Орбитальные вариации

Пока возможные спусковые механизмы оледенения и деоледенения, которые я описал, не являются вполне достоверными факторами предсказания будущего.

Мы недостаточно хорошо знаем, каковы правила, управляющие слабыми изменениями в солнечной радиации. Мы не вполне осведомлены и о том, что нас ждет впереди, в отношении столкновений с космическими облаками. Мы, конечно, также не можем предсказывать характер вулканических извержений и горообразования.

Существует, однако, предположение, согласно которому наступление и уход ледниковых периодов столь же регулярны и столь же неизбежны, как смена времен года в годичном цикле.

В 1920 году югославский физик Милутин Миланкович предположил, что существует большой погодный цикл, связанный с небольшими периодическими изменениями орбиты Земли и наклонного положения ее оси. Он выдвинул идею «Великих зим», в течение которых имеют место ледниковые периоды, и «Великих лет», которые представляют собой межледниковые периоды. Между ними предполагались, соответственно, «Великая весна» и «Великая осень».

В то время теория Миланковича привлекла не больше внимания, чем теория Вегенера о дрейфе континентов, но дело в том, что изменения орбиты Земли существуют. Например, орбита Земли не абсолютно круглая, а слегка эллиптическая, с Солнцем в одном из фокусов эллипса. Это означает, что расстояние Земли от Солнца день ото дня слегка меняется. Существует время, когда Земля находится в «перигелии», то есть ближе всего к Солнцу, и существует время, когда Земля находится в «афелии», то есть дальше всего от Солнца.

Разница невелика. Орбита настолько слабо эллиптическая (эллипс малой эксцентричности), что если ее начертить в масштабе, то на глаз ее нельзя отличить от круга. Несмотря на это, малая эксцентричность в 0,01675 означает, что в перигелии Земля находится от Солнца на расстоянии 147 миллионов километров, а в афелии – в 152 миллионах километров. Разница в расстоянии составляет 5 миллионов километров.

Это большая величина по масштабам Земли, но вместе с тем это разница только на 3,3 процента. Солнце в перигелии появляется по размеру чуть больше, чем в афелии, но недостаточно для того, чтобы это заметил кто‑либо, кроме астрономов. Также и сила гравитации в перигелии немного сильнее, чем в афелии, так что в перигелиевой половине орбиты Земля движется быстрее, чем в афелиевой Головине, и времена года тоже не точно равны по длительности, и это тоже остается не замеченным обычным человеком.

И, наконец, это означает, что в перигелии мы получаем от Солнца больше радиации, чем в афелии. Радиация, которую мы получаем, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, так что, оказывается, Земля получает в перигелии на 7 процентов больше радиации, чем в афелии. Земля достигает своего перигелия 2 января каждого года и афелия – 2 июля. Так случилось, что 2 января – это меньше чем две недели после зимнего солнцестояния, в то время как 2 июля – меньше двух недель после летнего солнцестояния. Это означает, что, когда Земля в перигелии или близко к нему и получает больше тепла, чем обычно, в северном полушарии глубокая зима, а в южном полушарии самый разгар лета. Дополнительное тепло означает, что северная зима мягче, чем она была бы, будь орбита Земли круглой, в то время, как южное лето жарче. Когда Земля находится в афелии или близко к нему и получает меньше тепла, чем обычно, в северном полушарии разгар лета, а южное полушарие в глубокой зиме. Недостаток тепла означает, что северное лето холоднее, чем оно было бы, будь орбита Земли круглой, в то время как южная зима холоднее.

Отсюда мы видим, что эллиптичность орбиты Земли дает северному полушарию, кроме тропиков, менее экстремальные колебания между летом и зимой, чем южному полушарию, кроме тропиков.

Может показаться, что северное полушарие не предрасположено к ледниковому периоду, в то время как южное – предрасположено, но это неверно. На самом деле именно мягкая зима и прохладное лето – менее экстремальные колебания – предрасполагают полушарие к ледниковому периоду.

