В течение четвертичного периода наиболее ярко выразилась ритмичность изменений климата, которые носили глобальный характер. Они приводили к периодическому смещению климатических поясов, и их миграция даже за сравнительно короткий промежуток времени составляла 1000–2000 км.
От межледниковья до ледникового периода среднегодовые температуры поверхностных экваториальных вод изменялись на 6—10°. Амплитуда климатических изменений нарастала по мере движения от экватора к полюсам и от морских районов к континентальным. Причем если в областях с морским типом климата происходили колебания в температурном режиме, то во внутриконтинентальных районах изменялась влажность.
Сильное похолодание, наступившее в середине раннего плейстоцена, с понижением среднегодовых температур на 10–15° в высоких широтах, привело к образованию вначале мощного снежного, а затем и ледяного покрова. Ледниковые покровы, существовавшие в полярных районах в конце плиоцена, постепенно увеличивались в размерах. Хотя по ряду причин время начала систематических колебаний границ ледниковых покровов определить крайне трудно, принято считать, что значительные перемещения границ льдов начались примерно 700 тыс. лет назад.
В эпохи крупных оледенений нарастание мощности ледниковых покровов вызывало их смещение в направлении к экватору. Причем наибольшее смещение ледяной покров испытывал в районах с влажным морским климатом, в то время как в сухом континентальном климате ледники занимали небольшие площади. Во время наиболее сильных похолоданий ледниковый покров в северном полушарии в среднем достигал 57° с.ш., в отдельных районах языки ледника простирались до 40° с.ш., а в Европе до 48° с. ш. В ледниковые эпохи границы морских льдов смещались в сторону низких широт на 10–15° в северном и на 5—10° в южном полушариях. Одновременно с этим снижался уровень снеговой линии в горах и увеличивалась площадь многолетних мерзлых почв.
Появление материкового ледяного щита и глобальное похолодание вызвали интенсивные изменения климатической зональности. По сравнению с современным, пояса арктического и антарктического климата сильно расширились. Арктический пояс простирался до 40–50° с. ш. Эта территория была занята обширными ледниковыми щитами, тундрой, тундростепями и морскими льдами. Пояса умеренного, субтропического и тропического климата были сильно сужены и смещены в низкие широты. В засушливых секторах влажность увеличивалась.
Вопрос о размерах и режиме выпадения атмосферных осадков в эпохи оледенений пока не решен. Несомненно, что условия увлажнения в это время в различных районах менялись по-разному. В эпохи максимальных оледенений общее количество атмосферных осадков в пределах континентов сильно уменьшалось, так как сокращалась общая площадь поверхности испарения, покрытая льдом. Прогрессивное уменьшение общего количества атмосферных осадков во время ледниковых эпох явилось одной из причин приостановления дальнейшего развития континентальных оледенений.
Охлаждающее влияние ледников на прилегающие территории вызвало возникновение своеобразных перигляциальных природных зон. Для них были характерны довольно низкие температуры воздуха в течение всего года и очень небольшое количестве суммарной солнечной радиации и очень небольшое количество годовой суммы атмосферных осадков. Такие климатические условия способствовали появлению специфических ландшафтов, сочетавших черты современных тундр и высокогорных степей.
Рост ледникового покрова вызвал общее снижение уровня Мирового океана по сравнению с его современным уровнем. Во время оледенений не только увеличивалась континентального климата, но и происходило дальнейшее снижение температур ввиду того, что значительная доля солнечного тепла из-за высокой отражающей способности ледяной поверхности не расходовалась на обогрев планеты.
Падение температур и снижение уровня снеговой линии привели к возникновению горных оледенений не только в умеренных, но и в субтропических и тропических поясах. Плейстоценовые горные ледники располагались во многих районах Азии, Африки, на островах Тихого океана и в тропической области Южной Америки.
