Важливість циклів Міланковича у мінливості глобального клімату
© mark Turner / Alamy via Legion Media
Астрономічні чинники відіграють основну роль у циклічності клімату на нашій планеті.
У ХІХ столітті геологи зробили несподіване відкриття: виявилося, що колись величезні арктичні льодовики наступили на сушу і накрили майже всю Європу та Північну Америку. Зокрема, на заледеніння цих зон вказують наступні дві геологічні ознаки. Уявіть, що льодовик, який просувається, діє на зразок бульдозера: він штовхає перед собою ґрунт і уламки гірських порід. Коли льодовик досягає свого максимуму і починає відступати, купа гірської породи, що залишилася, перетворюється на ланцюг пагорбів - це так звані льодовикові морени. До того ж, при пересуванні льодовика лід, що рухається (хоч і повільно), несе з собою шматки гірської породи. Якщо глянути на поверхню гірської долини, утвореної льодовиком, можна виявити на ній глибокі паралельні борозни. Походження цих подряпин легко пояснити, якщо уявити, що льодовик з утопленою нижньою частиною пересувається по гірській породі, діючи як напильник або наждачний папір. Морени та подряпини – яскраві докази того, що колись тут були льодовики.
Незабаром після цього відкриття стало ясно, що льодовиковий період на Землі наступав неодноразово. Очевидно, льодовикові періоди повторювалися у минулому через певні проміжки часу. Чому так відбувалося, ніхто не міг пояснити аж до початку ХХ століття, коли вирішити цю загадку взявся один видатний науковець – Мілутін Міланкович.
Також читайте
Під час Першої світової війни Міланкович служив у генеральному штабі сербської армії. Він був захоплений у полон австро-угорськими військами та відбував ув'язнення у Будапешті. На щастя для Міланковича (і для науки) його колеги з Угорської академії наук створили йому умови для роботи — під слово честі, що він не спробує втекти. Він погодився і впродовж війни розробляв теорію періодичності льодовикових періодів.
Його пояснення пов'язане зі змінами у земній орбіті (тепер вони називаються «цикли Міланковича»). Відповідно до закону всесвітнього тяжіння Ньютона (а також першим із законів Кеплера, що описує траєкторії руху планет Сонячної системи), кожна планета обертається навколо Сонця по еліптичній орбіті. Крім того, згідно із законом збереження моменту імпульсу, якщо Земля обертається навколо своєї осі, то напрям цієї осі у просторі має залишатися незмінним. Але в реальній Сонячній системі Земля обертається навколо Сонця не в гордій самоті. На неї діє тяжіння Місяця та інших планет, і це тяжіння робить хоч і слабкий, але дуже важливий вплив і на земну орбіту, і на саму Землю. Цей вплив виражається такими проявами:
- Прецесія. Насправді земна вісь не повернена завжди в тому самому напрямку — вона повільно рухається круговим конусом. Цей ефект називається «прецесія». На ньому заснована дія гіроскопа. Коли гіроскоп починає рухатися, він швидко обертається навколо своєї осі, при цьому сама вісь описує конус. Із земною віссю відбувається те саме, причому період повного обороту становить приблизно 26 тисяч років. Зараз Земля нахилена так, що в січні (коли Земля знаходиться ближче до Сонця) північна півкуля, де розташована основна частина суші, відвернута від Сонця. Через 13 тисяч років ситуація зміниться на протилежну: у січні північна півкуля буде повернута до Сонця, і січень стане у північній півкулі серединою літа.
- Нутація. На додаток до повільної прецесії Землі трохи змінюється і кут нахилу земної осі (ці коливання і називаються «нутацією»). Нині вісь нахилена на 23,5° до площини земної орбіти. Кожні 41 тисячу років під впливом не тільки Місяця, а й Юпітера (далекої, але масивної планети) кут нахилу зменшується до 22,1° і потім знову зростає до максимального значення 24,5°.
- Зміна форми орбіти (ексцентриситету). Через тяжіння інших планет з часом змінюється форма земної орбіти. Від еліпса, витягнутого в одному напрямку, вона перетворюється на коло, потім - на еліпс, витягнутий у напрямку, перпендикулярному початковому стану, потім - знову на коло і т. д. Такий цикл триває приблизно 93 тисячі років.
Міланкович дійшов висновку, що кожен з перелічених факторів впливає на кількість сонячного світла, отриманого різними областями Землі. Наприклад, прецесія земної осі впливає на характер зим і років у північній півкулі (звертаємо особливу увагу на північну півкулю, тому що там розташована основна частина суші, і, отже, там зосереджена основна частина льодовиків).
Міланкович зрозумів, що з часом клімат Землі змінюється. Якщо кількість сонячного світла, яке отримує північна півкуля, зменшується, то сніг з кожним роком все довше залишатиметься на поверхні. А оскільки сніг добре відбиває світло, снігова поверхня, що збільшилася, відображатиме більше сонячного світла, і це призведе до подальшого охолодження Землі. Значить, наступної зими випаде ще більше снігу, ще більше збільшиться площа снігового покриву, відбиватиметься ще більше сонячного світла і т.д. З часом накопичиться багато снігу, і льодовики рушать на південь. Земля вступить у льодовиковий період. Наприкінці цього циклу, коли у північну півкулю почне надходити більше сонячної енергії, відбудуться зворотні зміни — у деяких місцях крига розтане, оголяться ділянки ґрунту, що добре поглинає світло, Земля нагріється, і всі ті ж три фактори мінливості обертання Землі призведуть до того, що льодовик відступить.
Міланкович вважав, що на клімат Землі впливають ці три цикли, кожен з яких пов'язаний із певним астрономічним ефектом. Коли вони посилюють один одного, можна очікувати похолодання та настання льодовикового періоду. Проте в нормі ці три фактори діють у різних напрямках та їх вплив не підсумовується, тому клімат швидко повертається у звичайний стан. Отже, льодовикові періоди виникають, коли три орбітальні фактори діють в одному напрямку, їх ефекти складаються та підштовхують клімат Землі до похолодання. Це неодноразово повторювалося за всю історію планети.
За останні 3 мільйони років було принаймні чотири періоди масштабного заледеніння, а до цього були ще. Останній льодовиковий період досяг свого максимуму приблизно 18 тисяч років тому і що час, в який ми живемо, вчені визначають як міжльодовиковим — вельми обнадійливе визначення.
Нині істотний внесок у кліматичну мінливість робить людина та її діяльність. Це штучний чинник, якого раніше в історії Землі не було. Тому зовсім не ясно, як антропогенна діяльність сучасності відіб'ється на майбутніх кліматичних циклах і до чого призведе.
Підготував Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, синоптик
