Циклы Миланковича, изменение наклона оси и эксцентриситеты орбит, влияющие на долгосрочные колебания климата
Основы орбитальных климатических систем
Краткосрочную погоду определяют местные атмосферные процессы, а долгосрочный климат формируется под влиянием более широких факторов, включая интенсивность солнечной радиации, концентрации парниковых газов и орбитальную геометрию. Для Земли даже небольшие изменения орбиты и ориентации могут перераспределить входящую солнечную радиацию между широтами и сезонами, значительно влияя на смену ледниковых и межледниковых периодов. Теория Миланковича, названная в честь сербского математика Милутина Миланковича, описывает, как эксцентриситет, наклон оси (обликуса) и прецессия вместе модифицируют распределение инсоляции (солнечного освещения) на протяжении нескольких десятков тысяч до нескольких сотен тысяч лет.
Это понятие актуально не только для Земли. Другие планеты и спутники также переживают климатические циклы, однако их характер зависит от местных орбитальных резонансов, наклона оси или массивных соседних планет. Больше всего данных у нас о Земле, поскольку здесь подробно проанализированы геологические и палеоклиматические записи. Далее обсуждаем основные орбитальные параметры, определяющие эти циклы, и доказательства, связывающие их с историческими колебаниями климата.
2. Орбитальные параметры Земли и циклы Миланковича
2.1 Эксцентриситет (100 000-летний цикл)
Эксцентриситет описывает, насколько орбита Земли эллиптическая. При большем эксцентриситете расстояния в перигелии (ближайшая точка к Солнцу) и афелии (самая дальняя точка) отличаются сильнее. Когда эксцентриситет близок к нулю, орбита почти круглая, и это различие уменьшается. Основные аспекты:
- Длительность цикла: эксцентриситет Земли меняется в основном с периодами около ~100 000 и ~400 000 лет, хотя существуют и дополнительные субциклы.
- Значение для климата: эксцентриситет модулирует амплитуду прецессии (см. далее) и немного изменяет среднее годовое расстояние от Солнца, хотя сам по себе оказывает относительно меньшее влияние на инсоляцию, чем изменения наклона оси. Однако вместе с прецессией эксцентриситет может усиливать или ослаблять сезонные различия в разных полушариях [1], [2].
2.2 Наклон оси (наклон, ~41 000-летний цикл)
Наклон оси – это угол наклона оси вращения Земли относительно эклиптики. В настоящее время он составляет около ~23,44°, но за ~41 000 лет меняется от ~22,1° до ~24,5°. Наклон сильно влияет на широтное распределение солнечного излучения:
- Больший наклон: полярные области летом получают больше солнечного излучения, увеличивается контраст сезонов. Больше летнего солнца в полярных регионах может способствовать таянию льда, замедляя рост ледяных покровов.
- Меньший наклон: летом полюса получают меньше тепла, поэтому лед, образовавшийся зимой, может сохраняться и на следующий год, создавая условия для расширения ледников.
Поэтому циклы наклона особенно связаны с ледниковыми процессами на полюсах, как показывают данные плейстоценовых ледников из ледяных кернов и морских отложений.
2.3 Прецессия (~19 000–23 000-летние циклы)
Прецессия – это колебание оси вращения Земли («эффект вращающегося волчка») и относительное положение перигелия орбиты относительно сезонов. Существует две основные составляющие, создающие цикл примерно в 23 000 лет:
- Осевая прецессия: ось вращения Земли медленно описывает траекторию в форме конуса (как волчок).
- Прецессия апсид: изменение положения эллиптической орбиты Земли относительно Солнца.
Если перигелий совпадает, скажем, с летом в Северном полушарии, то это полушарие испытывает более ярко выраженное лето. Такое расположение меняется примерно за ~21–23 тысячи лет, изменяя, в каком сезоне какое полушарие «встретит» перигелий. Эффект наиболее заметен при большем эксцентриситете – тогда сезонность между полушариями отличается сильнее [3], [4].
