ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 5, с. 45-57
= ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ
УДК 551.791
СИНХРОННОСТЬ ЛЕДНИКОВЫХ ЦИКЛОВ ПОЗДНЕГО ПЛЕЙСТОЦЕНА С ХОДОМ ИНСОЛЯЦИИ НА ЭКВАТОРЕ И ЕЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ МЕЖДУ ВЫСОКИМИ И НИЗКИМИ ШИРОТАМИ
© 2007 г. Н. В. Вакуленко*, В. М. Котляков**, А. С. Монин*, Д. М. Сонечкин*
*Институт океанологии РАИ **Институт географии РАИ Поступила в редакцию 31.10.2006 г.
Показано, что синхронные изменения фаз и длительностей ледниковых циклов позднего плейстоцена в северном и южном полушарии могут быть объяснены двумя факторами. Во-первых, частотной модуляцией колебаний инсоляции на экваторе за счет циклов эксцентриситета орбиты Земли. Во-вторых, происходившим одновременным перераспределением инсоляции между приполярными и экваториальной зонами Земли за счет цикла наклонения оси вращения Земли к плоскости эклиптики.
Проблема плейстоценовых ледниковых циклов. В своей классической постановке теория чередования ледниковых и межледниковых климатов в плейстоцене основана на гипотезе М. Ми-ланковича [4], гласящей, что для формирования ледниковых щитов вблизи полюсов благоприятны не суровые зимы, как это предполагали предшественники Миланковича - Л. Агассиз [8], Дж. Адемар [7], С. Аррениус [9] и Дж. Кроль [18] (см. обзор [40]), а прохладные и влажные теплые сезоны. Причину их появления Миланкович видел в циклическом (за счет прецессии долготы перигелия при орбитальном движении Земли вокруг Солнца) уменьшении радиации, приходящей к полярным районам в теплое время года. Рассчитав многолетний ход инсоляции на 65° с.ш. в июне, Миланкович убедился, что с его минимумами хорошо совпадают известные стадии вюрм-ских и рисских оледенений в Альпах, повторявшиеся через 20 тыс. лет. Это хорошо соответствует основным циклам прецессии в орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Новые палео-климатические данные, полученные в середине XX в., показали, что с такими минимумами совпадали и более ранние оледенения позднего плейстоцена в северном полушарии (минцкие, гюнц-кие и дунайские стадии). Более того, количественное сравнение хода инсоляции с рядами палеоклиматических индикаторов привело последователей Миланковича к выводу [21, 23], что изменения климата в плейстоцене могут быть объяснены как прямой отклик глобальной климатической системы на изменения инсоляции. Все это, вроде бы, подтверждало гипотезу Миланковича.
Однако, по мере построения новых палеоклиматических реконструкций, основанных на анализах донных морских отложений и кернов, извлеченных из ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды, выяснились факты, которые противоречат гипотезе Миланковича. Среди них наиболее известным является отличие средней длительности ледниковых циклов плейстоцена от характерных периодов прецессии (19 и 23 тыс. лет). В раннем плейстоцене средняя длительность ледниковых циклов оказалась близка к периоду основного колебания наклона земной оси вращения к плоскости эклиптики (41 тыс. лет) [41], а в позднем плейстоцене - к одному из периодов колебаний эксцентриситета орбиты Земли (около 100 тыс. лет) [24]. Анализ ледникового керна на станции "Восток" в Антарктиде показал также [3, 42], что оледенения южного и северного полушарий происходили одновременно, хотя, как известно [5, 12], прецессионные изменения инсоляции в высоких широтах обоих полушарий происходят в противофазе. Значит, ледниковый щит Антарктиды разрастался в условиях не пониженной, а повышенной, летней инсоляции. Кроме того, некоторые из вновь построенных палеоклиматических реконструкций показали [26, 28], что иногда переходы между ледниковыми и межледниковыми условиями в позднем плейстоцене происходили раньше соответствующих изменений инсоляции. Однако сторонники гипотезы Миланковича постарались убедить [22], что такие реконструкции являются "аномальными" в том смысле, что использованные для их построения данные отражали по каким-то причинам исключительно локальные вариации климата, и, следовательно, такие реконструкции не следует прини-
мать во внимание при построении общей теории ледниковых циклов плейстоцена.
Существование локальных палеоклиматиче-ских колебаний большой амплитуды (около 10°С что характерно для переходов между ледниковыми и межледниковыми климатами), к тому же сохраняющихся в течение десятков тысяч лет, очень сомнительно, поскольку при этом должны были бы возникать горизонтальные контрасты температуры, превосходящие те, что свойственны современному климату. Такие контрасты, даже если возникали в какой-то момент времени, должны были быстро разрушаться за счет горизонтального перемешивания воздушных масс при циклонической деятельности. Действительно, анализ пространственно-временных вариаций приземной температуры воздуха по данным инструментальных наблюдений за последние 150 лет показывает [6], что большие локальные контрасты температуры сохраняются очень недолго. Контрасты 1°С и более на 1000 км в этих данных можно наблюдать в течение нескольких десятилетий, а столетние колебания, как современное потепление, уже являются глобально однородными. Существование "аномальных" палеоклиматиче-ских реконструкций нуждается поэтому в каком-то ином объяснении.
