Палеогляциология
УДК 551.324 doi:10.15356/2076-6734-2015-2-103-122
Современное прочтение истории ледниковых циклов плейстоцена
© 2015 г. В.М. Котляков1, Д.М. Сонечкин2
1Институт географии РАН, Москва; 2Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН, Москва
dsonech@ocean.ru
A modern interpretation of the history of the Pleistocene glacial cycles
V.M. Kotlyakov1, D.M. Sonechkin2
institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow; 2Shirshov Oceanology Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow
Статья принята к печати 25 февраля 2015 г.
Ледниковые циклы плейстоцена, теория Миланковича, теория нелинейных динамических систем, странный нехаотический аттрактор.
Milankovitch theory, Pleistocene glacial cycles, strange nonchaotic attractor, theory of the nonlinear dynamical systems.
Гляциологические описания Гренландии и Антарктиды - одни из наиболее выдающихся событий в географических исследованиях Земли ХХ в. Эти описания показали, что покровные оледенения, следы которых обнаружены в Европе и Северной Америке ещё в первой половине XIX в., возникали и исчезали в плейстоцене многократно и при этом были синхронными с разрастаниями и сокращениями Антарктического ледникового щита. Последующие анализы донных океанических отложений подтвердили факт синхронности и позволили установить, что по продолжительности (порядка 100 тыс. лет) плейстоценовые ледниковые циклы были существенно больше примерно 40-тысячелетних чередований потеплений и похолоданий климата в предшествующем плиоцене. В данной статье с помощью вейвлетного анализа и методами теории нелинейных динамических систем сравниваются структуры плейстоценовых и плиоценовых циклических вариаций климата и устанавливаются механизмы, ответственные за их возбуждение и эволюцию.
The glaciological description of Greenland and Antarctica were among the most outstanding events in the geographical investigations of the Earth, made in the 20th century. They have shown that glaciations, traces of which were found in Europe and North America in the first half of the 19th century, waxed and waned during the Pleistocene repeatedly and were synchronous with the expansions and reductions of the Antarctic ice sheet. Further analyses of the sea-bed sediments confirmed the fact of such synchronicity, and revealed that the durations of the Pleistocene glacial cycles (on the order of one hundred thousand years) were significantly longer then approximately forty thousand years alternations of the warm and cold climate conditions during the preceding Pliocene. In this paper, using wavelets, and methods of the theory of the nonlinear dynamical systems, patterns of the Pleistocene's and Pliocene's cyclic variations of climate are compared with each other, to understand the mechanisms which can be responsible for their excitation and evolution.
Сокращение и аббревиатуры
До нашего времени — до н.вр.
КВП — комплексное вейвлетное преобразование.
ОВП — обратное вейвлетное преобразование.
СНА — странный нехаотический аттрактор.
СХА — странный хаотический аттрактор.
Введение
В своих пионерных исследованиях Л. Агас-сис [23] и его последователи ещё в первой половине XIX в. пришли к заключению, что в течение последних десятков и сотен тысяч лет в Европе и Северной Америке существовали обширные покровные оледенения, которые то разрастались, то сокращались. С тех пор представление о присутствии в плейстоцене длительных ледниковых периодов стало общепринятым. Во
второй половине XIX в. Дж. Кролль [27] предположил, что наличию этих ледниковых периодов способствовали очень холодные зимы, случавшиеся при длительных снижениях приходящей к приполярным областям Земли солнечной радиации. Такие уменьшения происходили на определённых фазах квазипериодических изменений эксцентриситета земной орбиты и наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики. В начале ХХ в. М. Миланкович [14] предложил альтернативное объяснение: покровные оледенения разрастались, когда зимы были мягкими и снежными, а летние периоды — прохладными. Он произвёл расчёт вариаций инсоляции на 65° с.ш., которую посчитал наиболее индикативной для характеристики сезонов там, где возникали покровные оледенения, и сопоставил эти расчёты с имевшимися фактическими данными об оледенениях в Европе и Северной Америке.
Разрастания ледников оказались одновременными с рассчитанными уменьшениями инсоляции.
История открытия покровных оледенений в Северном полушарии и становления орбитальной теории Миланковича популярно изложена в переведённой на русский язык книге Д. Имбри и К.П. Имбри [11]. Д. Имбри — математик по образованию — был привлечён известными американскими палеоклиматологами Н.Дж. Шеклтоном и Дж.Д. Хейсом [35] для объяснения механизма отклика климатической системы на вариации инсоляции. В последующем расчёты инсоляции для временных интервалов в несколько десятков миллионов лет в прошлом и ожидаемых в будущем делали многие учёные. Один из первых таких расчётов, который долгое время считался наиболее точным, был выполнен советскими астрономами Ш.Г. Шараф и Н.А. Будниковой [20—22] по инициативе А.С. Монина, который, среди многих других проблем геофизики, интересовался происхождением плейстоценовых ледниковых циклов [15]. Заметим, что первая зарубежная сводка основных периодичностей, свойственных элементам земной орбиты (прецессии, наклонению и эксцентриситету), на основе которой потом делались расчёты вариаций инсоляции в геологическом масштабе времени, была опубликована бельгийским геофизиком А. Берже [24] только через девять лет после публикаций Шараф и Будниковой. В публикации Берже работа советских астрономов была упомянута, но мельком, как нечто малосущественное, а в последующих зарубежных публикациях упоминание вообще исчезло (см., например, [25]).