3. Связь циклов Миланковича с ледниковыми и межледниковыми периодами
3.1 Плейстоценовые ледниковые периоды
За последние ~2,6 млн лет (четвертичный период) климат Земли колебался между ледниковыми и межледниковыми периодами. За последние ~800 тыс. лет эти колебания происходили примерно каждые 100 000 лет, а в более ранней части плейстоцена доминировал период ~41 000 лет. Исследования морских отложений и ледяных кернов показывают закономерности, совпадающие с частотами Миланковича:
- Эксцентриситет: цикл ~100 тыс. лет соответствует наиболее выраженной модели оледенений в последних циклах.
- Наклон оси: цикл ~41 тыс. лет доминировал в раннем плейстоцене.
- Прецессия: сигналы ~23 тыс. лет очевидны в муссонных регионах и некоторых палеоклиматических показателях.
Хотя механизм сложен (включая влияние парниковых газов, циркуляции океанов и обратных связей альбедо ледников), изменение инсоляции, вызванное орбитой, является основной силой, определяющей цикличность ледяного объёма Земли. То, что в последнее время доминирует цикл в 100 тыс. лет, остаётся не до конца объяснённой загадкой («проблема 100 тыс. лет»), так как влияние только эксцентриситета невелико. Вероятно, сильное влияние оказывают ледяные покровы, CO2 и положительные обратные связи океанических процессов [5], [6].
3.2 Региональные отклики (например, муссоны)
Прецессия определяет сезонное распределение солнечной радиации, поэтому сильно влияет на интенсивность муссонов. Например, усиление летней инсоляции в Северном полушарии усиливает муссоны Африки и Индии, что могло вызвать «зеленую Сахару» в середине голоцена. Уровни озёр, пыльцевые записи и данные из пещерных отложений подтверждают такие орбитальные изменения муссонов.
4. Другие планеты и орбитальные изменения
4.1 Марс
Наклон оси Марса меняется ещё сильнее (до ~60° за миллионы лет), так как у него нет массивного спутника, стабилизирующего ось. Это резко меняет полярную инсоляцию, возможно, определяя перераспределение водяных паров в атмосфере или миграцию льда между широтами. Считается, что в прошлом эти циклы могли кратковременно создавать жидкую воду на Марсе. Исследования наклона Марса помогают объяснить происхождение полярных слоистых отложений.
4.2 Газовые гиганты и резонансы
Климат газовых гигантов меньше зависит от солнечной инсоляции, однако эксцентриситет их орбит и ориентация оси всё же немного меняются. Кроме того, взаимные резонансы между Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном изменяют их угловой момент и со временем могут вызывать небольшие изменения орбит, косвенно влияя на меньшие тела или кольцевые системы. Хотя такие явления редко называют «циклы Миланковича», принцип, что орбитальные вариации изменяют освещённость или затенение колец, в основном справедлив.
5. Геологические доказательства орбитальных циклов
5.1 Слоистость и цикличность осадков
В кернах морских отложений часто наблюдаются периодические изотопные изменения (δ18O – индикатор объёма ледников и температуры), обилие микрофоссилий или изменение цвета осадков, совпадающее с периодичностью Миланковича. Например, классическое исследование Хейса, Имбри и Шаклтона (Hays, Imbrie, Shackleton, 1976) связало данные по изотопам кислорода в морских отложениях с орбитальными изменениями Земли, сильно подтверждая теорию Миланковича.
5.2 Записи спелеотем и озёр
В континентальных регионах сталактиты и сталагмиты пещер (спелеотемы) накапливают информацию о осадках и температуре с разрешением до тысячи лет, часто свидетельствуя о муссонных изменениях, вызванных прецессией. Годичные слои озёр (варвы) также могут отражать более длительные циклы влажности и засухи, связанные с орбитальными вынужденными изменениями климата. Эти данные подтверждают периодические колебания, соответствующие орбитальному воздействию.
5.3 Ледяные керны
Полярные ледяные керны (в Гренландии, Антарктиде), охватывающие ~800 тыс. лет (а возможно в будущем – до ~1,5 млн лет), показывают изменения ледниковых и межледниковых периодов с циклом ~100 тыс. лет в новейшей истории, с вставками сигналов 41 тыс. и 23 тыс. лет. Замороженные пузырьки воздуха с CO2 количество прекрасно отражает взаимодействие атмосферных газов и орбит. Корреляция этих данных между температурой, парниковыми газами и орбитальными циклами подчёркивает, как эти силы влияют друг на друга.
6. Прогнозы будущего климата и тенденции Миланковича
6.1 Следующий ледниковый период?
