Закономірність ритмічності у географічній оболонці

Способом існування в часі і просторі географічної оболонки в цілому та кожної ї частини зокрема є кругообіги речовини та енергії, що періодично повторюються, а формою існування географічної оболонки у часі є взаємозв’язана повторюваність різноманітних явищ і процесів.

Ритми відрізняються за походженням і тривалістю. Значна частина ритмів пояснюється нерівномірністю походження сонячної радіації на нашу планету у зв’язку з періодичними змінами її положення відносно Сонця. Сюди належать річний ритм, прецесії тривалістю 21 000 років та 40 000 років. Перша з них зумовлена зміною положення осі обертання Землі під нерівномірним притяганням її різних частин Сонцем. Друга спричинена зміною кута нахилу екліптики до небесного екватора (від 24^°36' до 21°58'). Ритм 92 000 років обумовлюється зміною ексцентриситету земної орбіти (від 0 до 0,068). Кожен з вказаних ритмів проявляється в періодичній зміні кількості сонячної радіації, що надходить на Землю, і обумовлює періоди похолодань і потеплінь на Землі.

Низка земних ритмів пов’язана із зміною сонячної активності. Вони мають різну тривалість (2-3 роки, 5-6 років, 11 років, 22-23 роки, 80-90 років). При цьому загальна кількість сонячної радіації не змінюється, але, зокрема, значно коливається величина ультрафіолетового випромінювання, яка при максимумі сонячної активності в 20 разів більша, ніж при її мінімумі.

Зміни припливоутворюючих сил (або нерівномірність сил взаємного притягання Землі, Сонця і Місяця) породжують низку ритмів різної тривалості (2 роки, 8-9 років, 18-19 років, 111 років, 1800-1900 років).

Обертання Землі разом із усією Сонячною системою навколо центру Галактики — галактичний рік — обумовлює так званий геологічний цикл тривалістю 200-220 млн. років, із яких пов’язують також і найтриваліші епохи кліматичних змін, зледенінь і так званих "хвиль життя" розвитку органічного світу

Цілісність географічної оболонки повністю виключає можливість існування ізольованої ритміки окремих природних компонентів, що не впливає на інші компоненти. Ритмічність явищ — це форма існування у часі географічної оболонки як цілісної системи.

Передача первинного впливу у послідовному ланцюжку взаємодій від одного компонента до іншого відбувається поступово, до того ж особливості кожного компонента обумовлюють різні темпи і характер реакцій на зовнішні впливи. Тому одна і та ж причина обумовлює несинхронні ритми в різних геосферах — відбувається зміщення фаз ритмів у часі, спостерігається різна тривалість одних і тих же за походженням періодичних змін в різних геосферах. Тому загальна картина ритмічності в географічній оболонці дуже складна. Ритми взаємодіють, тобто накладаються і або взаємно поглинаються, або ослаблюються, або гасяться.

Різноманітні впливи на географічну оболонку відбуваються через два так званих "входи" у неї, як у геосистему. Перший "вхід" — це атмосферне повітря (з кліматичними показниками тропосфери), через який відбуваються зміни у надходженні та розподілі сонячної радіації. Другим «входом» є земна кора з властивим їй рельєфом. Через цей "вхід" надходить внутрішня енергія Землі, що характеризується періодичними змінами інтенсивності, нерівномірністю розподілу стосовно різних ділянок земної поверхні та певними ритмами регіонального перерозподілу у часі. Тому послідовність поширення у географічній оболонці ритмів, обумовлених космічними чи телуричними причинними, починається або із ритмів кліматичних змін, або із ритмів процесів рельєфоутворення. Ми пропонуємо саме таку логіку розгляду ритмічності в географічній оболонці.

Спочатку відбуваються ритми кліматичних змін, а потім вони зумовлюють періодичність процесів і явищ у гідросфері, органічному світі, ґрунтоутворенні. Складне переплетіння ритмів одного походження у вказаних геосферах та природних компонентах знаходить свій комплексний вираз у періодичних змінах природної зональності (наборі та поширенні природних зон). Сучасна "картина" розподілу природних зон на Землі не завжди була такою і відповідає певним фазам кліматичної ритміки.