Колебания мощности ледниковых покровов в северном полушарии, включая Арктический ледяной щит, происходили синхронно. Геологические, палеоботанические и палеонтологические исследования свидетельствуют о том что во время ледниковых эпох в субтропическом поясе увеличивалась влажность и снижались температуры, а в бессточном Большом Бассейне Северной Америки находились гигантские пресноводные озера Лахонтан и Бонвилл. Доказано, что воды плейстоценовых озер не могли быть талыми ледниковыми. Озера в течение всего плейстоцена были бессточными, а котловины были заполнены в результате возрастания речного стока и увеличения атмосферных осадков. Аналогичные озерные бассейны располагались в Евразии (озера Иссык-Куль, Зайсан, озера Китая и Монголии).
Что же касается районов, прилегающих к экватору, то соотношение между оледенениями и плювиалами, т. е. эпохами выпадения обильных осадков во внеледниковых областях, здесь обратное. Ледниковым периодам соответствовали засушливые эпохи, а межледниковьям — дождливые. Геологические данные свидетельствуют о том, что во время ледниковых эпох соленость вод морей, расположенных в тропическом и экваториальном климате, увеличивалась, следовательно, ледниковые эпохи приводили к возникновению сухого климата в тропических областях.
Трудность обоснования изменения климатических условий на основе колебания уровня внутренних бассейнов хорошо видна на примере Каспийского моря. В течение плейстоцена этот бассейн претерпевал значительные колебания уровня. Одни трансгрессии Каспия были связаны с межледниковьями, другие — с ледниковыми эпохами.
В ледниковые эпохи разность между температурами низких и высоких широт в северном полушарии достигала 70 °C, в то время как в межледниковые эпохи она составляла всего 30–35 °C. Увеличение температурных контрастов от межледниковых эпох к ледниковым сопровождалось усилением интенсивности атмосферной циркуляции.
Смещение циклонов к экваториальным широтам приводило к увеличению увлажненности аридных областей, расположенных на территории Южной Европы, Центральной Азии, Африки и Северной Америки. Циклоническая деятельность в эпохи потеплений обеспечивала обильное выпадение атмосферных осадков в тропических и субтропических широтах. Большое количество атмосферных осадков обеспечивало развитие, с одной стороны, горных ледников, а с другой увеличивало сток равнинных рек. Именно в плювиальные эпохи на равнинах Гоби, Аравии, Сахары Южной Африки и в Австралии была разработана гидрографическая сеть и повышались уровни озер.
В эпохи межледниковий происходило смещение в высокие широты климатических областей, и структура географической оболочки хотя и приближалась к современной, но не была полностью ей тождественна. Палеогеографические данные, главным образом палеонтологические материалы, со всей очевидностью свидетельствуют о различных особенностях природных зон межледниковий и о значительном расширении экваториальных и тропических поясов по сравнению с эпохами оледенения.
В пределах арктического и антарктического поясов, размеры которых были близки к современным, среднегодовые температуры, как правило, были отрицательными. Средние температуры самого холодного месяца колебались от —30 до —50 °C, а в теплые сезоны они повышались до +2 °C.
Субарктический пояс характеризовался развитием тундровых и лесотундровых ландшафтов. Средние температуры самого теплого месяца достигали +12 °C, и одновременно с этим возрастала годовая сумма атмосферных осадков.
В пределах умеренного пояса, так же как и в современную эпоху были развиты ландшафтно-климатические зоны тайги, широколиственных лесов, лесостепей, степей, полупустынь и пустынь. В зоне тайги в эпохи межледниковий средние температуры в зимнее время не опускались ниже — 20 °C, а среднелетние температуры равнялись +10–15 °C. Зона широколиственных лесов характеризовалась среднегодовыми температурами до +4 °C. В пределах лесостепной и степной зон климат был более теплым. Среднелетние температуры в этих зонах нередко повышались до 20–25 °C. Общее количество атмосферных осадков вряд ли превышало 500 мм и снижалось в центральных районах континентов, где, так же как и в современную эпоху, располагались обширные аридные области, занятые полупустынями и пустынями.