В конце концов, зимой идет снег, поскольку температура ниже точки замерзания воды и при условии, что в воздухе имеется избыточная влага. Температура опускается ниже точки замерзания, но снега выпадет меньше, потому что чем ниже температура, тем меньше влаги может содержать воздух. Максимальное количество выпавшего снега приходится на более мягкие зимы, когда температура не слишком часто опускается ниже точки замерзания.

Количество снега, тающего летом, зависит, конечно, от температуры. Чем жарче лето, тем больше тает снега, и чем прохладнее лето, тем меньше тает снега. Отсюда следует, что раз у нас мягкие зимы и прохладные лета, то у нас много снега и его меньше тает, а это как раз то, что нужно для начала ледникового периода.

И все же ледникового периода сейчас в северном полушарии нет, хотя у нас мягкие зимы и прохладные лета. Возможно, что перепады все‑таки еще слишком экстремальны, и что существуют другие факторы, которые могут действовать так, что делают зимы еще более мягкими, а лета более прохладными. Например, в настоящий момент ось Земли отклонена от вертикали примерно на 23,5°. При летнем солнцестоянии 21 июня северный конец оси наклонен в направлении Солнца. При зимнем солнцестоянии 21 декабря северный конец оси наклонен в направлении от Солнца.

Ось Земли, однако, не остается наклоненной в том же самом направлении постоянно. Из‑за влияния Луны на экваториальную выпуклость Земли ось Земли медленно колеблется. Она остается наклоненной, но направление наклона совершает круг каждые 25 780 лет. Это называется «предварение равноденствия».

Примерно через 12 890 лет от нашего времени ось Земли будет смещена в противоположном направлении, так что, если это будет единственным изменением, летнее солнцестояние наступит у нас 21 декабря, а зимнее солнцестояние – 21 июня. Летнее солнцестояние окажется тогда в перигелии, и северное лето станет жарче, чем сейчас. Зимнее солнцестояние окажется в афелии, и северная зима станет холоднее, чем сейчас. Другими словами, ситуация окажется противоположной той, что в настоящее время. Северное полушарие получит холодные зимы и жаркие лета, а южное – мягкие зимы и прохладные лета.

Существуют и другие факторы. Точка перигелия медленно движется вокруг Солнца. Каждый раз, когда Земля совершает оборот вокруг Солнца, она достигает точки перигелия немного в другом месте и немного в другое время. Перигелий (и афелий тоже) совершают полный круг вокруг Солнца приблизительно за 21 310 лет. Каждые 58 лет перигелий сдвигается на один день по нашему календарю.

Но и это еще не все. Один из эффектов влияния различных гравитационных сил на Землю является причиной колебания наклонной оси, изменения наклона по величине. В 1979 году осевой наклон составляет 23,44229°; но в 1900 году он был 23,45229°, а в 2000 году будет 23,43928°. Как видите, наклон оси уменьшается, но уменьшаться он будет только до последнего приведенного значения, а потом будет снова увеличиваться, потом опять уменьшаться и так далее. Но он никогда не становится менее примерно 22° и никогда более примерно 24,5°. Длительность цикла составляет 41 000 лет.

Меньший наклон оси означает, что как северный, так и южный полюса Земли получают меньше солнца летом и больше зимой. Результатом являются более мягкие зимы и более прохладные лета для обоих полушарий.

Наконец, орбита Земли становится то более, то менее эксцентричной. Эксцентричность, которая сейчас составляет 0,01675, уменьшается и в конечном счете достигнет минимального значения 0,0033, или только 1/5 своего настоящего значения. В то время Земля будет только на 990 000 километров ближе к Солнцу в перигелии, чем в афелии. Затем эксцентричность опять начнет увеличиваться до максимума 0,0211, или в 1,6 раза больше ее настоящего значения. Тогда Земля будет в перигелии на 6 310 000 километров ближе к Солнцу, чем в афелии. Чем меньше эксцентричность и чем круглее орбита, тем меньше разница в количестве тепла, которое Земля получает от Солнца в разные врем! на года. Это приводит к ситуации «мягкая зима – прохладное лето».

