Земля коливається в ритмі з льодовиковим періодом
Кожні 100 000 років Земля прокидається від крижаного сну і змінюється кліматом міжледникового періоду на 10 000 - 20 000 років - як у тому, в якому ми живемо сьогодні. Останній льодовиковий період закінчився приблизно 11 000 років тому, і тут, у Європі, танув величезний льодовик, що покривав Скандинавію, Північну Німеччину та значні частини Східної Європи. Відповідно до цього, ми вже мали б велику частину нинішнього міжледникового періоду повз нас - і наступний льодовиковий період був би майже не за горами.
Але Андре Бергер з католицького університету в місті Левен, Бельгія, не погоджується. За його підрахунками, Земля рухається до рідкісного сузір’я своїх орбітальних параметрів, яке продовжить наш міжльодовиковий період до 50 000 років. Додаткове глобальне потепління, спричинене парниковим ефектом людини, може навіть закінчити льодовиковий період, який тривав близько трьох мільйонів років і характеризується чергуванням льодовикового віку та міжледницьких періодів.
“Годинниками”, які змушують льодовикові періоди на Землі через рівні проміжки часу, є Місяць та інші планети нашої Сонячної системи. Якби існували лише сонце і земля, то згідно із законами Кеплера, земля оберталася б навколо Сонця на постійному еліпсі. Якби земля також була точно сферичною, то орієнтація її осі обертання в просторі завжди залишалася б незмінною. Наслідком буде те, що кожен регіон на Землі отримуватиме рівно однакову кількість сонячного випромінювання щороку в одну і ту ж дату - за умови, що кількість енергії, яку випромінює Сонце, не коливатиметься. Єдиною кліматичною зміною буде зміна пір року: у півкулі, спрямованій до сонця, завжди літо, на протилежному - зима. Лише у часовому масштабі на багато мільйонів років відбудуться подальші зміни через зміщення континентів.
Але реальність набагато складніша. Земля - це не сфера, а приблизно еліпсоїд революції - простіше кажучи: стиснута сфера. Через відцентрову силу, спричинену власним обертанням, екваторіальний діаметр землі на 43 кілометри більше діаметра полюса. Гравітаційний вплив сонця і місяця на цю екваторіальну опуклість викликає силу, яка намагається випрямити косу вісь землі. Як і на верхню частину іграшки, на яку діє зовнішня сила (наприклад, удар), в результаті виникає прецесія: земна вісь хитається. Щоб завершити повний «цикл валиння», потрібно близько 26 000 років.
Якби земна орбіта була круговою, прецесія не мала б кліматичних наслідків. Однак у випадку еліптичної орбіти різниться, чи є півкуля літом чи зимою в точці орбіти, найвіддаленішої або найближчої до Сонця - з одного боку, оскільки відстань до Сонця змінюється, з іншого боку, оскільки планета рухається повільніше через найвіддаленішу від Сонця точку, ніж рухався через найближчу до сонця точку. Ось чому літо в північній півкулі сьогодні довше, ніж у південній. Через трохи більше 10 000 років - після половини «циклу валиння» - все буде навпаки.
Крім того, інші планети тягнуть землю своєю гравітацією і змушують на ній здійснювати подальші періодичні зміни параметрів орбіти. Нахил земної осі щодо осі обертання земної орбіти коливається приблизно на 2,5 градуса протягом 41 000 років. "Однак місяць має найбільшу частку в цей період", - пояснює Бергер. Чим більше нахилена земна вісь, тим більша різниця між порами року.
Крім того, земний орбітальний еліпс не лежить постійно в космосі, а обертається навколо Сонця, як хулахуп, з періодом близько 100 000 років. Оскільки ця ротація суперечить прецесії, вона фактично скорочує свій період до 21 000 років. Крім того, еліпс «пульсує» між більш круглою та більш еліптичною формою з періодом приблизно 100 000 років. Кожні 400 000 років земна орбіта навіть стає майже круговою.
Оскільки всі ці періоди коливань змінюють кількість енергії, яку регіон на землі отримує від Сонця в певний сезон, деякі дослідники намагалися пояснити формування з ними льодовикових періодів ще в 19 столітті. Сербський професор математики Мілутін Міланкович переймав їх ідеї з 1915 року. Міланкович був знайомий з новими обчисленнями навколоземної орбіти німецьким математиком Людвігом Пілігрімом, який обчислював параметри орбіти за останні мільйон років. Міланкович підозрював, що лише детальний розрахунок сонячного опромінення залежно від географічної широти дасть задовільне пояснення причини льодовикових періодів. "Сьогодні ці розрахунки були б приємним обчислювальним завданням для студентів коледжів на літніх канікулах", - говорить Річард Мюллер, професор Каліфорнійського університету в Берклі, який зараз працює над варіантом теорії Міланковича.
