Каковы причины таяния льдов Арктики и нынешнего потепления климата

Наука и жизньНаука

Причины таяния льдов Арктики. Астрономический фактор

Доктор технических наук Генрих Аванесов, кандидат физико-математических наук Борис Жуков, Институт космических исследований РАН

Гренландия, самый большой остров на Земле, теряет ледники из-за изменения глобального климата. И, по прогнозам, ледниковый щит острова в будущем может полностью исчезнуть, что представляет серьёзную угрозу человечеству. Фото: Andreas Altenburger/PantherMedia/Фотобанк Лори

Быстрое уменьшение площади северной полярной шапки — одна из наиболее очевидных и заметных климатических аномалий — свидетельствует о наличии значительного избытка тепловой энергии в годовом энергетическом балансе этой части планеты. По прогнозам, через несколько десятков лет полярная шапка может практически полностью исчезнуть. Но в чём причина такой аномалии? Наша планета постоянно совершает движения в поле тяготения Солнечной системы, которые приводят к значительным сдвигам в положении Земли относительно Солнца, что, в свою очередь, меняет характер её облучения, а вместе с этим — и климат.

Около ста лет назад сербский учёный (инженер, геофизик, климатолог и астроном) Милутин Миланкович представил научному сообществу астрономическую теорию колебаний климата. Теория эта стала итогом огромного труда по сбору, обобщению и сопоставлению данных о климате с известными из астрономии, но скрытыми от людского глаза движениями Земли: наклоном оси суточного вращения, её прецессии, а также изменениями эксцентриситета орбитального полёта вокруг Солнца. Проделать такую работу нелегко и сейчас, а тогда это был настоящий научный подвиг. В качестве вычислительных средств Миланкович использовал логарифмическую линейку и арифмометр.

В развитие идей этого замечательного учёного мы разработали астрономическую модель облучения Солнцем зон полярных суток Земли, находящихся в пределах Северного и Южного полярного круга. Модель объясняет причины таяния льдов Арктики и нынешнего потепления климата.

Движения земли в поле тяготения солнечной системы

Находясь в непрерывном гравитационном взаимодействии с Солнцем, Луной и другими телами Солнечной системы, наша планета, двигаясь по своей орбите, совершает сложное, имеющее множество составляющих, движение. Некоторые из этих движений приводят к изменениям расстояния от Земли до Солнца и угла падения солнечных лучей на земную поверхность. В результате, несмотря на практически постоянное количество солнечной энергии, ежегодно падающей на поверхность Земли (инсоляции), происходит непрерывный процесс её перераспределения: в некоторых регионах наблюдается относительный избыток энергии (профицит), тогда как в других возникает её относительный недостаток (дефицит).

Как различные движения Земли — собственные и орбитальные — влияют на инсоляцию её поверхности? Посмотрим на рисунок, где Земля показана в двух крайних положениях на эллиптической орбите её полёта вокруг Солнца: слева — в апогелии, то есть в точке максимального удаления от Солнца, а справа — в перигелии, то есть в точке минимального расстояния до светила (рис. 1). На рисунке ось суточного вращения Земли наклонена по отношению к перпендикуляру к плоскости орбиты Земли под углом 23,4°.

Рис. 1. Типы и параметры основных движений Земли в поле её гравитационного взаимодействия с Солнцем и другими телами Солнечной системы. Рисунок из статьи: Аванесов Г. А., Михайлов М. В. Человек и климат. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 3. С. 9—20.

Самое заметное движение нашей планеты — суточное вращение Земли. Оно определяет смену дня и ночи. Хорошо ощутимы для человека также смены времён года в годичном цикле обращения планеты вокруг Солнца. Однако современные методы и средства астрономических измерений и баллистических расчётов показывают, что каждый пролёт Земли вокруг Солнца чуть-чуть отличается от предыдущего (рис. 2). С 2000 по 2040 год пиковые значения расстояний изменялись и будут изменяться в пределах от +5 до −7 тыс. км, что в сравнении со средним расстоянием от Земли до Солнца 150 млн км может казаться пренебрежимо малой величиной.

Рис. 2. Отклонения реального расстояния от Земли до Солнца относительно среднего эллипса орбиты за период 2000—2040 годы. Рисунок из статьи: Аванесов Г. А., Михайлов М. В. Человек и климат. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 3. С. 9—20.

