Орбитальные факторы долгопериодных изменений климата

Размещено на http://www.allbest.ru/

МГУ им. М.В. Ломоносова, географический ф-т

Орбитальные факторы долгопериодных изменений климата

В.А. Большаков

Постановка задачи и метод исследования. В докладе будут изложены представления автора об орбитальных механизмах долгопериодных (характерное время - десятки/сотни тысяч лет) глобальных изменений климата. Помимо этого, мой 15-летний опыт общения с коллегами по теме орбитальной теории палеоклимата, как непосредственный, так и по публикациям, свидетельствует о необходимости компактного изложения основных положений орбитальной теории и краткой истории её развития. Используемый метод исследования - основанное на логике и последовательности сопоставление теоретических выводов с эмпирическими данными. орбитальный климат глобальный инсоляция

Среди многочисленных гипотез, выдвинутых для объяснения существования в геологическом прошлом оледенений, наибольшее распространение получила орбитальная гипотеза (теория), которую часто называют астрономической теорией, или теорией Миланковича. Однако, два последних названия менее удачны. Первое - потому, что выдвигались и другие астрономические (космические) гипотезы. Например, одна из них предполагала существенные колебания солнечной постоянной, другая - попадание Солнечной системы, при её движении вокруг центра галактики, в пояса космической пыли. Второе название обозначает лишь одну из частных версий орбитальной теории палеоклимата, связанную с именем создателя этой версии Милутина Миланковича.

Итак, орбитальная теория (гипотеза) палеоклимата - это теория, связывающая глобальные колебания климата, прежде всего оледенения и межледниковья плейстоцена, с вариациями приходящей к Земле солнечной радиации (инсоляции), обусловленными, в свою очередь, изменениями орбитальных параметров планеты, характеризующих положение Земли в пространстве при её движении по орбите вокруг Солнца.

Особая актуальность корректной разработки орбитальной теории палеоклимата плейстоцена для современности заключается в уникальной возможности понимания работы глобальной климатической машины. Это определяется тем, что к настоящему времени накоплен огромный эмпирический материал по глобальным колебаниям климата, особенно оледенениям и межледниковьям последнего миллиона лет, которые показывают причинно-следственную связь с орбитально-обусловленными вариациями инсоляции. Таким образом, открывается возможность разработать палеоклиматическую модель, входным сигналом в которой являются вариации инсоляции, приходящей на верхнюю границу атмосферы, а выходным - эмпирические данные. Промежуточное звено в этой цепи и представляет климатическую машину, т.е. механизм преобразования инсоляционных сигналов в глобальные колебания климата, учитывающий разнообразные положительные и отрицательные обратные связи в климатической системе. При условии его корректной разработки, он может быть использован для столь актуального сейчас прогноза глобальных изменений. К сожалению, представления о работе климатической машины противоречивы.

Влияние на инсоляцию вариаций орбитальных параметров земли

Гравитационные воздействия на Землю со стороны других планет Солнечной системы, а также Луны и Солнца, вызывают квазипериодические изменения трёх орбитальных элементов: эксцентриситета эллиптической орбиты Земли е, угла наклона е земной оси к перпендикуляру к плоскости эклиптики, и прецессии земной оси.

Подчеркнём качественные различия вариаций инсоляции, связанных с тремя орбитальными элементами. 1. Только вариации эксцентриситета (главные гармоники около 400 и 100 тысяч лет) изменяют приходящую к Земле в целом полную годовую инсоляцию, хотя эти изменения невелики. 2. Вариации наклона земной оси (основная гармоника 41 тыс лет), если считать форму Земли шарообразной, не изменяют инсоляцию всей планеты, но перераспределяют её по широтам: увеличение инсоляции высоких широт обоих полушарий сопровождается её уменьшением в низких и наоборот. 3. Прецессия (главные гармоники 23 и 19 тыс лет) приводит к изменению сезонных контрастов инсоляции, однако при этом годовое изменение инсоляции равно нулю для любой широты, т.к. увеличение летней инсоляции сопровождается уменьшением зимней и наоборот. Прецессионные изменения противоположны в разных полушариях и модулируются изменениями эксцентриситета.

