Среднесрочные и краткосрочные циклы изменения климата: теория Миланковича и океанические колебания

В то время как тектоника плит определяет долгосрочный климатический фон, среднесрочные изменения климата, действующие в масштабах от тысячелетий до десятилетий, в основном обусловлены астрономическими циклами и океаническими процессами. Наиболее значимыми из них являются циклы Миланковича — систематические изменения характеристик орбиты и вращения Земли, которые изменяют распределение солнечной радиации. Эти циклы с периодичностью в 100 000, 41 000 и 23 000/19 000 лет были доминирующим фактором наступления и отступления ледников на протяжении последних нескольких миллионов лет. Они определяют чередование ледниковых и межледниковых периодов в рамках нынешней ледниковой эпохи.

Астрономическое воздействие на климат реализуется через три основные переменные. Первая — это эксцентриситет орбиты, описывающий форму земной орбиты вокруг Солнца и изменяющийся в течение 100 000-летнего цикла, что модулирует интенсивность сезонных контрастов. Вторая — осевой наклон (наклонение оси), который колеблется между 21,5° и 24,5° с периодом в 41 000 лет, причем больший наклон усиливает сезонные различия. Третья переменная — осевая прецессия, представляющая собой колебание с продолжительностью около 23 000 лет, которое определяет, какое полушарие наклонено к Солнцу в момент перигелия. Совокупный эффект этих циклов Миланковича предсказывает тенденцию к похолоданию в Северном полушарии, хотя сейчас этот естественный сигнал подавлен антропогенным воздействием.

Рисунок 1: Схематичное изображение изменений орбиты Земли, включая эксцентриситет, наклон и прецессию равноденствий, которые приводят к изменению распределения солнечной радиации.

Геологические данные, такие как керны льда, наглядно демонстрируют связь этих циклов с климатом. Анализ антарктических ледяных кернов позволяет реконструировать изменения температуры и концентрации CO2 за последние сотни тысяч лет. Эти записи показывают четкую корреляцию между орбитальными параметрами, температурой и уровнем парниковых газов, подтверждая теорию Миланковича. Ритмичные осадочные слои, или циклотемы, в породах, например, в Доломитовых Альпах (Италия) или протерозойских отложениях Канады, также служат надежным палеоклиматическим архивом.

Рисунок 2: График изменений температуры и содержания CO2 в атмосфере за последние 400 000 лет, построенный на основе данных антарктических ледяных кернов (например, проекта EPICA).

Изменение климата после последнего ледникового максимума наглядно иллюстрирует силу орбитальных факторов. Примерно 18 000 лет назад началось глобальное потепление, приведшее к отступлению ледников. К 15 000 лет назад остановилось наступление континентальных ледяных щитов, началось эвстатическое повышение уровня моря. Около 10 000 лет назад произошло массовое вымирание мегафауны ледникового периода, включая мамонтов и мастодонтов. К 6000 годам назад наступил климатический оптимум голоцена — период наиболее высоких температур. За 18 000 лет средняя глобальная температура выросла примерно на 10°C, а уровень моря поднялся на 91 метр.

В масштабах от десятилетия до года ключевую роль играют краткосрочные океанические и атмосферные колебания. Фундаментальное значение имеет глобальная термохалинная циркуляция (ГТЦ) — глубоководная "конвейерная лента", приводимая в движение различиями в температуре и солености воды и перераспределяющая огромные объемы тепла. Нарушения в работе ГТЦ, способные произойти за 5-10 лет, могут вызывать резкие региональные климатические сдвиги, например, длительное похолодание в теплых регионах.

Наиболее мощным краткосрочным колебанием является Южное колебание Эль-Ниньо (ЭНСО). Это периодическое потепление (Эль-Ниньо) и похолодание (Ла-Нинья) поверхности восточной тропической части Тихого океана оказывает глобальное влияние на погоду. ЭНСО провоцирует масштабные аномалии: наводнения, засухи, отклонения температур от норм, существенно воздействуя на сельское хозяйство и экономику многих регионов мира, от Южной Америки до Юго-Восточной Азии.

Климатический сигнал, предсказываемый теорией Миланковича, значительно усложняется и модулируется системой обратных связей. К ним относятся изменения альбедо из-за роста или сокращения ледяного покрова, колебания концентрации атмосферной пыли, а также динамика парниковых газов, в частности диоксида углерода (CO2) и метана (CH4). Океаны выступают в роли гигантского буфера, поглощая и медленно высвобождая тепло и CO2, что может усиливать или сглаживать орбитальные воздействия.

Прогнозирование будущего климата требует интеграции этих среднесрочных природных циклов с беспрецедентным краткосрочным воздействием антропогенных выбросов. Согласно орбитальной геометрии, следующее оледенение должно наступать постепенно в течение тысячелетий. Однако текущие антропогенные возмущения, прежде всего выбросы парниковых газов, могут полностью нарушить этот естественный цикл. Это грозит неконтролируемым потеплением и повышает риск резких климатических изменений, таких как коллапс термохалинной циркуляции, что повлечет серьезнейшие экологические и социальные последствия для всей планеты.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.