Незаметны для человека нутации земной оси — небольшие колебания, накладывающиеся на её прецессионное движение. Причина нутации оси — притяжение Луной и Солнцем экваториального избытка масс Земли. Сложное движение нашей планеты по орбите вокруг Солнца, а также Луны вокруг Земли приводит к изменению приливных сил, вызывающих нутацию, и, соответственно, к появлению во вращении Земли вариаций с различными периодами. Главная нутационная гармоника, имеющая период 18,6 года, определяется поворотом плоскости лунной орбиты. Амплитуда этой гармоники составляет около 17,2″ для нутаций в долготе (Δᴪ) и 9,2″ — для нутаций в наклоне (Δε). Нутационные колебания имеют и более высокочастотные гармоники с периодом до четырёх дней (рис. 3).

Рис. 3. Нутационные колебания оси суточного вращения Земли. Нутационное движение разложено на две компоненты: Δψ — нутация в долготе и Δε — нутация в наклоне (в секундах дуги).

Прецессия земной оси — одно из долгопериодических колебаний в движении нашей планеты — идёт по конусу вокруг перпендикуляра к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца (эклиптики). В результате прецессии земная ось описывает в пространстве полный конус с вершиной в центре Земли. За счёт прецессии происходит медленное смещение времён года. По отношению к инерциальной системе координат период прецессии составляет 25 920 лет — древние греки называли его Великим или Платоновым годом. При обсуждении вопросов, связанных с климатом на Земле, необходимо учитывать ещё и прецессию эллипса орбиты в плоскости эклиптики с периодом около 140 тыс. лет, которая происходит в направлении, противоположном прецессии Земли. Биения этих двух видов прецессий вызывают изменение периода земной прецессии относительно Солнца, который варьируется от 10 до 32 тыс. лет. Нынешний период прецессии составляет 22 тыс. лет, предыдущий — 24 тыс. лет, следующий — 14 тыс. лет.

Наклон оси вращения Земли — причина смен времён года. Если бы наклон был равен нулю, то времена года отсутствовали бы, увеличение же наклонения привело бы к большему контрасту температуры между летом и зимой. Наклон оси вращения Земли также непостоянная величина. Он изменяется с периодом около 41 тыс. лет от 22,1 до 24,5°. Изменение наклона земной оси меняет границы и площадь Северного и Южного полярного круга, смещает границы других климатических зон — тропиков и субтропиков.

Непостоянен и эксцентриситет орбиты Земли. Период его изменений в пределах 0,077 до 0,003 составляет в среднем примерно 100 тыс. лет (рис. 4).

Рис. 4. Основные составляющие долгопериодических движений Земли: Р — прецессия, i — наклонение земной оси, e — эксцентриситет орбиты Земли. Рисунок из статьи: Аванесов Г. А., Михайлов М. В. Человек и климат. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 3. С. 9—20.

Не все знают, что кроме привычных для нас времён года — зимы, весны, лета, осени, характерных для высоких широт, — существует ещё один тип времён года, который можно назвать экваториальным (рис. 1). Напомним, что орбита Земли имеет форму эллипса. Когда планета входит в окрестности перигелия, наступает экваториальное лето: расстояние до Солнца уменьшается и приток солнечной энергии увеличивается. И наоборот, в окрестности апогелия расстояние до Солнца увеличивается, приток солнечной энергии уменьшается и наступает экваториальная зима. Разница в величине энергопритока во время экваториальных лета и зимы сегодня при эксцентриситете орбиты Земли 0,017 составляет 7%. В случае увеличения эксцентриситета, которое когда-нибудь произойдёт в будущем, при достижении им максимального значения 0,077 эта разница вырастет почти в три с половиной раза, то есть составит 27%.

Сведения об основных переменных составляющих движения Земли приведены в табл. 1.

В наше время наблюдается тенденция к одновременному снижению наклона земной оси и эксцентриситета орбиты планеты. Представления об особенностях орбитального движения Земли и об изменениях величин инсоляции её полярных зон за время одного периода прецессии даёт табл. 2.

Солнечная активность тоже имеет вариации по величине и характеризуется периодичностью, которая составляет 11, 22, 80, 200 и даже 2300 лет. Эти циклы накладываются на периоды, связанные с орбитальным движением планеты.

Здесь нелишне вспомнить Древнюю Грецию. Слово «климат» произошло от греческого слова «klima» (клима), что означает «наклон», то есть положение некоторой площадки по отношению к падающим на неё солнечным лучам. О том, что переменные параметры движения Земли могут влиять на инсоляцию земной поверхности, знал живший в IV веке до н. э. афинский мыслитель Платон. Он и другие учёные древности в исследованиях небесных светил искали ответы на земные вопросы. Гиппарх Никейский (II век до н. э.) создал первый каталог звёзд, вычислил расстояния от Земли до Луны и Солнца и размеры этих небесных тел. В то время уже существовали первые календари, а моряки начали использовать небесные светила в качестве ориентиров.

