СОЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ КЛИМАТА (Солярная теория изменения климата)

Основные публикации по Солярной теории климата

Препринт статьи
Федоров В.М., 2020. Эволюция современного глобального климата Земли и
ее возможные причины. ГеоРиск, Том XIV, № 4, с. 16–29,
https://doi.org/10.25296/1997-8669-2020-14-4-16-29

Исследование изменений глобального климата является одной из важнейших научных и практических проблем, которая определяется необходимостью прогнозирования последствий климатических изменений. Наиболее важным в проблеме исследования и прогнозирования изменений климата и связанных с ними последствий является вопрос о причинах, вызывающих эти изменения. Широко распространено мнение о том, что основной причиной изменения глобального климата является парниковый эффект, связанный с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором. В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе климата. Целью работы является определение роли инсоляционного фактора в глобальных климатических событиях позднего голоцена и в многолетних изменениях (эволюции) современного глобального климата.

С учетом теоретически рассчитанных с высоким пространственным и временным разрешением значений инсоляции и инсоляционных характеристик солярного климата Земли рассматриваются возможные причины глобальных климатических событий в позднем голоцене и причины изменения современного глобального климата. Найден синхронизм глобальных климатических событий в позднем голоцене с экстремальными значениями инсоляционных характеристик. Определены возможные причины малого (средневекового) оптимума голоцена, связанные с максимумом меридионального переноса тепла в зимний период в северном полушарии и максимумом межполушарного теплообмена. Определена одна из причин малого ледникового периода связанная с минимумом приходящей солнечной радиации в северное полушарие в летнее полугодие.

Определены возможные причины изменения современного глобального климата Земли, связанные с усилением меридионального переноса тепла определяемого уменьшением угла наклона оси вращения Земли. Приводится описание физического механизма усиления глобального потепления и принципиальная схема радиационного теплообмена. Физический механизм составляет основу солярной теории изменения климата (солярная теория климата) и представляет собой физическую основу физико-математического моделирования климата. Полученные результаты также могут стать основой радиационного блока физико-математических моделей климата, способствовать совершенствованию методов прогнозирования изменений климата, связанных с ними последствий и минимизации ущерба от возможных климатических рисков.

Ключевые слова: солнечная радиация; парниковый эффект; водяной пар; инсоляция; наклон оси; меридиональный градиент инсоляции; меридиональный перенос тепла; радиационный теплообмен; глобальный климат Земли, солярная теория климата

Введение

Климат – важнейшая характеристика природной среды обитания человека и общества, поэтому исследование изменений глобального климата является одной из важнейших научных и практических проблем. Эта проблема определяется необходимостью прогнозирования последствий климатических изменений для природной среды, человека и общества. Наиболее важным в проблеме исследования и прогнозирования изменений климата и связанных с ними последствий является вопрос о причинах, вызывающих эти изменения [5, 8 – 10]. Среди возможных причин формирования и изменения климата основными считаются солнечная радиация, парниковый эффект планеты, вулканическая деятельность и механизмы теплообмена.

Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли. С широтными особенностями распределения солнечной радиации связано расположение климатических поясов (широтная зональность). С изменением радиационного тепла с высотой связана высотная поясность. В древности Гиппархом (древнегреческий астроном, географ и математик II-го века до нашей эры) было дано объяснение годовой смене климатических сезонов. Эта смена объяснялась изменением наклона падения солнечных лучей, связанным с орбитальным движением Земли и наклоном оси ее вращения («климат» в переводе с греческого языка означает – «наклон»). Кроме этого, отмечаются межгодовые и многолетние изменения климата, причины которых пока однозначно не определены.