Орбитальные теории Ж. Адемара, Дж. Кролля И М. Миланковича

Считается, что орбитальная гипотеза палеоклимата была впервые высказана (опубликована) Ж. Адемаром в 1842 г. Адемар связывал изменения климата с прецессией равноденствий и полагал, что оледенение будет в том полушарии, день зимнего солнцестояния которого приходится на афелий. По мнению Адемара, именно холодная длинная зима и является причиной оледенения в указанном полушарии. Соответственно, в другом полушарии в это время будет межледниковье. Подтверждение своей теории Адемар видел в оледенении Антарктиды, расположенной в полушарии, контрасты инсоляции которого соответствуют именно длинной холодной зиме и жаркому короткому лету.

Однако теория Адемара противоречила представлениям Дж. Гершеля и А. Гумбольдта. Они указывали, что средняя температура полушария определяется не соотношением длительности зимы и лета, а количеством калорий солнечной энергии, которое оно получает за весь год. А так как годовое количество солнечной энергии одинаково для каждого полушария и не зависит от прецессии, то нет причин для противоположных изменений климата (температуры) в этих полушариях. Соответственно, нет причин и для наступления оледенений в одном полушарии и межледниковий - в другом.

Тем не менее, два десятилетия спустя орбитальная гипотеза Ж. Адемара была вновь востребована Дж. Кроллем в его «Теории вековых изменений земного климата». Кроллю было известно приведённое выше мнение Гершеля и Гумбольдта, он понимал незначительность прямого воздействия орбитально обусловленных вариаций инсоляции на глобальный климат. Тем не менее, Кролль полагал, что эти вариации инсоляции могут вовлечь в действие физические агенты, которые приведут к глобальным изменениям климата, в частности, к оледенениям, несмотря на противофазные изменения связанных с прецессией зимней и летней инсоляции.

Под физическими агентами Кролль подразумевает обратные связи, которые в цепочке «воздействующая причина - результат» взаимно усиливают друг друга. Таким образом, Дж. Кролль первым ввел в рассмотрение влияние положительных обратных связей, усиливающих климатическое воздействие орбитально обусловленных вариаций инсоляции и трансформирующих указанные вариации в глобальные климатические изменения - оледенения и межледниковья. Кролль рассматривал в основном два механизма влияния на температуру положительных обратных связей: 1) изменения площади снежного и ледового покрова (альбедная связь) и 2) смещение экваториального течения Атлантики.

По теории Кролля, оледенения на Земле происходили в периоды особенно больших значений эксцентриситета. В эти длительные промежутки времени попеременно, примерно через 10,5 тыс. лет (среднее время полупериода климатической прецессии), подвергалось оледенению каждое из полушарий, а именно то, в котором, в соответствии с прецессионными изменениями, день зимнего солнцестояния приходился на прохождение Землей афелия. В то же время в другом полушарии были, наоборот, межледниковые условия.

К концу 19-го столетия были обнаружены существенные противоречия теории Кролля эмпирическим данным. Это послужило основной причиной отказа от теории Кролля. К сожалению, и достижения Дж. Кролля были забыты. Наибольшее сожаление вызывает то, что не было оценено по достоинству главное достижение его теории - открытие положительных обратных связей в климатической системе.

М. Миланкович начал свои исследования на 50 лет позже Дж. Кролля. Его версия орбитальной теории палеоклимата отличалась от развитых ранее теорий Адемара, Кролля и др. математически строгими вычислениями орбитально обусловленных вариаций инсоляции на верхней границе атмосферы. В своих расчётах Миланкович пренебрёг прямым вкладом изменений эксцентриситета в инсоляционную кривую: основной количественный вклад в вариации инсоляции обеспечивался прецессией и изменениями угла наклона земной оси. Кроме этого, в отличие от Кролля, он считал, что оледенению в данном полушарии способствует не холодная длительная зима, а прохладное длительное лето.

