Введение

Глобальные климатические циклы

Циклы Миланковича описывают совокупное влияние изменений в движении Земли на её климат на протяжении тысяч лет. Этот термин был предложен и назван в честь сербского геофизика и астронома Милутина Миланковича. В 1920-х годах он предположил, что изменения эксцентриситета, наклона оси вращения и прецессии, действуя совместно, приводят к циклическим изменениям годового и широтного распределения солнечной радиации на поверхности Земли, и что это орбитальное воздействие оказывает существенное влияние на климатические закономерности Земли.

Движения Земли

Ротация Земли вокруг своей оси и вращение вокруг Солнца изменяются со временем из-за гравитационного взаимодействия с другими телами Солнечной системы. Эти изменения сложны, но выделяются несколько доминирующих циклов. Орбита Земли колеблется между почти круглой и умеренно эллиптической (её эксцентриситет изменяется). Когда орбита становится более вытянутой, расстояние между Землей и Солнцем, а также количество солнечного излучения, в разное время года значительно меняются. Кроме того, слегка изменяется наклон оси вращения Земли (её обликвитет). Увеличение наклона приводит к более выраженным сезонным колебаниям. Наконец, направление, указываемое осью Земли на неподвижные звезды, меняется (аксиальная прецессия), а также вращается эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца (апсидная прецессия). Комбинированный эффект прецессии и эксцентриситета заключается в том, что максимальная близость к Солнцу приходится на разные астрономические сезоны. Миланкович изучал изменения в этих движениях Земли, которые влияют на количество и распределение солнечной радиации, достигающей Земли. Это явление известно как солнечная радиационная принуждающая сила (пример радиационной принуждающей силы). Миланкович особо выделял изменения, наблюдаемые на 65° северной широты, из-за значительной площади суши на этой широте. Суша нагревается и остывает быстрее, чем океаны, из-за перемешивания поверхностных и глубинных вод, а также из-за более низкой теплоемкости почвы по сравнению с водой.

Эксцентричность орбиты

Орбита Земли приближается к эллипсу. Эксцентриситет измеряет отклонение этого эллипса от окружности. Форма орбиты Земли варьируется от почти круговой (теоретически эксцентриситет может достигать нуля) до умеренно эллиптической (максимальный эксцентриситет за последние 250 миллионов лет составлял 0,0679). Его геометрическое или логарифмическое среднее равно 0,0019. Основной компонент этих вариаций имеет период 405 000 лет (изменение эксцентриситета ±0,012). Другие компоненты характеризуются циклами в 95 000 и 124 000 лет.

Относительное увеличение солнечной радиации в перигелии (точке наибольшего сближения с Солнцем) по сравнению с радиацией в афелии (точке наибольшего удаления от Солнца) немного превышает четыре эксцентриситета. Для текущего эксцентриситета орбиты Земли входящее солнечное излучение изменяется примерно на 6,8%, в то время как расстояние до Солнца в настоящее время изменяется всего на 3,4%. Перигелий в настоящее время приходится примерно на 3 января, а афелий – примерно на 4 июля. Когда орбита достигает максимального эксцентриситета, количество солнечной радиации в перигелии будет примерно на 23% больше, чем в афелии. Однако эксцентриситет Земли настолько мал (по крайней мере, в настоящее время), что изменение солнечной радиации является незначительным фактором сезонных климатических изменений по сравнению с наклоном оси вращения и даже с относительной легкостью прогрева крупных суш северного полушария.

Влияние на продолжительность сезонов

+ Продолжительность сезонов Год Северное полушарие Южное полушарие Дата (UTC) Продолжительность сезона2005 Зимнее солнцестояниеЛетнее солнцестояние 21 декабря 2005 18:35 88.99 дней2006 Весеннее равноденствиеОсеннее равноденствие 20 марта 2006 18:26 92.75 дней2006 Летнее солнцестояниеЗимнее солнцестояние 21 июня 2006 12:26 93.65 дней2006 Осеннее равноденствиеВесеннее равноденствие 23 сентября 2006 4:03 89.85 дней2006 Зимнее солнцестояниеЛетнее солнцестояние 22 декабря 2006 0:22 88.99 дней2007 Весеннее равноденствиеОсеннее равноденствие 21 марта 2007 0:07 92.75 дней2007 Летнее солнцестояниеЗимнее солнцестояние 21 июня 2007 18:06 93.66 дней2007 Осеннее равноденствиеВесеннее равноденствие 23 сентября 2007 9:51 89.85 дней2007 Зимнее солнцестояниеЛетнее солнцестояние 22 декабря 2007 06:08

