ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 456, № 5, с. 600-603
ГЕОГРАФИЯ
УДК 551.324
ОБ УВЕЛИЧЕНИИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА ПРИМЕРНО ЗА 400 ТЫС. ЛЕТ ДО НАСТОЯЩЕГО ВРЕМЕНИ © 2014 г. Н. В. Вакуленко, академик В. М. Котляков, Д. М. Сонечкин
Поступило 20.02.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565214170277
В [1—3] получил разрешение основной вопрос теории ледниковых циклов плиоцена/плейстоцена: почему около 1 млн лет назад 40-тысячелетние ледниковые циклы стали много более долгими, хотя двигавший их инсоляционный форсинг за счет 40-тысячелетнего колебания наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики в то время не уменьшался? Причина оказалась в общем похолодании климата [4], которое происходило в течение последних десятков миллионов лет. Связанное с этим похолоданием изменение альбедо Земли как планеты, вероятно, сделало ледниковые циклы, бывшие откликом климатической системы на указанный инсоляционный форсинг, неустойчивыми. Фактических подтверждений этого по палеоклиматическим данным получить нельзя. Однако изменения в растительности, появление сезонного снежного покрова в умеренных широтах, а затем ледников в Антарктиде и позже в северном полушарии, неизбежные при таком похолодании, позволяют полагать, что альбедо действительно менялось.
В результате разрешения возникшей неустойчивости за 1100—1250 тыс. лет до настоящего времени, т.е. в конце плиоцена—начале плейстоцена по принятой геостратиграфической шкале, произошло скачкообразное изменение длительности ледниковых циклов. В математической теории динамических систем такие изменения называют бифуркациями. При этом изменении 40-тысяче-летний климатический отклик на инсоляцион-ный форсинг, хотя и сохранился, свидетельство чему будет приведено ниже, стал непосредственно ненаблюдаемым. Взамен начал наблюдаться новый отклик — ледниковые циклы, периоды которых были много больше периода форсинга. У первого такого цикла период был равен примерно 80 тыс. лет, т.е. вдвое большим, чем у ранее
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Институт географии Российской Академии наук, Москва
наблюдавшихся ледниковых циклов плиоцена. Это соответствует так называемой бифуркации удвоения периода, хорошо изученной в теории динамических систем [5]. Несмотря на это, флуктуации, которые надо учитывать, чтобы описать динамику ледниковых циклов, остались ограниченными диапазоном масштабов наклонения. В математических терминах можно сказать, что "размерность климатического аттрактора" осталась мала. Например, в [1—3] оказалось достаточным двумерного фазового пространства, чтобы наглядно представить эту динамику.
В последние годы внимание палеоклиматологов [6—11] привлекло резкое увеличение климатической изменчивости, которое произошло примерно за 400 тыс. лет до н.в. Его также предложено трактовать как бифуркацию [12]. Однако в чем состояла эта бифуркация? Этот вопрос исследуется в нашей работе путем анализа энергетических спектров (/), где / = 1/Р — частота, обратная периоду Р, заданному в тысячах лет) палеоклиматических флуктуаций, как они представлены для временных интервалов 0—350, 350—700 тыс. лет до н.в. рядом содержания дейтерия 5Э в керне льда, пробуренном на антарктической станции "Купол С", а также для временного интервала 0—350 тыс. лет до н.в. рядами содержания 5Э и изотопа кислорода 5180 в керне станции "Восток".
После основополагающих работ американского метеоролога-теоретика Э. Лоренца принято считать, что не только изменения погоды, но и динамика климата хаотичны в математическом смысле этого термина. Это значит, что энергетический спектр климатических флуктуаций непрерывный и спектральные плотности гладко меняются с частотой по закону Б(/) « /_а, где а > 0 и часто равно 2—3, в отличие от спектров периодических и квазипериодических флуктуаций, которые дискретны и состоят из некоторого числа пиков спектральной плотности. Однако в конце XX в. было показано [13], что динамические системы, находящиеся под воздействием многих периодических внешних сил, имеют так называе-
100000 10000 1000
117
100
ад
0.01
88
5Э
350-700 тыс. лет
0.01
0.1
1
1Е( Я
Рис. 1. Энергетические спектры £(/), где/ — частота в обратных тысячах лет ряда содержания дейтерия 5Б станции "Купол С" в Антарктиде, подсчитанные для временных интервалов 350—700, 0—350 тыс. лет до н.в., показанные в двойном логарифмическом масштабе. Периоды главных пиков спектральной плотности указаны в тысячах лет.
мый сингулярный непрерывный спектр. В этом спектре на непрерывное основание наложено множество пиков на периодах внешних сил и их комбинационных гармоник. Именно такой спектр можно ожидать при анализе палеоклима-тических флуктуаций, так как инсоляционный форсинг климатической системы включает в себя множество гармоник с самыми разными периодами [14]. К сожалению, практически вычислить спектральные плотности по конечным рядам данных можно только для конечного числа частот (периодов). Строго говоря, это исключает возможность проверки того, является ли полученный спектр непрерывным, сингулярно непрерывным или дискретным. Остается только ориентироваться на наличие (или отсутствие) пиков спектральной плотности и их число.