Суть теории Миланковича (ТМ) заключается в том, что он придавал прямую палеоклиматическую значимость вычисленным им дискретным (для летнего калорического полугодия и под 65? с.ш.) вариациям инсоляции. Например, наименьшие значения летней инсоляции под 65? с.ш. интерпретировались им как оледенения (рис. 1). Выделенные Миланковичем на его инсоляционной диаграмме четыре оледенения за последние 600 тысяч лет хорошо соотносились с распространённой тогда альпийской схемой Пенка и Брюкнера, в которой выделялись оледенения Вюрм, Рисс, Миндель и Гюнц, причём миндель-рисское межледниковье также было самым длительным. Данное обстоятельство поспособствовало широкому признанию его теории. Однако, по мере развития науки, с получением новых эмпирических и расчётных данных, ТМ подвергалась всё большей критике, что в целом привело в 60-х годах ХХ века к отказу от этой теории.

Рис. 1. Вековой ход летних сумм радиации под 65 северной широты (инсоляционная диаграмма Миланковича). Затушёванные участки соответствуют оледенениям. По [Миланкович, 1939, Диаграмма II].

Резюмируя, можно сказать, что ТМ оказала двоякое влияние на развитие орбитальной теории палеоклимата. С одной стороны, это был шаг вперёд, связанный с использованием математически точных расчётов инсоляции. С другой стороны, однако, развитие орбитальной теории было отброшено почти на столетие назад, во времена Адемара - ведь Миланкович не принял во внимание обоснованное заключение Гершеля и Гумбольдта: для объяснения глобальных колебаний климата он использовал вычисления полугодовой инсоляции, да ещё под одной широтой! Поскольку Миланкович, используя линейный механизм климатического усиления, придавал прямую палеоклиматическую значимость вычисленным вариациям инсоляции, для разработки теории ему оказалось не нужным привлёкать и развивать дальше предложенные Кроллем механизмы обратных связей. (Он использовал альбедную связь в основном только для установления механизма климатического воздействия вариаций наклона земной оси, что уже было сделано Кроллем).

Противоречия и недостатки теории Миланковича

В 1976 г. Хейс, Имбри и Шеклтон, путём анализа глубоководных палеоклиматических записей показали, что около 80% глобальной климатической изменчивости последних 500 тысяч лет связаны с орбитальными периодичностями. При этом более 50% этих изменений характеризуются эксцентриситетной 100-тысячелетней периодичностью, которой нет в ТМ. Это повлекло за собой и изменение, в целом, дат оледенений, по сравнению с датами, определёнными Миланковичем. Таким образом, было выявлено первое очень существенное противоречие ТМ эмпирическим данным (получившее название «проблема 100-тысячелетнего периода»), за которым последовали и другие. Выделим ещё 3 из них.

1. Ледниковые события, согласно эмпирическим данным, попадают на минимумы эксцентриситета, тогда как в теории Миланковича они (самые глубокие минимумы на инсоляционной диаграмме) в основном приходятся на максимумы эксцентриситета.

2. Около миллиона лет назад основная климатическая периодичность изменилась от 41 тыс. лет к 100 тыс. лет, что не согласуется с теорией Миланковича, поскольку вариации орбитальных элементов не изменялись существенно в это время (проблема «среднеплейстоценового перехода»).

3. Глобальные климатические изменения синхронны (в пределах тысячи лет) в обоих полушариях (по крайней мере, для максимума последнего оледенения и оптимума голоцена), тогда как инсоляционные кривые, вычисленные Миланковичем для 65є северной и южной широты смещены не менее, чем на 5 тыс. лет, в определении временного положения инсоляционных минимумов и максимумов, соответствующих этим климатическим событиям.