Если бы не влияние человека, можно было бы ожидать, что через десятки тысяч лет Земля снова приблизится к новому ледниковому периоду по циклу ~100 тыс. лет. Однако антропогенный CO2 выбросы и парниковый эффект могут заметно отложить или даже отменить этот переход. Некоторые исследования показывают, что при сохранении высокого уровня CO2 уровень в атмосфере, начало следующего естественного ледникового периода можно отодвинуть на десятки тысяч лет.
6.2 Долгосрочное развитие Солнца
За сотни миллионов лет солнечная освещённость медленно увеличивается. В конечном итоге этот фактор превзойдёт влияние орбитальных циклов на жизнеспособность. Примерно через ~1–2 млрд лет солнечное излучение может вызвать неконтролируемый парниковый эффект, затмевая климат, модулируемый циклами Миланковича. Тем не менее в ближайшие геологические периоды (тысячи–сотни тысяч лет) орбитальные циклы останутся важными для климата Земли.
7. Более широкое значение и важность
7.1 Взаимодействия в системе Земли
Вынужденные изменения орбиты, хотя и существенные, часто переплетаются со сложными обратными связями: ледо-альбедо, обмен парниковыми газами с океанами и биосферой, изменения циркуляции океанов и др. Это сложное взаимодействие может вызывать пороги, резкие изменения или переходные эпизоды, которые обычно не объясняются только циклом Миланковича. Это показывает, что вариации орбиты действуют как "темп", но не являются единственной причиной климатического состояния.
7.2 Аналогии экзопланет
Влияние наклона оси, эксцентриситета и возможных резонансов актуально и для экзопланет. Некоторые экзопланеты могут испытывать экстремальные изменения наклона оси, если у них нет крупного спутника для обеспечения стабильности. Понимание того, как наклон или эксцентриситет влияют на климат, помогает исследовать пригодность экзопланет для жизни, связывая орбитальную механику с возможностью поддержания жидкой воды или стабильного климата.
7.3 Понимание и адаптация человека
Знания об орбитальных циклах помогают интерпретировать изменения окружающей среды в прошлом и предсказывать будущие естественные циклы. Хотя в ближайшее время антропогенное потепление климата будет более заметным, понимание естественных циклических тенденций крайне важно для лучшего понимания эволюции климата Земли на десятки и сотни тысяч лет, значительно превышающих возраст современной цивилизации.
8. Заключение
Климатические циклы планет (особенно Земли) в основном определяются изменениями эксцентриситета орбиты, наклона оси и прецессии, также известными как циклы Миланковича. Эти медленные и предсказуемые изменения формируют распределение инсоляции по широтам и сезонам, управляя чередованием ледниковых и межледниковых периодов в четвертичном периоде. Хотя обратные связи ледникового покрова, парниковых газов и океанской циркуляции усложняют прямую причинно-следственную связь, орбитальный «ритм» остается фундаментальным фактором долгосрочного климата.
С точки зрения Земли эти циклы значительно повлияли на историю плейстоценовых ледниковых периодов. Для других планет резонансные изменения оси или эксцентриситета также могут влиять на климатические условия. Понимание орбитальных изменений чрезвычайно важно для расшифровки климатических записей Земли в прошлом, прогнозирования возможных будущих природных климатических этапов и оценки того, как орбиты планет и оси вращения создают космический ритм, определяющий эволюцию климата в масштабах, значительно превышающих продолжительность человеческой жизни.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Milankovitch, M. (1941). Canon of Insolation and the Ice-Age Problem. K. G. Saur.
- Hays, J. D., Imbrie, J., & Shackleton, N. J. (1976). «Вариации орбиты Земли: метроном ледниковых эпох.» Science, 194, 1121–1132.
- Berger, A. (1988). «Теория Миланковича и климат.» Reviews of Geophysics, 26, 624–657.
- Imbrie, J., & Imbrie, J. Z. (1980). «Моделирование климатического отклика на орбитальные вариации.» Science, 207, 943–953.
- Laskar, J. (1990). «Хаотическое движение Солнечной системы: численная оценка размеров хаотических зон.» Icarus, 88, 266–291.
- Raymo, M. E., & Huybers, P. (2008). «Раскрывая тайны ледниковых эпох.» Nature, 451, 284–285.