Заметим также, что интервал времени между последовательными точками данных в палеокли-матических рядах сложным образом меняется, в целом увеличиваясь с возрастом. Чтобы вычислить спектры таких рядов, их данные обычно предварительно интерполируют на равноотстоящие моменты времени. При этом неизбежны искажения спектров на периодах, близких к тому интервалу, который задается для интерполяции. Поэтому для расчетов спектров в нашей работе была использована специальная программа [15], работающая непосредственно с рядами без их предварительной интерполяции.
На рис. 1 показаны спектры вариаций 5В в ряду антарктической станции "Купол С", рассчитанные для двух временных интервалов 350—700 и 0—350 тыс. лет до н.в. Эти спектры кажутся непрерывными, хотя на самом деле они подсчитаны на конечном числе частот (периодов). Их форма соответствует вышеуказанной зависимости 5(/) « /-а с а « 2, свойственной "хаотическим" колебаниям. Однако в их низкочастотной части явно видны пики. В интервале 350—700 тыс. лет до н.в. период главного пика равен 88 тыс. лет, что формально отличается от удвоенного периода вышеуказанного инсоляционного форсинга (2 х 41 = 82 тыс. лет). Однако соседние периоды, на которых программа из [13] сделала оценку спектральной плотности, равны 116 и 70 тыс. лет. Эти плотности оказались заметно меньше. Поэтому нахождение пика на периоде в 88 тыс. лет можно рассматривать как косвенное подтверждение существования пика на удвоенном периоде инсоляционного форсинга. Это подтверждает, что ранее 700 тыс. лет до н.в. действительно произошла бифуркация удвоения периода.
В интервале 0—350 тыс. лет до н.в. период главного пика равен 117 тыс. лет. Он не отличим от утроенного периода инсоляционного форсинга (123 тыс. лет), так что вышеупомянутые вторичные бифуркации можно трактовать как утроения. Однако разностный период двух главных гармоник эксцентриситета орбиты Земли также составляет 123 тыс. лет [14]. Поэтому вопрос о характере
602
ВАКУЛЕНКО и др.
100000000 10000000
1000000 -
100000 § 10000
1000 -
100 -
10
10
Рис. 2. Такие же спектры, как на рис. 1, но для рядов содержания дейтерия 5Б и изотопа кислорода 5180 станции "Восток" в Антарктиде, посчитанные для временного интервала 0—350 тыс. лет до н.в.
вторичной бифуркации (утроение периода или захват фазы инсоляционной гармоники?) решить невозможно. Скорее всего, влияли оба фактора. Отметим, что мощности обоих упомянутых главных пиков примерно одинаковы. Значит, в масштабе общей длины плейстоценовых ледниковых циклов палеоклиматическая изменчивость не изменялась на границе между рассматриваемыми временными интервалами.
Следующие по мощности в спектрах — пики на периоде 40 тыс. лет в интервале 350—700 тыс. лет до н.в. и на периоде 39 тыс. лет в интервале 0— 350 тыс. лет до н.в. Их существование подтверждает, что прямой отклик климатической системы на инсоляционный форсинг сохранился после бифуркации удвоения периода, как это и должно было быть согласно теории динамических систем. В интервале 0—350 тыс. лет до н.в. мощность этого пика даже увеличилась по сравнению с интервалом 350—700 тыс. лет до н.в.
Важное различие между спектрами состоит в том, что увеличилась на порядок спектральная плотность колебаний в диапазоне масштабов прецессии земной орбиты. Главные в этом диапазоне — пики на периоде 20 тыс. лет (в интервале 350—700 тыс. лет до н.в.) и 23 тыс. лет (в диапазоне 0—350 тыс. лет). В последнем интервале суммарный вклад прецессионных колебаний в общую изменчивость климата превзошел вклады колебаний в диапазонах наклонения и эксцентриситета, если их рассматривать по отдельности. Не в этом ли причина того, что пионер теории ледниковых циклов плейстоцена М. Миланкович посчитал
прецессию главным движителем ледниковых циклов?
На рис. 2 показаны энергетические спектры рядов 5В и 5180, антарктической станции "Восток" для интервала 0—350 тыс. лет до н.в. Общая форма спектра ряда 5В аналогична таковой у спектров станции "Купол С". Периоды основных пиков несколько отличаются, что, скорее всего, связано с более высоким временным разрешением ряда 5В
станции "Восток". Что касается спектра ряда 5180, то он отличается меньшей спектральной плотностью в диапазоне масштабов эксцентриситета по сравнению с диапазонами наклонения и прецессии (главный пик на периоде 19 тыс. лет). Иными словами, бифуркация удвоения периода здесь как бы не происходила. Палеоклиматологи объясняют это тем, что вариации 5180 здесь локального, а не глобального происхождения.
Суммируя сказанное, можно заключить, что резкое возрастание изменчивости климата примерно за 400 тыс. лет до н.в. произошло в диапазоне масштабов прецессии орбиты Земли и было еще более усилено колебаниями в диапазоне наклонения. В математических терминах это означает, что произошла новая бифуркация, увеличившая размерность климатического "аттрактора". Ее можно объяснить дальне
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.