 - современная граница морских льдов; 2 - их древняя граница; 3 - современные суши; 4 - древнее наземное максимальное оледенение; 5 - современная граница вечной мерзлоты.
Максимальный объем льдов суши в плейстоцене составлял около 55 млн. км3, в том числе 23.9 - в Антарктиде (как сегодня), 23.9 - в Северной Америке, 7.6 - в Европе и 0.7 - в Урало-Сибирской области (60% этих льдов было сосредоточено в северном и 40% - в южном полушарии, тогда как теперь эти цифры равны 8 и 92%).
Рис 74. Границы плейстоценовых ледниковых щитов на европейской территории СССР. Ледниковые щиты: 1 - Окский; 2 - Днепровский; 3 - Московский; 4 - Валдайский.
Во время межледниковий, по-видимому, стаивало около половины этих льдов, и ледниковые щиты оставались только в Антарктиде и Гренландии. Это приводило повышению уровня Мирового океана на 85-120 м и образованию соответствующих террас на берегах морей и океанов (рис. 75); такие террасы были изучены еще в конце XIX в. в Средиземноморье (Калабрийские, затем предгюнцские Сицилийские, гюнц-миндельские Милаццские, миндельрисские Тирренские, Риссвюрмские Монастирские и самые низкие Фландрские, или Ниццские), а затем и во многих других районах мира.
Рис. 75. Плейстоценовые колебания уровня моря по данным о высоте средиземноморских террас по Ф. Цейнеру (1959 г.).
Наоборот, во время ледниковых эпох уровень Мирового океана понижался, большая часть континентального шельфа обнажалась и образовывались сухопутные «мосты», например, между Европой и Британскими островами, Чукоткой и Аляской (по последнему «мосту» около 30 тыс. лет тому назад в Америку из Азии проникли люди). Из-за понижения уровня океана во время ледниковых эпох шельфовые ледники Антарктиды должны были ложиться на дно шельфа, превращаться в континентальные ледниковые щиты и нарастать по толщине; во время межледниковий они должны были разрушаться и превращаться опять в плавучие ледники. Следы четырех таких событий на западном берегу моря Росса, по-видимому, совпадают по времени с ледниковыми эпохами северного полушария.
Выдающийся югославский ученый М. Миланкович (см. его книгу [58]) предложил объяснять колебания климата в плейстоцене колебаниями наклона е экватора Земли к плоскости ее орбиты, а также элементов земной орбиты (а именно - произведения е·sin π, где е - эксцентриситет орбиты, а π - долгота перигелия, т. е. самой близкой к Солнцу точки орбиты, отсчитываемой от точки весеннего равноденствия), создаваемыми действием на Землю сил притяжения остальных планет. Колебания величин ей e·sin π не меняют получаемой Землею в целом годичной суммы солнечного тепла, но могут приводить к изменениям распределения этого тепла по широтам и сезонам года (это распределение показано на рис. 66), а потому могут сказываться на климате. Так, увеличение е·sin π вызывает пропорциональное увеличение разности в длинах теплого и холодного полугодий (весна+лето) - (осень+зима), а увеличение ε приводит к пропорциональному sin ε · sin φ увеличению разности между суммами солнечного тепла за теплое и холодное полугодия на каждой широте φ (т. е. к увеличению континентальности климата). Чтобы понять, как это сказывается на климате, мы можем ожидать, например, что более холодные лета и теплые зимы будут способствовать росту ледников и за длительное время (много тысячелетий) могут привести к развитию ледниковой эпохи.
Вместо астрономических полугодий, длины которых меняются в зависимости от значений е·sin π, Миланкович рассматривал так называемые калорические полугодия, определяемые для каждой широты φ по отдельности, как полугодия одинаковой продолжительности, в течение которых ежедневная суточная сумма солнечного тепла на широте φ в любой день летнего полугодия больше суточной суммы солнечного тепла на этой широте в любой из дней зимнего полугодия. Колебания суммы солнечного тепла за летнее калорическое полугодие получаются как сумма (а за зимнее полугодие - как разность) колебаний ε и e·sin π, взятых с некоторыми множителями, зависящими от широты (см. главу 4 книги [9]). Для наглядной демонстрации результатов Миланкович рассчитывал колебания эквивалентной широты φ1(t) - той, на которую в настоящее время за летнее калорическое полугодие приходит столько же солнечного тепла, сколько в момент t прошлого времени приходило на широте 65° северного полушария. Рост эквивалентной широты означает похолодание, убывание - потепление.
Расчеты, произведенные Миланковичем, были затем повторены с небольшими уточнениями рядом авторов. Последние, наиболее детальные расчеты произвели советские астрономы Ш. Г. Шараф и Н. А. Будникова (1967-1969) на период в 30 млн. лет в прошлое и 1 млн. лет в будущее оказалось что эксцентриситет е колебался в пределах 0.0007-0.0658 (его современное значение 0.017) преимущественно с периодами около 0.1, 0 425 и 1 2 млн лет, наклон ε колебался в пределах 22.°068-24°.568 с периодами около 41 и 200 тыс. лет. Эти периоды неплохо соответствуют нашим представлениям о продолжительности колебаний климата в плейстоцене. Эквивалентные широты колебались в пределах 58-79° (т. е. довольно значительно) с преимущественными периодами в 41 тыс. лет и 1.2 млн. лет. Построенные Шараф и Будниковой графики эквивалентных широт показаны на рис. 76 Максимумы эквивалентных широт (φ1 ≥ 69°) можно попытаться сопоставить с ледниковыми периодами. Тогда получаются возрасты Дунайских арттиконы эпох - 970, 855 и 685 тыс. лет, Гюнца - 590 и 565 тыс. лет, Минделя - 476 и 435 тыс. лет, Рисса - 230 и 187 тыс. лет, Вюрма - 115, 72 и 25 тыс. лет вполне удовлетворительно согласующиеся с имеющимися фактическими данными о последовательности и длительности ледниковых периодов плейстоцена.