В пределах субтропического пояса выделяются области с соответствующим типом растительности. Северная граница субтропического пояса в эпохи значительных потеплений проходила в более высоких широтах по сравнению с современными. Среднегодовые температуры этого пояса колебались в пределах 14–18 °C.
В тропическом и экваториальном поясах располагались области с аридным, переменно-влажным (сезонно-влажным) и равномерно-влажным климатом. Среднегодовые температуры в пределах экваториального пояса изменялись в пределах 25–28 °C.
Периодически наступавшие оледенения вызывали колебания континентальных морей и озер, влияли на эрозионную деятельность рек и наложили отпечаток на состав и размещение органического мира.
В межледниковые эпохи природные условия напоминали современные. Особенностями этих эпох являлись миграция в сторону полюсов и сильное расширение поясов теплого климата.
Конец плиоцена и начало плейстоцена — один из величайших рубежей в истории органического мира. Около 3–4 млн. лет назад появились первые предки человека. На фоне этого грандиозного события все остальные видоизменения в составе органического мира кажутся не столь существенными, хотя сами по себе они очень важны. В течение четвертичного периода окончательно оформился современный облик растительного и животного мира. Многие представители теплолюбивой флоры и фауны вымерли. Однако нельзя не отметить, что исчезновение ряда крупных млекопитающих во второй половине плейстоцена, очевидно, было связано с деятельностью первобытного человека. Необыкновенно широкое распространение в растительном царстве получили травы.
Очень сильно в четвертичном периоде были выражены миграции различных групп организмов под непосредственным влиянием климатических условий. Растительный покров субтропического и тропического поясов по существу оставался прежним. Лишь изменение влажности в межледниковые и ледниковые эпохи (во время межледниковий в низких широтах увеличивалась засушливость и наступала ксеротермическая эпоха, а в первой половине ледниковой эпохи влажность возрастала и наступала плювиальная эпоха) приводило к смене ландшафтных обстановок: саванны сменялись полупустынями, и наоборот.
В умеренных и высоких широтах особенно сильно менялся состав растительности, появились новые природные обстановки. Возникли и оформились тундровые и лесотундровые ландшафты, которые по мере развития покровного оледенения продвигались в сторону низких широт. В это время в значительной степени обеднялись таежные ландшафты, главным образом за счет исчезновения теплолюбивых элементов. В составе хвойно-широколиственных и лиственных лесов стали преобладать более холоднолюбивые элементы. В межледниковые эпохи изменения в растительном покрове осуществлялись за счет расширения ареала теплолюбивых флор.
Значительную эволюцию в четвертичном периоде претерпела фауна, особенно наземные позвоночные. Под влиянием оледенений происходили далекие миграции животных и осуществлялся активный обмен между отдельными континентами, которые временами соединялись перемычками. Интенсивно происходил обмен фауной между Африкой и Евразией, Евразией и Северной Америкой, Северной Америкой и Южной Америкой. Перемычки между континентами в периоды оледенений сильно расширялись ввиду значительного понижения уровня воды в океанах.
В течение четвертичного периода некоторые млекопитающие приобрели ряд черт несвойственных их предкам. В частности, следствием похолодания климата явилось значительное увеличение размеров млекопитающих, появление у них мощного волосяного покрова, жировой прослойки и т. д. Те формы, которые не смогли приспособиться к холодному климату, вымерли.
В течение плейстоцена в субарктическом поясе северного полушария обитала довольно разнообразная фауна млекопитающих, многие из которых в голоцене вымерли. В тундре, лесотундре и в так называемых холодных степях паслись мамонты, шерстистые носороги, гигантский и северный олень, мускусный бык, песец, лемминг и различные грызуны.
Фауна умеренного пояса состояла из настоящего слона, носорога Мерка, бизона, гиппопотама, медведя, волка, саблезубой кошки, рыси, а в Северной Америке кроме перечисленных обитал мастодонт. В лесостепной и степной зонах состав фауны существенно менялся, здесь широким распространением пользовались лошади, бизоны, антилопы, лоси и многочисленные грызуны.