В регулировании поступления солнечной радиации к Земле (без учета атмосферы) и распределении ее по земной поверхности (солярный климат Земли) выделяются два механизма, имеющие различную физическую природу. Один механизм связан с изменением активности Солнца. Другой механизм определяется небесно-механическими процессами, изменяющими элементы земной орбиты (расстояние Земля – Солнце, продолжительность тропического года и др.), наклон оси вращения и связанные с ними изменения в поступлении солнечной радиации и ее распределении по широтам и сезонам. Этот механизм анализируется в данной работе. В перераспределении радиационного тепла в природной системе Земли (в атмосфере и океане) участвуют механизмы: межширотного теплообмена (меридионального переноса тепла от экваториальной области к полярным районам – «тепловая машина первого рода»), теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла («тепловая машина второго рода»), теплообмена в системе океан – атмосфера, межполушарный теплообмен и др. [13, 19]. Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы (прежде всего, содержание Н₂О), определяющий величину альбедо (отражения приходящей от Солнца коротковолновой радиации), роль парникового эффекта планеты и ее изменение [8, 10].

В XX веке отмечена тенденция повышения глобальной приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) и температуры поверхности океана (ТПО), однако причины этого однозначно не определены. Широко распространено мнение о том, что основной причиной изменения глобального климата является парниковый эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором [20]. В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе климата и в развитии жизни на Земле [5, 8 – 10, 13, 15, 19, 21].

На исследование причин изменения климата направлен ряд международных научных программ, например, координируемые МСНС (Международный совет научных союзов), ЮНЭСКО и ВМО (Всемирная метеорологическая организация) Всемирная климатическая программа и Всемирная программа исследования климата. Повышенное внимание в настоящее время уделяется исследованиям изменения аномалии ПТВ результате усиления парникового эффекта планеты, связанного с деятельностью человека. В то же время, вопросы изменения ПТВ, ТПО и других характеристик климата и компонентов природной системы в связи с многолетними пространственными и временными вариациями инсоляции исследованы еще не достаточно.

Актуальность темы определяется необходимостью прогнозирования изменений климата и связанных с ними последствий. Это представляется важным для стратегического планирования социально-экономического развития страны и регионов. Современное состояние природной системы Земли, характеризуемое климатом (статистическим набором гидрометеорологических, почвенно-биологических и других показателей усредненных по времени для отдельных районов или Земли в целом), вызывает озабоченность всего человечества. Беспокойство и тревога современной цивилизации связано, прежде всего, с наблюдаемыми природными явлениями:

- сокращением площади морских льдов (особенно в Арктике);

- сокращением горных и полярных ледников;

- деградацией многолетнемерзлых пород;

- повышением уровня Мирового океана;

- изменением режима и интенсивности атмосферных осадков;

- дефицитом пресной воды;

- увеличением числа тайфунов и ураганов;

- увеличением засушливых периодов и масштабных природных пожаров;

- ростом неустойчивости в развитии природных процессов и увеличением числа климатических катастроф.

Эти природные явления создают риски для устойчивого социально-экономического развития регионов, благополучия жизни людей.

Особая актуальность рассматриваемой темы связана с неопределенностью в существующей системе прогнозирования (сценарные прогнозы), а также с масштабами и скоростью изменений глобального климата Земли. Значимость поисков причин изменения климата также определяется тем, что от состояния окружающей природной среды зависят условия жизни, благополучие и здоровье нации. Экономическая и политическая актуальность темы связана с вопросом реализации Парижского соглашения по климату, предусматривающего ведущую роль антропогенного фактора в эволюции современного климата.

Целью работы является определение роли инсоляционного фактора в глобальных климатических событиях позднего голоцена и в многолетних изменениях (эволюции) современного глобального климата.

Факторы глобального климата

Солнечная радиация. Известно, что Солнце является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли (рис. 1).

Рис. 1. Составляющие радиационного баланса Земли [30]

Солнце излучает энергию, которая обеспечивает Землю теплом и светом. Лучистая энергия Солнца является основным источником энергии гидрометеорологических, биохимических и многих других процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере, биосфере, криосфере и в поверхностном слое литосферы. Энергия Солнца является важнейшим фактором развития жизни на Земле, обеспечивающим необходимые для жизни термические условия и фотосинтез. Как отмечал А.И. Воейков «Солнце – единственный источник тепла, достаточно сильный для того, чтобы оказывать значительное влияние на температуру поверхности земли и воздуха» [2, с. 39].