Что касается наблюдаемой в большинстве современных палеоклиматических реконструкций длительности плейстоценовых ледниковых циклов порядка 100 тыс. лет, было предложено много разных ее объяснений. Самые первые [20, 25] были связана с моделированием ледниковых циклов в рамках нульмерной энергобалансовой модели динамики глобального климата. В этой простейшей модели использовалась практически такая же параметризация приходящей и уходящей радиации через среднюю глобальную температуру воздуха, что и в пионерских работах М.И. Бу-дыко и У.Д. Селлера по проблеме современного потепления климата. Разница с моделями Будыко и Селлерса была в том, что были допущены небольшие отклонения средней глобальной температуры от радиационного равновесия. Это сделало энергобалансовую модель эволюционной. Позднее были построены [25, 29, 34, 39, 44] нуль-и одномерные модели, в которых в качестве зависимых переменных, помимо средней глобальной температуры воздуха, рассматривались и другие палеоклиматические индикаторы (глобальный объем льда, концентрация парниковых газов в атмосфере и т.п.). В этих моделях старались представить 100-тысячелетний период как собственное колебание климатической системы. Если принять во внимание динамику криосферы Земли и глубокого океана, очень трудно представить, как может появиться собственное климатическое колебание такой большой длительности. По этой причине для обоснования гипотезы привлекался
такой "экзотический" источник собственных колебаний как локальное прогибание земной поверхности под тяжестью растущего ледника [25, 29]. Конечно, локальные прогибы такого рода зафиксированы, например, в Скандинавии. Однако трудно представить, что подобное явление было, по существу, главным дирижером плейстоценовых ледниковых циклов на Земле. Высказывалось еще одно "экзотическое" предположение [36, 37], что появление в палеоклиматических рядах 100-тысячелетнего периода есть тривиальное следствие периодического прохождения орбиты Земли через область космического пространства с большим количеством микрочастиц, ослабляющих приходящую к Земле солнечную радиацию.
С другой стороны, примерно 100-тысячелетний период ледниковых циклов, установившийся в плейстоцене, рассматривался [14, 15, 17, 23, 40] как некоторое климатическое "броуновское движение", т.е. результат случайного накопления высокочастотных (прецессионных) вариаций инсоляции приполярных районов. При этом было показано [10, 11, 38, 45, 47], что такому накоплению может способствовать даже очень слабое внешнее периодическое воздействие на климатическую систему, такое как имеющее амплитуду в десятые доли процента колебание инсоляции в 100-тысячелетнем цикле эксцентриситета орбиты Земли.
Необходимое условие усиления отклика климатической системы на слабое периодическое внешнее воздействие было названо стохастическим резонансом. Одним из условий его проявления является наличие у глобальной климатической системы двух устойчивых состояний равновесия (ледникового и безледникового климатов) и одного неустойчивого состояния (Земля, частично покрытая ледником). Существование таких равновесий в реальной климатической динамике далеко не очевидно. В моделях Будыко и Селлерса такие равновесия были получены, потому что зависимость альбедо от температуры была принята обратной кусочно-линейной, а зависимость уходящего теплового излучения - прямой линейной. Возможно, что такие параметризации допустимы при рассмотрении сравнительно небольших изменений средней глобальной температуры (как у современного климата). Однако в проблеме ледниковых циклов прошлого надо рассматривать гораздо большие изменения средней глобальной температуры. Тогда надо учесть, что при очень высокой температуре облака должны полностью покрывать Землю, а при очень низкой - практически отсутствовать, но Земля при этом должна быть полностью покрыта льдом. Поэтому альбедо, как функция температуры, должно бы иметь два максимума: один - при очень низкой и другой - очень высокой температуре. Эти максимумы должны быть разделены
минимумом альбедо при промежуточных значениях температуры. Уходящее излучение должно бы быть в прямой зависимости от приземной температуры при низких температурах, когда облаков мало и они слабо экранируют уходящее излучение. По мере того как уровень эффективно излучающей поверхности повышается из-за роста облачности, зависимость должна бы меняться на обратную, т.е. уходящее излучение должно бы уменьшаться несмотря на рост приземной температуры. Это - "естественный" парниковый эффект в климатической системе, наблюдаемый даже при отсутствии какого-либо антропогенного воздействия на нее [5]. При сплошном облачном покрове уходящее излучение должно снова стать прямо пропорциональным температуре, но не приземной, а температуре верхней границы сплошного и плотного облачного покрова. Каковы будут при этом равновесные значения температуры надо исследовать заново.
Еще одним недос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.