Если учитывать все эти вариации в орбите Земли и наклоне ее оси, то в целом представляется, что тенденция к мягким временам года и экстремальным временам года меняется, грубо говоря, каждые 100 000 лет.

Другими словами, каждый «Великий сезон» Миланковича длится около 25 000 лет. Мы, кажется, прошли сейчас «Великую весну» отступающих ледников и нас ожидает «Великое лето», «Великая осень» и примерно через 50 000 лет «Великая зима» – ледниковый период. Тем не менее, верны ли все эти выкладки? Вариации в орбите и в наклоне оси маленькие, и разница между холодной зимой – жарким летом и мягкой зимой – прохладным летом реально незначительна. Достаточна ли эта разница?

Проблемой занялись трое ученых: Дж. Д. Хейс, Джон Имбри и Н. Дж. Шеклтон, – и полученные ими результаты были опубликованы в декабре 1976 года. Они работали с длинными стержнями донных осадков, извлеченными из двух разных мест в Индийском океане. Места находились далеко от суши, чтобы не было материала, смытого с побережья, который бы исказил показания. Места были также относительно мелкие, но такие, чтобы не было материала, смытого с менее глубоких районов.

Осадок, как полагали, был нетронутым материалом, лежащим на месте из века в век, и длина извлеченного стержня «простиралась» примерно на 450 000 лет назад. Была надежда обнаружить изменения вдоль стержней, которые будут настолько же выраженными, как изменения в годичных кольцах деревьев, позволяющих определить лета сухие и лета влажные.

Одно изменение было связано с крошечной радиолярией, которая обитала в океане в течение всего изучаемого полумиллиона лет. Это простейший одноклеточный животный организм с очень маленьким хорошо развитым скелетом, который после гибели особи опускается на дно, как своего рода ил. Существует много разновидностей радиолярий, некоторые из них процветают при более теплых условиях, чем другие. Их легко отличить друг от друга по скелету, и поэтому можно, миллиметр за миллиметром проходя вдоль стержня осадков и изучая скелеты радиолярий, установить по ним, какая вода была в океане в каждое данное время – теплая или холодная. Таким путем можно построить фактическую кривую температуры океанской воды во времени.

Изменение температуры воды в океане во времени можно также установить путем определения отношения в различное время двух разновидностей атомов кислорода: кислорода‑16 и кислорода‑18. Вода, содержащая в своих молекулах кислород‑16, испаряется легче, чем вода, содержащая кислород‑18.

Это означает, что дождь или снег, выпадающие на землю, состоят из молекул, более богатых кислоро‑дом‑16 и более бедных кислородом‑18, чем океанская вода. Если большое количество снега выпадает на землю и сковывается в ледниках, то остающаяся в океанах вода страдает значительным дефицитом кислорода‑16, в то время как содержание в ней кислорода‑18 увеличивается. Оба метода суждения о температуре воды (и преобладании льда на суше) дали идентичные результаты, хотя они принципиально различны. Более того, цикл, построенный по этим двум методам, оказался очень похожим на цикл, рассчитанный по изменениям орбиты Земли и наклона ее оси.

Поэтому в настоящий момент и в ожидании дальнейших свидетельств этого представляется, что идея Миланковича о «Великих сезонах» выглядит неплохо.

(Сейчас ученые склоняются к мысли, что идет глобальное потепление, и даже быстрее, чем предполагалось настоящее «Великое лето». Весной 1999 года установили, что почти 1/3 Гренландии освободилась от вечных льдов, с самолета даже невооруженным глазом видно, что обнажились скалы и озера. В результате потепления на рубеже веков участились ураганные ветры, проливные дожди, обильные снегопады, наводнения, землетрясения и извержения вулканов).