Что случилось с климатом: читать начало книги онлайн

Всем известно, что Земля вращается вокруг Солнца. Возможно, многие помнят, что орбита не круговая, а представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Такое движение является частным решением задачи о гравитационном взаимодействии двух тел. В настоящее время эллипс лишь слегка отличается от круга. Его эксцентриситет (е) составляет 1,67 %. Кратчайшее расстояние от Земли до Солнца (в перигелии) – около 147 млн км, наибольшее (в афелии) – 152 млн км. Хотя орбита близка к круговой, планета получает около 351 Вт/м² в перигелии и 329 Вт/м² в афелии. Различия столь велики (более 6 %), потому что поток энергии уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Как известно, наклон земной оси определяет смену времен года. Эксцентриситет орбиты является дополнительным фактором, влияющим на сезонные изменения. Сейчас Земля проходит перигелий в начале января. Это несколько смягчает суровость зим и летнюю жару в Северном полушарии. То есть два фактора сезонности в Северном полушарии работают друг против друга. В Южном полушарии, напротив, сезонность, связанная с наклоном оси и с эксцентриситетом орбиты, усиливаются.

Эксцентриситет влияет и на продолжительность времен года. Согласно второму закону Кеплера Земля движется по орбите быстрее, когда находится ближе к Солнцу, то есть в январе быстрее, чем в июле. Поэтому лето в Северном полушарии на 4,66 дня длиннее зимы, а весна на 2,9 дня длиннее осени[23].

Под действием тяготения планет Солнечной системы, в первую очередь Юпитера и Сатурна, орбита Земли постоянно меняется – от почти круговой (e = 0,34 %) до изрядно вытянутой (e = 5,8 %). В изменениях эксцентриситета можно выделить две составляющие с периодами колебаний 100 тыс. и 400 тыс. лет. Эти изменения существенно не влияют на общее количество энергии, приходящей от Солнца за год, но сильно меняют ее сезонное распределение. В периоды максимального эксцентриситета различия в инсоляции в афелии и перигелии могут достигать 30 %.

Угол наклона земной оси составляет 23,4°. Однако возмущения со стороны Луны и Солнца приводят к его колебаниям в пределах от 22,1 до 24,5° с периодичностью в 41 тыс. лет. В настоящее время угол наклона оси уменьшается. Из этого следует, что Северный и Южный тропики[24] сдвигаются к экватору со скоростью 14,4 м/год, а Северный и Южный полярные круги – к полюсам. Умеренный пояс ежегодно прирастает на 1550 км². Чем больше наклон оси, тем сильнее выражены различия между зимой и летом.

Есть и еще одна особенность вращения Земли вокруг оси. Кто в детстве запускал юлу, наверняка заметил, что она вращается не строго вертикально. Верхняя точка оси юлы движется по окружности, а сама ось описывает конус. Этот тип движения называется прецессией. Прецессия оси – важная составляющая движения Земли. Причина ее – притяжение Луны и Солнца, периодичность – один оборот примерно за 26 тыс. лет. Сейчас земная ось смотрит на Полярную звезду, но со временем она будет указывать на Вегу.

Прецессия приводит к смещению точек равноденствия и солнцестояния по орбите по отношению к перигелию и афелию (рис. 2.2). Другими словами, она определяет, как взаимодействуют сезонность, связанная с наклоном оси, и сезонность, связанная с эксцентриситетом. Прецессия оси влияет на сезонность в те периоды, когда орбита имеет заметный эксцентриситет.

Прецессия оси не единственный фактор, определяющий смещение точек равноденствия по орбите. Сама орбита тоже изменяет свое положение в пространстве, этот процесс называется апсидальной прецессией, или прецессией перигелия. Сочетание двух составляющих движения приводит к среднему времени оборота точек равноденствия, равному 22 тыс. лет.

Рис. 2.2. Прецессия оси, прецессия перигелия, изменения эксцентриситета орбиты и наклона земной оси (Maslin, Ridgwell, 2005). Показаны изменения эксцентриситета, наклона оси, индекса прецессии за последний миллион лет (Berger, Loutre, 1991). Влияние прецессии характеризуется индексом esinΩ. Функция sinΩ описывает прецессию и меняется циклически от минус 1 до 1, e – эксцентриситет орбиты, определяет амплитуду индекса прецессии

Благодаря прецессии примерно через 11 тыс. лет Земля будет ближе всего к Солнцу в июле, а не в январе, как сейчас. Два фактора сезонности в Северном полушарии будут усиливать друг друга, а в Южном – ослаблять. Тогда в Северном полушарии сезонные различия будут более контрастными, а в Южном, напротив, более сглажены в сравнении с тем, что мы имеем сегодня.

Итак, эксцентриситет орбиты, наклон оси и ее направление меняются в разном ритме, их сочетание приводит к перераспределению солнечного тепла между широтами и сезонами. Общее количество солнечной энергии, поступающей на Землю за год, при этом существенно не меняется.

