Известны три циклических процесса, приводящих к медленным, так называемым вековым колебаниям значений солнечной постоянной. С этими колебаниями солнечной постоянной обычно связывают соответствующие вековые изменения климата, что нашло отражение ещё в работах М.В. Ломоносова, А.И. Воейкова и др. В дальнейшем при разработке этого вопроса возникла астрономическая гипотеза М. Миланковича, объясняющая изменения климата Земли в геологическом прошлом. Вековые колебания солнечной постоянной связаны с медленными изменениями формы и положения земной орбиты, а также ориентировки земной оси в мировом пространстве, обусловленными взаимными притяжением Земли и других планет. Поскольку массы других планет Солнечной системы значительно меньше массы Солнца, их влияние сказывается в виде малых возмущений элементов орбиты Земли. В результате сложного взаимодействия сил тяготения путь Земли вокруг Солнца представляет собой не неизменный эллипс, а достаточно сложную замкнутую кривую. Облучение Земли, следующей по этой кривой, непрерывно изменяется.
Первый циклический процесс − это изменение формы орбиты от эллиптической к почти круговой с периодом около 100 000 лет; он называется колебанием эксцентриситета. Эксцентриситет характеризует вытянутость эллипса (малый эксцентриситет – круглая орбита, большой эксцентриситет – орбита − вытянутый эллипс). Оценки показывают, что характерное время изменения эксцентриситета равно 105 лет (100 000 лет).
Рис. 3.1 − Изменение эксцентриситета орбиты Земли (без учета масштаба) (из Дж. Силвер, 2009)
Изменения эксцентриситета – непериодические. Они колеблются около значения 0,028 в пределах от 0,0163 до 0,0658. В настоящее время эксцентриситет орбиты равен 0,0167 продолжает уменьшаться, причем минимальное значение его будет достигнуто через 25 тыс. лет. Предполагаются и более длительные периоды уменьшения эксцентриситета − до 400 тыс. лет. Изменение эксцентриситета земной орбиты приводит к изменению расстояния между Землей и Солнцем, а следовательно, и количества энергии, поступающей в единицу времени на единичную площадку, перпендикулярную солнечным лучам на верхней границе атмосферы. Получено, что при изменении эксцентриситета от 0,0007 до 0,0658 разность между потоками солнечной энергии от эксцентриситета для случаев, когда Земля проходит перигелий и афелий орбиты, меняется от 7 до 20−26 % солнечной постоянной. В настоящее время орбита Земли мало эллиптична и разность потока солнечной энергии около 7 %. Во время наибольшей эллиптичности эта разность может достигать 20−26 %. Из этого следует, что при малых эксцентриситетах количество солнечной энергии, поступающей на Землю, находящуюся в перигелии (147 млн км) или афелии (152 млн км) орбиты, различаются незначительно. При наибольшем эксцентриситете в перигелий приходит энергии больше, чем в афелий, на величину, составляющую четверть солнечной постоянной. В колебаниях эксцентриситета выделены следующие характерные периоды: около 0,1; 0,425 и 1,2 млн лет.
Второй циклический процесс − это изменение наклона земной оси к плоскости эклиптики, имеющее период около 41 000 лет. За это время наклон меняется от 22,5° (21,1) до 24,5° (рис. 3.2). В настоящее время он составляет 23°26'30''. Увеличение угла приводит к увеличению высоты Солнца летом и уменьшению зимой. При этом инсоляция увеличится в высоких широтах, на экваторе – несколько уменьшится. Чем меньше этот наклон, тем меньше различия между зимой и летом. Более теплые зимы бывают более снежными, а более холодные лета не дают всему снегу растаять. Снег накапливается на Земле, способствуя росту ледников. При росте наклона сезоны выражены более резко, зимы холоднее и снега меньше, а лето теплее и больше снега и льда тает. Это способствует отступлению ледников в полярные районы. Таким образом, увеличение угла усиливает сезонные, но уменьшает широтные различия в количестве солнечной радиации на Земле.
Рис. 3.2 – Изменение наклонения оси вращения Земли с течением времени (из Дж. Силвер, 2009)
Третий циклический процесс − это колебание оси вращения земного шара, называемое прецессией. Прецессия земной оси – это медленное движение оси вращения Земли по круговому конусу. Изменение ориентировки земной оси в мировом пространстве, обусловлено несовпадением центра Земли, вследствие ее сплюснутости, с осью притяжения Земля−Луна−Солнце. В итоге ось Земли описывает некоторую коническую поверхность (рис. 3.3). Период этого колебания около 26 000 лет.
Рис. 3.3 – Прецессия орбиты Земли
В настоящее время Земля ближе к Солнцу в январе, чем в июне. Но вследствие прецессии через 13 000 лет она будет ближе к Солнцу в июне, чем в январе. Это приведет к росту сезонных колебаний температуры Северного полушария. Прецессия земной оси приводит к взаимному изменению положения точек зимнего и летнего солнцестояния относительно перигелия орбиты. Период, с которым повторяется взаимное положение перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния, равен 21 тыс. лет. Еще сравнительно недавно, в 1250 г., перигелий орбиты совпадал с точкой зимнего солнцестояния. Теперь Земля проходит перигелий 4 января, а зимнее солнцестояние осуществляется 22 декабря. Разница между ними составляет 13 суток, или 12º65'. Следующее совпадение перигелия с точкой зимнего солнцестояния произойдет через 20 тыс. лет, а предыдущее было 22 тыс. лет назад. Однако между указанными событиями с перигелием совпадала точка летнего солнцестояния.
