Климат на Земле зависит от количества той энергии, которую Земля получает от Солнца. Примером являются сезонные изменения погоды. Сезонные изменения на Земле вызваны тем, что Земля по-разному подставлена под солнечные лучи. Для того, чтобы солнечная энергия лучше всего была воспринята данной поверхностью, надо, чтобы эта поверхность была перпендикулярна солнечным лучам. Те места на Земле, которые перпендикулярны солнечным лучам (или почти перпендикулярны), получают больше всего солнечной энергии. Ясно, что они располагаются вблизи экватора, в экваториальном поясе Земли. Они смещаются от экватора к северу или к югу в зависимости от того положения, которое занимает Земля при своем движении вокруг Солнца.Но количество солнечной энергии меняется не только с сезоном. Поступающая к Земле энергия от Солнца зависит от угла наклона солнечных лучей по отношению к поверхности Земли и от расстояния Земли от Солнца. На самом Солнце (и в его недрах) происходят процессы, в результате которых меняется солнечная энергия. Значит, от этих процессов зависит и величина той энергии, которую Земля получает от Солнца. Эти процессы на Солнце определяют его активность, солнечную активность.
Значит, если мы хотим разобраться в том, почему меняется климат, или, другими словами, почему меняется поступающая от Солнца к Земле энергия, то должны проанализировать, как меняется во времени расстояние от Земли до Солнца, как Земля подставлена под солнечные лучи и какова активность самого Солнца. Прежде всего надо иметь в виду, что земная орбита меняется периодически. Все планеты Солнечной системы движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Но сами эти эллипсы не остаются постоянными, неизменными. Так, эллипс, по которому движется Земля вокруг Солнца, периодически меняется. Меняется эксцентриситет этого эллипса— земной орбиты. Это значит, что при движении вокруг Солнца расстояние Земли от Солнца меняется еще и потому, что меняется форма самого эллипса. Другими словами можно сказать, что траектория Земли вокруг Солнца становится время от времени более вытянутой. Такое положение повторяется с определенными периодами: 90—100 тысяч лет, 425 тысяч лет и 120 тысяч лет. Это значит, что с такими периодами меняется удаление Земли от Солнца. А поступающая к Земле от Солнца энергия зависит от этого удаления, она обратно пропорциональна квадрату расстояния от Земли до Солнца. Это значит, что если это расстояние увеличилось бы вдвое, то энергия уменьшилась бы в четыре раза.
Ученые рассчитали, как менялась орбита Земли за 30 миллионов лет в прошлом и как она будет меняться в течение одного миллиона лет в будущем. В этих расчетах и были установлены приведенные выше периоды изменения эксцентриситета эллипса— орбиты Земли.
Как должен меняться климат на Земле в результате того, что эллиптическая траектория Земли то вытягивается, то сокращается, то есть в результате изменения эллиптичности орбиты Земли? Если бы климат на Земле менялся только из-за изменения эллиптичности орбиты Земли, то в северном полушарии зимой летние сезоны должны были бы быть более длинными и прохладными. В южном полушарии летние сезоны должны были бы быть более короткими и теплыми, а зимы— холодными и более длинными. Когда земной эллипс вытягивается максимально, сезонные контрасты должны увеличиваться. Такие условия были примерно 20 тысяч лет назад, когда земной эллипс был максимально вытянут. Такая ситуация повторяется примерно через 90—100 тысяч лет. Сейчас же орбита Земли медленно приближается к своей наименьшей эллиптичности, то есть она больше будет похожа на окружность, чем на эллипс. И различия условий летом и зимой постепенно уменьшаются.
Изменение эллиптичности орбиты Земли за последние полмиллиона лет показано на рис. 27. Степень вытянутости эллипса (орбиты Земли) характеризуется величиной, которая была названа эксцентриситетом. Чем больше эта величина, тем более вытянут эллипс. Как известно, эллипс в отличие от окружности имеет два центра. Чем дальше они удалены друг от друга, тем эллипс более вытянут. Если оба центра эллипса сближаются постепенно так, что совпадают друг с другом, то эллипс превращается в окружность. Сейчас происходит приближение центров земного эллипса. Это значит, что эллиптическая орбита Земли все больше и больше приближается к форме окружности. По этой причине (одна из причин) климат на Земле холодает. Из рисунка ясно, что мы постепенно приближаемся к новой ледниковой эпохе.
Однако положение Земли относительно Солнца меняется не только из-за изменения вытянутости земной орбиты. Одновременно меняются и другие характеристики движения Земли и ее положения в пространстве относительно солнечных лучей.
