Окна – 13.4.2017          Четвертое измерение

Прослушайте прогноз погоды.

«Астрономические данные показывают, что в течение ближайших 25-ти тысяч лет инсоляция на 65-м градусе северной широты будет постепенно возрастать. Поскольку эксцентриситет земной орбиты будет в ближайшие 50 тысяч лет только уменьшаться, это увеличение инсоляции будет вызвано, главным образом, изменениями в обликвити.  На протяжении ближайших 50-ти тысяч лет не предвидится такого уменьшения инсоляции на 65-м градусе северной широты, которое могло бы спровоцировать очередной ледниковый период».

Не правда ли, вполне утешительно. Но вряд ли вполне понятно. Попробую объяснить.

Многим известно, что в далеком прошлом Земля пережила по меньшей мере пять невероятно длительных ледниковых эпох. Последняя из них, Четвертичная, началась примерно 2.5 млн лет назад, и мы в ней живем. Ее климатическая история, разумеется, изучена лучше всех остальных, и мы уже знаем, что в ней то и дело повторялись затяжные эпизоды наступления и отступления ледников. Эта повторяемость давно интриговала ученых, и уже в 19-м веке было высказано предположение, что она как-то связана с периодическими изменениями в движении Земли вокруг Солнца. В 1924-41 гг. сербский ученый Миланкович разработал «теорию циклов», согласно которой смена климатических эпох на Земле имеет циклический характер, что обусловлено, в основном, тремя такими факторами:

во-1х, уменьшением и увеличением эксцентриситета (вытянутости) земной орбиты, которое происходит с периодом около 100 тысяч лет

во-2х, увеличением или уменьшением наклона оси Земли к плоскости ее орбиты (т.н. «обликвити»), которое происходит с периодом примерно 41 тысяча лет

и в-3х, вращением земной оси вокруг некого среднего положения (т.н. «осевая прецессия») и колебаниями плоскости земной орбиты около некого среднего положения (т.н. «орбитальная прецессия»), общий период которых составляет около 21 тысячи лет.

Эти «астрономические изменения», по Миланковичу, вызывают периодические –многовековые, годичные и даже сезонные - изменения количества солнечного тепла (инсоляции), приходящего на 65-й градус северной широты, потому что именно здесь самое «чувствительное место» Земли – именно здесь всегда в прошлом начинали возникать и отсюда расползались самые массивные ледники. Как же меняет эту инсоляцию каждый отдельный фактор? Начнем с эксцентриситета. Он у Земли мал, т.е. ее орбита очень близка к круговой. В настоящее время Земля на 3% (4.5 млн км) ближе в Солнцу в перигелии (ближайшей к нему точке орбиты), чем в афелии (самой дальней). Эту ближайшую точку она проходит в январе, когда в северном полушарии зима. Например, вытянутость (эксцентриситет) земной орбиты означает, что в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) Земля получает больше тепла, чем в афелии (самой дальней точке). Эта разница составляет сейчас около 3,3 %.  Сейчас Земля проходит перигелий 3 января, когда в северном полушарии зима, а афелий – 4 июля, летом. (Через 60 тысяч лет это будет наоборот). И поскольку северное полушарие получает зимой больше тепла, температурная разница сезонов слегка сглаживается. (Понятно, что в южном  полушарии вытянутость земной орбиты ведет к более резкому температурному различию между летом и зимой). Кроме того, вытянутость орбиты влияет на продолжительность сезонов. Как обнаружил когда-то Кеплер, скорость движения Земли в перигелии слегка больше, чем в афелии. Поскольку северное полушарие проходит (сейчас) перигелий зимой, т.е. с большей скоростью, то зимние месяцы у нас слегка укорачиваются по сравнению с летними (примерно на 4-5 дней), и за счет этого она получает добавочное тепло. Но в глобальном масштабе это покрывается противоположным влиянием вытянутости на южное полушарие. (Впрочем, тепло на северном полушарии используется более «эффективно», потому что там больше суши, которую легче согреть, чем океаны).

Однако эксцентриситет земной орбиты, как уже сказано, не остается постоянным (в силу воздействия других планет). Он был самым большим примерно 30 тысяч лет назад, и тогда его влияние на сезонные циклы было более существенным, сейчас он мал и будет уменьшаться еще примерно 20 тысяч лет, так что сезонные различия в будущем должны, в принципе, стать еще меньше, лето – еще холоднее, и тенденция к росту ледников – еще более  выраженной. Но само по себе, количественно, это медленное, растянутое на 100 тысяч лет изменение сезонных различий под влиянием изменений эксцентриситета довольно мало – главную роль в формировании земного климата играют наклон земной оси и ее прецессия.  Сама смена сезонов на планете возникает в силу этого наклона. В январе, когда, как мы видели, Земля (сейчас) получает больше тепла, чем в июле, северное полушарие, в силу наклона оси, слегка отвернуто от Солнца (а южное, наоборот, более подставлено под его лучи), и поэтому в северном полушарии зима холоднее (хотя и смягченная большей близостью Земли к Солнцу). А в июле, напротив, северное полушарие наклонено в сторону Солнца, а южное отвернуто от него – сезоны там и там меняются. Иными словами, смена сезонов обусловлена тем, что разница в количестве тепла, получаемого при том или ином наклоне оси, куда больше, чем разница за счет большей или меньшей близости Земли к Солнцу. Подобно эксцентриситету, наклон земной оси, тоже меняется со временем – от 22.1 до  34 градусов, что тоже сказывается на температурной разнице сезонов (в одном и том же полушарии), причем сильнее, чем изменение эксцентриситета. Сейчас ось Зсмли находится как раз в среднем положении (23.5 градуса), и в будущем ее наклон будет только уменьшаться, пока в 11800-м году достигнет минимума (8700 лет назад этот наклон был максимальным). Чем меньше этот наклон, тем сглаженней температурная разница сезонов (зима становится теплее, а лето прохладней), то есть мы и в этом отношении находимся на траектории, ведущей к холодам.