Согласно логике, теория, противоречащая эмпирическим данным, неверна. Следовательно, теория Миланковича должна быть отвергнута, как было сделано полвека назад в первый раз по отношению к этой теории и более 100 лет назад по отношению к теории Кролля. Однако, наши предшественники оказались более последовательными, чем наши современники в 80-х годах 20-го столетия, которые начали «модернизировать» теорию Миланковича, не анализируя её на предмет выявления недостатков. Одним из главных звеньев модернизации было использование месячной, или даже суточной, летней инсоляции под 65є с.ш. вместо полугодовой инсоляции, использованной Миланковичем. Очевидно, что это даже худший вариант, поскольку прецессионный вклад в среднемесячные, а тем более суточные вариации инсоляции ещё выше, чем в полугодовые. Он привёл к появлению ещё одного противоречия между теорией и эмпирическими данными - несоответствию между наибольшей амплитудой прецессионной гармоники инсоляционного воздействия (месячными или суточными вариациями летней инсоляции под 65є с.ш.) и наименьшей амплитудой той же гармоники в климатической записи.

Проведённый мною (2003) анализ ТМ выявил её следующие основные недостатки.

1. Отсутствие учёта качественных различий инсоляционных сигналов, связанных с вариациями различных орбитальных элементов. - В инсоляционной кривой Миланковича механически соединены качественно (структурно) различные инсоляционные сигналы отдельных орбитальных элементов. Это делает неправомочным использование инсоляционного сигнала как единого целого при палеоклиматическом моделировании.

2. Придание палеоклиматической значимости рассматриваемым индивидуально вариациями инсоляции, вычисленным для отдельных географических широт и полугодий. - Это пренебрежение мнением Гершеля и Гумбольдта о необходимости учёта реально действующей полной годовой инсоляции, усугублённое приданием глобальной климатической значимости вариациям инсоляции под одной широтой.

3 Недостаточно строгая обоснованность общих механизмов климатического влияния вариаций орбитальных элементов. - Прежде всего, это касается прецессии и эксцентриситета. Глобально палеоклиматически значимыми Миланкович считал изменения летней инсоляции под 65 с.ш., однако математически строгого обоснования выбора именно лета и этой широты Северного полушария сделано не было.

4. Отсутствие, в основном, учёта обратных связей. Это проявляется прежде всего в том, что Миланкович напрямую сопоставлял изменения летней и зимней температуры для разных широт с вычисленными им вариациями летней и зимней инсоляции этих широт. В результате получалось, что, например, во время оледенений летняя температура должна уменьшаться, а зимняя - увеличиваться, что не соответствует действительности.

Исходя из перечисленных недостатков ТМ, был сделан вывод (2003), что инсоляционная диаграмма Миланковича, рассчитанная для летнего калорического полугодия под 65 с.ш., не имеет глобальной палеоклиматической значимости и не может быть использована для палеоклиматических интерпретаций, реконструкций и моделирования. Данное заключение в ещё большей степени относится к широко используемым сейчас в указанных целях инсоляционным кривым, рассчитанным для июня, июля, или дня летнего солнцестояния Северного полушария под 65є с.ш. Иными словами, многочисленные палеоклиматические модели, входным сигналом в которых является среднемесячная или суточная инсоляция под одной широтой, заведомо некорректны.

Построение орбитально-климатической диаграммы (ОКД) и предлагаемое качественное решение проблем теории Миланковича

Итак, для создания корректной теории палеоклимата необходимо учитывать полные годовые и глобальные изменения инсоляции и все воздействующие на них обратные связи. В настоящее время эта задача не представляется полностью разрешимой по крайней мере по двум причинам. 1. Недостаточное знание механизмов обратных связей, самыми сложными из которых считаются влияние облачности, аэрозолей. 2. Огромное количество компьютерного времени, требуемое для расчёта таких моделей.

