влияющие на изменение климата и их временные масштабы. Из ри- сунка следует, что временные масштабы процессов влияния могут пересекаться и варьируют в широком диапазоне от 1 года до многих миллионов лет.
Литература
1.Израэль Ю.А., Будыко М.И. и др. Предстоящие изменения климата: со- вместный советско-американский отчет о климате и его изменениях. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. – 272 с.
2.Израэль Ю.А., Александров Э.Л., Кароль И.Л., Хргиан А.Х. Озонный щит Земли
иего изменения. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 287 с.
3.Клименко А.В., Клименко В.В. Виновато ли человечество в глобальном измене- нии климата // Россия в окружающем мире: 1998 (Аналитический ежегодник)
/под общ. ред. Н.Н. Моисеева, С.А. Степанова. – М.: Изд-во МНЭПУ, 1998. – С. 53–66.
4.Клименко В.В. Климат: непрочитанная глава истории. – М.: Изд. Дом МЭИ, 2009. – 408 с.
5.Кривенко В.Г. Концепция внутривековой и многовековой изменчивости клима- та как предпосылка прогноза // Климаты прошлого и климатический прогноз. – М., 1992. – С. 39–40.
6.Монин А.С., Шишков Ю.А. История климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 408 с.
7.Очерки по истории гидрометеорологической службы России / Ю.А. Израэль, А.И. Бедрицкий, Ю.С. Цатуров, В.В. Челюканов. Т. 3. Кн. 1. – СПб.: Гидроме- теоиздат, 2005. – 339 с.
8.Очерки по истории гидрометеорологической службы России / Ю.А. Израэль, А.И. Бедрицкий, Ю.С. Цатуров, В.В. Челюканов. Т. 3. Кн. 2. – СПб.: Гидроме- теоиздат, 2005. – 390 с.
9.Семенов С.М., Ясюкевич В.В., Гельвер Е.С. Выявление климатогенных измене- ний. – М.: Изд. центр «Метеорология и гидрология», 2006. – 324 с.
10.Состояние и комплексный мониторинг природной среды и климата. Пределы изменений / Ю.А. Израэль, Г.М. Черногаева, Г.В. Груза и др. – М.: Наука, 2001.
– 242 с.
11.Шнитников А.В. Внутривековая изменчивость компонентов общей увлажнен- ности. – Л.: Наука, 1969. – 244 с.
12.Яншин А.Л., Будыко М.И., Израэль Ю.А. Глобальные проблемы биосферы. – М.: Наука, 2001.
13.Kutzbach J. Fluctuations of climate – monitoring and modeling. WMO Bulletin, Vol. 23, Is. 3, 1974, pp.155–162. Reprint # 2200.
14.Кругосвет Энциклопедия 2010. [Электронный ресурс] http://www.mediahouse. ru (дата обращения: 10.10.2016).
Лекция 4. Влияние астрономических факторов на динамику климата
Внешние процессы, формирующие климат, в основном обу- словлены изменением солнечной радиации и параметров орбиты Земли. Так, к астрономическим факторам климата относятся:
•прецессия, или предварение равноденствий;
•угол наклона земной оси;
•эксцентриситет орбиты ε;
•солнечная активность;
•нестабильность вращения Земли.
Астрономическая гипотеза изменения климата состоит в том, что климат Земли в далеком прошлом изменялся главным образом под влиянием колебаний притока солнечной радиации к земной поверхности, или за счет астрономических факторов. Подробное теоретическое описание механизмов влияния астрономических ци- клов на земной климат было предложено в первой половине XX в. выдающимся сербским астрономом и геофизиком Милутином Миланковичем, который разработал теорию периодичности ледни- ковых периодов [10]. Миланкович выдвинул гипотезу, что цикличе- ские изменения эксцентриситета орбиты Земли (ее эллиптичность), колебания угла наклона оси вращения планеты и прецессия этой оси могут вызывать существенные изменения климата на Земле. Например, около 23 млн лет назад совпали периоды минимального значения эксцентриситета земной орбиты и минимального изме- нения наклона оси вращения Земли, который ответствен за смену времен года. В течение 200 тыс. лет сезонные изменения климата на Земле были минимальными, так как орбита Земли была практи- чески круговой, а наклон земной оси почти не менялся. Как итог, разница в летних и зимних температурах на полюсах составляла всего несколько градусов, льды за лето не успевали таять и произо- шло заметное увеличение их площади.