Годовой приход коротковолновой солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы (ВГА) или на поверхность Земли без учета атмосферы в среднем составляет 5,49?1024 Дж (или 1367 Вт/м²)¹, что превосходит все мировые запасы невозобновляемых энергоресурсов. Этот приход во времени не является постоянным, он подвержен межгодовым и многолетним изменениям, связанным как с изменением активности Солнца, так и с изменением орбитальных характеристик Земли и наклона оси ее вращения, влияющих на облучение. Также изменяется распределение приходящей солнечной радиации по широтам и сезонам.

Парниковый эффект удерживает тепло получаемое нашей планетой от Солнца. При этом известно, что основным парниковым газом является водяной пар. Его содержание в среднем составляет около 2% и может достигать 4% в единице объема воздуха. Содержание двуокиси углерода (СО₂) составляет всего 0,04% (или 400 ppm – миллионных частей в единице объема воздуха), при этом, менее 1% от этого составляет двуокись углерода, связанная с деятельностью человека. Водяной пар удерживает приблизительно 76% длинноволновой радиации, СО₂ – 4% [3]. Это двуокись углерода и природного и антропогенного происхождения. Поскольку СО₂ антропогенного генезиса составляет около 1% от всего содержания СО₂ в атмосфере, то по содержанию и удержанию тепла водяной пар на три порядка превосходит парниковые возможности СО₂ связанного с деятельностью человека. Содержание другого парникового газа – метана составляет всего несколько миллиардных частей в единице объема воздуха (0,00018%).

Действительно, Земля – планета водная. Мировой океан занимает 2/3 площади планеты. Это основной источник водяного пара в атмосфере. В горных и полярных районах Земли развиваются ледники, а в Северном ледовитом и Южном океане распространяются морские льды. На Земле существуют две гигантские ледниковые шапки (Антарктида и Гренландия), представляющие собой образования из Н₂О находящейся в твердой фазе. На снимках из космоса видно, что Земля покрыта облаками, состоящими в основном из водяного пара. В зимние полугодия значительная часть земной поверхности в полушариях покрывается снегом, а водные объекты льдом. Вода присутствует на Земле в трех фазовых состояниях. Переход из одного состояния в другое сопровождается процессами выделения или поглощения тепла. Таким образом, роль воды, льда и водяного пара в природной системе Земли (с учетом известного гидрологического цикл – круговорот воды в природе), в процессах теплообмена и климатообразования несопоставима с ролью СО₂ образующегося в результате деятельности человека. Содержание других парниковых газов (метан и пр.) еще на три порядка меньше чем содержание двуокиси углерода (суммарно естественного и антропогенного происхождения). Климат – это обобщенная характеристика состояния природной среды и он тесно связан с присутствием и круговоротом в природе Н₂О, являющейся важнейшим компонентом окружающей природной среды [7, 10]

При отсутствии солнечного излучения температура на Земле была бы близка к температуре окружающего ее пространства (близка к абсолютному нулю или -273°С). В настоящее время среднегодовая приповерхностная температура Земли составляет около +15°С. В случае, отсутствия у Земли атмосферы (при существующем притоке лучистой энергии), ее температура была бы ниже существующей приблизительно на 39° [9] и, составила бы -24°С (это теплее, чем в Антарктиде, но холоднее, чем в Арктике).

Таким образом, температурный режим Земли, в основном, определяется двумя природными факторами: приходящей от Солнца радиацией и парниковым эффектом планеты (при этом главным парниковым газом является водяной пар). Учитывая, что температура окружающего Землю пространства составляет -273°С и среднегодовая приповерхностная температура Земли около +15°С, приходящей от Солнца радиацией определяется приблизительно 86% тепла (249°), а парниковым эффектом планеты 14% (39°). Можно предположить, что отмечаемые в современную эпоху в природной системе Земли изменения связаны, прежде всего, с изменением отмеченных факторов формирования климата (солнечной радиации и парникового эффекта планеты, связанного, главным образом с содержанием водяного пара в атмосфере).