Сезоны – это четверти земной орбиты, определяемые двумя солнцестояниями и двумя равноденствиями. Второй закон Кеплера гласит, что тело на орбите описывает равные площади за равные промежутки времени; его орбитальная скорость максимальна в перигелии и минимальна в афелии. Земля проводит меньше времени вблизи перигелия и больше времени вблизи афелия. Это означает, что продолжительность сезонов варьируется. Нынешняя тенденция к уменьшению наклона сама по себе будет способствовать более мягким сезонам (более теплым зимам и более холодным летам), а также общей тенденции к охлаждению. Апсидальная прецессия происходит в плоскости эклиптики и изменяет ориентацию земной орбиты относительно эклиптики. Это происходит главным образом в результате взаимодействия с Юпитером и Сатурном. Небольшой вклад также вносят сплюснутость Солнца и эффекты общей теории относительности, хорошо известные по Меркурию. Апсидальная прецессия в сочетании с 25 700-летним циклом осевой прецессии (см. выше) изменяет положение Земли в году, когда она достигает перигелия. Апсидальная прецессия сокращает этот период примерно до 21 000 лет. Согласно относительно старому источнику (1965 год), среднее значение за последние 300 000 лет составляло 23 000 лет, варьируя от 20 800 до 29 000 лет.

Теоретические ограничения

Материалы, извлеченные из земной коры, изучались для реконструкции циклов прошлого климата. Антарктические ледяные керны содержат захваченные пузырьки воздуха, соотношение различных изотопов кислорода в которых является надежным индикатором глобальных температур в момент формирования льда. Исследование этих данных позволило заключить, что климатические изменения, зафиксированные в ледяных кернах, обусловлены инсоляцией Северного полушария, как и предполагалось в гипотезе Миланковича. Схожие астрономические гипотезы выдвигались еще в XIX веке Жозефом Адхемаром, Джеймсом Кроллом и другими учеными. Анализ кернов глубоководных отложений и глубин озер, а также основополагающая работа Хейса, Имбри и Шеклтона, предоставляют дополнительные подтверждения, основанные на физических доказательствах. Климатические записи, содержащиеся в 518,16-метровом керне горных пород, извлеченном в Аризоне, демонстрируют закономерность, синхронизированную с эксцентриситетом орбиты Земли, и керны, извлеченные в Новой Англии, соответствуют ей, уходя в прошлое на 215 миллионов лет.

100 000-летний выпуск

Из всех орбитальных циклов Миланкович считал, что наклон оси вращения оказывает наибольшее влияние на климат, изменяя количество солнечной радиации, достигающей северных высоких широт летом. Поэтому он вывел период в 41 000 лет для ледниковых периодов. Однако последующие исследования показали, что циклы оледенений четвертичного периода за последний миллион лет имеют период в 100 000 лет, что соответствует циклу эксцентриситета. Для объяснения этого расхождения было предложено несколько гипотез, включая частотную модуляцию или различные механизмы обратной связи (например, связанные с углекислым газом или динамикой ледяных щитов). Некоторые модели способны воспроизводить 100 000-летние циклы как результат нелинейного взаимодействия между небольшими изменениями на орбите Земли и внутренними колебаниями климатической системы. В частности, для описания этого взаимодействия изначально был предложен механизм стохастического резонанса. Юнг Ын Ли из Университета Брауна предполагает, что прецессия влияет на количество энергии, поглощаемой Землей, поскольку большая способность Южного полушария к образованию морского льда приводит к отражению большего количества энергии обратно в космос. Более того, по словам Ли, "Прецессия имеет значение только при большой эксцентриситете. Именно поэтому мы наблюдаем более выраженный 100 000-летний цикл, чем 21 000-летний". Некоторые исследователи утверждают, что продолжительность климатических записей недостаточна для установления статистически значимой связи между климатом и вариациями эксцентриситета.

Переходные изменения

С 1–3 миллионов лет назад климатические циклы соответствовали 41 000-летнему циклу в наклоне оси вращения Земли. После одного миллиона лет назад произошел Среднеплейстоценовый переход (MPT) с переходом к 100 000-летнему циклу, соответствующему эксцентриситету. "Проблема перехода" заключается в необходимости объяснить, что изменилось около миллиона лет назад. В настоящее время MPT удается воспроизвести в численных моделях, учитывающих тенденцию к снижению концентрации углекислого газа и удаление реголита под воздействием оледенений.

