ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 413, № 1, с. 107-111
= ГЕОГРАФИЯ =
УДК 551.324
О СИНХРОННОСТИ ЛЕДНИКОВЫХ ЦИКЛОВ ПОЗДНЕГО ПЛЕЙСТОЦЕНА С КОЛЕБАНИЯМИ ИНСОЛЯЦИИ НА ЭКВАТОРЕ
© 2007 г. Н. В. Вакуленко, академик В. М. Котляков, академик А. С. Монин, Д. М. Сонечкин
Поступило 20.11.2006 г.
Мы показываем, что ледниковые циклы позднего плейстоцена были синхронными с частотно модулированными колебаниями инсоляции на экваторе, происходившими за счет изменения эксцентриситета орбиты Земли. Ледниковые стадии этих циклов совпадали с периодами одновременного в обоих полушариях понижения инсоляции приполярных районов, а межледниковья совпадали с периодами одновременного увеличения инсоляции, происходившими за счет изменения наклона земной оси вращения к плоскости эклиптики.
Современная теория чередования ледниковых и межледниковых эпох в истории климатов Земли базируется на гипотезе М. Миланковича. Гипотеза гласит, что для разрастания ледниковых щитов благоприятны прохладные и влажные теплые сезоны, которые могут иметь место при уменьшении летней инсоляции приполярных районов на определенной фазе прецессионного цикла в орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Однако реконструкция четырех последних ледниковых циклов позднего плейстоцена по данным станции "Восток" в Антарктиде показала [2], что оледенения южного и северного полушарий происходили синхронно, хотя прецессионные колебания инсоляции в приполярных районах северного и южного полушарий являются противофазными и, следовательно, ледниковый щит Антарктиды разрастался в условиях повышенной летней инсоляции. Это не согласуется с гипотезой Миланковича и вынуждает искать иное объяснение ледниковых циклов.
На рис. 1 и 2 (вверху) показаны ряды изменений за последние примерно 800 тыс. лет содержания дейтерия (косвенной характеристики приземной температуры воздуха) в керне льда, полученном на станции "Купол С" европейского проекта
бурения ледникового щита Антарктиды (European Project of Ice Coring in Antarctica - EPICA) [5], и одновременных изменений инсоляции на 65° с.ш. (суточная инсоляция в середине июля) и 65° ю.ш. (суточная инсоляция в середине января). Для удобства сравнения все ряды предварительно были нормализованы, так что их средние стали равными нулю, а дисперсии - единице. На рис. 1 и 2 показаны расщепления этих рядов (полученные с использованием вейвлетного преобразования, подробности см. в [1]) на компоненты для диапазонов масштабов 4-26 (прецессии), 26-57 (наклонения) и 57-125 (эксцентриситета) тыс. лет, а также остатки от вычитания всех этих компонент из исходных рядов. Существование остатка связано, во-первых, с наличием в инсоляционных рядах колебаний с периодами более 125 тыс. лет, в частности обусловленных примерно 412-тысячелет-ним циклом эксцентриситета, во-вторых, с неизбежной приближенностью численной реализации прямого и обратного вейвлетного преобразования. Видно, что в ряду дейтерия на долю каждой из компонент (включая остаток) приходится почти поровну общей изменчивости (примерно по четверти). Учитывая же, что в ряду остатка наибольший вклад приходится на относительно долгопериодные колебания, вклад компоненты из диапазона эксцентриситета можно оценить почти в половину общей изменчивости ряда дейтерия. Для удобства сравнения положений экстремумов во временном ходе всех рядов через первый и второй максимумы в каждом ледниковом цикле, представленном в ряду дейтерия, проведены соответственно сплошная и штриховая вертикальные линии.
На рис. 1 видно, что прецессионная компонента июльской инсоляции на 65° с.ш. колебалась почти синхронно с аналогичными колебаниями содержания дейтерия при некотором физически разумном опережении по фазе. Это соотношение хорошо известно, и его можно было бы принять как подтверждающее гипотезу Миланковича, если бы оно было найдено при сравнении колебаний дейтерия с прецессионной компонентой коле-
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Институт географии Российской Академии наук, Москва
Нормированный исходный ряд
100
200
300
400
500
600 700 тыс. лет
Рис. 1. Результаты расщепления колебаний в ряду дейтерия антарктической станции "Купол С" (показаны черными линиями) и в ряду суточной инсоляции на 65° с.ш. в середине июля (показаны серыми линиями) на три диапазона масштабов: 4-26 тыс. лет (прецессии), 26-57 тыс. лет (наклонения) и 57-125 тыс. лет (эксцентриситета). Сплошные и штриховые вертикальные линии отмечают моменты первого и второго потеплений в каждом из ледниковых циклов. У 1-4-го циклов главным было первое потепление, а у 5-7-го циклов - второе потепление, с чем связана симметрия форм ледниковых циклов относительно момента времени около 400 тыс. лет назад, впервые указанная в [1].