Результаты и их обсуждение

Инсоляция Земли (удельная энергия облучения – УЭО, Дж/м² и интенсивность облучения – ИО, Вт/м²) рассчитывалась с большим пространственным и временным разрешением. Расчеты выполнялись по данным высокоточных астрономических эфемерид (DE-406, NASA) [28] для всей поверхности Земли (без учета атмосферы) в интервале с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. (от позднего голоцена до настоящего времени и на 979 лет в будущее от 2020 года). Исходными астрономическими данными для расчетов инсоляции были склонение и эклиптическая долгота Солнца, расстояние от Земли до Солнца, разность хода равномерно текущего (координатного времени – СТ) и всемирного корректируемого времени (UT). Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом (GRS80 – Geodetic Reference System, 1980) с длинами полуосей равными 6378137 м (большие) и 6356752 м (малая). В общем виде алгоритм расчетов можно представить выражением:

где I – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); – площадной множитель (м²), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; – часовой угол, – географическая широта, выраженные в радианах; – солнечная радиация в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м²), t – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года с учетом ее изменения. Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м² [25]. Изменение активности Солнца не учитывалось [15, 16, 22]

Годовое поступление к Земле солнечной радиации за 5999 лет сокращается всего на 0,005%. Однако, отмечается увеличение инсоляции в экваториальной области (0,25%) и сокращение в полярных районах (2,73%) – тенденция усиления широтной контрастности в солярном климате (рис.2) [15].

.

Рис. 2. Изменение годовой инсоляции Земли в широтных зонах с 3000 г. до н.э. по 2999 г. в процентах от 3000 г. до н.э.

Отмечается сокращение инсоляции в летние для полушарий полугодия (2,9%) и увеличение в зимние (3,75%) – проявляется тенденция сглаживания сезонных различий в солярном климате Земли (рис. 3).

Рис. 3. Изменение полугодовой инсоляции Земли в широтных зонах с 3000 г. до н.э. по 2999 г. в процентах от 3000 г. до н.э.
(1 – зимнее, 2 – летнее полугодие для северного полушария)

Из-за неравномерности в распределении солнечной радиации по земной поверхности возникает меридиональный градиент инсоляции (МГИ) [15, 17, 22]. На основе выполненных расчетом инсоляции получен широтный профиль изменения годового МГИ за 5998 лет (рис. 4). Максимумы увеличения МГИ локализованы вблизи полярных кругов (60°–70° широты – годовые зоны неустойчивости или турбулентности). Отмеченные зоны неустойчивости совпадают с районами максимального развития внетропических циклонов (циклогенеза) в полушариях. Увеличение годового МГИ также приходится на области локализации циркуляционных ячеек Хэдли и Ферреля в атмосфере. Уменьшение годового МГИ отмечается в областях локализации полярных ячеек.

Рис. 4. Изменение годового МГИ за 5998 лет (аппроксимация – полином 4-й степени) в процентах от 3000 г до н.э.

Увеличение годового МГИ также приходится на области локализации циркуляционных ячеек Хэдли и Ферреля (среднеширотная) в атмосфере (рис. 5). Уменьшение годового МГИ отмечается в областях локализации полярных ячеек.

Рис 5. Схема общей циркуляции атмосферы

Определены многолетние изменения МГИ для зимнего и летнего (в северном полушарии) полугодия (рис. 6). Значения сезонного МГИ максимально увеличиваются в зимнее (для северного полушария) полугодие в широтной зоне 15°–20° ю.ш. (11,8%) и максимально сокращаются в зоне 10°–15° ю.ш. (17,8%). В летнее (для северного полушария) полугодие максимальное увеличение (11,8%) отмечается в широтной зоне 10°–15° с.ш., максимальное сокращение (17,8%) в широтной зоне 5°–10° с.ш.

Рис. 6. Изменение МГИ в зимнее (1) и летнее (2) полугодие для северного полушария за 5998 лет в процентах от 3000 г. до н.э.

