Цикл Миланковича. Глобальное изменение климата. Влияние солнечной радиации на климат

Циклы Миланковича – одна из теорий, с помощью которой ученые пытались объяснить существование оледенений в истории Земли. Эту гипотезу также называют орбитальной или астрономической. Свое название она получила по имени югославского ученого-климатолога Милутина Миланковича. Несмотря на большое количество противоречий, имеющихся в данной теории, она легла в основу современной палеоклиматологии.

Движение Земли

Как известно, Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и вокруг своей оси. Последняя также меняет свое положение из-за влияния притяжения Луны. Земная ось имеет определенный угол наклона, как и другие планеты Солнечной системы. Она описывает в пространстве конус. Этот эффект называется прецессией. Наглядным примером, визуализирующим эту особенность движения планеты, является вращение волчка.

Период полного оборота по окружности составляет порядка 25 800 лет. Угол наклона оси также меняется в диапазоне 22,1-24,5° через каждые 40 100 лет. Это явление называют нутацией.

Эксцентриситет, или степень сжатости орбиты Земли при вращении Солнца, меняется за период 90 800 лет. Когда он возрастает, планета отдаляется от звезды и получает меньшее количество солнечной радиации, а соответственно, и тепла. Существуют также периоды, когда наибольший уклон Земли совпадает с максимальным эксцентриситетом. В результате происходит глобальное похолодание климата.

Перигилий и афелий

Поскольку планеты Солнечной системы оказывают взаимное влияние друг на друга, то ось орбиты Земли при движении вокруг Солнца постепенно поворачивается в ту же сторону, что и орбитальное движение. В результате смещается перигилий – ближайшая к светилу точка орбиты и афелий – наиболее удаленная точка. Эти параметры влияют на интенсивность воздействия солнечной радиации – теплового, электромагнитного, корпускулярного излучения. В процентном соотношении эти колебания невелики, но они оказывают воздействие на нагрев поверхности планеты.

Астрономия, геофизика и климатология – это науки, с помощью которых ученые стремятся установить взаимосвязь между активностью Солнца, вековыми изменениями среднегодовой температуры и климата в целом, а также между другими факторами. Их задачами является не только определение природных закономерностей, но и предвидение будущих изменений, которые могут существенно повлиять на жизнь человека.

Что такое циклы Миланковича?

Климат Земли меняется под воздействием антропогенных и неантропогенных факторов. Ко второй группе относят тектонические движения литосферных плит, колебания солнечного излучения, вулканическая деятельность, а также циклы Миланковича. Они описывают влияние изменений в движениях планеты на ее климат.

В 1939 г. Миланкович впервые выдвинул гипотезу о циклической зависимости ледниковых периодов за последние 500 тыс. лет. Он вычислил динамику изменения солнечной радиации, которая состоит из электромагнитного и корпускулярного излучения, и объяснил причину оледенения в эпоху плейстоцена. По его мнению, она заключалась в изменении параметров орбиты планеты – эксцентриситета, угла наклона оси и положения перигелия. Согласно постулатам его теории, оледенения, вызванные этими факторами, повторяются через небольшие промежутки времени, и их можно спрогнозировать.

Его гипотеза была построена с учетом допущения, что атмосфера планеты была прозрачной. Варианты солнечного излучения (инсоляции) были вычислены им для 65° северной широты. Полученные на инсоляционной диаграмме участки, соответствующие четырем оледенениям, хорошо соотносились с альпийской схемой оледенений, построенной немецкими учеными А. Пенком и Э. Брюкнером.

Основные факторы и ледниковые периоды

Согласно теории Миланковича, три основных орбитальных фактора, перечисленные выше, в норме должны действовать в разных направлениях так, чтобы их эффект не суммировался. Очередной ледниковый период наступает тогда, когда они складываются и усиливают друг друга.

Каждый из них определяет влияние Солнца на Землю, на количество солнечного излучения, получаемого разными зонами планеты. Если оно уменьшается в Северном полушарии, где сконцентрирована основная масса ледников, то снег на поверхности с каждым годом скапливается все больше. Увеличение площади снежного покрова приводит к усилению отражения солнечного света, что, в свою очередь, способствует дальнейшему охлаждению планеты.

