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

«Это жизни наших ребят» «Это жизни наших ребят»

Воспоминания Анатолия Черняева: Афганская война, январь 1989 года

Дилетант
Медоуказчики привели людей к змеям по ошибке Медоуказчики привели людей к змеям по ошибке

Орнитологи выяснили, почему большие медоуказчики иногда направляют людей к змеям

N+1
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

К концу XIX века мало кто сомневался, что ближайшие планеты населены

Наука и жизнь
Правила цветочного короля Правила цветочного короля

Цветочный король Борис Горкунов — о правилах ведения бизнеса

Монокль
Уродливая Вселенная Уродливая Вселенная

Как концепция «прекрасного мироздания» вредит науке

Вокруг света
Канны-2025: отцы и дочери, смена поколений Канны-2025: отцы и дочери, смена поколений

В Каннах самые звездные дорожки, но все меньше проектов с голливудскими звездами

Ведомости
Почему не стоит оставлять открытыми алюминиевые банки в холодильнике Почему не стоит оставлять открытыми алюминиевые банки в холодильнике

Безопасно ли есть из железных банок, которые были оставлены открытыми?

ТехИнсайдер
Полис на взлет Полис на взлет

Как восстанавливается рынок туристического страхования

Деньги
Пути к вершинам: 5 самых необычных канатных дорог в мире Пути к вершинам: 5 самых необычных канатных дорог в мире

Самые впечатляющие подъемники, от которых захватывает дух

ТехИнсайдер
Михалковы Михалковы

Династия Михалковых: от успеха в кино до признания в ресторанном бизнесе

Караван историй
Кем был воин Афгана Кем был воин Афгана

О ветеранах-«афганцах», наших соотечественниках по единому Советскому Союзу

Монокль
Продать продукт, даже если его еще нет: 5 шагов, чтобы на старте понять, «выстрелит» ‎ли бизнес Продать продукт, даже если его еще нет: 5 шагов, чтобы на старте понять, «выстрелит» ‎ли бизнес

Как проверить бизнес-идею до вложений и не влезть в долги

Inc.
Небо и море люблю одинаково… Небо и море люблю одинаково…

Боевой и жизненный путь генерал-майора авиации Ивана Васильевича Рожкова

Знание – сила
Дивный Воронеж Дивный Воронеж

Город-открытие, который ты пропускаешь по пути на море

Лиза
Как отмыть увлажнитель воздуха от накипи и налета Как отмыть увлажнитель воздуха от накипи и налета

Как почистить увлажнитель воздуха от накипи, чтобы он радовал вас чистым паром

CHIP
Сталинская трасса: как самолеты перегоняли из Америки в СССР в годы Второй мировой войны Сталинская трасса: как самолеты перегоняли из Америки в СССР в годы Второй мировой войны

Почти 15 тысяч самолетов были поставлены в СССР по ленд-лизу в годы ВОВ. Но как?

ТехИнсайдер
Волна у нас дома Волна у нас дома

Что такое сёрфинг на искусственной волне

Новый очаг
По пушкинским местам По пушкинским местам

Если бы во времена Пушкина были соцсети, какие места он бы советовал посетить?

Лиза
Душа Тосканы Душа Тосканы

Модернистская вилла на склонах холмов, которыми славится тосканский пейзаж

SALON-Interior
Все индивидуально Все индивидуально

Зачем бизнесу нужны кастомные ИИ-решения

РБК
Здравствуй и прощай Здравствуй и прощай

В свои первые приезды на дачу весной стоит сделать только самое необходимое

КАНТРИ Русская азбука
Не работает тачпад на ноутбуке: причины и способы решения проблемы Не работает тачпад на ноутбуке: причины и способы решения проблемы

Что делать, если перестал работать тачпад на ноутбуке с Windows

CHIP
Как ESG-принципы изменили российский рынок недвижимости Как ESG-принципы изменили российский рынок недвижимости

Зеленый подход к девелопменту: польза и подводные камни

РБК
Борисовские пруды Борисовские пруды

Юра Борисов сравнивает актерскую игру с плаванием, он в ней как рыба в воде

Men Today
Агата Кристи, вооруженные каскадеры и мощные моторы: как работала сирийская «дорога Нэрнов» Агата Кристи, вооруженные каскадеры и мощные моторы: как работала сирийская «дорога Нэрнов»

История создания автобусного маршрута от Бейрута до Багдада братьями Нэрнами

ТехИнсайдер
Как дети, честное слово Как дети, честное слово

Как изобретали детство: когда появились детские игрушки, одежда и литература

Вокруг света
Яковлевы Яковлевы

Юрий Яковлев оставил после себя не только роли, но и актёрскую династию

Караван историй
«Нам пора сформулировать закон сохранения цивилизации» «Нам пора сформулировать закон сохранения цивилизации»

Можно ли подружиться с умной машиной? Не может ли она вытеснить человека?

Знание – сила
Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове

Когда Ефремов пригласил меня, МХАТ как раз «пилился»

Коллекция. Караван историй
«В применении БАС должна появиться экономика» «В применении БАС должна появиться экономика»

Василий Шпак рассказал о смещении фокуса на закупку услуг с применением дронов

Эксперт
Открыть в приложении