Причини коливання клімату

Географічні фактори, що впливають на климатоутворюючі процеси, характеризують клімат і його просторову диференціацію в теперішній час, точніше за останні декілька десятиліть, за які дані метеорологічних спостережень враховуються для отримання кліматологічних характеристик. Але кліматоутворюючі процеси пов’язані також з астрономічними і геофізичними факторами, які мають мінливу природу. До перших відносяться зміни параметрів земної орбіти, нахилу земної осі до площини екліптики, зміни сонячної активності і прозорості міжпланетного простору. Геофізичними ж факторами являються зміни положення полюсів Землі та її можливого поля, тектонічні процеси, що обумовлюють горизонтальні і вертикальні переміщення брил літосфери, з якими пов’язані розміри, конфігурація, положення океанів і материків, рельєф суходолу та дна океанів, вулканізм, який супроводжується викидами пилу та газів. Велика роль у зміні клімату Землі належить змінам складу атмосфери. І хоча всі ці 3 групи факторів (астрономічні, геофізичні і циркуляційні) мають різну природу, вони нерозривно пов’язані між собою у тісній взаємодії.

1. Астрономічні фактори коливання клімату

Відомо, що в результаті впливу планет сонячної системи та впливу інших об’єктів положення Землі відносно Сонця змінюється. Для пояснення зміни кліматів Землі використовують головним чином коливання витягнутості (ексцентриситету) земної орбіти, її нахилу по відношенню до екліптики (зміни нахилу земної осі) та зміна орієнтування земної осі в просторі. Тривалість періодів цих коливань вимірюється відповідно: 90000, 40000 та 21000 років.

Всі ці зміни в русі Землі навколо Сонця детально розглянуті Кролем наприкінці ХІХ ст., вони мають не лише різну тривалість періодів, але й справляють різний вплив на отримання сонячної радіації. Сумарний їх вплив на радіацію може бути поданий результуючою кривою, котра була розрахована та побудована М. Міланковичем для проміжку часу в 650000 років і досить добре пояснювала обледеніння четвертинного періоду. За розрахунками Міланковича, сонячна радіація на верхній межі атмосфери в окремі епохи минулого відрізнялася від сучасної.

В подальшому такі співставлення проводилися багатьма авторами, висновки яких, однак, містили протиріччя, в зв’язку з чим питання про вплив астрономічних факторів на клімат викликало запеклу дискусію, яка триває й дотепер.

Вдалося показати, що зміни положення земної поверхні по відношенню до Сонця справляють істотний вплив на розвиток обледеніння (Будыко, Васищева, Berger).

В ряді досліджень розглядається питання про можливість впливу на клімат змін астрономічної сонячної постійної. На відміну від метеорологічної сонячної постійної, тобто потоку короткохвильової радіації на верхній межі тропосфери, котра безперечно змінюється при коливанні прозорості стратосфери, існування довготривалих змін астрономічної сонячної постійної (тобто енергії, випромінюваної Сонцем) не можна вважати доведеним.

Неодноразово робилися спроби віднайти короткоперіодичні коливання сонячної постійної за матеріалами астрономічних спостережень. В декількох дослідженнях був отриманий висновок, що такі коливання існують, причому сонячна постійна дещо зростає при середньому рівні сонячної активності і зменшується при низькій та високій активності Сонця (тобто при дуже малій і дуже великій кількості сонячних плям).

Довести наявність сонячної постійної в минулому для періодів, які відповідають тривалості різних коливань клімату, дуже складно. Тим не менш гіпотеза про такі зміни використовувалася в декількох дослідженнях, з яких найбільш відомі роботи Сімпсона і Епіка.

Сімпсон вважав, що сонячна постійна періодично змінювалася в час четвертинного періоду, причому при її збільшенні зростало випаровування, зростала кількість опадів і підвищувалася температура повітря, а при її зменшенні значення цих елементів клімату зменшувалися. Сімпсон зробив припущення, що при максимумі радіації мали місце теплі та вологі міжльодовикові епохи, а при максимумі – холодні і сухі.

Континентальні обледеніння, на думку Сімпсона, виникли в періоди збільшення сонячної радіації, коли зростав температурний градієнт між полюсом та екватором і підсилювалася атмосферна циркуляція, що збільшувало випаровування, обачність та опади. Зростання обачності обмежувало підвищення температури, що при збільшеній кількості опадів сприяло розвитку льодовиків у високих широтах.

При збільшенні радіації до її максимального значення відбувалося підвищення температури, в результаті чого льодовики руйнувалися, потім подальше зниження радіації призводило до повторення циклу обледеніння, котре щезало при значному зменшенні радіації, коли знижені через зменшення випаровувань опади ставали недостатніми для підтримання обледенінь.

Епік виходив з припущення про пов’язані з нестабільністю випромінювання Сонця зміни сонячної постійної на величину, що перевищувала 20%, причому максимум радіації мав місце в третинний час, а мінімуми – в епохи четвертинних обледенінь. Використовуючи розроблену ним числову модель термічного режиму, Епік вирахував зміни температури, які відповідали вказаним коливанням сонячної постійної, і зробив висновок, що таким чином можна пояснити головні закономірності зміни клімату.

В ряді робіт розглядається питання про можливість зміни сонячної радіації, що отримується Землею, в результаті проходження сонячної системи через туманність, речовина якої або послаблює сонячне випромінювання, що доходить до Землі, або, падаючи на поверхню Сонця під впливом сили тяжіння, посилює сонячне випромінювання.

Значно поширене уявлення про те, що в ході еволюції Сонця як зірки, його радіус постійно зменшується і світність збільшується. Так, наприклад, Шварцшільд знайшов, що за час існування Землі світність Сонця могла підвищиться на 60%. Це відповідає збільшенню сонячної постійної на 1% приблизно за 80 млн. років. Така зміна сонячної постійної могла справляти значний вплив на клімат більш віддалених епох.

Інший аспект впливу радіації Сонця на клімат пов’язаний зі зміною сонячної активності.

Обговорення таких гіпотез ускладнюється відсутністю єдиної точки зору на питання про характер впливу сонячної активності на тропосферні процеси, а також відсутністю достовірних відомостей про режим сонячної активності в минулому, до початку спостережень за Сонцем.

2. Геофізичні фактори коливання клімату

В