Причины таяния льдов Арктики. Астрономический фактор
Быстрое уменьшение площади северной полярной шапки — одна из наиболее очевидных и заметных климатических аномалий — свидетельствует о наличии значительного избытка тепловой энергии в годовом энергетическом балансе этой части планеты. По прогнозам, через несколько десятков лет полярная шапка может практически полностью исчезнуть. Но в чём причина такой аномалии? Наша планета постоянно совершает движения в поле тяготения Солнечной системы, которые приводят к значительным сдвигам в положении Земли относительно Солнца, что, в свою очередь, меняет характер её облучения, а вместе с этим — и климат.
Около ста лет назад сербский учёный (инженер, геофизик, климатолог и астроном) Милутин Миланкович представил научному сообществу астрономическую теорию колебаний климата. Теория эта стала итогом огромного труда по сбору, обобщению и сопоставлению данных о климате с известными из астрономии, но скрытыми от людского глаза движениями Земли: наклоном оси суточного вращения, её прецессии, а также изменениями эксцентриситета орбитального полёта вокруг Солнца. Проделать такую работу нелегко и сейчас, а тогда это был настоящий научный подвиг. В качестве вычислительных средств Миланкович использовал логарифмическую линейку и арифмометр.
В развитие идей этого замечательного учёного мы разработали астрономическую модель облучения Солнцем зон полярных суток Земли, находящихся в пределах Северного и Южного полярного круга. Модель объясняет причины таяния льдов Арктики и нынешнего потепления климата.
Движения земли в поле тяготения солнечной системы
Находясь в непрерывном гравитационном взаимодействии с Солнцем, Луной и другими телами Солнечной системы, наша планета, двигаясь по своей орбите, совершает сложное, имеющее множество составляющих, движение. Некоторые из этих движений приводят к изменениям расстояния от Земли до Солнца и угла падения солнечных лучей на земную поверхность. В результате, несмотря на практически постоянное количество солнечной энергии, ежегодно падающей на поверхность Земли (инсоляции), происходит непрерывный процесс её перераспределения: в некоторых регионах наблюдается относительный избыток энергии (профицит), тогда как в других возникает её относительный недостаток (дефицит).
Как различные движения Земли — собственные и орбитальные — влияют на инсоляцию её поверхности? Посмотрим на рисунок, где Земля показана в двух крайних положениях на эллиптической орбите её полёта вокруг Солнца: слева — в апогелии, то есть в точке максимального удаления от Солнца, а справа — в перигелии, то есть в точке минимального расстояния до светила (рис. 1). На рисунке ось суточного вращения Земли наклонена по отношению к перпендикуляру к плоскости орбиты Земли под углом 23,4°.
Самое заметное движение нашей планеты — суточное вращение Земли. Оно определяет смену дня и ночи. Хорошо ощутимы для человека также смены времён года в годичном цикле обращения планеты вокруг Солнца. Однако современные методы и средства астрономических измерений и баллистических расчётов показывают, что каждый пролёт Земли вокруг Солнца чуть-чуть отличается от предыдущего (рис. 2). С 2000 по 2040 год пиковые значения расстояний изменялись и будут изменяться в пределах от +5 до −7 тыс. км, что в сравнении со средним расстоянием от Земли до Солнца 150 млн км может казаться пренебрежимо малой величиной.
Незаметны для человека нутации земной оси — небольшие колебания, накладывающиеся на её прецессионное движение. Причина нутации оси — притяжение Луной и Солнцем экваториального избытка масс Земли. Сложное движение нашей планеты по орбите вокруг Солнца, а также Луны вокруг Земли приводит к изменению приливных сил, вызывающих нутацию, и, соответственно, к появлению во вращении Земли вариаций с различными периодами. Главная нутационная гармоника, имеющая период 18,6 года, определяется поворотом плоскости лунной орбиты. Амплитуда этой гармоники составляет около 17,2″ для нутаций в долготе (Δᴪ) и 9,2″ — для нутаций в наклоне (Δε). Нутационные колебания имеют и более высокочастотные гармоники с периодом до четырёх дней (рис. 3).
Прецессия земной оси — одно из долгопериодических колебаний в движении нашей планеты — идёт по конусу вокруг перпендикуляра к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца (эклиптики). В результате прецессии земная ось описывает в пространстве полный конус с вершиной в центре Земли. За счёт прецессии происходит медленное смещение времён года. По отношению к инерциальной системе координат период прецессии составляет 25 920 лет — древние греки называли его Великим или Платоновым годом. При обсуждении вопросов, связанных с климатом на Земле, необходимо учитывать ещё и прецессию эллипса орбиты в плоскости эклиптики с периодом около 140 тыс. лет, которая происходит в направлении, противоположном прецессии Земли. Биения этих двух видов прецессий вызывают изменение периода земной прецессии относительно Солнца, который варьируется от 10 до 32 тыс. лет. Нынешний период прецессии составляет 22 тыс. лет, предыдущий — 24 тыс. лет, следующий — 14 тыс. лет.
Наклон оси вращения Земли — причина смен времён года. Если бы наклон был равен нулю, то времена года отсутствовали бы, увеличение же наклонения привело бы к большему контрасту температуры между летом и зимой. Наклон оси вращения Земли также непостоянная величина. Он изменяется с периодом около 41 тыс. лет от 22,1 до 24,5°. Изменение наклона земной оси меняет границы и площадь Северного и Южного полярного круга, смещает границы других климатических зон — тропиков и субтропиков.
Непостоянен и эксцентриситет орбиты Земли. Период его изменений в пределах 0,077 до 0,003 составляет в среднем примерно 100 тыс. лет (рис. 4).