Отметим, что в публикации [24] имеется опечатка: длительность одного из главных периодов эксцентриситета в 2035441 год указана как 2305441. Насколько нам известно, сам Берже указал на эту опечатку в одном из малоизвестных бельгийских изданий, но никогда не упоминал о ней в своих многочисленных англоязычных статьях. Никто из многих зарубежных палеоклиматологов, ссылавшихся на работу Берже, так и не узнал об этой опечатке. Например, она воспроизведена в широко известной работе [32].
Подробный обзор всех имеющихся к настоящему времени расчётов инсоляции в геологическом масштабе времени недавно опубликован в интернете В.М. Федоровым [19]. Как современ-
ное продолжение работ по исследованию связей между инсоляцией и климатом упомянем статьи И.И. Смульского [17] и П. Хайберса [36]. В первой из них сформулирован ряд критических замечаний к ранее опубликованным инсоля-ционным расчётам и их использованию при объяснении природы ледниковых циклов. Из второй статьи следует, что основная периодичность инсоляции, если интересоваться её «эффективными» суммами за тёплое полугодие, способствующими таянию ледников, — это та, которая связана с главным 41-тысячелетним циклом наклонения. Ранее же (после работы Миланковича) считалось, что основная — та периодичность инсоляции, которая связана с 19-23-тысячелет-ними циклами прецессии. Работа Хайберса существенно поспособствовала решению одной из важнейших проблем орбитальной теории Ми-ланковича: почему разрастания и отступания ледников происходили в обоих полушариях синхронно? В целом можно констатировать, что вопрос о характере инсоляционных воздействий на глобальную климатическую систему к настоящему времени изучен довольно хорошо.
Миланкович в своих исследованиях ледниковых циклов опирался почти исключительно на геоморфологические признаки распространения покровных оледенений на территории Европы и Северной Америки в период позднего плейстоцена, т.е. за 200—400 тыс. лет до нашего времени (далее: до н.вр.). Однако во второй половине ХХ в. палеоклиматологи получили в своё распоряжение совершенно новые данные о ледниковых циклах не только в Северном, но и в Южном полушариях Земли. Эти данные были основаны на специально разработанных геохимических анализах различных косвенных палеоклимати-ческих индикаторов, в частности содержании изотопов кислорода в ледниковых кернах и в останках морских организмов, законсервированных в донных отложениях океанов и морей. Важнейшую роль в получении этих данных сыграли гляциологические исследования современных ледниковых щитов Гренландии (а также Земли Франца-Иосифа, Шпицбергена и др.) и особенно Антарктиды [12, 13, 28, 31, 41, 52]. Чуть позднее огромный вклад внесли данные бурения донных отложений океанов, полученные в рамках Международной программы ODP (Ocean Drilling Programme).
К концу ХХ в. палеоклиматологи имели довольно чёткую картину того, когда и как происходили разрастания и сокращения покровных оледенений в Северном и Южном полушариях Земли. Был установлен ряд важнейших факторов.
1. Чередование относительно холодных и относительно тёплых климатических условий происходило не только в течение последних 200—400 тыс. лет, но и в раннем плейстоцене и даже во всём плиоцене, т.е. оно охватывало временной интервал, по крайней мере, последних 5—6 млн лет.
2. Это чередование было синхронным в Северном и Южном полушариях.
3. Циклы относительно холодного, а затем тёплого климата в плиоцене имели периоды около 40 тыс. лет, а в плейстоцене — порядка 100 тыс. лет. Амплитуды плейстоценовых циклов были существенно больше плиоценовых, особенно у самых недавних четырёх циклов. При этом переход от плиоценовых циклов к плейстоценовым, обычно называемый средне-плейстоценовым переходом (the Mid-Pleistocene transition), был довольно резким.
4. Четыре самых недавних ледниковых цикла имели характерную пилообразную форму, т.е. похолодание у них происходило медленно и неравномерно, а потепление наступало скачкообразно.
5. Климат в плиоцене был в целом теплее, чем в плейстоцене, поскольку в течение последних нескольких миллионов лет имел место общий тренд похолодания.
6. В энергетических спектрах палеоклимати-ческих индексов, характеризующих ледниковые циклы, имеются те же самые пики спектральной плотности, что и в спектр
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.