Адемар предположил, что причиной оледенения является прецессия равноденствий, то есть смещение точек равноденствия по орбите, вызванное прецессией земной оси. Он считал, что льды накапливаются в том полушарии, в котором зима длиннее. Значит, Северное и Южное полушария должны обледеневать поочередно, меняясь через 11 тыс. лет. Подтверждением теории служил ледяной покров Антарктиды – по Адемару, современная конфигурация орбитальных параметров способствовала его росту. Свои взгляды Адемар изложил в книге «Революции моря», опубликованной в 1842 г. Однако против теории Адемара выступили маститые ученые – Джон Гершель и Александр Гумбольдт. Они считали, что длительность сезонов не должна приводить к оледенениям, поскольку за год оба полушария получают одинаковое количество солнечной энергии. Причем оно одинаковое и сейчас, и 11 тыс. лет назад.

Дальнейшее развитие орбитальной теории связано с именем шотландца Джеймса Кролла (рис. 2.3). Судьба была к нему не слишком благосклонна. Кролл начинал свою деятельность как мастер по ремонту мельниц, потом работал столяром, продавцом в чайной лавке, управляющим отелем, страховым агентом. Все эти годы он занимался самообразованием, изучая теологию, механику, электрические и тепловые явления. К 38 годам он нашел себе место по душе – уборщиком в Андерсоновском университете в Глазго. Денег едва хватало, чтобы свести концы с концами, но зато Кролл получил доступ к университетской библиотеке. Именно там он познакомился с работой Адемара.

В отличие от Адемара, Кролл располагал расчетами французского математика Урбена Леверье. Леверье прославился тем, что, анализируя аномалии в движении Урана по орбите, на основании своих расчетов предсказал наличие неизвестной планеты, возмущающей ее траекторию, и указал ее местоположение. Поначалу коллеги отнеслись к расчетам Леверье скептически, и ему самому пришлось упрашивать их выполнить наблюдения. В итоге 23 сентября 1846 г. немец Иоганн Галле, согласившийся на предложение Леверье, открыл новую планету – Нептун. Помимо движения Урана по орбите, Леверье детально рассчитал изменения орбитальных параметров Земли и открыл, что наклон оси и эксцентриситет орбиты меняются периодически.

Рис. 2.3. Джеймс Кролл (1821–1890), автор первой научно обоснованной астрономической теории оледенений

Кролл, основываясь на расчетах Леверье, предположил, что фактором, определяющим периодичность оледенений, является эксцентриситет орбиты. Именно его колебания модулируют изменения инсоляции, связанные с прецессией равноденствий. Другими словами, раз в 100 тыс. лет, когда орбита сильно вытянута и при этом точка зимнего солнцестояния совпадает с афелием, зимы в одном полушарии сильно холоднее, чем в другом. По Кроллу, оледенения наступают поочередно то в одном, то в другом полушарии и продолжаются примерно по 10 тыс. лет. Когда эксцентриситет уменьшается, наступает межледниковье (рис. 2.4). Теория Кролла близка современным представлениям об орбитальном влиянии на климат. Но еще более важно, что Кролл первым обратил внимание на роль внутренних факторов в установлении ледникового периода, в частности на обратную связь лед – альбедо и на изменение системы ветров и течений. По Кроллу, как и по современным представлениям, орбитальные изменения играли роль не причины оледенений, а скорее спускового крючка, или триггера.

Научное сообщество оценило по достоинству работу Кролла; он получил место в Геологической службе Шотландии, где мог продолжить свои научные исследования и поддерживать контакты с видными учеными. В 1876 г. он был удостоен членства в Королевском обществе – британском аналоге Академии наук и получил степень почетного доктора в том самом университете, где не так давно натирал полы.

Рис. 2.4. Ледниковая теория Адамара (1842), Кролла (1875) и Миланковича (1941) (Paillard, 2001). Адемар учитывал в своей теории только прецессию равноденствий и считал, что критическим фактором является длительность сезонов. Кролл, в отличие от него, учел влияние эксцентриситета орбиты. Согласно Кроллу, критическим параметром является расстояние от Земли до Солнца во время зимнего солнцестояния (21 декабря). Если оно превышает критический порог, начинается наступление льдов в Северном полушарии. Если оно становится ниже минимального критического значения, то обледеневает Южное полушарие. То есть в периоды, когда орбита сильно вытянута, оледенения должны наблюдаться поочередно то в Северном, то в Южном полушарии. Если же эксцентриситет небольшой, наступает межледниковье. Миланкович учел влияние всех астрономических параметров и предположил, что лето, а не зима является критическим сезоном

Рис. 2.5. Милутин Миланкович (1879–1958)

Но по мере накопления фактов теория Кролла была отвергнута. Слабым ее местом оказалась хронология – по Кроллу, последнее оледенение должно было закончиться 80 тыс. лет назад, когда эксцентриситет орбиты уменьшился. Геологи в своих оценках, хоть и весьма ненадежных в ту пору, сходились на временно́м промежутке в 10 тыс. лет. Как впоследствии выяснилось, Кролл был очень близок к разгадке тайны периодических оледенений. Но его прозрения слишком сильно опередили развитие геологической науки. И когда астрономическая теория спустя столетие наконец получила убедительные подтверждения, о Кролле мало кто помнил. И теория, возможно не вполне справедливо, получила имя другого ученого – сербского инженера Милутина Миланковича (рис. 2.5).

