Участник:Ivsetaki/Циклы Миланковича

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Циклы Миланковича в соответствии с моделью VSOP.
На графике показаны изменения пяти величин:  Наклон оси вращения (ε)  Эксцентриситет орбиты (e)  Долгота перигелия ( sin(ϖ) )  Коэффициент прецессии ( e sin(ϖ) )  Среднесуточная инсоляции в верхней части атмосферы в день летнего солнцестояния на 65° с.ш. () Коэффициент прецессии и наклон оси определяют инсоляцию на каждой широте.
Океанские отложения и толщи антарктического льда фиксируют уровень и температуру древнего моря:  Изменение δ18O[англ.] в фораминиферах (См. также Оценка палеоклиматических условий)  Изменение температуры по данным анализа керна льда со станции Восток в Антарктиде. Вертикальная серая линия показывает настоящее.

Ци́клы Мила́нковича описывают влияние изменений в движении Земли на её климат. Названы так в честь сербского астрофизика Милутина Миланковича, который в 1941 году сформулировал предположение, что регулярные и закономерные изменения формы орбиты Земли и ориентации её оси вращения приводят к циклическм изменениям количества солнечной радиации, попадающей на Землю, и эти изменения определяют наступление ледниковых эпох[1].

Движение Земли

[править | править код]

В своём суточном вращении вокруг своей оси и годичном обращении вокруг Солнца, Земля испытывает небольшие возмущения, вызванные гравитационным взаимодействием с другими телами Солнечной системы. Отклонения, вызванные этими возмущениями, сложны; среди них доминируют несколько циклов[2]. Поскольку периоды этих циклов не кратны друг другу, регулярно возникают достаточно продолжительные эпохи, в которых они оказывают кумулятивное влияние, усиливая друг друга.

Орбита Земли, её эксцентристет, изменяется от почти круговой до слегка эллиптической. При более вытянутой орбите, мы имеем бо́льший разброс в расстоянии между Землёй и Солнцем, как и в количестве солнечной радиации, в разные времена года. Кроме того, наклон оси вращения Земли тоже слегка изменяется. Бо́льший наклон оси делает времена года более выраженными. Наконец, направление, в котором указывает ось Земли, изменяется относительно неподвижных звёзд (прецессия земной оси), а эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца тоже поворачивается (Прецессия линии апсид). Совместный эффект этих движений заключается в том, что Земля приближается к Солнцу на наменьшее расстояние (перигелий) в разные астрономические сезоны[3][комм. 1].

Миланкович изучал изменения в тех движениях Земли, которые изменяют количество (и распределение) солнечной радиации, достигающей Земли. Он особенно выделял изменения на широте 65°N, на которой в настоящее время нижняя граница ледников опускается до уровня моря[4], из-за большого количества суши на этой широте. Суша нагревается и остывает быстрее чем океан благодаря тому, что грунт имеет меньшую объёмную теплоёмкость чем вода[5][комм. 2], а в океане происходит перемешивание поверхностной и глубинной воды.

Эксцентричность орбиты Земли

[править | править код]
Круговая орбита, эксцентриситет равен 0
Орбита с эксцентриситетом, равным 0.5; значение преувеличено для целей иллюстрирования; орбита Земли лишь слегка эксцентрична

Орбита Земли аппроксимируется эллипсом; мера отличия эллипса от окружности — это эксцентриситет. Форма земной орбиты изменяется от почти круговой (теоретически эксцентриситет может стать и нулём) до слегка эллиптической (за последние 250 миллионов лет наибольшим значением эксцентриситета было 0.0679)[6]. Самый большой компонент этих изменений вносит свой вклад с периодом 405 тысяч лет (изменение эксцентриситета ±0.012). Другие компоненты цикличны с периодом 95 тысяч and 124 тысячи лет (с периодом биения 400 000 лет). Они свободно объединяются в цикл с периодом 100 тысяч лет (изменение эксцентриситета от −0.03 до 0.02). В настоящее время эксцентриситет равен 0.017 (0.0167) и уменьшается[7].