За часів Міланковича не було комп’ютерів. Він розраховував протягом багатьох років, поки не отримав кривих випромінювання за останні 600000 років для різних широт. На кривій, що представляє сонячне випромінювання влітку у верхніх північних широтах, Міланковіч виділив періоди дуже низької сонячної радіації. Він переконаний, що ці періоди поклали початок льодовикових епох. Тому що: На південь від межі, що проходить через вищі північні широти, сніг, який випав взимку, повністю тане влітку - принаймні в роки з помірними літніми температурами. Якщо там влітку стане трохи холодніше, трохи снігу залишиться до наступної зими. Оскільки сніг відбиває сонячне світло, цей ефект посилюється сам. Сніговий покрив з року в рік потовщується, утворюючи крижаний льодовик, який рухається все далі на південь. Це початок льодовикового періоду, який впливає на клімат всієї Землі.
На відміну від своїх попередників, Міланкович визнавав, що льодовикові періоди не чергуються між двома півкулями - чого насправді можна було б очікувати лише на основі астрономічних факторів. Але північна півкуля домінує над усім кліматом Землі, оскільки тут знаходиться близько двох третин суші. А льодовики можуть утворюватися лише на суші.
Міланкович опублікував свою теорію в 1920 р. Коли органічні рештки, наприклад, відкладів льодовиків, можна було датувати радіовуглецевим методом вперше в 1950-х роках, були знайдені періоди, які відповідали 21 000-річному циклу прецесії. Однак водночас дані суперечили датам льодовикових періодів, розрахованих Міланковичем. "На той час як методи геологічного датування, так і астрономічні розрахунки були далеко не досить точними, щоб дати чітке твердження", - говорить Бергер, пояснюючи це протиріччя. Професор геофізики та астрономії, якого в 1996 році бельгійський король Альберт II привів до звання лицарів ("шевальє"), працює над подальшим розвитком та уточненням теорії Міланковича вже понад 30 років.
Також у 50-х роках італійський геолог Чезаре Еміліані використовував все ще відносно новий метод аналізу ізотопів кисню, щоб зробити висновок про температури минулих часів з морських відкладень. Еміліані також знайшов згоду з передбаченнями теорії Міланковіча. «Насправді Еміліані, мабуть, був першим, хто навіть підрахував тривалість циклів на кривих випромінювання Міланковича. Сам Міланкович ніколи цього не робив - принаймні у своїх публікаціях - і його методи обчислення не дозволяли йому бачити цикли безпосередньо », - говорить Бергер.
Також Бергер - разом із результатами групи, яку очолював Джеймс Хейс з обсерваторії Землі Ламонта Доерті при Колумбійському університеті, штат Нью-Йорк - допоміг теорії Міланковіча досягти свого прориву в 1970-х. Разом зі своїми колегами Джоном Імбрі та Ніколасом Шеклтоном Хейс досліджував глибоководне ядро, матеріал якого пішов на мільйон років тому. У тріо була блискуча ідея: дослідники не тільки провели ізотопний аналіз свердловини, але й шукали зворотного зміни магнітного поля Землі в відкладах. Оскільки час останнього розвороту був відомий відносно точно - відповідно до того, що було відомо на той час, це сталося трохи більше 70 000 років тому (сучасні знання: 790 000 років тому). Це нарешті дозволило точно дати дату льодовикових періодів та тривалості циклу.
"Вперше Хейс та його колеги виявили 100000-річний та 41000-річний цикл, а також 23000-річний та 19000-річний замість 21000-річного", - пояснює Бергер із черговим сюрпризом: "Ці цикли Міланковіча, так звані американцями, насправді були вперше теоретично розраховані мною - приблизно одночасно з розслідуваннями Хейса". Він пустотливо додає: "Якщо я когось не пропустив". річний Бергер був нагороджений медаллю Мілутіна Міланковича, яка вручається щороку з 1993 року, Європейським геофізичним товариством у 1994 році.
Ці цикли, які були знайдені незалежно один від одного в геологічних даних та підрахунках Бергера, були переконливим доказом правильності основних тверджень теорії Міланковіча. "Ми зараз впевнені, що льодовикові періоди спричинені зміною параметрів орбіти Землі", - писав Хейс у 1976 році, додавши: "Докази настільки вагомі, що альтернативні пояснення потрібно відкинути".
