УДК 524.1
ВАРИАЦИИ ПОТОКОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, МОДУЛИРОВАННЫЕ
СОЛНЕЧНЫМ И ЗЕМНЫМ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ, И КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ. ЧАСТЬ 3: ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ В 1.5 МЛН. ЛЕТ, ОХВАТЫВАЮЩИЙ ЭПОХУ ПЛЕЙСТОЦЕНА
© 2009 г. В. А. Дергачев1, П. Б. Дмитриев1, О. М. Распопов2, X. Юнгнер3
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург, Россия 2С.-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Россия 3Университет Хельсинки, Финляндия e-mail: v.dergachev@pop.iojfe.rssi.ru; oleg@OR6074.spb.edu Поступила в редакцию 17.04.2008 г.
Проведен анализ наиболее надежных данных об изменении интенсивности космических лучей и геомагнитного поля на больших временных шкалах и исследованы связи между изменениями этих процессов и климатическими изменениями в течение последних 1.5 млн. лет. Результаты анализа показали, что на климат Земли оказывает воздействие как изменение параметров орбиты Земли, так и изменение значений ее магнитного поля, только первое опережает на 10000 тыс. лет изменения климата, а второе действует в унисон. При этом около двух третьих величины воздействия эксцентриситета на O осуществляется через опосредованную цепочку — через виртуальный аксиальный дипольный момент, изменения которого могут быть связаны с изменениями значений эксцентриситета. Таким образом, анализ накопленных данных о процессах, происходящих в земной атмосфере при взаимодействии с ней космических лучей на временных шкалах от нескольких лет до десятков и сотен тысяч лет, свидетельствуют о том, что космофизический фактор воздействия на климат нельзя отвергать. Чтобы сделать более убедительным вывод, необходимо более детальное пространственное покрытие данными исследуемого временного интервала, более точное определение возраста образцов и исследование отклика климатической системы на внешнее воздействие.
PACS: 94.20.wq
1. ВВЕДЕНИЕ
Извлечение информации, связанной с изме-
нениями интенсивности космических лучей в
прошлом, из природных архивов является критически важной для понимания процессов связи
между космическими лучами (КЛ) и климатом.
Чтобы понять возможное воздействие космиче-
ских лучей на климат, необходимо исследовать
проявление этого воздействия на различных мас-
штабах времени. В работах [Дергачев и др., 2006;
2007] исследовалась связь между изменениями потока галактических космических лучей (ГКЛ) и изменчивостью климата на двух временных интервалах: до ~10 тыс. лет (эпоха голоцена) и от ~10 до ~100 тыс. лет (последний ледниково-межлед-никовый период) соответственно. Для эпохи голоцена характерно довольно плавное изменение дипольного магнитного момента; наличие инструментальных наблюдений за изменениями солнечной активности (СА) и КЛ и наиболее детальных данных об изменении концентрации космогенных изотопов 14С и 10Ве, содержащих
информацию о вариациях потоков ГКЛ и, следовательно, об изменении СА в прошлом. Вся эпоха характеризуется сравнительно небольшими изменениями климата, и нами показано, что выделенные циклические изменения климата в десятки—сотни и примерно 2 тыс. лет могут быть связаны с соответствующими изменениями потоков ГКЛ во времени, связанными с СА.
Для последнего ледниково-межледникового периода информация об изменении рассматриваемых в работе [Дергачев и др., 2007] природных процессов почерпнута из ледниковых кернов Гренландии и Антарктиды и океанических отложений. В отличие от эпохи голоцена, рассматриваемый период характеризуется сильной изрезан-ностью картины климатической изменчивости и довольно резкими изменениями геомагнитного поля, включающими ряд геомагнитных экскурсов, а также связанными с этими изменениями значительными вариациями концентрации кос-могенного изотопа 10Ве в земных архивах. В целом, прослеживается связь между установленны-
ми в предыдущей работе [Дергачев и др., 2006] причинами изменения климата, где показано, что вариации потоков космических лучей являются, по-видимому, наиболее эффективным естественным фактором климатической изменчивости на большой временной шкале. Кроме того, показано, что в моменты геомагнитных экскурсов имеют место резкие изменения климата.
В настоящее время имеется большое количество исследований по динамике колебания климата на протяжении геологической истории Земли. При этом важно отметить, что по мере удаления в прошлое уменьшается временная разрешающая способность природных архивов, поставляющих информацию об изменении климата, и менее достоверными становятся теории, объясняющие изменение климата на больших временных шкалах.
Для объяснения крупномасштабных циклических изменений климата на шкалах в сотни тысяч — миллионы лет наиболее широкое распространение получила разработанная Миланковичем [1939] астрономическая теория ледниковых периодов, которая связывает климатические изменения с вариациями солнечной инсоляции, обусловленных вариациями эксцентриситета орбиты Земли, вариациями прецессии оси Земли и вариациями наклона эклиптики Земли. Астрономическая теория палеоклимата имеет целью объяснение повторяемости ледниково-межледнико-вых циклов. Она основана на долговременных (десятки и сотни тысяч лет) вариациях широтных и сезонных распределений энергии (солнечной инсоляции), которую Земля получает от Солнца, а сами распределения связаны с вариациями названных астрономических параметров.