Эксцентриситет изменяется в первую очередь из-за гравитационного приятяжения Юпитера и Сатурна. Большая полуось орбитального эллипса, однако, остаётся неизменной: в соответствии с теорией возмущений, вычисляющей эволюцию орбиты, большая полуось — инвариант. Орбитальный период (продолжительность сидерического года) тоже инвариант, так как третий закон Кеплера определяется большой полуосью орбиты. Более долгосрочные вариации вызваны взаимодействиями, включающими перигелии и узлы Меркурия, Венеры, Земли, Марса и Юпитера[6].

Влияние на температуру

[править | править код]

Если большая полуось — константа, то, когда земная орбита становится более эксцентричной, малая полуось сокращается. Это увеличивает размах сезонных изменений[8].

Влияние на продолжительность сезонов

[править | править код]
Продолжительность времён года[9]
Год Северное
полушарие
Южное
полушарие
Дата (UTC) Продолжительность
сезона
2005 Зима солнцестояние Лето солнцестояние 21 Декабря 2005 18:35 88.99 дней
2006 Весна равноденствие Осень равноденствие 20 Марта 2006 18:26 92.75 дней
2006 Лето солнцестояние Зима солнцестояние 21 Июня 2006 12:26 93.65 дней
2006 Осень равноденствие Весна равноденствие 23 Сентября 2006 4:03 89.85 дней
2006 Зима солнцестояние Лето солнцестояние 22 Декабря 2006 0:22 88.99 дней
2007 Весна равноденствие Осень равноденствие 21 Марта 2007 0:07 92.75 дней
2007 Лето солнцестояние Зима солнцестояние 21 Июня 2007 18:06 93.66 дней
2007 Осень равноденствие Весна равноденствие 23 Сентября 2007 9:51 89.85 days
2007 Зима солнцестояние Лето солнцестояние 22 Декабря 2007 06:08  

Времена года это квадранты земной орбиты определяемые двумя солнцестояниями и двумя равноденствиями. Второй закон Кеплера гласит: за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает собой равные площади. Это означает, что орбитальная скорость планеты наибольшая при прохождении перигелия и наименьшая в афелии, и что Земля проводит меньше времени возле перигелии и больше времени возле афелия, а следовательно — продолжительность сезонов разная. В настоящее время перигелий происходит возле 3 Января, поэтому бо́льшая скорость Земли сокращает зиму и осень в северном полушарии. Лето в северном полушарии на 4,66 дня длиннее зимы, а весна на 2,9 дня длиннее осени. Бо́льший эксцентриситет увеличивает размах изменений орбитальной скорости Земли. Однако в настоящее время орбита Земли становится менее эксцентричной (более близкой к круговой). Это сделает времена года в ближайшем будущем более схожими по продолжительности[10].

Наклон оси вращения Земли

[править | править код]
22.1–24.5° изменение угла наклона оси Земли.

Угол наклона оси Земли к плоскости орбиты (наклон эклиптики) варьируется от 22.1° до 24.5° в ходе долгопериодических (так называемых вековых) колебаний с протяжённостью цикла около 41 000 лет. Текущий наклон оси Земли составляет 23.44°, что примерно на полпути между крайними значениями. Последний раз наклон достигал своего максимума в 8700 году до нашей эры. Сейчас он находится в фазе убывания своего цикла и достигнет своего минимума примерно в 11 800 году нашей эры. Увеличение наклона оси увеличивает амплитуду сезонного цикла инсоляции, обеспечивая больше солнечной радиации летом в каждом полушарии и меньше зимой. Однако эти эффекты не одинаковы повсюду на поверхности Земли: увеличение наклона увеличивает общую годовую солнечную радиацию в более высоких широтах и уменьшает ее ближе к экватору[10][комм. 3]

Текущая тенденция уменьшения наклона сама по себе будет способствовать более мягким сезонам (более теплая зима и более холодное лето), а также общей тенденции к похолоданию. Поскольку бо́льшая часть снега и льда на планете лежит в высоких широтах, «уменьшающийся» наклон может способствовать окончанию межледниковья и наступлению ледникового периода по двум причинам: 1) общая летняя инсоляция меньше, и 2) меньше инсоляции в более высокие широты (где тает меньше снега и льда предыдущей зимы)[10].