Миланкович получил в 1904 г. докторскую степень в Технологическом институте в Вене, после этого пять лет работал инженером-строителем. Но интересы его были столь же далеки от строительства, как и интересы Кролла – от водяных мельниц. Миланковича влекло другое: он хотел объяснить климатическое прошлое и предсказать будущее Земли и других планет. И когда ему предложили место профессора прикладной математики в университете в родном Белграде, Миланкович согласился. В сравнении с Веной, одним из центров европейской научной мысли, Белград был провинцией, но здесь Миланкович получил возможность заняться тем, что его интересовало, – изучать орбитальное движение Земли, Марса и Венеры. Блестящее владение математикой и настойчивость в достижении цели позволили Миланковичу продвинуться дальше предшественников – Адемара и Кролла. Кроме того, Миланкович располагал новыми расчетами орбитальных параметров Земли за последний миллион лет, сделанными немецким математиком Людвигом Пильгримом (в то время как вычисления Леверье покрывали лишь 100 тыс. лет). И теперь Миланковичу нужно было рассчитать инсоляцию на каждой широте для разных сезонов. Он взялся за решение задачи, которое потребовало 30 лет напряженных трудов.

Убийство эрцгерцога Фердинанда застало Миланковича в родном городке Даль, где он проводил медовый месяц. Сейчас этот город находится в Хорватии, тогда же он принадлежал Австро-Венгрии. Миланкович как сербский гражданин был арестован и заключен в крепость Эссег. Но и в камере он продолжил работу: «Я пролистал страницы рукописи … затем вынул из кармана свою верную авторучку и начал писать и делать расчеты … Когда после полуночи я поднял голову, то не сразу понял, где нахожусь. Камера показалась временным приютом на долгом пути сквозь вселенную»[25]. К счастью, венгерские коллеги заступились за узника, и через полгода Миланковича выпустили и разрешили работать в Будапеште, с обязательством раз в неделю отмечаться в полиции. Четыре года войны он провел в читальном зале библиотеки Венгерской академии наук, продолжая свои расчеты.

В 1920 г. Миланкович опубликовал книгу «Математическая теория тепловых явлений, обусловленных солнечной радиацией». Геологи не обратили на нее внимания, но ее оценил по достоинству Владимир Кёппен, один из наиболее авторитетных климатологов того времени. Главное, что показал Миланкович, – колебания инсоляции были достаточно велики, чтобы вызвать масштабные климатические изменения. Миланковичу не хватало знаний в климатологии, поэтому сотрудничество с Кёппеном оказалось для него весьма плодотворным.

Кёппен высказал идею, что именно прохладное лето в высоких широтах Северного полушария, примерно на широте Архангельска (65° с. ш.), имеет критическое значение для роста ледников. Зима в этих широтах и так достаточно холодная, и не столь важно, сколько в зимний период выпадает снега. Если летом будет тепло – он все равно растает. Но если лето холодное, то выпавший за зиму снег не успевает растаять, и льды наступают. В Южном полушарии ледникам некуда расти за пределы Антарктиды, тогда как в Северном площадь ледников может существенно меняться. Предшественники Миланковича, Адемар и Кролл, считали зиму критическим сезоном для формирования льдов и из-за этого приходили к неверным выводам.

Миланкович полагал, что для роста ледников в Северном полушарии благоприятны периоды, когда наклон оси небольшой, летнее солнцестояние приходится на афелий и все это совпадает с большим эксцентриситетом орбиты (рис. 2.6). Согласно его теории оледенение происходит синхронно в обоих полушариях – в этом она принципиально отличалась от теорий Кролла и Адамара.

Рис. 2.6. Благоприятная конфигурация для роста (вверху) и таяния (внизу) ледников в Северном полушарии согласно Миланковичу

[23] Под астрономической зимой понимается период от зимнего солнцестояния (21–22 декабря в Северном полушарии) до весеннего равноденствия (20–21 марта). Лето начинается с летнего солнцестояния (21–22 июня) и заканчивается осенним равноденствием (22–23 сентября)

[24] Северный тропик определяет наиболее северную широту, на которой солнце может подняться в полдень в зенит. Это происходит раз в году, в день летнего солнцестояния.

[25] Цит. по (Имбри, Имбри, 1988).