Причины становления ледниково-криогенных периодов

В истории планеты изменения климата происходили с различными циклами продолжительностью от сотен миллионов до тысяч и менее лет. Среди глобальных факторов можно назвать внешние: космические и планетарные. Космические факторы оказывают влияние на всю солнечную систему в целом и Землю в частности. К ним в первую очередь относится изменение положения Солнечной системы в мировом пространстве. Считается установленным, что движение Солнца вокруг центра галактики происходит с периодом около 200 млн. лет (от 176 до 215 по различным оценкам). При своем орбитальном движении Солнечная система пересекает потоки струйного вещества, имеющие повышенную плотность материи. Воздействие космической массы на Землю является причиной крупных геологических и климатических изменений на ней. Именно поэтому существование и распад суперконтинентов (Пангея, Гондвана, Лавразия) соответствует этому периоду.

Внутри галактического года отмечается цикличность с периодом от 30 до 70 млн лет, которая может отвечать сезонам «года». С циклами галактического года хорошо коррелируется хронология ледниковых событий. Существуют и более короткие периоды, обусловленные прохождением Солнечной системой определенных участков Мирового пространства.

В соответствии с выделенными циклами внутри ледниковых эр (см. выше) выделяются криогенные периоды с меньшей продолжительностью. Например, в позднепротерозойской эре (Ершов, 2002): конголезский (900-800 млн. л.н.), стертский (750-720 млн.л.н.) и лапландский (670-630 млн. л. н.); в палеозойской: позднеордовикский-раннесилурийский (460-420 млн.л.н.), позднедевонский (370-355 млн.л.н.) и карбон-пермский (350-230 млн.л.н.). Движение материков накладывало свой отпечаток на развитие оледенений (похолоданий) той или иной части Земного шара.

В кайнозойской эре начался новый ледниково-криогенный период. Еще в середине палеогена (эоцен) на Земле было очень тепло и тогдашний климат можно сравнить с мезозойским – периодом расцвета динозавров. Но уже с конца палеогена отмечается устойчивый тренд к похолоданию. Наиболее холодные времена наступили в плиоцене и особенно в плейстоцене. Установлено, что на общем фоне снижения температуры периодически наступали более теплые и более холодные эпохи.

С чем связаны эти изменения климата? Причин, вероятно, много и не все они установлены. Среднепериодные колебания связаны, по-видимому, с особенностями орбитального движения Земли вокруг Солнца. Сербский ученый Милутин Миланкович объяснил длительные периоды потеплений и похолоданий климата Земли изменениями приходящей солнечной радиации вследствие вариации характеристик параметров земной орбиты, а именно: эксцентриситета орбиты, наклона земной оси к плоскости эклиптики и прецессии земной оси вращения. Теория была предложена в 30-х годах прошедшего столетия и получила подтверждение в результате изотопно-кислородных измерений в колонках глубоководных морских осадков.

Самый короткий период колебаний из названных элементов имеет прецессия (предварение равноденствий). Прецессия земной оси приводит к взаимному изменению положения точек зимнего и летнего солнцестояния относительно перигелия орбиты. Собственный период этого колебания составляет около 26 тыс. лет, но из-за возмущающего действия планет повторяемость взаимного положения перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния происходит через 21 тыс. лет (Климатология, 1989). В результате прецессии Земная ось описывает в пространстве конус с углом при вершине около 47 градусов (конический волчок). При этом вращении наклон оси к плоскости орбиты не меняется (рис. 2.1).

Если сейчас северный полюс Мира находится около Полярной звезды в созвездии Малой медведицы, то через полупериод он будет находиться вблизи одной из ярчайших звезд северного полушария − Вега (созвездие Лиры). В настоящее время перигелий (ближайшее расстояние до Солнца) в северном полушарии приходится на зиму, а в южном – на лето. Поэтому у нас сейчас более теплая и короткая зима и относительно длинное и прохладное лето по сравнению с южным полушарием. Продолжительность сезона определяется тем, что в перигелии скорость движения планеты выше, чем в афелии (вспомним законы Кеплера). Примерно через 12 тыс. лет полушария поменяются местами. В целом же на климат всей Земли явление прецессии (без учета других факторов) не влияет.

Рис.2.1. Прецессия Земной оси.

Более длительный (41 тыс. лет) и более значимый для климата является период колебаний угла наклона земной оси к нормали плоскости эклиптики, который составляет в среднем около 23.5⁰, изменяясь от 22, 07 до 24, 6° (Климатология, 1989). Это значит, что широта тропиков и полярных кругов колеблются в пределах 2.5°, или в зоне шириной почти 300 км.

Одним из важнейших элементов, влияющих на формирования климата Земли, является эксцентриситет орбиты. Он определяет вытянутость эллиптической орбиты и находится из соотношения:

е² = 1 - , (2.1)

где а и в – соответственно большая и малая полуоси эллипса.