На больших временных масштабах имеют место существенные изменения геомагнитного поля, в свою очередь, меняющие интенсивность ГКЛ. Поскольку процессы в земном ядре могут меняться при изменении орбитальных параметров Земли, то это должно отразиться в изменении элементов земного магнетизма. Поэтому совместный анализ изменений параметров орбиты Земли, геомагнитного поля, интенсивности ГКЛ и климата на таких временных масштабах может позволить улучшить наше понимание крупномасштабных изменений климата.
Настоящая работа посвящена рассмотрению временного интервала, охватывающего последние ~1.5 млн. лет, и, по существу, включающего в себя практически полностью эпоху плейстоцена (последние 1800—1700 тыс. лет до эпохи голоцена). На протяжении всей эпохи плейстоцена большие ледниковые шапки покрывали большую часть Северной Америки, Европы и Азии в течение длительных периодов времени, для которых было характерно нестатическое поведение кли-
мата, связанное с наступлением и отступлением ледниковых условий. При этом климатическая система переключалась между межледниковыми и ледниковыми состояниями с последующими подразделениями на стадиалы (короткие холодные периоды) и межстадиалы (короткие умеренные эпизоды). Важно отметить, что в течение всего этого периода расположение материков и океанов оставалось неизменным, что позволяет исключать дополнительные причины изменения климата; мало менялась и растительность, и животный мир. А это, в свою очередь, свидетельствует о том, что в целом, в течение всей эпохи плейстоцена природные архивы земного шара позволяют получать адекватную информацию об изменении природных процессов. Главное внимание в работе будет уделено анализу надежных данных об изменении КЛ и геомагнитного поля на больших временных шкалах и связи этих изменений с климатическими изменениями. Также будут проанализированы проблемы теории Ми-ланковича.
2. СОЛНЕЧНАЯ ИНСОЛЯЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА ЗА ПРОШЕДШИЕ 1.5 МЛН. ЛЕТ
Миланкович [1939] предсказал характер воздействия изменяющихся во времени параметров орбиты Земли на ее климат и рассчитал долговременные периодичности в изменении солнечной инсоляции. Он показал, что циклические колебания инсоляции длительностью примерно в 100 тыс. лет и 400 тыс. лет вызваны соответствующими вариациями эксцентриситета (эллиптичностью) орбиты Земли, примерно 40-тысячелетние циклы связаны с изменением угла наклона плоскости земной орбиты, а примерно 20-тысячелетние циклы обусловлены прецессией оси вращения планеты. На этом основании М. Миланкович и ряд его последователей пришли к мысли, что эпохи оледенения начинаются, когда инсоляция в северном полушарии минимальна. Однако надежно проверить эту гипотезу в то время было трудной задачей из-за недостаточности и хронологической неточности имеющихся палеоклиматических данных.
Теория Миланковича, основанная на решении уравнения в виде эволюции эксцентриситета орбиты, угла наклона ее плоскости и прецессии оси вращения Земли, до сих пор считается успешной среди большинства ученых в объяснении многих аспектов временной и пространственной изменчивости климата на шкале времени в несколько сотен тысяч лет. При этом предполагается, что циклические изменения этих орбитальных параметров могут вызвать существенные изменения земного климата.
До недавнего времени считалось, что климатическая кривая, построенная 1тЪпе й а1. [1984] по
данным концентрации 18O (концентрация кислорода 18O в различных природных отложениях является характеристикой климата и, в частности, фиксирует температуру среды) в раковинах планктонных фораминифер из океанических отложений за прошедшие 500 тыс. лет отражает глобальные вариации температуры и объема льда, заключенного в ледниковых покровах суши. Тем более, что главные особенности изменения климата повторяются примерно через каждые 100 тыс. лет, а спектральный анализ этих данных указывает на пики в ~100, 43, 24 и 19 тыс. лет, характерные для астрономических циклов, предсказанных теорией Ми-ланковича. Экспериментальные данные свидетельствуют, что амплитуда ~100-тысячелетней гармоники в изменении климата является наибольшей по сравнению с другими гармониками, выделяемыми в климатических данных.
В последующем, по палеоданным из самых различных географических регионов в различных отложениях на шкалах в несколько сотен тысяч лет были найдены свидетельства циклических изменений климата, выделяемых математическими методами, по периодичности совпадающими с орбитальными изменениями, что увеличивало число сторонников исключительности орбитальной теории как основной причины крупномасштабных (десятки—сотни тысяч лет) изменений климата.
Чтобы понять, имеют ли место проблемы в теории Миланковича, рассмотрим картину изменен
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.