Він, мабуть, трохи поспішив із цим твердженням, оскільки ще існує багато невідповідностей, які слід усунути. Один стосується 100 000-річного циклу еліпса навколо Землі. "Цикл ексцентриситету насправді не триває 100 000 років", - пояснює Річард Мюллер. «Насправді це поєднання 125 000-річного та 95 000-річного циклу». Отож, оскільки ці цикли мають різну тривалість, їх ефекти іноді складаються, а інші відміняють один одного. "Наприклад, 400 000 років тому їх наслідки повинні були скасувати один одного", - говорить Мюллер. "Однак у більшості геологічних даних такого вимирання немає".
Мюллер звинувачує один із занедбаних астрономічних параметрів Міланковича за 100 000-річний цикл: зміну нахилу орбітальної площини Землі щодо так званої інваріантної площини Сонячної системи. "Через величезну масу Юпітера можна сказати в хорошому наближенні, що орбітальна площина Юпітера представляє інваріантну площину", - пояснює Мюллер. Але була вагома причина, чому Міланкович та його наступники ігнорували цей цикл, якому також 100 000 років: він не призводить до змін, що впливають на сонячне випромінювання на землі - принаймні не геометричні.
Але - згідно з гіпотезою Мюллера - коли площина орбіти Землі періодично «балансує» через основну площину Сонячної системи, земна орбіта могла регулярно перетинати смуги пилу, що походять, наприклад, із розкладається комети. Це послабило б сонячне світло, що доходить до землі. «Ми шукали в льодовиковому аркуші Гренландії, чи є докази космічного пилу, який потрапив у землю. Поки що ми не знайшли жодних доказів моєї гіпотези », - зізнається Мюллер. "Але ми дослідили лише кілька глибин льоду".
"Гіпотеза Мюллера цікава", - говорить Андрій Ганопольський з Потсдамського інституту досліджень впливу на клімат. «Але я вірю, що ми можемо успішно пояснити цикли льодовикового періоду в рамках класичної теорії Міланковіча. Однак для цього його слід додатково розвивати та доповнювати фактами, які ще не були відомими за часів Міланковича. Це моя сфера роботи ". Нещодавно Ганопольський разом із колегами з Геодослідницького центру Потсдам виявив, що різка зміна океанічних течій 2,7 мільйона років тому призвела до постійного зледеніння в північній полярній області. Лише з тих пір клімат Землі реагував на зміни параметрів орбіти зміною між льодовиковим та міжльодовиковим віками.
Бергер наводить причину цього: «Згідно з нашими моделювальними розрахунками, існує порогове значення вмісту вуглекислого газу в атмосфері - близько 350 ppmv (частини в мільйонній частині об'єму). Якщо цього значення не досягнуто, кліматична система Землі реагує набагато інтенсивніше на астрономічні фактори ". Для порівняння: доіндустріальне значення вуглекислого газу становило близько 280 ppmv, поточне значення - 370 ppmv.
Бергер на початку визнав, що для всебічного пояснення льодовикових періодів недостатньо просто розрахувати різну сонячну радіацію для різних географічних широт. Ось чому він більше 20 років працює зі своєю дослідницькою групою над розробкою кліматичної моделі, яка правильно імітує дуже складні, часто затримуються часом реакції кліматичної системи Землі на зміну астрономічних умов.
Тим часом Бергер вдосконалив свої симуляційні розрахунки до такої міри, що вони правильно відображають майже всі відповідні кліматичні події за останні три мільйони років - включаючи відповідні часи максимального обледеніння або перехід від домінування 41 000-річного циклу до 100 000-річного циклу до близько мільйона років.
Тепер він наважується прогнозувати майбутні зміни клімату. Сьогоднішні астрономічні параметри не можна порівнювати з тими, що були в останній міжледниковий період 100 000 років тому. У наступні тисячоліття мінімум 100 000-річного циклу ексцентриситету перекриватиметься з мінімумом 400 000-річного. Через 27 000 років земна орбіта буде майже круговою. Це означає, що "цикл тумблення" втрачає свій кліматичний ефект - і коливання літньої сонячної радіації у вищих північних широтах будуть надзвичайно малі протягом наступних 100 000 років.
Модельні розрахунки Бергера та його колеги Марі-Франс Лутр показують, що нинішній міжльодовиковий період триватиме до 50 000 років - і, отже, буде такий же, як міжльодовиковий період 400 000 років тому. Якщо вміст вуглекислого газу в атмосфері перевищує 700 ppmv протягом декількох сотень років - що передбачається в деяких сценаріях третьої доповіді ООН про клімат, опублікованої в 2001 році, - льодовиковий період може навіть закінчитися назавжди. Нинішній міжльодовиковий період ніколи не закінчиться. ■
Лікар. АКСЕЛ ТІЛЬМЕЙНС - фізик і працює незалежним науковим журналістом у Тіці, Північний Рейн-Вестфалія.