Большое разнообразие имели млекопитающие тропического и экваториального поясов. В зависимости от ландшафтных условий сложился саванный и лесной тип фауны.
В плейстоцене обитали животные, которые были известны в плиоцене в более северных областях, — это гиппопотамы, мастодонты, саблезубые тигры, носороги, олени, антилопы, зебры и т. д.
Довольно интересна эволюция хоботных в течение плиоцена и плейстоцена. Настоящие слоны появились в конце неогена. Их остатки обнаружены в ряде районов Евразии, Северной Америки и Африки. Столь обширный ареал объясняется высокой миграционной способностью слонов. Например, в поисках пищи и при наступлении неблагоприятных условий африканские слоны совершают суточные переходы до 100 км, при этом для них не служат преградой глубокие реки, озера или высокие горы. В плейстоцене слоны расселились на обширных территориях и приспособились к обитанию в самых различных климатических условиях от тропических саванн до субарктической тундры. Это привело к возникновению различных экологических типов — от мамонтов до настоящих слонов.
В течение четвертичного периода происходила интенсивная эволюция высших представителей обезьян и человека. Вплоть до позднего плейстоцена остатки древних людей (гоминид) были представлены немногочисленными находками, сделанными в Африке, Азии и Европе.
Наиболее древними представителями семейства гоминид к которому относится и вид современного человека, являются австралопитеки. Обнаруженные остатки австралопитека (зубы нижние челюсти) в районе озера Рудольф в Южной Эфиопии имеют возраст от 4 до 3 млн. лет. Внешне череп австралопитека сходен с черепом крупной обезьяны, но емкость его мозговой коробки была около 600 см3, а это меньше, чем у современных людей (средний объем равен 1200 см3). Эти существа тем не менее по осанке и даже походке мало отличались от нынешних людей. Жили австралопитеки на открытых пространствах тропического пояса, в лесных саваннах. Каков же был уровень их развития? По-видимому, примитивный, так как до настоящего времени отсутствуют факты о возможности изготовления ими орудий и использования огня.
На некоторых древнейших стоянках в Южной Африке (Кромдрай, Сварткрапс) были обнаружены черепа обезьяноподобных людей. Череп у них более массивный, чем у австралопитеков. Эти существа имели плоское лицо и низкий лоб. Судя по строению зубов, они были вегетарианцами. Эти гоминиды получили название парантропов, и их возраст условно отнесен к началу плейстоцена.
На рубеже плиоцена и плейстоцена австралопитеки и близкие к ним формы вымерли и на смену пришли «древнейшие люди», известные под названием архантропы. К ним относятся питекантропы, гейдельбергский человек, синантропы. Череп питекантропа был уплощен вверх, отличался низким лбом, выступающими челюстями и надбровными дугами. Средняя емкость мозговой коробки составляла 860 см3, а максимальная — не более 1000 см3. Слои, вмещающие остатки питекантропов, были определены как среднеплейстоценовые.
Архантропы изготовляли из песчаников, кварца и вулканических пород разнообразные орудия, применяли огонь, основным их занятием была охота. Так, например, в местах их стоянок обнаружены многочисленные кости оленей, пещерных медведей, буйволов, слонов и т. д.
После архантропов вплоть до середины последнего оледенения существовали палеоантропы. Они были представлены неандертальцами и близкими к ним формами. С верхнего палеолита получили распространение живущие ныне неоантропы — Homo sapiens.
Жизнь древнейших людей тесно переплеталась с окружающей их природой. Основная масса людей обитала в условиях с благоприятным климатом. При наступлении похолодания, по мере наступания в низкие широты ледников, они мигрировали в области в области с субтропическим и тропическим климатом в поисках пищи и тепла.
Последнее вюрмское оледенение закончилось недавно и около 14 тыс. лет назад наступило потепление, сопровождаемое деградацией ледниковых щитов в Европе и Северной Америке.