Позже, в начале XVIII века, был изобретён секстант — астрономический прибор, позволяющий измерять высоту Солнца или ярких звёзд над горизонтом. Идея этого прибора принадлежала Исааку Ньютону. Примерно в то же время в Англии начал выходить Морской альманах, содержавший поправки для наблюдений Солнца с использованием секстанта. С тех пор любой путешественник на суше и на море, имея секстант и хронометр, мог определить своё местоположение. Навигация стала одним из прикладных применений астрономии. Всё шло к тому, чтобы основы астрономии впитала в себя зарождающаяся в то время климатология.

Но вернёмся к автору астрономической теории колебаний климата Земли Милутину Миланковичу. Он хорошо знал о достижениях в области астрономии и их успешном применении в навигации и исчислении времени. Его теория, изложенная в книге «Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата», была тепло встречена современниками. Казалось бы, что уж теперь климатология будет развиваться с учётом астрономических знаний, но этого не случилось. Во всяком случае, в наше время такие астрономические термины, как прецессия, нутация и эксцентриситет, не входят в лексикон Межправительственной группы экспертов по изменению климата ООН (МГЭИК). Эти слова отсутствуют в итоговом отчёте МГЭИК за 2023 год1. Единственной причиной потепления климата МГЭИК считает антропогенный фактор — повышение содержания углекислого газа в атмосфере планеты, возникшее в результате сжигания человеком огромного количества углеводородного топлива. В документах МГЭИК не упоминается и имя М. Миланковича, что, как минимум, вызывает недоумение. Хотя всё это не помешало Европейскому геофизическому союзу, начиная с 1993 года, награждать учёных, внёсших значительный вклад в исследования долгосрочных климатических изменений, медалью его имени. А в 2000 году NASA внесло имя Милутина Миланковича в первую десятку выдающихся учёных, занимавшихся науками о Земле. Не забыта теория Миланковича и в современной России. Регулярно в научных изданиях появляются серьёзные аналитические работы российских исследователей, развивающие и уточняющие отдельные положения его теории с учётом новейших достижений науки2.

1. AR6 Synthesis Report: Climate Change 2023 (https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-cycle/).

2. См., например, Фёдоров В. М. Инсоляция Земли и современные изменения климата. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018.

Марка, выпущенная почтой Сербии в 2019 году, посвящённая 140-летию со дня рождения Милутина Миланковича — климатолога, инженера-строителя, математика, астронома и популяризатора науки.

Астрономическая модель инсоляции зон полярных суток земли

На Земле есть области, в которых смена дня и ночи происходит не раз в сутки, а значительно реже. Эти области — зоны полярной ночи и полярного дня — в наше время лежат выше 66,5° северной и южной широты. Длительность полярного дня и полярной ночи увеличивается от одних суток у полярного круга до примерно полугода на полюсах (с отклонениями в несколько суток из-за разной скорости движения Земли по орбите в летнее и зимнее время в Северном и Южном полушариях, а также из-за рефракции в атмосфере). Соответственно в течение года изменяется и площадь полярного дня и полярной ночи.

Годовой баланс инсоляции области полярного дня и излучения полярной ночи зависит от параметров орбиты Земли: наклонения ∆ ∆i, эксцентриситета е и угла прецессии λ. Периоды изменения этих параметров измеряются многими тысячелетиями и не кратны друг другу. Избыточное накопление тепловой энергии в течение года, то есть положительный энергобаланс (профицит), вызывает рост температуры и сокращение ледового покрова полярной шапки. Отрицательный годовой энергобаланс, то есть недостаток или дефицит тепловой энергии, ведёт к понижению температуры и увеличению площади ледового покрова. Усреднение процесса на большом интервале времени (при преобладании профицита или дефицита тепловой энергии) вызывает изменение температуры в окрестности соответствующих полярных шапок.

Разработанная нами астрономическая модель инсоляции зон полярных суток Земли

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Рим и германцы Рим и германцы

Встреча с варварами потрясла Рим, заставив изменить организацию римской армии

Дилетант
Любовь под пальмами Любовь под пальмами

Как отдохнуть, набраться сил и укрепить отношения в совместном отпуске

Добрые советы
Бей, молись, беги Бей, молись, беги

Игры с мячом и битой – древнейшие развлечения человечества

Вокруг света
Интервальное голодание: почему нет эффекта Интервальное голодание: почему нет эффекта

Почему интервальное голодание может не сработать и как избежать ошибок

Лиза
Учёные, стихотворцы и блохи Учёные, стихотворцы и блохи

Кто такой Князев — автор рукописи «Учёные и блохи» и как она появилось?

