Евгений Борисенков - Климат и деятельность человека

Хорошо известно, что астрономическими факторами объясняется суточный ход погоды и внутригодовые изменения погоды и климата. Но существуют и долгопериодные климатические изменения, зависящие от астрономических факторов.

Астрономические факторы формирования климата определяются в основном параметрами земной орбиты, в зависимости от которых меняется расстояние от Земли до Солнца, углом наклона падающих солнечных лучей и процессами на самом Солнце. Эта группа факторов меняет величину S 0, т. е. приходящую к Земле радиацию (инсоляцию), являющуюся функцией широты, времени года, времени суток, положения Земли, или же приводит в действие некоторые внутриатмосферные механизмы, влияющие на климат.

Мы уже отмечали, что палеоклиматологические данные подтвердили в колебаниях климата прошлого наличие периодичностей порядка 100 тыс., 41 тыс., 21 тыс. лет, связанных с соответствующими периодами колебаний параметров земной орбиты и наклонением оси Земли. К таким факторам относятся периодические изменения эксцентриситета земной орбиты ( е ), угла наклона плоскости земного экватора к плоскости орбиты ( ε ) или угла наклона земной оси и прецессии орбиты, определяемой величиной е ·sin π, где π — долгота перигелия, т. е. самой близкой к Солнцу точки орбиты, отсчитываемая от точки весеннего равноденствия.

Идея влияния параметров земной орбиты и наклона оси на S 0 и приходящую инсоляцию была высказана еще в 1842 г. французским математиком Адамаром и затем развита в 1930—1938 гг. в работах югославского геофизика Миланковича.

Как известно, величина S 0обратно пропорциональна квадрату расстояния от Земли до Солнца. Вследствие эллиптичности земной орбиты это расстояние меняется, в связи с чем меняется и количество приходящей радиации к различным широтным зонам. После Миланковича расчеты эксцентриситета были повторены рядом американских и советских авторов за 30 млн. лет в прошлом и 1 млн. лет в будущем. Он колеблется в пределах 0,0007—0,0658 (в настоящее время равен 0,017) с периодами 90 тыс. — 100 тыс., 425 тыс. и 1200 тыс. лет.

Угол наклона ε составляет 22,068°—24,568° с периодами 41 тыс. и 200 тыс. лет (по Миланковичу этот период 40 400 лет, по некоторым американским данным угол ε колеблется за последние 500 тыс. лет от 21,8° до 24,4°), в настоящее время он равен 23,5°. Прецессия орбиты (параметр е ·sin π) колеблется в пределах от 0,03 до 0,07 относительно его значения в 1950 г. со средним периодом около 21 тыс. лет. Все эти периоды неплохо согласуются с имеющимися представлениями о колебании климата в плейстоцене. Источником изменения параметров земной орбиты является меняющееся гравитационное поле в системе планет Солнечной системы.

Расчеты движения Земли с учетом возмущений, создаваемых действием сил притяжения других планет, производились еще в XVIII столетии Ж. Л. Лагранжем, а затем уточнялись другими учеными. Они подтвердили наличие подобных колебаний. Расчеты показали, что в среднем отмеченные колебания параметров земной орбиты существенно не меняют приходящей к Земле суммарной радиации, но она перераспределяется между полушариями, широтными зонами, различными сезонами.

Если предположить, что эллиптичность орбиты, характеризуемая эксцентриситетом, — единственный климатообразующий фактор, то полушарие, находящееся в перигелии зимой (как сейчас северное полушарие), должно иметь более длинные и прохладные летние сезоны. В противоположном полушарии — в апогее зимой — более короткие теплые летние сезоны и более продолжительные холодные зимы. Сезонные контрасты должны быть увеличены в период максимальной эллиптичности орбиты, как примерно 20 тыс. лет назад, когда наблюдался один из наибольших максимумов этого параметра. Период таких изменений составляет порядка 90—100 тыс. лет. В настоящее время мы медленно приближаемся к периоду наименьшей эллиптичности, когда сезонные контрасты должны уменьшиться.

Временной ход эксцентриситета за последние 500 тыс. лет приведен на рис. 10, а. Этот фактор указывает на приближение к новой ледниковой эпохе. Временной ход угла наклона земной оси е за тот же период приведен на рис. 10, б. Хорошо видно, что последний максимум угла наклона наблюдался почти 8—10 тыс. лет назад, что соответствует времени существования климатического оптимума. Следующий минимум ожидается примерно через 20 тыс. лет. При минимальном угле наклона ε контрасты между сезонами будут наименьшими. При максимальном угле наклона различия в тепловой энергии, достигающей Земли, между летними и зимними сезонами будут наибольшими. Этот эффект происходит синхронно в северном и южном полушариях и зависит от широты. Он мал у экватора и имеет максимум у полюсов. Так, средняя инсоляция летом на широте 45° изменяется на 1,2% на каждый градус изменения угла ε , а амплитуда инсоляции (при амплитуде этого угла за последние 500 тыс. лет в 2,6°) составляет примерно 3%. Однако для широты 65° одному градусу изменения угла наклона оси соответствует изменение инсоляции на 2,5%. Амплитуда же инсоляции для этой широты составит уже 6,5%. Таким образом, в период максимальных углов наклона земной оси ледники должны отступить, а интенсивность цирукуляции атмосферы увеличиться; при уменьшении угла ε наоборот. В ближайшем будущем (рис. 10, б) следует ожидать уменьшения угла наклона оси, что приведет к наступлению ледников и уменьшению контрастов между сезонами.

Рис. 10. Изменение параметров земной орбиты и наклона оси вращения за последние 500 тыс. лет

Третий параметр, который влияет на величину S 0и климат, — прецессия орбиты. Эффект влияния данного фактора с периодом порядка 21 тыс. лет проявляется в одной фазе в северном и южном полушариях и не зависит от широты. В настоящее время Земля и Солнце ближе всего находятся друг от друга в январе (лето в южном полушарии). Но 10 тыс. лет назад это происходило в июле. Следовательно, еще через 10—11 тыс. лет картина станет обратной: летом южного полушария Земля будет дальше от Солнца, а летом северного ближе. В результате лето южного полушария и зима северного полушария станут еще холоднее, а зима южного полушария и лето северного — несколько теплее. Временной ход индекса, характеризующего прецессию орбиты, приведен на рис. 10, в.

На рис. 11 приведен временной ход суммарной инсоляции, вычисленной Бреккером и Ван Донком в 1970 г. для трех широтных кругов (45°, 55° и 65° с. ш.) за последние 500 тыс. лет. Данные позволяют сделать вывод, что чередование ледниковых-межледниковых эпох удивительно хорошо согласуется с периодами колебания параметров земной орбиты и наклона оси Земли. При учете всех трех факторов амплитуды изменения инсоляции составили около 5% относительно средних летних значений, что весьма много. Это равноценно изменению инсоляции вследствие уменьшения солнечной постоянной примерно на те же 5%.