Скрізь на земній кулі клімат підлягає циклічним коливанням. Середня тривалість одного циклу біля 30-35 років. За цей час серія вологих і прохолодних років змінюється серією теплих і сухих. При цьому розмах коливань річних температур складає в середньому 1°, а атмосферних опадів — біля 25% їх середньої багаторічної величини.

Особливо добре виражений понадвіковий ритм тривалістю 1800-1900 років. Він складається з трьох фаз: трансгресивна (прохолодно-вологого клімату); перехідна; регресивна (сухого і теплого клімату). Цей ритм пов’язують із змінами припливоутворюючих сил. Приблизно через кожні 1800 років Сонце, Місяць і Земля знаходяться в одній площині і на одній прямій, а відстань між Землею і Сонцем в цей час мінімальна (перигелій). При цьому сила притягання Землі Сонцем і Місяцем досягаються найбільшого значення. Під їх припливоутворюючою дією на поверхню океану виносяться глибинні холодні води (апвелінг), що призводить до охолодження атмосфери і похолодання (трансгресивна фаза). Через 1000 років взаємне розташування Землі, Сонця і Місяця обумовлює найменші значення припливоутворюючих сил і опускання (даунвелінг) холодних водних мас в океані, що призводить до нагрівання атмосфери (регресивна фаза).

Кліматичні ритми слід розглядати у контексті їх впливу на усі природні компоненти на життєдіяльність людини. Можна навести приклади кліматичного циклу 1800-1900 років, що охоплює і наш час:

1. V по ХІV ст. — низький рівень Каспію, мала льодовитість Арктики, колонізація Ісландії і Гренландії, відступ льодовиків. 2. З кінця ХІV до кінця ХVІІІ ст. та початку ХІХ ст. — збільшення льодовитості Арктики, наступ льодовиків або "малий льодовиковий період", погіршення клімату, крижана "блокада" Гренландії і загибель гренландських поселень, регресія Світового океану, високий рівень озер. 3. З другої половини ХІХ ст. — відступ гірських льодовиків, зниження рівня рівневих озер, зменшення льодовитості Арктики, трансгресія Світового океану.

При цьому можна співвіднести зміни кліматичних умов із різними історичними періодами в житті суспільства (зокрема за період з 4000 р. до н.е. до 2000 р. до н.е.)

1. Затоплення міста Уру та інших поселень в Месопотамії (відображено в легендах про всесвітній потоп), розвиток вологих саван у Сахарі. 2. Зміщення природних зон в Євразії на північ (на 3°), зменшення площі озер, висихання трофяників у Європі. Висихання Сахари. 3. Розвиток гірського зледеніння. Наступ лісу на степ. Трансгресія світового Океану. Пасовищне скотарство у Сахарі. 4. Зміщення природних зон у Євразії на північ. Зменшення площ гірського зледеніння, заселення гірських долин. Висихання Сахари. 5. Століття холодних (за літописами) зим та катастрофічних паводків у Прибалтиці. Розвиток гірського зледеніння. Ріка Оксус (Аму-Дар’я) замерзала на 5 місяців. Римляни перетнули остепнену Сахару на колісницях. 6. Зменшення льодовитості Арктики, освоєння норманами колоній в Ісландії (де тоді росли березняки) та Гренландії (де переважала пишна лучна рослинність, а на півдні зустрічалися ліси). Найнижчий рівень Каспію. 7. Посилення суворості клімату і льодовитості Арктики, "льодова блокада" нормандських поселень в Ісландії і Гренландії. Підняття рівня Каспію та всихання степових озер в Євразії. Розширення природних зон пустель, наступ Сахари на південь, на так званий Сахель.