При малых эксцентриситетах положение точек летнего и зимнего солнцестояния относительно перигелия орбиты не приводит к существенному изменению количества тепла, поступающего на землю в течение зимнего и летнего сезонов. Картина резко меняется, если эксцентриситет орбиты оказывается большим, например 0,06. Таким эксцентриситет был 230 тыс. лет назад и будет через 620 тыс. лет. При больших эксцентриситетах Земля часть орбиты, прилегающую к перигелию, где количество солнечной энергии наибольшее, проходит быстро, а оставшуюся часть вытянутой орбиты через точку весеннего равноденствия к афелию − медленно, долго находясь на большом удалении от Солнца. Если в это время перигелий и точка зимнего солнцестояния совпадают, в Северном полушарии будет наблюдаться короткая теплая зима и долгое прохладное лето, в Южном полушарии − короткое теплое лето и долгая холодная зима. Если же с перигелием орбиты будет совпадать точка летнего солнцестояния, то в Северном полушарии будет наблюдаться жаркое лето и длительная холодная зима, в Южном – наоборот. Длительное прохладное и влажное лето является благоприятным фактором для роста ледников в полушарии, где сосредоточена основная часть суши.
Таким образом, все перечисленные разновеликие колебания солнечной радиации накладываются друг на друга и дают сложный вековой ход изменения солнечной постоянной, а следовательно, существенное влияние на условия формирования климата посредством изменения прихода количества солнечной радиации. Наиболее резко колебания солнечного тепла выражаются тогда, когда все эти три циклических процесса совпадают по фазе. Тогда возможны великие оледенения или полное таяние ледников на Земле.
Подробное теоретическое описание механизмов влияния астрономических циклов на земной климат было предложено в первой половине XX в. выдающимся сербским астрономом и геофизиком Милутином Миланковичем, который разрабатывал теорию периодичности ледниковых периодов. Миланкович выдвинул гипотезу, что циклические изменения эксцентриситета орбиты Земли (ее эллиптичность), колебания угла наклона оси вращения планеты и прецессия этой оси могут вызывать существенные изменения климата на Земле. Например, около 23 млн лет назад совпали периоды минимального значения эксцентриситета земной орбиты и минимального изменения наклонения оси вращения Земли (именно этот наклон ответствен за смену времен года). В течение 200 тыс. лет сезонные изменения климата на Земле были минимальными, так как орбита Земли была практически круговой, а наклон земной оси почти не менялся. Как итог, разница в летних и зимних температурах на полюсах составляла всего несколько градусов, льды за лето не успевали таять, и произошло заметное увеличение их площади.
Теория Миланковича неоднократно подвергалась критике, так как вариации радиации по указанным причинам относительно невелики, и высказывались сомнения, могут ли столь малые изменения радиации высоких широт вызывать существенные колебания климата и приводить к оледенениям. Во второй половине XX в. было получено значительное количество новых фактических данных о глобальных колебаниях климата в плейстоцене. Значительную долю среди них составляют колонки океанических отложений, которые имеют важное преимущество перед наземными отложениями, заключающееся в значительно большей целостности последовательности отложений, нежели на суше, где отложения часто смещались в пространстве и многократно переотлагались. Затем был проведен спектральный анализ таких океанских последовательностей, относящихся к последним примерно 500 тыс. лет. Для анализа были отобраны две колонки из центральной части Индийского океана между субтропической конвергенцией и антарктическим океанским полярным фронтом (43–46° ю. ш.). Этот район одинаково далеко расположен от материков и потому мало подвержен влиянию колебаний эрозионных процессов на них. В то же время район характеризуется достаточно большой скоростью осадконакопления (более 3 см/1000 лет), так что можно различить климатические колебания с периодом значительно меньше 20 тыс. лет. В качестве индикаторов колебаний климата были выбраны относительное содержание тяжелого изотопа кислорода δО18 в планктонных фораминиферах, видовой состав радиоляриевых сообществ, а также относительное содержание (в процентах) одного из видов радиолярий Цикладофора давизиана. Первый индикатор отражает изменения в изотопном составе океанской воды, связанные с возникновением и таянием ледниковых щитов Северного полушария. Второй индикатор показывает колебания в прошлом температуры воды на поверхности (Ts ). Третий индикатор нечувствителен к температуре, но чувствителен к солености. Спектры колебаний каждого из трех индикаторов показывают наличие трех пиков (рис. 3.4). Наибольший по величине пик приходится примерно на период 100 тыс. лет, второй по величине — на 42 тыс. лет, третий — на 23 тыс. лет. Первый из этих периодов весьма близок к периоду изменения эксцентриситета орбиты, причем фазы изменений совпадают. Второй период колебаний климатических индикаторов совпадает с периодом изменений угла наклона земной оси. В этом случае сохраняется постоянное соотношение фаз. Наконец, третий период соответствует квазипериодическим изменениям прецессии.
1 — наклон оси, 2 — прецессия (а); инсоляция на 55° ю. ш. зимой (б) и на 60° с. ш. летом (в), а также спектры изменений трех выбранных климатических индикаторов в последние 468 тыс. лет (Hays J.D., Imbrie J., Shackleton N.J., 1976)
Все это заставляет считать изменения параметров земной орбиты и наклона земной оси важными факторами изменения климата и свидетельствует о торжестве астрономической теории Миланковича. В конечном счете глобальные колебания климата в плейстоцене можно объяснить именно этими изменениями (Монин А.С., Шишков Ю.А., 1979).