Прецессия земной оси

[править | править код]
Анимация прецессии земной оси (вид с северного полюса эклиптики)

Прецессия земной оси — это изменение направления оси вращения Земли относительно неподвижных звезд с периодом около 25 700 лет. Это движение, также известное как предварение равноденствий, означает, что в конечном итоге Полярная звезда больше не будет северной полярной звездой. Прецессия вызвана приливными силами, оказываемая на вращающуюся Землю телами Солнечной системы, в первую очередь Солнцем и Луной, которые вносят примерно одинаковый вклад в этот эффект[10].

Осевая прецессия делает сезонные контрасты более резкими в одном полушарии и менее резкими в другом. В настоящее время перигелий возникает зимой в Северном полушарии и летом в Южном полушарии. Это делает лето в Южном полушарии более жарким и смягчает сезонные колебания в Северном полушарии. Но примерно через 13 000 лет осевая прецессия заставит эти условия измениться: в Северном полушарии будут наблюдаться более экстремальные значения солнечной радиации, а в Южном полушарии будут наблюдаться более умеренные сезонные колебания[10].

См. также пример цикличности в осадочных породах, вызванной колебаниями солнечной инсоляции в результате прецессии земной оси.

Прецессия земной орбиты

[править | править код]

Сам орбитальный эллипс прецессирует в пространстве нерегулярным образом, совершая полный цикл относительно неподвижных звезд примерно за 112 000 лет.[11]{{}thinsp}[комм. 4]. Апсидальная прецессия происходит в плоскости эклиптики и изменяет ориентацию орбиты Земли относительно эклиптики. Происходит это прежде всего в результате взаимодействия с Юпитером и Сатурном. Меньший вклад также вносят сжатие Солнца и эффекты общей теории относительности, которые хорошо известны для Меркурия[12].

Прецессия земной орбиты в сочетании с 25700-летним циклом осевой прецессии (см. ) смещает момент прохождения перигелия. Апсидальная прецессия сокращает этот период примерно до 21 000 лет в настоящее время. Согласно относительно старому источнику (1965 г.), среднее значение за последние 300 000 лет составило 23 000 лет, варьируясь от 20 800 до 29 000 лет[11].

На изображении "Влияние орбитальной прецессии на времена года" показано, как прецессия орбиты Земли приводит к тому, что времена года постепенно смещаются по орбите. Когда апсиды Земли (крайние расстояния от Солнца) совпадают с точками равноденствия, продолжительность весны и лета вместе взятых будет равна продолжительности осени и зимы. Когда они совпадают с солнцестояниями, разница в продолжительности этих сезонов будет наибольшей.

Наклонение орбиты

[править | править код]

Наклон орбиты Земли периодически изменяется относительно ее нынешней орбиты. Это трехмерное движение известно как «прецессия эклиптики» или «планетарная прецессия»; Миланкович не изучал его. Оно было обнаружено совсем недавно, период колебаний относительно земной орбиты составляет около 70 000 лет. Однако относительно неизменной плоскости, прецессия эклиптики имеет период около 100 000 лет. Этот период очень похож на 100 000-летний период эксцентриситета. Оба периода близко соответствуют 100 000-летней схеме ледниковых событий[13].

Подтверждения и проблемы теории

[править | править код]

Керны антарктического льда содержат захваченные пузырьки воздуха, соотношение изотопов кислорода 16O и 18O в которых является надежным индикатором (прокси) глобальных температур в период формирования льда. Изучение этих данных привело к выводу, что климатические изменения, зафиксированные в ледяных кернах, были обусловлены инсоляцией Северного полушария, как и предполагает гипотеза Миланковича[14].