Не все знают, что кроме привычных для нас времён года — зимы, весны, лета, осени, характерных для высоких широт, — существует ещё один тип времён года, который можно назвать экваториальным (рис. 1). Напомним, что орбита Земли имеет форму эллипса. Когда планета входит в окрестности перигелия, наступает экваториальное лето: расстояние до Солнца уменьшается и приток солнечной энергии увеличивается. И наоборот, в окрестности апогелия расстояние до Солнца увеличивается, приток солнечной энергии уменьшается и наступает экваториальная зима. Разница в величине энергопритока во время экваториальных лета и зимы сегодня при эксцентриситете орбиты Земли 0,017 составляет 7%. В случае увеличения эксцентриситета, которое когда-нибудь произойдёт в будущем, при достижении им максимального значения 0,077 эта разница вырастет почти в три с половиной раза, то есть составит 27%.
Сведения об основных переменных составляющих движения Земли приведены в табл. 1.
В наше время наблюдается тенденция к одновременному снижению наклона земной оси и эксцентриситета орбиты планеты. Представления об особенностях орбитального движения Земли и об изменениях величин инсоляции её полярных зон за время одного периода прецессии даёт табл. 2.
Солнечная активность тоже имеет вариации по величине и характеризуется периодичностью, которая составляет 11, 22, 80, 200 и даже 2300 лет. Эти циклы накладываются на периоды, связанные с орбитальным движением планеты.
Здесь нелишне вспомнить Древнюю Грецию. Слово «климат» произошло от греческого слова «klima» (клима), что означает «наклон», то есть положение некоторой площадки по отношению к падающим на неё солнечным лучам. О том, что переменные параметры движения Земли могут влиять на инсоляцию земной поверхности, знал живший в IV веке до н. э. афинский мыслитель Платон. Он и другие учёные древности в исследованиях небесных светил искали ответы на земные вопросы. Гиппарх Никейский (II век до н. э.) создал первый каталог звёзд, вычислил расстояния от Земли до Луны и Солнца и размеры этих небесных тел. В то время уже существовали первые календари, а моряки начали использовать небесные светила в качестве ориентиров.
Позже, в начале XVIII века, был изобретён секстант — астрономический прибор, позволяющий измерять высоту Солнца или ярких звёзд над горизонтом. Идея этого прибора принадлежала Исааку Ньютону. Примерно в то же время в Англии начал выходить Морской альманах, содержавший поправки для наблюдений Солнца с использованием секстанта. С тех пор любой путешественник на суше и на море, имея секстант и хронометр, мог определить своё местоположение. Навигация стала одним из прикладных применений астрономии. Всё шло к тому, чтобы основы астрономии впитала в себя зарождающаяся в то время климатология.
Но вернёмся к автору астрономической теории колебаний климата Земли Милутину Миланковичу. Он хорошо знал о достижениях в области астрономии и их успешном применении в навигации и исчислении времени. Его теория, изложенная в книге «Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата», была тепло встречена современниками. Казалось бы, что уж теперь климатология будет развиваться с учётом астрономических знаний, но этого не случилось. Во всяком случае, в наше время такие астрономические термины, как прецессия, нутация и эксцентриситет, не входят в лексикон Межправительственной группы экспертов по изменению климата ООН (МГЭИК). Эти слова отсутствуют в итоговом отчёте МГЭИК за 2023 год1. Единственной причиной потепления климата МГЭИК считает антропогенный фактор — повышение содержания углекислого газа в атмосфере планеты, возникшее в результате сжигания человеком огромного количества углеводородного топлива. В документах МГЭИК не упоминается и имя М. Миланковича, что, как минимум, вызывает недоумение. Хотя всё это не помешало Европейскому геофизическому союзу, начиная с 1993 года, награждать учёных, внёсших значительный вклад в исследования долгосрочных климатических изменений, медалью его имени. А в 2000 году NASA внесло имя Милутина Миланковича в первую десятку выдающихся учёных, занимавшихся науками о Земле. Не забыта теория Миланковича и в современной России. Регулярно в научных изданиях появляются серьёзные аналитические работы российских исследователей, развивающие и уточняющие отдельные положения его теории с учётом новейших достижений науки2.
1. AR6 Synthesis Report: Climate Change 2023 (https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-cycle/).
2. См., например, Фёдоров В. М. Инсоляция Земли и современные изменения климата. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018.
Астрономическая модель инсоляции зон полярных суток земли
На Земле есть области, в которых смена дня и ночи происходит не раз в сутки, а значительно реже. Эти области — зоны полярной ночи и полярного дня — в наше время лежат выше 66,5° северной и южной широты. Длительность полярного дня и полярной ночи увеличивается от одних суток у полярного круга до примерно полугода на полюсах (с отклонениями в несколько суток из-за разной скорости движения Земли по орбите в летнее и зимнее время в Северном и Южном полушариях, а также из-за рефракции в атмосфере). Соответственно в течение года изменяется и площадь полярного дня и полярной ночи.
Годовой баланс инсоляции области полярного дня и излучения полярной ночи зависит от параметров орбиты Земли: наклонения ∆ ∆i, эксцентриситета е и угла прецессии λ. Периоды изменения этих параметров измеряются многими тысячелетиями и не кратны друг другу. Избыточное накопление тепловой энергии в течение года, то есть положительный энергобаланс (профицит), вызывает рост температуры и сокращение ледового покрова полярной шапки. Отрицательный годовой энергобаланс, то есть недостаток или дефицит тепловой энергии, ведёт к понижению температуры и увеличению площади ледового покрова. Усреднение процесса на большом интервале времени (при преобладании профицита или дефицита тепловой энергии) вызывает изменение температуры в окрестности соответствующих полярных шапок.
Разработанная нами астрономическая модель инсоляции зон полярных суток Земли