Чітко простежуються цикли потеплінь і похолодань тривалістю 150-200 мільйонів років. Вони обумовлюють періодичні зміни в гідросфері: відбувається чергування зледенінь та міжльодовикових періодів. Цей ритм доцільно розглядати після вивчення як кліматичних закономірностей, так і особливостей об’єктів гідросфери у контексті ілюстрування тісних зв’язків глобального масштабу між атмосферою і гідросферою. Сліди похолодань і зледенінь відмічені в різні епохи земної історії. В археї атмосфера містила велику кількість вуглекислого газу. Цим був зумовлений значний парниковий ефект і теплий клімат на усій Землі. У протерозої було три епохи зледеніння, розділені міжльодовиковими періодами. У кембрії та ордовіку — тепло, з кінця ордовіку до кінця силуру (460-410 млн. років тому) — зледеніння; девон — теплий, у карбоні починається велике пермо — карбонське або гондванське зледеніння. Уся мезозойська ера і третинний період кайнозойської ери — теплі. У четвертинному періоді — велике плейстоценнове зледеніння.

Цікаво, що у розглядуваному ритмі спостерігається своєрідна "симетрія": сумарна тривалість льодовикових епох приблизно дорівнює тривалості усіх теплих епох у геологічній історії Землі.

Існують різні гіпотези описаних змін в системі "атмосфера-гідросфера". Кліматичні гіпотези пов’язують зміни термічного режиму зі зміною вмісту СО₂ в атмосфері. При теплому кліматі інтенсивно розвивається біота, після відмирання якої акумулюються сполуки вуглецю у ґрунті та гірських породах, що поступово призводить до зменшення СО₂ в атмосфері. Це обумовлює зменшення парникового ефекту і наступне похолодання. Останнє призводить до зменшення маси живої речовини і меншого вилучення СО₂ із атмосфери. Кількість вуглекислого газу зростає, що через механізм парникового ефекту спричинює потепління. Вказана послідовність процесів періодично повторюється.

Зміну вмісту СО₂ в атмосфері пояснюють також ендогенними процесами посилення або послабленням вулканічної активності, що є основним природним джерелом надходження СО₂ в атмосферу.

Наведені вище гіпотези передбачають таку послідовність процесів — вплив зовнішнього чинника на атмосферу — зміна вмісту СО₂ — зміна термічного режиму — зміни в гідросфері. При похолоданні у гідросфері розростаються льодовики, збільшується площа постійних льодів у Світовому океані, знижується рівень Світового океану та озер, міліють річки тощо. У цих моделях обґрунтовано вплив атмосферних процесів на ритми змін в гідросфері.

Існують гіпотези впливу у послідовності — літосфера — гідросфера — атмосфера. При підвищенні рельєфу внаслідок активізації процесів горотворення, більше ділянок земної поверхні піднімається вище снігової лінії. На цих ділянках утворюються льодовики, які за рахунок великого альбедо (до 95%) розростаються і самі себе зберігають, навіть нижче снігової лінії. Внаслідок консервації води в льодовиках, зменшується площа земної поверхні, що обумовлює збільшення альбедо Землі в цілому. Описаний прямий і опосередкований вплив зледеніння обумовлює похолодання в атмосфері. І навпаки, періоди відносного тектонічного спокою і зниження рельєфу Землі обумовлюють танення льодовиків і підвищення рівня Світового океану, внаслідок чого зменшується альбедо Землі і настає потепління. Отже, періодичність кліматичних та гідрологічних змін з найбільш тривалими фазами обумовлюється геоглогічними циклами та змінами в розташуванні материків внаслідок їх "дрейфу".

Гіпотеза формулюється у таких основних положеннях: 1) під впливом переміщення материків внаслідок руху літосферних плит змінюються розміри і конфігурація океанів. Коли відбувається регресія океанів, суші стає більше. Оскільки альбедо суші більше, ніж в океану, зростає відбивальна здатність Землі в цілому і настає похолодання і епоха зледеніння. При трансгресії Світового океану увесь ланцюжок змін відбувається навпаки.