Проблема 100 тысяч лет

[править | править код]

Миланкович считал, что из всех орбитальных циклов наибольшее влияние на климат оказывает наклонение земной оси, и что это происходит за счет изменения летней инсоляции в высоких широтах Северного полушария. Отсюда он вывел ледниковые периоды продолжительностью 41 тысяча лет[15][16]. Однако последующие исследования[1][17][18] показали, что циклы ледникового периода четвертичного оледенения за последний миллион лет имели период 100 тысяч лет, что соответствует основному циклу эксцентриситета. Были предложены различные объяснения этого несоответствия, включая частотную модуляцию[19] или различные влияния (от углекислого газа или динамики ледникового покрова). Некоторые модели могут воспроизводить 100 000-летние циклы в результате нелинейного взаимодействия между небольшими изменениями орбиты Земли и внутренними колебаниями климатической системы[20][21]. В частности, для описания этого взаимодействия изначально был предложен механизм стохастического резонанса[22][23].

Некоторые утверждают, что прецессия имеет значение только тогда, когда эксцентриситет велик. Вот почему мы видим более сильный темп за 100 тысяч лет, чем за 21 тысячу лет[24]. Другие считают, что история известных климатических данных недостаточно длинна, чтобы установить статистически значимую связь между климатом и изменениями эксцентриситета[25].

Проблема перехода от 41 000-летнего к 100 000-летнему циклу

[править | править код]
Переход с циклов оледенений в 41 тысяч лет на циклы длиной 100 тысяч лет.

1–3 миллиона лет назад климатические циклы соответствовали 41 000-летнему циклу вариаций наклона оси вращения Земли (см. Наклон оси вращения Земли). Спустя миллион лет назад произошел среднеплейстоценовый переход на 100 000-летний цикл, соответствующий основному циклу изменения эксцентриситета (см. Эксцентричность орбиты Земли). «Проблема перехода» означает необходимость объяснить, что изменилось миллион лет назад[26].

Среднеплейстоценовый переход теперь можно воспроизвести с помощью численного моделирования, которое учитывает удаление реголита ледниками и плейстоценовый тренд на уменьшение содержания углекислого газа[27].

Проблема неразделённых циклов эксцентриситета

[править | править код]

Даже хорошо датированные климатические данные за последний миллион лет не совсем соответствуют форме кривой эксцентриситета. Эксцентриситет имеет циклы продолжительностью 95 тысяч и 125 тысяч лет. Некоторые исследователи, однако, сообщают, что данные не показывают этих пиков, а указывают только на один цикл продолжительностью 100 000 лет[28]. Однако такое разделение на два компонента эксцентриситета наблюдалось по меньшей мере один раз в керне, взятом в скандинавской формации Alum Shale (глиноземный сланец) возрастом 500 миллионов лет.

Проблема причинности

[править | править код]

Это образное название описывает проблему с началом морской изотопной стадии под номером 5 (МИС 5 или MIS 5). Глубоководные керны показывают, что этот межледниковый интервал начался 130 тысяч лет назад. Однако это на 10 тысяч лет раньше, чем подъём уровня инсоляции, предсказываемый гипотезой Миланковича (проблемой причинности это названо из-за того, что отклик опережает причину)[29].

Комментарии

[править | править код]
  1. Интуитивно понятно, что если равноденствия и солнцестояния происходят в изменяющихся положениях на эксцентрической орбите, то эти астрономические сезоны должны проходить при изменяющихся близостях к Солнцу; и поскольку при этом эксцентриситет орбиты и наклон оси Земли варьируются, интенсивность эффектов этих изменений также варьируется.
  2. Для воды это 4.2 МДж/м3/°C; см. объёмная теплоёмкость.
  3. См. Наклон оси вращения. Нулевой наклон оси вращения приводит к минимальной (нулевой) непрерывной инсоляции на полюсах и максимальной непрерывной инсоляции на экваторе. Любое увеличение наклона оси (до 90 градусов) вызывает сезонное увеличение инсоляции на полюсах и вызывает уменьшение инсоляции на экваторе в любой день года, кроме равноденствия.
  4. Читатель может усомниться в количестве и точности периодов, о которых автор сообщает в этой ранней статье.

Примечания

[править | править код]

Внешние ссылки

[править | править код]

Литература

[править | править код]