Как свидетельствуют результаты изучения изотопного состава кислорода в ледяной колонке Антарктиды, за последние 20 тыс. лет наиболее сильное потепление (климатический оптимум) произошло между 15-м и 11-м тысячелетиями, и его величина оценивается в 5°. Однако потепление не было одноактным процессом, а осуществлялось постепенно и периодически сменялось кратковременным похолоданием. Это выражалось в многократном колебании уровня Мирового океана, уровня снеговой линии, наступании и отступании ледников и т. д.
Во время климатического оптимума в северном полушарии происходили заметные изменения природной среды. Особенно сильно они проявились в умеренных и высоких широтах. На южном краю Скандинавского ледника в это время располагалась серия мелких ледниковых озер, на месте которых по мере отступания ледника образовалось Балтийское озеро. Его уровень был непостоянным и колебался в пределах десятков метров. Одновременно с этим изменялась соленость вод от слабо-засолоненной до пресной и постоянно менялись связи с открытым океаном. Во время снижения уровня Балтийского озера в результате сокращения притока пресной воды со Скандинавского ледникового щита, но высокого стояния Мирового океана, морские воды проникали в озеро, а это приводило к повышению его солености. После таяния Скандинавского ледника из-за отсутствия притока пресных вод уровень Балтики вновь опустился. Однако таяние приполярных ледниковых щитов, ледников Гренландии и Антарктиды продолжалось. Это в свою очередь вызывало сильный подъем уровня Мирового океана и поступление морских вод в Балтийскую котловину. Около 8 тыс. лет назад соленость в Балтике достигла 15‰, а температура воды была намного выше, чем в настоящее время. После регрессии, которая началась около 4,5 тыс. лет назад, Балтика стала принимать современные очертания.
В течение голоценовой эпохи Балтика оказывала огромное климатическое воздействие на северо-западные и северные территории Европы. Особенно увеличивалась ее роль, когда осуществлялось соединение Балтики с теплым океаном. Высокая теплоотдача и влажность способствовали смягчению климата и давали возможность развитию на его берегах влаго- и теплолюбивых широколиственных лесов.
На протяжении всего климатического оптимума в Арктическом бассейне температура воды была на несколько градусов выше современной. Это благоприятствовало расселению на север относительно теплолюбивой фауны и перемещению в том же направлении растительных сообществ.
Многие моллюски, в настоящее время известные только у берегов Исландии и Кольского полуострова или Южной Гренландии, во время климатического оптимума прекрасно развивались у берегов Шпицбергена, Земли Франца-Иосифа, Новой Земли, где летом отсутствовали ледяные покровы.
Остатки растительности, произраставшей во время климатического оптимума на Шпицбергене, северном побережье Сибири, в Гренландии и на о-ве Элсмир, дают основание предполагать, что Арктический бассейн в основном был свободен ото льда. Образованный за зиму лед довольно быстро стаивал в летние месяцы.
На многих островах, расположенных в приполярных районах, росли леса. Так, в Исландии были распространены березовые и березово-буковые леса. Северное побережье Норвегии, Шетландские и Фарерские острова и многие острова Канадского Арктического архипелага покрывали листопадные леса. Об относительно высокой среднегодовой температуре свидетельствует характер лесной растительности Западной Европы. По сравнению с современной эпохой области произрастания лесов были смещены к северу на 3–5 °.
В связи с высокими среднегодовыми температурами в Евразии, а они более чем на 2° превышали современные, сильно повысился уровень снеговой линии, площадь ледников уменьшилась, и многие из них на Кавказе, Памире и в Альпах полностью исчезли.
Многочисленные оценки климата, основанные главным образом на палеоботанических и археологических данных, позволяют считать, что в это время в Европе было в среднем на 2–3° теплее, чем в настоящее время. Однако в Северо-Восточной Европе зимы были очень снежными, хотя и не столь холодными как ныне.