По теории Миланковича, увеличение эксцентриситета орби- ты ε приводит к увеличению разности между количеством радиации в летнее и зимнее калорические полугодия, что создает условия для потепления климата. При уменьшении ε (или увеличении произве- дения ελП , где λП – геоцентрическая долгота перигелия земной ор-
биты) происходит уменьшение разности между количеством ради- ации в летнее и зимнее калорические полугодия, при этом лето ста-
новится холоднее, а зима теплее. В таком случае зимнее
существенно не увеличивает запасы тепла из-за отрицательной
тем- |
пературы, а летнее похолодание заметно их снижает, что в |
сумме |
приводит к росту ледников и оледенению. Миланкович |
применил теорию к изучению колебаний климата Земли в |
|
прошлые геоло- |
гические эпохи и глобальные колебания климата в |
|
плейстоцене |
и |
впервые успешно объяснил изменениями |
параметров орбиты |
Земли (эксцентриситета и долготы перигелия) |
|
и угла наклона оси |
вращения Земли к плоскости орбиты. |
|
4.1.Влияние характеристик орбиты
Кхарактеристикам орбиты Земли относятся прецессия, угол наклона земной оси и эксцентриситет орбиты. Прецессия Земли – медленное движение оси вращения Земли по круговому конусу с осью, перпендикулярной плоскости эклиптики. За счет прецессии расстояние от Земли до Солнца в разные сезоны года не остается постоянным, а меняется в пределах 147,3–152,1 млн км, соответ- ственно, изменяется и приток солнечной радиации к Земле. При уменьшении угла наклона полярные области получают в течение
года |
увеличении – больше. |
|
|
|
Основная причина предва- |
|
|
рения равноденствий – прецес- |
|
|
сия, периодическое изменение |
|
|
направления земной оси под вли- |
|
|
янием притяжения Луны, а также |
|
|
(в меньшей степени) Солнца. Как |
|
|
указал Ньютон в своих «Началах», |
|
|
сплюснутость Земли у полюсов |
|
|
вдоль оси вращения приводит к |
|
|
тому, что гравитационное при- |
|
|
тяжение тел Солнечной системы |
|
|
вызывает прецессию земной оси. |
|
|
Позже выяснилось, что к анало- |
Рис. 4.1. Представление прецессии |
гичным последствиям приводит |
|
ет в пространстве конус, как по- |
||
|
в виде конического волчка, |
неоднородность плотности рас- |
|
казано на рис. 4.1. Существуют и |
|
где P – прецессия; R – вращение |
пределения масс внутри Земли. В |
|
Земли вокруг своей оси; N – нутация |
другие причины поворота земной |
|
результате земная ось описыва- |
||
|
|
оси, в первую очередь – нутация, |
103
периодическое быстрое относительно периода прецессии «покачи- вание полюсов». Период нутации земной оси равен 18,61 лет, и ее амплитуда составляет около 17 угловых секунд. Имеются и другие факторы, возмущающие направление земной оси: изменения океа- нических течений, движение атмосферных масс, сильные землетря- сения, изменяющие форму геоида и т. п. Однако их вклад в смеще- ние земной оси по сравнению с прецессией и нутацией ничтожен. На небесной сфере ось описывает окружность так называе- мого малого круга небесной сферы с центром в Северном полюсе эклиптики для Северного полушария и в Южном полюсе эклипти- ки – для Южного полушария и радиусом примерно 23,5 °, полный оборот по этой окружности происходит с периодом (по современ- ным данным) примерно 25 776 лет [8]. При этом угол наклона зем- ной оси к плоскости эклиптики сохраняется неизменным (рис. 4.2). Поворот земной оси смещает и связанную с Землей экваториаль- ную систему небесных координат примерно на 50,37" в год, или 1° за 71,5 года относительно удаленных, практически неподвижных на небесной сфере звезд. В каждом полушарии сезоны приходятся на разные положения Земли на орбите. В настоящее время пери- гелий (ближайшее расстояние) в Северном полушарии приходится на зиму. Из-за этого климат Северного полушария Земли несколь- ко мягче, чем Южного (зима мягче, а лето несколько прохладнее). Через 10 000 лет сезоны из-за прецессии сдвинутся, и мягче станет
климат Южного полушария.