Изменение эксцентриситета приводит к изменению расстояния между планетой и Солнцем, а, следовательно, и приходу лучистой энергии к земной поверхности. На Землю поступает 1.37 кВт/м² энергии, когда она находится на среднем от него расстоянии. Эта величина называется солнечной постоянной (I₀). При любом другом расстоянии поток энергии от Солнца определяется соотношением

I^* = I₀ , ошибка (2. 2)

r и r₀ – соответственно текущее и среднее расстояние между Светилом и Землей. Это расстояние в перигелии будет равно r_п = r₀(1 – е), а в афелии – r_а = r₀(1 + е). Используя выражения 2.1 и 2.2, находим разность потока солнечной энергии, поступающей на единицу площади земной поверхности в крайних точках орбиты:

I* = I*_п - I*_а = 4еI₀

Таким образом, нетрудно подсчитать, что при существующих изменениях эксцентриситета от 0, 0007 до 0, 0658 (сейчас он равен 0, 017) величина I меняется от 7 до 27% солнечной постоянной. При максимальном эксцентриситете в перигелии на Землю поступает на четверть энергии больше, чем в афелии! Периоды колебаний эксцентриситета равны 0, 1, 0, 425 и 1, 2 млн. лет. Если перигелий и точка зимнего солнцестояния совпадают, в северном полушарии будет наблюдаться короткая и теплая зима и долгое прохладное лето; если же с перигелием будет совпадать точка летнего солнцестояния, то в северном полушарии будет наблюдаться жаркое лето и продолжительная холодная зима, а в южном наоборот. В этом проявляется влияние прецессии на климат, т.е. при наложении двух видов колебаний орбитальных параметров. Длительное прохладное и влажное лето является благоприятной предпосылкой для роста ледников в полушарии, где сосредоточена основная часть суши.

Выделяются и более короткие циклы в колебаниях климата (от 1800 до нескольких десятков лет), причину которых следует, вероятно, искать в меняющейся солнечной активности.

Важную роль играют и внутренние климатообразующие факторы: состав и подвижность атмосферы, состав и объем гидросферы, особенности распространения суши и океана, состояние криосферы, вулканическая деятельность и пр.

Звенья климатической системы имеют разные физические свойства. Например, в гидросфере, 97, 2% объема которой сосредоточено в Мировом океане, находится 1.43 ^× 10²¹ кг массы воды, Это в 275 раз больше массы атмосферы. Вследствие высокой теплоемкости воды, Мировой океан является хорошим аккумулятором солнечной энергии, значительная часть которой передается затем в атмосферу в виде потоков скрытого и явного тепла. Несмотря на то, что перемещение вещества в гидросфере на порядки ниже, чем в атмосфере, ее следует признать очень подвижной средой. Различные океанические течения распределяют огромные тепловые потоки по земному шару. Классический пример: влияние теплого течения Гольфстрим на климат северной части Европы.

Важным звеном климатической системы является криосфера, включающая в себя на поверхности Земли ледники, снежный покров и морские льды. Она в настоящее время занимает около 25% территории суши или 10% поверхности Земли (59 млн. км²). Основная масса льда приходится на Антарктиду. Площадь антарктического льда составляет 90% площади всех ледников. На Арктику приходится 8% площади ледников и на горные районы континентов – 2% (Климатология, 1989).

Большие пространства на земном шаре занимают морские льды, развитые преимущественно в приполярных широтах. Их площадь составляет в среднем 26 млн. км². Площадь полей морского льда испытывает колебания не только по сезонам года, но и на протяжении ряда лет. Увеличение плановых размеров ледников и площадей, занятых снежным покровом, в эпохи похолоданий сказывается на еще бó льшее понижение температуры приповерхностных слоев атмосферы в силу высокой отражательной способности поверхности (высокое альбедо).

Некоторые эпохи похолоданий ряд исследователей связывают с вулканической деятельностью. Так, например, ко времени «малого ледникового периода» относятся повышенной мощности слои кислых продуктов извержений в недрах ледников. Самый большой уровень осаждений фиксировался с 1260 по 1470 и с 1570 по 1670 годы. Между тем вулканы играют двоякую роль в изменении климата. В первые годы после крупных извержений повышается запыленность атмосферы, в результате чего поток солнечной радиации ослабевает. Поскольку вулканы наряду с твердыми продуктами выбрасывают в атмосферу большие объемы газов, в значительной степени двуокись углерода, и водяной пар, создаются предпосылки для возникновения парникового эффекта. В конечном итоге вулканическая деятельность приводит к повышению температуры поверхности Земли. Первейшую роль в формировании климата вулканы играли на ранних этапах развития Земли. Можно предполагать, что в исторический период времени влияние вулканической деятельности на климат могло прослеживаться в течение нескольких десятков и даже сотен лет.

Взаимодействие всех звеньев климатической системы весьма многообразно и далеко еще не изучено. Многие климатические циклы различной продолжительности выделяются на основе фактических материалов исследований, но далеко не всегда установлена причина этих колебаний.