Таким образом, в летних полушариях выделяются сезонные зоны неустойчивости расположенные в широтном диапазоне 5°–20° градусов широты. Здесь в соседних 5-ти градусных широтных зонах отмечаются максимальные расхождения в тенденциях изменения летнего МГИ. Сезонные зоны неустойчивости совпадают с областями генерации тропических циклонов (80% которых формируется в пределах диапазона 10°–20° широты). С вихревым переносом энергии связана работа «тепловой машины первого рода», механизма меридионального переноса тепла (МПТ) из низких широт в высокие [18]. В полярных областях (полярные циркуляционные ячейки) в зимние полугодия в полушариях отмечается увеличение сезонного МГИ, в летние полугодия – сокращение.

Приблизительно 87% тропических циклонов формируются в районах, расположенных не выше 20° широты (рис. 7). Таким образом, область генерации тропических циклонов, наносящих огромный ущерб природе и человечеству (например, ущерб от урагана «Катрина» в 2005 г. составил более 100 млрд. долларов США, ущерб от ураганов «Харви» и «Ирма» в 2017 г. оценивается в 290 млрд. долларов), совпадают с сезонными зонами неустойчивости (турбулентности) в переносе энергии.

Отмеченные нами области вблизи 65° и 10°–15° широты характеризуют разные стадии развития циклонических вихрей. Если с сезонными зонами неустойчивости связано зарождение тропических циклонов (вблизи 10°–15° широты в каждом полушарии), то с годовыми зонами неустойчивости (вблизи 65° в каждом полушарии) связана стадия максимального развития внетропических циклонов [12]. Главным образом, с вихревым переносом энергии связана работа «тепловой машины первого рода», механизма межширотного теплообмена в атмосфере [11, 12]. Вихри (циклоны) переносят энергию в атмосфере из области источника тепла (из низких широт) в области его стока (в высокие широты). Известно, что мощность энергии выделяемой в тропическом циклоне среднего размера, составляет около 1015Вт (ПВт). Это значительно превосходит мощность всей потребляемой человечеством энергии за год (например, в 2008 году – 15•1012Вт – 15ТВт). Ежегодно в северном полушарии насчитывается от 60 до 70 тропических циклонов, в южном полушарии (из-за большей однородности подстилающей поверхности) всего 5–10.

Рис. 7. Карта повторяемости тропических циклонов [23]

С усилением отмеченных зон неустойчивости (турбулентности) связано наблюдаемое увеличение числа ураганов и тайфунов, внетропических циклонов, рост неустойчивости природных процессов и увеличение числа климатических катастроф.

Полученное среднее распределение годового МГИ сравнивалось с меридиональным распределением среднего годового переноса энергии в системе океан – атмосфера приведенным в работах Лоренца [6] и Пальмена, Ньютона [11]. Коэффициент корреляции между средними значениями годового МГИ и значениями переноса энергии в системе океан – атмосфера составил 0,98 (линейная связь). При этом численные значения переноса энергии в системе океан – атмосфера в работах [6, 11] в среднем в 6–7 раз, превосходят значения МГИ, что может быть связано с участием в переносе энергии в системе океан – атмосфера водных и воздушных масс. В других работах значения переноса энергии приблизительно в 3–5 раз превышают значения годового МГИ [27, 29].

Поскольку перенос энергии в системе океан – атмосфера определяется МГИ, то и полученные для него особенности могут проявляться и в системе океан – атмосфера (возрастание или ослабление интенсивности циркуляции в ячейках общей циркуляции атмосферы, усиление меридионального вихревого переноса энергии и климатической изменчивости). Отмечаемые для современной эпохи особенности солярного климата Земли (усиление широтной контрастности и сглаживание сезонных различий, особенности изменения МГИ) связаны с уменьшением наклона оси вращения Земли [15, 22].

В результате корреляционного анализа определена связь многолетних изменений аномалии ПТВ и ТПО Земли и полушарий [15] с многолетними изменениями годовой инсоляционной контрастности (ИК). Для полушарий ИК рассчитывалась (по полученным значениям инсоляции) как разность солнечной радиации приходящей в широтную область 0°–45° (источник тепла) и 45°–90° (стока тепла) за год. Для Земли в качестве ИК принималось среднее годовое значение ИК, полученное для полушарий [5, 6]. ИК, таким образом, обобщенно (по областям источника и стока тепла) отражает изменения МГИ. Многолетние изменения ИК линейно связаны с изменением угла наклона оси вращения Земли (коэффициент корреляции составляет -0,998).