Прецессия, или предварение равноденствий (лат. praecessio aequinoctiorum), – историческое название для постепенного смеще- ния точек весеннего и осеннего равноденствий (то есть точек
Рис. 4.2. Полный цикл прецессии Земли
104
равноденствий было открыто выдающимся древнегреческим астро- номом Гиппархом во II в. до н. э. В его распоряжении были резуль- таты наблюдений греческого астронома III в. до н. э. Тимохариса, из которых Гиппарх обнаружил, что все долготы звезд увеличивают- ся примерно на 1° каждые 100 лет. Во II в. н. э. существование пре- цессии подтвердил Клавдий Птолемей, причем скорость прецессии по его данным составляла все те же 1° в 100 лет. Коперник первым понял, что смещается не небесный экватор, а земная ось, и получил скорость прецессии, близкую к современным представлениям – 1° за 72 года. Причина смещения была подробно объяснена в «Началах» Ньютона; рассуждения Ньютона были качественно верны, однако его математическая модель содержала неточности. В XVIII в. боль- шой вклад в изучение вопроса внес Даламбер, исправивший модель Ньютона, а в XIX – Фридрих Вильгельм Бессель и Отто Вильгельм Струве.
Особенность современного положения прецессии Земли влияет на то, что поток приходящей за год радиации (S) в декабре – февра- ле в Южном полушарии несколько выше, чем в Северном в
Рис. 4.3. Слева – изменение с широтой среднезональной солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы (а) и поглощенной (б), где широтные распределения: 1 – среднегодовой радиации; 2 – за декабрь – февраль; 3 – за июнь – август. Справа – среднеширотные распределения уходящей радиа- ции из системы «Земля – атмосфера» (I, верхний) и радиационного баланса этой системы (R, нижний)
105
приходящей радиации (S) на верхнюю границу атмосферы и погло- щенной радиации, из которых следует, что Южное полушарие в те- плый период года получает больше энергии, чем Северное также в свой теплый период.
Об этом же свидетельствуют и широтные распределения ухо- дящей в космос из системы «Земля – атмосфера» длинноволновой (инфракрасной – ИК) радиации (I) и ее радиационного баланса (R = S – I), приведенные в правой части рис. 4.3. Причина неравно- мерного притока тепла к полушариям в том, что в январе Земля на- ходится в перигелии, то есть на ближайшем расстоянии от Солнца, а в июне – в афелии, на максимальном удалении от него, как показа- но на рис. 4.4, а. На этом же рисунке отмечены даты летнего и зим- него солнцестояния и весеннего и осеннего равноденствия, которые характеризуют узлы орбиты Земли.
Рис. 4.4. Процессия перигелия вдоль орбиты Земли: а – современное состояние; б – положение 5,5 тыс. лет назад; в – положение 11 тыс. лет назад
На рис. 4.4, б и в показаны положения узлов орбиты соответ- ственно 5,5 тыс. лет и 11 тыс. лет назад. Наиболее благоприятная ситуация для Северного полушария была 11 тыс. лет назад, когда ле- том имело место наименьшее расстояние до Солнца. Вследствие пре- цессии спустя 12 900 лет земная ось успеет описать ровно полови- ну своего пути вокруг перпендикуляра к плоскости земной орбиты. Однако, одновременно в пространстве немного повернeтся и боль- шая ось земной орбиты – из-за притяжений планет. Поэтому потре- буется не 12 900, а 11 000 лет, чтобы современная ситуация смени- лась на противоположную: летнему периоду в Северном полушарии будет соответствовать малое расстояние от Солнца (здесь лето станет более коротким, но зато и более жарким). Хронологический график колебания прецессии за последний миллион лет приведен на рис. 4.5, из которого следует, что, хотя периоды колебаний более или менее устойчивы, но амплитуды циклов могут изменяться в несколько раз. Вследствие движения земной оси по конусу происходят следу-
ющие события:
Рис. 4.5. Колебания прецессии в отклонениях от современного состояния
–изменяется положение небесного экватора;
–точки весеннего и осеннего равноденствия медленно пере- мещаются по эклиптике навстречу видимому годовому движению Солнца на 50,24 с в год;
– полюс мира перемещается между звездами;
–экваториальные координаты звезд непрерывно изменяются. Фактически, как показано на рис. 4.6, спектр колебаний пре-
цессии достаточно сложный, и в нем наибольший вклад дают циклы с периодами 19; 22,4 и 23,7 тыс. лет воздействий Солнца, Луны, Юпитера и Сатурна.