Этот процесс постепенно нарастает, начинается глобальное похолодание, наступает очередной ледниковый период. В конце такого цикла наблюдается обратное явление. Согласно научным данным, пик похолодания во время последнего ледникового периода был примерно 18 000 лет назад.

Влияние прецессии

Ученые считают, что прецессионный цикл наиболее ярко выражается в оледенениях в Северном полушарии. Сейчас оно находится в межледниковом периоде, который закончится примерно через 9-10 тысяч лет. В ближайшие тысячелетия здесь возможно продолжение подъема уровня моря вследствие таяния ледников. И в первую очередь это касается Гренландского ледяного щита – второго по величине после Антарктического.

В Южном полушарии, наоборот, в настоящее время наблюдается эпоха «оледенения», но так как здесь значительно меньше суши, чем в Северном, то это явление выглядит не настолько ярко.

Если день зимнего солнцестояния приходится на афелий (то есть наклон оси вращения планеты по направлению от Солнца максимален), зима будет более долгой и холодной, а лето – жарким и коротким. В противоположном полушарии, наоборот, отмечается продолжительное прохладное лето и короткая теплая зима. Отличия в длительности этих сезонов тем заметнее, чем больше эксцентриситет орбиты.

Нутация

Нутация связана с более кратковременными колебаниями положения земной оси. Наибольшая величина амплитуды составляет 18,6 лет.

Нутация приводит к изменению сезонных контрастов солнечного излучения, но его годовая сумма остается постоянной. Увеличение инсоляции летом (более жаркая и сухая погода) компенсируется ее уменьшением зимой.

Изменение орбитальной формы

От величины вытянутости орбиты планеты зависит расстояние от Земли до Солнца. Разница между крайними точками составляет 4,7 млн км. В эпоху малого эксцентриситета планета получает больше солнечной радиации, сильнее нагреваются верхние границы атмосферы, и наоборот.

Эксцентриситет изменяет суммарное годовое солнечное излучение, но эта разница невелика. В течение последнего миллиона лет она не превысила 0,2%. Наибольший эффект возникает тогда, когда максимум эксцентриситета совпадает с наибольшим наклоном собственной оси Земли.

История изменения климата Земли

Современные геофизические методы исследований позволяют узнать, каким был климат на нашей планете сотни тысячелетий назад. Температуру косвенно оценивают по количеству изотопов тяжелого водорода и кислорода. Скорость глобального потепления в настоящее время составляет около 1° в год.

За последние 400 000 лет отмечено 4 ледниковых периода на Земле. Резкое потепление, начавшееся около 12 тыс. лет назад, привело к поднятию уровня океана на 50-100 м. Возможно, это явление было описано в Библии как Всемирный потоп.

Потепление в современную эпоху сопровождается перепадами среднегодовой температуры на 2-3 градуса. На построенных зависимостях отмечаются скачки температуры поверхности планеты, продолжительность которых составляет не больше 1000 лет. Существуют колебания и в меньшем цикле – через каждые 100-200 лет на 1-2°. Как предполагают ученые, это связано с колебаниями количества метана и углекислого газа в атмосфере.

Недостатки теории

В 60-70-е гг. XX века учеными были получены новые опытные и расчетные данные, которые расходились с концепцией циклов Миланковича. В ней существуют следующие противоречия:

• Атмосфера Земли не всегда была такой прозрачной, как сейчас. Это подтверждают исследования льдов Гренландии и Антарктики. Большое количество пыли, связанное, предположительно, с активной вулканической деятельностью, отражало солнечное тепло. В результате поверхность планеты охлаждалась.
• Согласно теории Миланковича, оледенения в Гренландии и Антарктиде происходили в разные периоды времени, однако это расходится с палеонтологическими данными.
• Глобальные похолодания должны повторяться через примерно равные промежутки времени, но фактически их не было в мезозойском и третичном периоде, а в четвертичном они следовали один за другим.

Главным недостатком этой теории является то, что она основана только на астрономических факторах, а именно на изменении движения Земли. В действительности же существуют многие другие причины: вариации геомагнитного поля, наличие многочисленных обратных связей в климатической системе (механизм резонансного отклика, возникающий в ответ на орбитальные воздействия), тектоническая деятельность (вулканизм, сейсмическая активность), а в последние столетия – и антропогенная составляющая, то есть влияние хозяйственной деятельности человека на природу.