баний инсоляции не северного (как на рис. 1), а южного (как на рис. 2) полушария. Но рис. 2 показывает противоположное соотношение, т.е. прецессионные колебания дейтерия и инсоляции в позднем плейстоцене в целом были противо-фазны. Современные последователи Миланкови-ча объясняют это тем, что из-за сравнительно ма-
лого объема ледников северного полушария по сравнению с ледниковым щитом Антарктиды их динамика играла ведущую роль в глобальной синхронизации ледниковых циклов с летней инсоляцией северной приполярной области. Однако математическая теория динамических систем указывает, что при синхронизации с внешним
0
100
200
300
400
500
600
700 тыс. лет
Рис. 2. То же, что на рис. 1, но ряд дейтерия сравнивается с рядом суточной инсоляции в середине января на 65° ю.ш.
периодическим воздействием у динамической системы, состоящей из взаимодействующих подсистем, фазу синхронизации обычно определяет более инерционная подсистема. Так, например, сезонный ход приземной температуры воздуха лишь немного отстает от годового хода инсоляции в континентальных климатах. В морских же климатах это отставание гораздо существеннее из-за теплообмена приземного слоя воздуха с морской поверхностью, годовой ход температу-
ры которой из-за большой теплоемкости воды сильно запаздывает.
Как хорошо известно и как подтверждают рис. 1 и 2, фазы прецессионных колебаний инсоляции на 65° с.ш. и 65° ю.ш. были противоположными, а их амплитуды одновременно более или менее плавно увеличивались, уменьшались, затем снова увеличивались и т. д. со средним периодом около 100 тыс. лет. Что касается прецессионной компоненты колебаний содержания дейтерия, примерно 100-тысячелетний цикл в ней также ви-
0
Нормированный исходный ряд
0
-2
100
200
300
400
500
600 700 тыс. лет
Рис. 3. То же, что на рис. 1, но ряд дейтерия сравнивается с рядом суточной инсоляции, осредненной по всем месяцам года, на экваторе.
ден. Но (впервые на это было указано в нашей статье [1]) на ледниковых стадиях 1-4-го ледниковых циклов амплитуды колебаний рассматриваемого диапазона масштабов были равномерно малыми, а во время главных потеплений амплитуды были примерно вдвое большими. У более ранних 5-7-го ледниковых циклов скачки амплитуды заметить трудно, но во всяком случае картина также непохожа на плавные изменения амплитуды в колебаниях инсоляции. Поэтому причину
колебаний содержания дейтерия в диапазоне 426 тыс. лет разумно искать не в отклике климатической системы на колебания инсоляции, а в каких-то внутренних процессах. Отсюда отпадает необходимость в гипотезе Миланковича как таковой, что, конечно, не означает полного отрицания влияния вариаций инсоляции на ледниковые циклы позднего плейстоцена.
Рассмотрим на рис. 1 и 2 компоненты колебаний инсоляции диапазона 26-57 тыс. лет, которые
0
происходили за счет изменения наклона земной оси вращения к плоскости эклиптики. Такие колебания, как известно, перераспределяют инсоляцию между низкими и высокими широтами одновременно в обоих полушариях. Неудивительно поэтому, что на рис. 1 и 2 графики этих колебаний почти одинаковы, а график на рис. 3 зеркален им. Важно, что эти колебания были почти синхронными с колебаниями соответствующей компоненты дейтерия. При этом максимумы инсоляции в приполярных районах (минимумы инсоляции на экваторе) опережали главные максимумы содержания дейтерия (межледниковья) всего на несколько тысяч лет. Минимумы инсоляции в приполярных районах (максимумы инсоляции на экваторе) неплохо соотносились с минимумами содержания дейтерия. Причиной некоторых видимых нарушений этого последнего соотношения могут быть неточности временной шкалы ряда дейтерия. Пренебрегая этими нарушениями, можно присоединиться к мнению, высказанному в некоторых недавних работах западных палеоклиматологов (см., например, [4]), что одновременность чередования ледниковых и межледниковых эпох объясняется откликом климатической системы на одновременное в обоих полушариях широтное перераспределение инсоляции.
Этого, однако, недостаточно для полного объяснения динамики ледниковых циклов позднего плейстоцена, ибо, как указано ранее, вклад компоненты 26-57 тыс. лет в общую изменчивость содержания дейтерия составлял в позднем плейстоцене лишь четверть, а почти половина изменчивости содержания дейтерия в позднем плейстоцене приходилась на компоненту 57-125 тыс. лет из диапазона колебаний эксцентриситета орбиты Земли. Хотя рис. 1 и 2 подтверждают известное, т.е. что доля этой последней компоненты в колебаниях инсоляции на 65° с. и ю. ш. была пренебрежимо мала, зато рис. 3 показывает, что на экваторе ее доля была около одной трети (другие две трети приходились на компоненту диапазона 2657 тыс. лет и компоненту остатка). Более того, экваториальные инсоляционные колебания диа-
пазона 57-125 тыс. лет меняли свою длительность от примерно 70 тыс. лет в середине временного интервала позднего плейстоцена до примерно 120 тыс. лет на его краях, т.е. точно так, как менялись длительности самих ледниковых циклов. Иными словами, частотная модуляция колебаний содержания дейтерия в диапазоне эксцентриситета, указанная в [1] (см. также [6]) как главное свойство, определившее специфические (симметричные относительно момента времени примерно 400 тыс. лет назад) изменения длительностей ледниковых циклов позднего плейстоцена, п
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.