Интерпретация неразделенных пиковых отклонений

Даже хорошо датированные климатические записи за последние миллион лет не полностью совпадают с формой кривой эксцентриситета. Эксцентриситет имеет составные циклы продолжительностью 95 000 и 125 000 лет. Однако некоторые исследователи утверждают, что в этих записях не прослеживаются эти пики, а наблюдается лишь один цикл в 100 000 лет. Разделение между двумя компонентами эксцентриситета, тем не менее, зафиксировано как минимум один раз в керне, извлеченном из 500-миллионолетнего скандинавского алюминиевого сланца.

Наблюдение на пятой стадии

Образцы керна, извлеченные из глубоководья, показывают, что межледниковый период, известный как стадия морских изотопов 5, начался 130 000 лет назад. Это на 10 000 лет раньше, чем предсказывается солнечным воздействием согласно гипотезе Миланковича. (Это также известно как проблема причинно-следственной связи, поскольку эффект предшествует предполагаемой причине.)

Современные и будущие условия

Поскольку орбитальные вариации предсказуемы, любая модель, связывающая орбитальные вариации с климатом, может быть использована для прогнозирования будущего климата, с двумя оговорками: механизм, посредством которого орбитальное воздействие влияет на климат, не является окончательно установленным; и неорбитальные факторы могут иметь важное значение (например, антропогенное воздействие на окружающую среду главным образом увеличивает концентрацию парниковых газов, что приводит к потеплению климата). Часто цитируемая орбитальная модель Имбри, разработанная в 1980 году, предсказывала, что "долгосрочная тенденция к охлаждению, начавшаяся около 6000 лет назад, сохранится в течение следующих 23000 лет". Другое исследование предполагает, что солнечная инсоляция на 65° северной широты достигнет пика в 460 Вт·м−2 примерно через 6500 лет, а затем снизится до текущего уровня (450 Вт·м−2) примерно через 16000 лет. Орбита Земли станет менее эксцентричной в течение примерно следующих 100 000 лет, поэтому изменения в этой инсоляции будут определяться изменениями наклона оси вращения, и не должны снизиться настолько, чтобы допустить наступление нового ледникового периода в ближайшие 50 000 лет.

Марс

С 1972 года выдвигались предположения о связи между формированием чередующихся светлых и темных слоев в полярных слоистых отложениях Марса и орбитальной климатической изменчивостью планеты. В 2002 году Ласка, Левард и Мастард показали, что интенсивность излучения ледяных слоев в зависимости от глубины коррелирует с изменениями инсоляции летом на северном полюсе Марса, подобно палеоклиматическим вариациям на Земле. Они также установили, что период прецессии Марса составляет около 51 тыс. лет, период наклона оси вращения – около 120 тыс. лет, а период эксцентриситета изменяется в пределах от 95 до 99 тыс. лет. В 2003 году Хед, Мастард, Креславский, Милликен и Марчант предположили, что Марс находился в межледниковый период на протяжении последних 400 тыс. лет, а в ледниковый период – между 400 и 2100 тыс. лет назад, из-за превышения наклона оси вращения Марса 30°. При таком экстремальном наклоне инсоляция определяется регулярной периодичностью изменений наклона Марса. Фурье-анализ орбитальных элементов Марса показывает период наклона оси вращения 128 тыс. лет, а период прецессионного индекса – 73 тыс. лет. У Марса нет достаточно крупного спутника для стабилизации наклона оси вращения, который изменяется от 10 до 70 градусов. Это объясняет различия между современными наблюдениями поверхности Марса и данными о различных условиях в его прошлом, например, размерами полярных шапок.

Внешняя Солнечная система

У спутника Сатурна Титана существует цикл продолжительностью около 60 000 лет, который может изменять расположение метановых озер. У спутника Нептуна Тритона наблюдается схожая вариация, способная вызывать миграцию твердых отложений азота на протяжении больших промежутков времени.

Экзопланеты

Ученые, использующие компьютерные модели для изучения экстремальных наклонов оси вращения, пришли к выводу, что высокая наклонность может вызывать резкие климатические колебания. И хотя это, вероятно, не сделает планету необитаемой, это может создать серьезные трудности для наземных организмов в затронутых регионах. Тем не менее, большинство таких планет все равно позволят развиваться как простым, так и более сложным формам жизни. Хотя наклон, который они изучали, более экстремален, чем любой, который когда-либо испытывала Земля, существуют сценарии, разворачивающиеся через 1,5–4,5 миллиарда лет, когда стабилизирующее влияние Луны ослабнет, и наклон может выйти за пределы своего текущего диапазона, в результате чего полюса в конечном итоге могут быть направлены почти прямо на Солнце.