2) Усі реконструкції розташування материків показують, що в період зледенінь один із материків знаходився в районі полюса. Внаслідок підняття поверхні і збільшення альбедо в цьому регіоні формувався льодовиковий покрив великої площі, який охолоджував усю планету. Так і зараз (в кайнозойську еру) Антарктида знаходиться в регіоні південного полюса і її називають холодильником Землі. Саме при такому розташуванні відбувалося останнє плейстоценове зледеніння, під час якого в Україні льодовик поширювався до широти м. Дніпропетровська.

3) У минулому материки або збиралися в єдиний "ансамбль", або розходилися в різні сторони. Якщо єдиний суперконтинент розташовувався з двох боків від екватора, це призводило до значної втрати сонячної радіації. Причиною цього було збільшення альбедо саме у низьких широтах (екваторіальних і тропічних), куди надходить найбільша частка сонячного тепла, адресованого Землі. Так, суперконтинент Пангея в мезозої розташовувався приблизно симетрично відносно екватора. А мезозойська ера була найтеплішою в історії Землі. Так, середня t° Землі тоді була +22° С, а зараз вона складає +15°С.

Геологічні цикли, які обумовлюють періодичність великих зледенінь Землі (так званих "космічних зим"), доцільно більш детально розглядати у темах, присвячених вивченню рельєфу та формуванню основних рис поверхні Землі (сучасних обрисів материків і океанів 7 кл.). Але спершу слід акцентувати увагу на причинно-наслідкових зв’язках змін рельєфу та тектонічної активності із періодичністю гідрокліматичних ритмів найбільшої тривалості (100-200 млн. років). Учнів слід ознайомити із уявленнями про причиною геологічних циклів, яку розділяють більшість учених. Це обертання Землі у складі Сонячної системи навколо ядра Галактики. Для розуміння цієї гіпотези слід залучати фізичні знання про силу тяжіння, гравітацію, взаємодію небесних тіл, механіку їх руху тощо.

Галактичний рік (проміжок часу між двома послідовними проходженнями Сонячної системи через найближчий до центру Галактики відрізок орбіти) складає 200-220 млн. років. Внаслідок різнорідності будови Галактики космічне гравітаційне поле в її межах неоднорідне. При віддалені від ядра Галактики Сонячна система проходить через ділянки з меншим гравітаційним полем. В результаті цього відбувається зіткнення Сонця і планет (під дією власних сил притягання, для Землі — земного тяжіння). За рахунок стиснення надра Землі розігріваються, дрейф плит мінімальний, тектонічні процеси активізуються, відбуваються інтенсивні процеси горотворення, висхідний розвиток рельєфу. Останній зумовлює розвиток зледеніння.

Перший (висхідний) етап циклу розвитку рельєфу обумовлює інтенсивну денудацію внаслідок посилення екзогенних процесів рельєфоутворення (ерозії, діяльності льодовиків тощо) при піднятті поверхні. Поступове зниження і вирівнювання рельєфу складає суть другого — низхідного — етапу в циклі розвитку рельєфу в період відносного тектонічного спокою. Через 88-100 млн. років Сонячна система проходить через ділянки з найбільшим гравітаційним полем у межах Галактики (при найменшій відстані до її центру). Внаслідок цього відбувається зростання тектонічної активності, (магматизму внутрішнього і зовнішнього, землетрусів, розломної тектоніки, горизонтальних рухів літосферних плит тощо). При цьому рельєф не підвищується, але розчленовується. Це — третій етап циклу розвитку рельєфу. Ще 88-100 млн. років триває четвертий етап — вирівнювання та зниження рельєфу та суходолу. Таким чином, завершується один геологічний цикл розвитку рельєфу тривалістю 200-220 млн. років і розпочинається другий. Таких циклів в історії розвитку географічної оболонки виділяється кілька, зокрема у фанерозої (останні 600 млн. років) — три (каледонський, герцинський, альпійський).