Тем не менее, исходя из эмпирических данных о влиянии вариаций орбитальных элементов на климат, был предложен (2001) простой способ построения палеоклиматической диаграммы, которая названа ОКД. ОКД представляет условную относительную вероятность (ДP) осуществления оледенений (и межледниковий) за последний миллион лет. ОК диаграмма была построена как сумма нормированных относительно среднего значения вариаций орбитальных элементов, умноженных на так называемые коэффициенты климатической значимости (ККЗ). ККЗ находились путем подбора так, чтобы получаемая ОКД наиболее хорошо соответствовала палеоклиматическим (изотопно-кислородным) кривым. Наиболее подходящими оказались ККЗ, равные 1; 0.7 и -0.55 соответственно для вариаций эксцентриситета, наклона земной оси и прецессии. Соотношение абсолютных значений ККЗ указывает на то, что наибольший вклад в ОКД и, соответственно, в климатические изменения вносят вариации эксцентриситета, наименьший - прецессионные вариации, что соответствует эмпирическим данным.

При построении ОКД принимались самые общие механизмы глобального климатического влияния вариаций орбитальных элементов. В частности, предполагалось, что уменьшение эксцентриситета орбиты и угла наклона земной оси к перпендикуляру к плоскости эклиптики приводят к глобальному похолоданию. Также было принято, что к похолоданию в Северном полушарии приводят определяемые прецессией климатические условия, характеризуемые длительным прохладным летом и короткой мягкой зимой в этом полушарии (поэтому у ККЗ прецессии стоит знак «минус», что соответствует механизму, принятому Миланковичем). При этом отмечалось, что существующие одновременно в Южном полушарии условия с длительной холодной зимой и жарким коротким летом (механизм, принятый Кроллем) могут способствовать похолоданию этого океанического полушария. Сравнение ОКД с изотопно-кислородной (ИК) кривой показано на рисунке 2.

Рис.2 Сопоставление нормированных изменений д¹⁸О глобально осреднённой по 49 глубоководным колонкам составной кривой LR04 (сплошная линия) с ОКД (штриховая) для последнего миллиона лет. (Для удобства сопоставления изменения д¹⁸О умножены на -1, так что минимумы д¹⁸О соответствуют оледенениям).

Из сравнения ОКД и LR04 следует, что ОКД неплохо отражает 100-тысячелетнюю палеоклиматическую периодичность на ИК кривой, а вот значительный вклад в ОКД другой эксцентриситетной гармоники - 400-тысячелетней - не отражен в ИК записи. Данное обстоятельство привело к предположению о наличии некоего избирательного механизма, механизма параметрического резонанса в климатической системе, объясняющего, в частности, среднеплейстоценовый переход. Параметрический резонанс заключается в изменении резонансной частоты объекта при изменении его параметров (в частности, для климатической системы одним из таких параметров является глобальный объём льда). Предполагается, что в процессе похолодания на планете, начавшегося ещё в эоцене, происходило и увеличение глобального объёма льда. Чем больше объём льда, тем больше постоянная времени возможных климатических осцилляций. (Как известно, ряд исследователей считает возможным наличие автоколебаний в климатической системе).

В период времени, предстоящий одному миллиону лет назад, объем ледников был недостаточно велик, а температура поверхности планеты недостаточно низка, чтобы обеспечить разрастание ледников до размеров, сравнимых с размерами покровных оледенений плейстоцена. Поэтому изменение объема ледников, сосредоточенных в высоких широтах, подчинялось относительно короткопериодному воздействию вариаций наклона земной оси, в соответствии с обнаруженной эмпирически периодичностью этого изменения около 41 тыс. лет. С течением времени, по мере дальнейшего глобального охлаждения планеты, увеличивалась и масса ледников. Можно предположить, что на рубеже 1 млн. лет назад температура поверхности планеты и масса ледников в высоких широтах стали критическими по отношению к влиянию изменений инсоляции, связанных с вариациями эксцентриситета, а также к изменению альбедо и других факторов (например, концентрации СО₂) положительной обратной связи.