Тут есть, одна очень важная деталь. Когда Земля повернута данным полушарием к Солнцу, (т.е. в этом полушарии лето и оно получает больше тепла), и при этом ее ось тоже наклонена больше к Солнцу, полярные области выигрывают чуть больше тепла, чем  умеренные, и лето в полярных районах еще более резко отличается по температуре от зимы, чем в умеренных районах. И наоборот, если наклон оси меньше, то полярные области летом нагреваются меньше и лед в них меньше тает. А поскольку лед больше отражает солнечный свет, то уменьшение наклона оси приводит к большей потере тепла в северных районах и ко все большему, с каждым годом, росту льдов. Т.к поскольку именно здесь сосредоточены основные льды и снега планеты, то можно сказать, что уменьшение наклона земной оси ведет к росту ледников сразу по двум причинам –из-за уменьшения общей летней инсоляции и из-за дополнительного ее уменьшения в полярных областях.

И наконец, о прецессии. Ось Земли описывает конус, так что оба полюса совершат полный оборот по окружности каждые 21 тысячу лет. При этом соответственно меняется та звезда, на которую смотрит данный полюс. Сейчас Земля находится почти в середине этого  (третьего) цикла Милановича, и ее северный полюс смотрит на Полярную звезду, но через 13 тысяч лет он будет смотреть на звезду Вега. Эта прецессия земной оси вызвана совместным приливным действием Луны и Солнца на Землю. Она тоже влияет на степень резкости температурных различий между летом и зимой. Сейчас, как уже говорилось выше, Земля проходит перигелий 3 января, когда в южном полушарии лето, т.е. когда оно больше повернуто к Солнцу. Поэтому оно получает две прибавки тепла – из-за большей близости к Солнцу (перигелий!) и из-за выгодного для него наклона земной оси. Эти прибавки складываются. Зимой это полушарие будет в дважды невыгодном положении – и в афелии, и более отвернутое от Солнца, так что зима там будет холоднее обычного. В целом это даст более резкую разницу между зимой и летом. В северном полушарии ситуация обратная: оно проходит перигелий зимой, когда его поверхность, в силу того же наклона оси, отвернута от Солнца, и эта отвернутость от источника тепла погашает прибавку тепла в перигелии. Здесь различия в сезонах сглаживаются. Через 13 тысяч лет положение будет обратным, но сейчас и этот фактор работает на менее теплое лето, т.е. в сторону холодов.

Заметим важную деталь: главные причины потеплений-похолоданий (обликвити и прецессия) работают в – северном, главном с точки зрения ледников полушарии) в сторону похолодания. Но через половину их цикла, т.е. в течение ближайших 10-20 тысяч лет, они начнут работать  в обратном направлении. Так что прогноз, с которого я начал эту заметку, убедителен. Но вот в ближайшей перспективе дело выглядит иначе. Все вышеприведенные рассуждения говорят о том, что для потепления северного полушария нужно, чтобы земная орбита имела самый большой возможный эксцентриситет, самый большой возможный наклон оси и проходила через перигелий летом. А что мы имеем сегодня (и в ближайшем будущем)? Мы видим, что все наоборот -, северное полушарие проходит перигелий зимой, наклон оси уменьшается, эксцентриситет тоже. Должно было бы холодать, а в действительности средние температуры с каждым годом растут. И ученые говорят об угрозе глобального потепления. Что же, они не верят в циклы Миланковича?

Нет, это не так. Многочисленные факты, полученные путем анализа древних отложений в скалах и на дне океанов убедительно подтвердил теорию циклов Миланковича, и она обрела широкое научное признание. Но ее совпадение с фактами является неполным, и потому остается ряд нерешенных проблем. Примером тому может служить хотя бы т.н. «Проблема 100 тысяч лет»: как мы говорили, теория Миланковича предсказывает, что изменения в эксцентриситете орбиты должны влиять на инсоляцию меньше, чем прецессия или обликвити, а тем не менее новейшие исследования показали, что за последний миллион лет ледниковые эпохи повторялись с периодом в 100 тысяч лет, что как раз характерно для изменений в эксцентриситете. Есть и непонятный факт «Смены периодов»: оказалось, что нынешний 100-тысячелетний цикл ледниковых эпох установился только 1 млн лет назад, а до этого цикл, по какой-то загадочной причине,  составлял 41 тысячу лет. Но главное состоит в том, что теория Миланковича совершенно не учитывает влияния на вышеописанный общий сценарий доброго десятка вторичных факторов, уже земного происхождения: влияния на климат океанских и воздушных течений, растительности, движения континентальных плит, озона, вулканических извержений и т.д.. А прежде всего такого рукотворного, чисто антропогенного фактора, как влияние парниковых газов (водяные пары, метан, углекислый газ и т.п.), которые не пропускают отраженное Землей тепло, уходящее в космос в виде инфракрасного излучения.  

Если ученые правы и нынешнее глобальное потепление окажется неостановимым, это будет означать, что наша человеческая деятельность стала достаточно мощной, чтобы – пусть на какое-то время – противодействовать могучим орбитальным факторам, толкающим планету к похолоданию. Этот важный урок следует понять, запомнить и принять во внимание.

Рафаил Нудельман