Помимо движения по конусу земная ось периодически изменяет и свой наклон. При этом период колебания оси составляет 40–41 тыс. лет, а сам наклон оси внутри этих циклов, то есть амплитуда циклов колебаний, изменяется от 0,5 до 2,5° (см. рис. 4.6). Причины измене- ния угла наклона оси такие же, как и для прецессии, – влияние дру- гих небесных тел. Причем из-за стабилизирующего действия Луны колебание оси еще небольшое по амплитуде по сравнению с другими планетами, у которых оно может составлять десять и более градусов. В настоящее время угол наклона земной оси составляет 23,5°, но, как следует из рис. 4.7, за последний миллион лет он изменялся от 21°58' до 24°36', то есть на 2,5°. Для примера, угол наклона оси Мерку- рия равен 0,01°, Венеры – 177,3°, Луны – 1,5424°, Марса – 25,19°,
Юпитера – 3,13°, Сатурна – 26,73°, Урана – 97,77°, Нептуна – 28,32° и Плутона – 119,61°.
Если угол наклона оси планеты близок к нулю, то на ней отсут- ствуют времена года и температурный режим внутри года остается стабильным. Чем больше угол наклона оси, тем больше темпера- турный контраст между сезонами года или тем больше амплитуда
Рис. 4.6. Спектральная плотность колебаний прецессии за последние 5 млн лет на 50 °с. ш. в июне
Рис. 4.7. Колебания наклона земной оси за последний миллион лет
годового хода. При увеличении угла наклона оси вращения увели- чивается приход радиации в полярные районы, то есть происходит сглаживание широтной контрастности в полушариях и усиление сезонных различий. При уменьшении угла наклона происходит уве- личение радиации, поступающей в приэкваториальные районы, и широтные контрасты возрастают, а сезонные различия сглаживают- ся. Если же угол наклона уменьшается, то уменьшается и ампли- туда годового хода, лето становится холоднее, а зима теплее, и это
108
приводит к снижению температуры, росту ледников и оледенению главным образом из-за влияния обратной альбедной связи. В насто- ящее время идет тенденция к уменьшению угла и следовательно – к похолоданию.
Спектр колебаний наклона земной оси, как видно на рис. 4.8, так же, как и прецессии, не является однородным, и в нем можно выделить преобладающие циклы с периодами 29,41 и 54 тыс. лет.
Еще одной важной астрономической характеристикой, вли- яющей на количество приходящей радиации, является показатель формы орбиты Земли – ее эксцентриситет (ε). В зависимости от ве- личины эксцентриситета орбита имеет форму: эллипса при ε < 1, параболы при ε = 1, гиперболы при ε > 1 и окружности при ε = 0. Эксцентриситет Земли ε = 0,01671123, и под влиянием на Землю притяжения планет он испытывает квазипериодические колебания с характерным временем около 100 тыс. лет. В настоящее время раз- ность между максимальным и минимальным расстояниями Земли от Солнца составляет 5 млн км, но благодаря колебаниям эксцен- триситета она может достигать 19,7 млн км, что уже существен- но влияет на величину приходящей радиации. На рис. 4
Рис. 4.8. Спектральная плотность колебаний наклона земной оси за последние 5 млн лет на 50 °с. ш. в июне
109
Рис. 4.9. Колебания эксцентриситета Земли за последний миллион лет
на котором выделяются характерные периоды колебаний в среднем равные 92–93 тыс. лет, но также с разной амплитудой, отличаю- щейся в несколько раз. Изменение эксцентриситета влечет за собой изменение среднегодового количества солнечной радиации, так как при орбите, близкой к круговой (при уменьшении ε), среднее рас- стояние от Земли до Солнца наибольшее, а следовательно, солнеч- ная радиация минимальна. Если величина ε увеличивается, то есть орбита Земли становится более узкой и поэтому среднее расстояние от Земли до Солнца уменьшается, то солнечная радиация возраста- ет. Зависимость получаемой суммарной радиации от эксцентриси- тета следует и из известной формулы расчета годовой инсоляции (I):
I = I0T0/4 √1 – ε ,
(4.1)
2
где I0 – солнечная постоянная; Т0 – продолжительность года.
Внастоящее время, как видно из рис. 4.9, эксцентриситет ор- биты имеет тенденцию к уменьшению и поэтому следует ожидать уменьшение приходящей радиации.
Втеории Миланковича влияние всех трех орбитальных параме- тров на приходящую инсоляцию рассматривается
совместно, и их вклад определяется продолжительностью рассматриваемого перио- да времени. На рис. 4.10 приведена декомпозиция функции инсоля- ции на 3 орбитальные компоненты на верхней границе атмосферы на 50° с. ш. в июне за последние 400 тыс. лет, где S (вклад в инсо-
ляцию) составляет: 100 Вт/м2 – для прецессии, 20 Вт/м2 – для угла наклона экватора к эклиптике, 5 Вт/м2 – для эксцентриситета.