Наука и жизнь
Спортивная фигура Спортивная фигура

Прежде чем начать заниматься, нужен контекст. И форма

Afternoon Seasons of life
Подвал с секретом: как живет один их главных театров Москвы — пространство «Внутри» Подвал с секретом: как живет один их главных театров Москвы — пространство «Внутри»

Как архитектору удалось создать один из самых модных театров Москвы?

Forbes
Древние и красивые: 5 важных археологических памятников Древние и красивые: 5 важных археологических памятников

Самые впечатляющие и ценнейшие археологические памятники

ТехИнсайдер
Цветок для смелых Цветок для смелых

Проект суперъяхты Lily разработали для верфи Oceanco в дизайн-бюро Vripack

Y Magazine
Персона Персона

Юрий Кузнецов — о любви к уральским изумрудам и стилю ар-деко

RR Люкс.Личности.Бизнес.
«Крепкая семья остается сегодня наиболее важной ценностью» «Крепкая семья остается сегодня наиболее важной ценностью»

Как увеличить население нашей страны

Эксперт
Шаг к здоровью питомца: как подобрать правильный корм для домашнего животного Шаг к здоровью питомца: как подобрать правильный корм для домашнего животного

О том, как надо кормить кошек и собак в соответствии с их видовыми особенностями

ТехИнсайдер
«Звук падения»: одна из самых громких премьер в Каннах — о судьбе четырех девочек «Звук падения»: одна из самых громких премьер в Каннах — о судьбе четырех девочек

В «Звуке падения» уживаются камерное пространство и масштабное время действия

Forbes
Расчеты на будущее Расчеты на будущее

Какие новые технологии вычислений придут на смену классическим компьютерам

РБК
Вам и не снилось… Вам и не снилось…

Почему тин-драмы это не просто поджанр кино и сериалов

Men Today
Нейробиологи показали, как мозг хранит и редактирует наши воспоминания Нейробиологи показали, как мозг хранит и редактирует наши воспоминания

Механизмы, которые хранят и обновляют воспоминания в мозге

ТехИнсайдер
Самые популярные выпуски шоу «Ильдар-автоподбор» Самые популярные выпуски шоу «Ильдар-автоподбор»

Одни из самых популярных (по количеству просмотров) видео «Ильдар-автоподбора»

Maxim
Астрономы подтвердили существование экзогиганта на ретроградной орбите в тесной двойной системе Астрономы подтвердили существование экзогиганта на ретроградной орбите в тесной двойной системе

Астрономы нашли экзогиганта на необычно широкой и ретроградной орбите

N+1
Встреча в лифте Встреча в лифте

О движении навстречу друг другу и о движении от себя-ребенка к себе-родителю

Afternoon Seasons of life
«Король гремучих змей»: как Кларк Стэнли сколотил состояние на лекарстве, которое оказалось пустышкой «Король гремучих змей»: как Кларк Стэнли сколотил состояние на лекарстве, которое оказалось пустышкой

Масло от всех болезней — история громкой аферы Кларка Стэнли

ТехИнсайдер
Коротко и ясно Коротко и ясно

Идеи для коротких, но ярких путешествий по России

Добрые советы
Однажды на террасе Однажды на террасе

Как оборудовать на дачном участке удобное и красивое место отдыха

КАНТРИ Русская азбука
Чечня. Четверть века боли и боя Чечня. Четверть века боли и боя

Краткая история причин, хода и результатов двух чеченских кампаний

Монокль
Торжество прибытия Торжество прибытия

Минивэн Hongqi HQ9 — комфорт для всей семьи с восточным терпением

Автопилот
Палеонтологи восстановили перья археоптерикса, и объяснили как он летал Палеонтологи восстановили перья археоптерикса, и объяснили как он летал

Как ученые по оставшимся костям могут реконструировать облик археоптерикса?

ТехИнсайдер
Самка шимпанзе из заповедника Будонго вытерла пенис самца листьями после спаривания Самка шимпанзе из заповедника Будонго вытерла пенис самца листьями после спаривания

Как можно судить о зарождении медицины у людей на примере шимпанзе

N+1
Советский феникс Советский феникс

Как разрушенная страна восстала из пепла за одну героическую пятилетку

Монокль
Садовые хитрости, проверенные временем Садовые хитрости, проверенные временем

Несколько рекомендаций, которые помогут вам в саду

КАНТРИ Русская азбука
Мягкая сила: как бывшие спецназовцы развивают региональную сеть фитнес-студий Мягкая сила: как бывшие спецназовцы развивают региональную сеть фитнес-студий

Как армейские друзья создали сеть студий «мягкого» фитнеса

Forbes
Энергия вместо долга Энергия вместо долга

Как получилось, что США оказалась на грани дефолта?

Ведомости
Открыть в приложении