Плоскость, в которой находится траектория Земли, то есть в которой Земля движется вокруг Солнца, не совпадает с плоскостью экватора Земли. Другими словами, ось вращения Земли не является перпендикулярной плоскости, в которой Земля движется, плоскости эклиптики. Это наглядно показано на рис. 28. Собственно, именно поэтому на Земле и существуют сезоны— зима, весна, лето и осень. Но это не все. Оказывается, что наклон оси вращения Земли не остается постоянным. Он все время меняется. Но не произвольно, а по определенному закону. Изменения наклона оси вращения Земли происходят таким образом, что через определенное время все повторяется, возвращается на круги своя. Это время равно 41 тысяче лет. Скажется ли это на климате Земли? Обязательно. Точно так же, как наклон оси вращения Земли. Он является причиной сезонного изменения погоды и климата. Разница только в том, что сезонные изменения видны быстро, за какие-то один-два месяца. А изменения климата, обусловленные изменением этого наклона, скажутся за более продолжительное время — за тысячи лет. Весь круг изменений замыкается по истечении 41 тысячи лет. Затем все повторяется.
Если мы хотим оценить, как эти изменения наклона оси Земли скажутся на изменении климата, мы должны знать, насколько значительны эти изменения наклона. Ученые рассчитали их на многие миллионы лет назад и вперед. Часть этих результатов (за последние 500 тысяч лет) показана на рис. 28. Из рисунка ясно видна периодичность изменения наклона оси Земли. Период равен примерно 41 тысяче лет. Эти изменения почти в два с половиной раза происходят быстрее, чем изменения вытянутости эллиптической орбиты Земли. Это видно из сравнения рис. 2 7 и 28. Как видно из рис. 28, изменения угла наклона оси Земли весьма ощутимые. В течение полупериода (20 тысяч лет) этот угол меняется примерно на 2,6°. Таковы законы механики, согласно которым вращающееся тело меняет угол наклона оси вращения в том случае, если ось вращения тела не перпендикулярна плоскости движения тела. В этом вы можете убедиться с помощью детской игрушки — юлы, раскрутив ее так, чтобы ее ось была наклонена относительно поверхности пола или стола. Понаблюдайте за ее движением и за какие-то минуты увидите то, что происходит с Землей за десятки тысяч лет.
Какие же изменения климата должны вызвать периодические изменения угла наклона оси вращения Земли? Ученые исследовали этот вопрос и пришли к следующему заключению. Когда угол наклона оси вращения Земли максимальный (это было 8—10 тысяч лет назад) , то климат должен быть теплым. Именно 8—10 тысяч лет назад это и наблюдалось на Земле. Это было золотое время земного климата— время "климатического оптимума", по терминологии ученых. Мы постепенно движемся к моменту, когда угол наклона оси Земли станет минимальным. Этот момент наступит примерно через 20 тысяч лет. Из простой логики следует, что чем меньше угол наклона оси Земли, тем меньше разница между сезонами. Если бы этот угол стал равным нулю, то есть если бы ось Земли была строго перпендикулярной плоскости траектории Земли, то сезоны исчезли бы вообще. Поэтому от года к году разница между сезонами должна постепенно уменьшаться. И так в течение 20 тысяч лет. В конце этого периода она станет минимальной. После этого все начинается сначала. Угол наклона оси Земли будет расти, а разница между сезонами будет также увеличиваться. Это значит, что будет увеличиваться разница между энергиями, которые получают от Солнца северное и южное полушария. Надо обратить внимание на то, что изменения в энергии за счет изменения угла наклона оси Земли одинаковы по величине в обоих полушариях — северном и южном. В первом случае, когда мы рассматривали влияние на климат вытянутости эллиптической орбиты Земли, это влияние в северном полушарии отличалось от такого же влияния в южном полушарии. Это важно, поскольку климат меняется не только потому, что Земля в целом получает меньше или больше энергии от Солнца, но и потому, что эта энергия по-разному распределена по всей земной поверхности. Изменяя места максимального и минимального нагрева атмосферы и земной поверхности, вы тем самым изменяете характер и интенсивность атмосферной циркуляции, то есть меняете погоду и климат. Поэтому обязательно надо знать, как именно распределена по поверхности Земли поступающая от Солнца энергия. Без этого вы не сможете установить характер климата и его изменения.
Специалисты оценили, насколько важными для климата являются изменения угла наклона оси вращения Земли. Они получили, что средняя энергия солнечного излучения — инсоляция (от слова solar — солнечный) — летом на широте 45° изменяется на 1,2% на каждый градус изменения угла наклона оси Земли. При изменении угла наклона от среднего значения на 2,6° (амплитуда изменения угла наклона оси Земли) инсоляция изменится на 3%. Именно такие изменения угла наклона имели место за последние 500 тысяч лет. Эти изменения инсоляции зависят очень сильно от широты места на Земле. Если мы сдвинемся на север от 45° на 20°, то инсоляция (при изменении угла наклона на один градус) изменится уже не на 1,2%, а на 2,5%. При амплитуде изменения угла наклона оси Земли в 2,6° амплитуда изменения инсоляции на 65° составит уже 6,5%. А это немало. Такие изменения поступающей солнечной энергии атмосфера Земли не может не почувствовать. Поэтому, когда угол наклона земной оси максимальный, околополярные области нагреваются больше и ледники должны отступать. Средние и низкие широты также нагреваются, но в меньшей мере. Когда же угол наклона земной оси уменьшается, ледники должны наступать, поскольку полярные области недополучают весомую часть причитающейся им энергии. Энергетические убытки при этом средних и экваториальных широт меньше. Как мы уже говорили, в настоящее время угол наклона оси Земли постепенно уменьшается, в результате чего различие между летом и зимой уменьшается. Но не только это. Грядет похолодание и наступление ледников.
