Некоторые результаты расчета приливной эволюции системы Земля-Луна продемонстрированы на рис. 65. Кривая а здесь показывает среднее расстояние Луны от Земли (в долях радиуса Земли R), кривая б - длину земных суток Т в часах, кривая в - угол наклона е земного экватора к плоскости земной орбиты в Солнечной системе (аклиптике); по горизонтальной оси вткладывается монотонно (но не равномерно) возрастающая со временем величина 1/(η)1/2, где η - угол (адесь измеряемый в радианах) между перпендикуляром к лунной орбите и не меняющимся со временем направлением вектора суммарного момента количества движения системы Земля-Луна. Сплошными линиями проведены отрезки всех трех кривых, соответствующие предполагаемой реальной истории Луны (от условной начальной точки η ≈ 15°, где а/R ≈ 10, T ≈ 5 часов, ε ≈ 10°, до современной точки η = 3°57', в которой а/R ≈ 60, T = 24 часа и ε = 23°56'.5), прерывистыми линиями-прогноз на будущее. По этому прогнозу продолжительность суток, a/R и ε будут нарастать, причем расстояние Луны от Земли и наклон экватора к эклиптике достигнут максимумов (a/R = 72.7 и ε = 66°7), когда продолжительность суток сравняется с длиной лунного месяца. После этого действие приливов изменит знак - они начнут ускорять вращение Земли, уменьшать и приближать Луну к Земле, пока она не подойдет настолько близко, что приливы разорвут ее на куски, и последние образуют около Земли некоторое подобие колец Сатурна (по расчетам Г. Макдональда, это произойдет через 6 млрд. лет, причем в период наибольшего удаления Луны от Земли нужно учитывать поправки на солнечные приливы).
Рис. 65. Изменения со временем среднего расстояния от Луны до Земли (а), длины земных суток (б) и угла наклона земного экватора к эклиптике (в) по расчетам Г. Макдо-нальда (1964 г.). а - Земля; R- радиус Земли; η-1/2 - безразмерный аналог времени.
Климатические последствия приливного замедления вращения Земли очевидны: раньше, когда Земля вращалась быстрее, суточные колебания температуры и других элементов погоды были слабее, общая циркуляция атмосферы была более зональной (т. е. направления воздушных течений были ближе к кругам широты), горизонтальные размеры ее возмущений (циклонов и антициклонов) были меньше, и сами возмущения были слабее. В далеком будущем, через миллиарды лет, когда вращение Земли сильно замедлится и длина суток будет много больше современной, на Земле разовьются очень сильные (хотя и медленные) суточные колебания погоды, особенно температуры, ветра и облачности, а также очень сильные нерегулярные колебания погоды в огромных и мощных циклонах и антициклонах, которые в среднем значительно сгладят разницу между экватором и полюсами.
Исключительно большое значение для климата имеет наклон е экватора планеты к плоскости ее орбиты в Солнечной системе. Если он мал (у Венеры ε ≈ 1°.2, у Юпитера ε ≈ 3°.7), то практически не происходит смены сезонов года, и разница в суммах приходящего солнечного тепла между экватором и полюсами максимальна (на полюсы тепла почти не приходит), так что климат обладает наиболее резко выраженной широтной зональностью. Если наклон близок к 90° (например, у Урана ε ≈ 98°), то смена сезонов наиболее резка: на экваторе за год дважды сменяются зима и лето (и в середине зим тепла на экватор почти не приходит), а на каждом полюсе день и ночь занимают по полгода (и в середине дневного полугодия Солнце на полюсе стоит в зените). Расчет показывает, что промежуточным является случай ε ≈ 54°, когда годичная инсоляция на экваторе и на полюсах оказывается одинаковой, так что в среднем за год широтная зональность исчезает; правда, в конкретные сезоны она все же имеет место, и смена сезонов выражена весьма резко.
На Земле в прошлом наклон е был меньше современного, так что сезонные изменения погоды были слабее, а разница между экватором и полюсами была больше (на полюсы попадало меньше солнечного тепла), широтная зональность была выражена резче, общая циркуляция атмосферы была более зональной и более интенсивной. Эти условия были более благоприятными для развития оледенений в полярных районах, особенно при наличии в них континентов, и этим, по-видимому, можно пытаться объяснить обнаруживаемые геологами следы множественных докембрийских оледенений. Согласно рис. 65, в будущем е возрастет, так что сезонные колебания будут увеличиваться, а широтная зональность климата, разница между экватором и полюсами и интенсивность зональной циркуляции атмосферы будут ослабевать.
На рис, 65 неслучайно вместо времени использована переменная 1/(η)1/2.
Для перехода от нее к абсолютному времени нужно знать, как растет со временем из-за увеличения объема Мирового океана и разогрева недр Земли упоминавшийся выше угол запаздывания приливов δ: чем более ускоренно возрастает со временем δ, тем дольше оказывается время приливной эволюции системы Земля-Луна (см. главу 5 книги [9]).