Таким образом, главный, 100-тысячелетний климатический цикл последнего миллиона лет объясняется резонансным откликом климатической системы на колебания годовой инсоляции всей Земли, вызванные вариациями соответствующих (близких к 100-тысячелетним) гармоник эксцентриситета земной орбиты. Как известно, резонансный механизм может значительно усиливать даже слабые входные сигналы, поэтому выходной сигнал (климатические колебания, отраженные в ИК кривой) по амплитуде не будет обязательно подобным вариациям эксцентриситета, а будет определяться состоянием и свойствами климатической системы в конкретный период времени. Эксцентриситетный инсоляционный сигнал является в данном случае как бы спусковым крючком, запускающим работу резонансного механизма климатической системы. Иными словами, он задает главный, близкий к 100-тысячелетнему ритм и определяет общую направленность климатических изменений в этом ритме. А размах, амплитуда колебаний, и их морфология определяются в основном параметрами климатической системы (глобальный объем льда, циркуляция атмосферы и гидросферы и т.д.), вовлеченными в механизм воздействия обратных связей в рассматриваемый промежуток времени, а также и сочетанием колебаний инсоляции, обусловленных вариациями всех трех орбитальных элементов. Следовательно, амплитуда климатических колебаний, а также форма палеоклиматической кривой не определяются однозначно вариациями орбитальных элементов, что можно видеть и на рис.2.

Заключение

Проведённые исследования позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Широкое использование для палеоклиматических интерпретаций и моделирования дискретной (месячной или суточной, под одной широтой) инсоляции некорректно, т.к. не отражает всех реально воздействующих на климатическую систему вариаций инсоляции, а также их специфику, связанную с отдельными орбитальными элементами.

2. Предложенный механизм параметрического резонанса даёт объяснение, в рамках новой концепции орбитальной теории, проблемам среднеплейстоценового перехода и 100-тысячелетнего периода, а также объясняет совпадение оледенений с минимумами е.

3. Согласно новой концепции, сила воздействия орбитально обусловленных вариаций инсоляции на климат определяется в первую очередь характером обратных связей, существующих в рассматриваемый период времени. Более конкретно, предполагается, очень упрощенно, такая цепочка взаимодействий в процессе климатических колебаний плейстоцена: изменение инсоляции > первичное изменение температуры, прежде всего высоких широт > изменение площади снежного и ледового покрова > положительная альбедная обратная связь и последующее глобальное изменение температуры > изменение концентрации СО₂ плюс дальнейшее изменение площади снега и льда > обратные связи за счет альбедо и парникового эффекта > итоговое изменение температуры.

Список рекомендуемой литературы

1. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М.-Л.: ГОНТИ, 1939. 207 с.

2. Имбри Дж. Имбри К.П. Тайны ледниковых эпох М.: Прогресс, 1988. 264 с

3. Большаков В.А. Новая концепция орбитальной теории палеоклимата. М.: МГУ, 2003. 256 с

4. Croll J., Climate and time in their geological relations: a theory of secular changes of the Earth's climate, Edward Stanford, London, 1875, 577 pp

5. Большаков В.А. Новая концепция астрономической теории палеоклимата: шаг вперед, после двух шагов назад // Физика Земли. 2001. № 11 С.50-61.

6. Большаков В.А. Проблема межледниковой 11-й морской изотопной стадии с позиций новой концепции орбитальной теории палеоклимата // Океанология. 2010. Т. 50. № 2. С. 236-247

7. Hays J. D., J. Imbrie, and N. Shackleton, Variation in the Earth's orbit: Pacemaker of the ice ages, Science // 194 (1976) 1121-1132

8. Imbrie J., Berger, A. Boyle A., et al., On the structure and origin of major glaciation cycles. 2.The 100,000-year cycle // Paleoceanography, 8 (1993) 699-735.

9. Большаков В.А. Капица А.П. Уроки развития орбитальной теории палеоклимата // Вестник РАН. 2011. Т. 81. № 7. С. 603-612

Некоторые публикации В.А. Большакова размещены на сайте географического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова (Лаборатория новейших отложений и палеогеографии плейстоцена)

http://www.geogr.msu.ru

Размещено на Allbest.ru