Положение Земли относительно Солнца меняется и вследствие прецессии орбиты Земли. Эффект прецессии проявляется с периодом в 21 тысячу лет. Характерно для него то, что он проявляется одинаково (в одной фазе) в северном и южном полушариях. Кроме того, этот эффект не зависит от широты. В настоящее время Земля и Солнце ближе всего находятся друг от друга в январе, когда в южном полушарии в разгаре лето. Но 10 тысяч лет назад такое расположение Земли и Солнца друг относительно друга имело место в июле, то есть когда было лето в северном полушарии. Еще через 10—11 тысяч лет все вернется к начальному состоянию— Земля и Солнце будут ближе друг к другу в январе. А дальше все будет повторяться с периодом в 21 тысячу лет.
Но раз меняется расстояние между Землей и Солнцем, то неизбежно меняется и поступающая от Солнца к Земле энергия. А это не может не сказаться на изменении климата (с периодом 21 тысяча лет). Какие изменения климата это вызовет? Через 10—11 тысяч лет, когда минимальное расстояние между Землей и Солнцем будет в июле, следует ожидать, что лето в южном полушарии и зима в северном полушарии будут холоднее, чем сейчас. В то же время зима в южном полушарии и лето в северном полушарии станут теплее, чем сейчас. Как изменялась прецессия земной орбиты за последние 500 тысяч лет, показано на рис. 29.
Мы уже говорили, как меняется солнечная энергия, приходящая к Земле (инсоляция) за счет изменения угла наклона оси Земли. Ясно, что надо к этим изменениям добавить и те, что обусловлены изменением вытянутости эллиптической орбиты Земли, а также за счет существования прецессии орбиты Земли. Специалисты оценили изменение инсоляции за последние 500 тысяч лет за счет всех трех указанных изменений в положении Земли относительно Солнца. Расчеты были проведены для трех широт на Земле— 75°, 55° и 65° северного полушария. Результаты расчетов оказались на редкость интересными. Они показали, что чередование ледниковых и межледниковых эпох удивительно хорошо согласуется с теми периодами, с которыми происходит изменение вытяну-тости эллиптической орбиты Земли, изменение угла наклона оси вращения Земли, а также прецессии. Когда были сложены вместе изменения солнечной энергии, получаемой Землей, которые происходят за счет указанных трех эффектов, то оказалось, что они составляют примерно 5%, если отсчет ведется от средних летних значений. Климатологи знают, что это отнюдь не мало.
Таких изменений энергии вполне достаточно для того, чтобы перевести климат Земли из состояния "климатического оптимума" (когда был рай на Земле) в состояние ледникового оцепенения. Климатологи утверждают, что изменениями инсоляции такой величины (5%) можно вполне объяснить изменение климата на Земле за последний миллион лет. Все они сходятся на том, что достаточно изменить поступление солнечной энергии на несколько процентов (но это должно происходить длительное время) для того, чтобы на Земле наступила эпоха крупного оледенения. То же самое можно проделать и в обратном порядке — увеличить солнечную энергию на несколько процентов и освободить Землю от ледников. Это наглядно подтверждается данными, представленными на рис. 30. Там приведены изменения инсоляции за последние 500 тысяч лет. Период увеличения солнечной энергии (инсоляции) четко совпадает с периодом климатического оптимума, который имел место 8—10 тысяч лет назад. Период уменьшения инсоляции совпадает с последним ледниковым периодом. Но не только эти периоды совпадают. И другие эпохи потепления и похолодания климата в прошлом совпадают с периодами увеличения и уменьшения инсоляции соответственно. Ученые рассчитали, что через 11 тысяч лет инсоляция уменьшится по сравнению с современной примерно на 5%. Это значит, что Земля окажется в ледниковом периоде.
Выше мы говорили о климате на всей Земле, о глобальном климате. Но надо иметь в виду, что за счет описанных эффектов меняется не только общая величина поступающей к Земле солнечной энергии. Меняется и характер распределения этой энергии по всей поверхности Земли. А это обязательно вызовет изменение широтных контрастов температуры. Ясно, что в результате этого изменится характер циркуляции атмосферы. Все это обязательно надо учитывать при проведении расчетов, хотя сделать это очень непросто. Иначе не следует требовать от результатов расчетов аптекарской точности. Преувеличение значения модельных расчетов чревато неправильным представлением об исследуемых процессах.
В заключение рассмотрения этого вопроса завяжем узелок на память: сейчас Земля находится в фазе межледниковья и приближается к очередной эпохе оледенения со средней скоростью уменьшения инсоляции порядка 0,2—0,4% за одну тысячу лет.