X. Герстенкорн (1955 г.) рассмотрел случай с минимальным временем эволюции, приняв, что угол запаздывания δ уменьшается со временем обратно пропорционально продолжительности суток. Расчет показал, что при таком предположении в нижнем протерозое Луна находилась на маленьком расстоянии от Земли, a/R ≈ 2.89 (т. е. около так называемого предела Роша, где приливные силы разрывают ее на куски), ее орбита тогда была сильно наклонена к земному экватору (η ≈ 450), и Земля вращалась вокруг своей оси впятеро быстрее сегодняшнего; до захвата Землею Луна двигалась по сильно вытянутой и наклоненной орбите, а время захвата (т. е. изменения а/R от начального большого значения до минимума около 2.89 и затем возрастания, скажем, до 8.5) заняло всего только тысячу лет.
У. Манк [8] отмечает, что во время этого периода - теснейшего сближения Луны с Землей - на нашей планете должны были бы развиваться приливы километровых высот; высота прилива приблизительно обратно пропорциональна кубу расстояния до Луны, и когда это расстояние было, скажем, вдесятеро меньше сегодняшнего, приливы были в тысячу раз выше современных, имеющих в открытом океане высоты порядка метра. Чудовищные километровые приливные волны, обрушиваясь на сушу каждые 2.4 часа, рассеивали бы огромное количество энергии. Переходя в тепло, эта энергия затрачивалась бы на испарение воды в океанах, т. е. на их превращение в мощную атмосферу из водяного пара. Сильнейший парниковый эффект в такой атмосфере поднял бы температуру в ней на много сотен градусов. Это уничтожило бы жизнь на Земле. Поскольку, наоборот, мы имеем палеонтологические свидетельства непрерывности развития жизни, необходимо признать, что подобного «события Герстенкорна» не было (по крайней мере после катархея), т. е. что Луна образовалась на не слишком малом расстоянии от Земли (и, по-видимому, приблизительно одновременно с нею).
После геохимической эволюции гидросферы и атмосферы и приливной эволюции Земли следующим по темпам изменений фактором эволюции климата представляется движение континентов и полюсов. Оно происходит со скоростями порядка сантиметров в год, так что изменения глобальных масштабов, т. е. смещения на тысячи километров, происходят за времена порядка 100 млн. лет. Без знания распределения континентов и их палеоширот в ту или иную геологическую эпоху невозможно правильно интерпретировать показания палеоклиматических индикаторов о палеоклиматах конкретных регионов.
Так, например, в современных околополярных районах обнаружены остатки организмов, бывших, по-видимому, теплолюбивыми: в Арктике - коралловых рифов ордовика, силура и девона; на Шпицбергене - каменного угля и меловых игуанадонов; в Южной Патагонии - позднеюрских и меловых динозавров; в Антарктиде - каменного угля (а недавно, как отмечалось в главе 8, там найдена и нижнетриасовая рептилия листрозаурус). Следует ли, однако, спешить делать из этих находок выводы о том, что в указанные эпохи в околополярных районах был теплый климат, так что разница между экватором и полюсами была небольшой или даже вовсе отсутствовала, т. е. широтной зональности не было (а следовательно, не было и смены сезонов года)? Один только взгляд на палеомагнитную реконструкцию движения континентов (рис. 54) показывает, что никаких оснований для таких выводов, может быть, и нет. Карты ж и з рис. 54 показывают, что с кембрия по девон современный европейский сектор арктической суши находился в экваториальной зоне (что может объяснить существование коралловых рифов); согласно рис. 54, е, этот регион в карбоне еще был в тропиках (возможное угленакопление), а в триасе, юре и мелу Южная Патагония и Восточная Антарктида находились в умеренных Широтах (рис. 54, 6-г); южный полюс был хотя и недалеко от Западной Антарктиды, но все же не на суше, а над океаном; в карбоне же (рис. 54, е) вся Антарктида размещалась в умеренных широтах.
Согласно рис. 54, южный полюс в течение всего фанерозоя находился либо на материках Гондваны, либо около них. В кембрии - нижнем ордовике он был в Западной Африке, в девоне и нижнем карбоне - в аргентино-южноафриканскойчасти Гондваны. Это может служить объяснением наличия следов континентальных оледенений указанных возрастов (главным образом силуро-девонских тиллитов, см. ниже), описанных Робером в верхах системы Кунделунгу в бассейне Конго, Дю-Тойтом - в свите Столовой горы в Южной Африке и Мааком - в Южной Бразилии; похоже, что попадание полюса на сушу неизбежно приводило к развитию околополярного континентального оледенения (и, возможно, как следствие, к некоторому суммарному похолоданию глобального климата). В перми южный полюс переместился из Южной Америки на западное побережье Антарктиды, в триасе, юре и мелу заметно отошел от него в Тихий океан, а в эоцене, когда уже образовались Атлантика и Индийский океан - в атлантический сектор Антарктиды. Северный полюс в течение всего палеозоя находился в центральных районах Тихого океана, в триасе пересекал восточную оконечность Сибири, в мелу - Аляску, а в кайнозое уже находился в Арктике.
Вследствие того, что суточные суммы приходящего на верхнюю границу земной атмосферы солнечного тепла не зависят от долготы (рис. 66), климат, несмотря на различия, создаваемые континентами и океанами,