Изменения ТПО и ПТВ Земли и полушарий (данные университета Восточной Англии и метеобюро Хэдли за период с 1900 по 2016 гг.) в основном учитываются трендами [15]. Значения коэффициента детерминации составляют от 0,693 до 0,862 (тренды – полиномы второй степени). Коэффициент детерминации показывает долю изменений ПТВ и ТПО определяемую трендом. Следовательно, чтобы объяснить тенденции многолетних изменений (эволюцию) глобальной температуры следует определить фактор, определяющий тренды в исходных рядах ПТВ и ТПО. Анализ показывает, что многолетние изменения ТПО и ПТВ Земли и полушарий характеризуются тесными положительными корреляционными связями с многолетними изменениями ИК и отрицательными с многолетними изменениями угла наклона оси. Угол наклона оси вращения за период с 1900 г. по 2016 г. уменьшился на 0,015°. Инсоляционная контрастность за этот период увеличилась на 0,7Вт/м2. ПТВ и ТПО увеличились приблизительно на 1°С и 0,9°С соответственно. Выполненные, по уравнению регрессии (по ансамблю линейных и полиномиальных решений) расчеты показали, что многолетние изменения ПТВ и ТПО в основном связаны с многолетними изменениями годовой инсоляционной контрастности (табл. 1).

Таблица 1
Многолетние изменения ПТВ и ТПО объясняемые регрессионной моделью [15]

Примечание: КМО – климатическая мультидекадная осцилляция с периодом около 60 лет.

Также многолетними изменениями ИК в регрессионной модели объясняется:

- более 90% многолетних изменений уровня Мирового океана [15];

- 76,0% изменения среднегодовой площади морских льдов в северном полушарии, 76,0% минимальной площади морских льдов и 74,2% сезонной амплитуды [14];

- 95,1% многолетних изменений среднегодовой площади морских льдов 93,2% максимальной площади и 89,2% минимальной площади морских льдов в Северном ледовитом океане [18].

- в среднем 95,9% многолетних изменений суммарного баланса массы льда в ледниковых районах северного полушария.

Таким образом, определяются естественные причины изменения (эволюции) современного глобального климата. Основной из них является изменение наклона оси вращения Земли, регулирующее распределение приходящей к Земле солнечной радиации по широтам и сезонам и интенсивность меридионального теплообмена (работы «тепловой машины первого рода») [1, 19].

Физический механизм найденной нами тесной корреляционной связи многолетних изменений ПТВ, ТПО, площади морских льдов в северном полушарии и суммарного баланса массы горных ледников в ледниковых районах с инсоляционной контрастностью, в обобщенном виде может сводится к следующему. Связанное с уменьшением угла наклона увеличение ИК, управляющее меридиональным переносом тепла или интенсивностью работы «тепловой машины первого рода» приводит к увеличению переноса тепла (циркуляционными процессами в атмосфере и вихревыми образованиями) из низких широт в высокие. Следует учесть, что площади областей стока тепла в полушариях приблизительно в 2,7 раза меньше площади областей источников тепла. Поэтому переносимое из низких широт в высокие радиационное тепло распределяется по меньшей площади и его удельные характеристики возрастают (Дж/м², Вт/м²). В результате меридионального переноса тепла температура поверхности океана и приповерхностная температура воздуха в областях стока тепла увеличивается (явное тепло). Это приводит к увеличению испарения, повышению содержания водяного пара в атмосфере и усилению парникового эффекта. Результатом этого является дополнительное увеличение температуры и т.д. (по спирали). Этот процесс, постоянно повторяясь, усиливает потепление климата в северном полушарии и приводит к сокращению площади морских льдов, горных ледников и деградации мерзлоты. Кроме того, в результате конденсации из-за адвекции теплых воздушных масс в высокие широты выделяется скрытое тепло, которое вносит дополнительный вклад в схему радиационного теплообмена в атмосфере (рис. 8).

Рис. 8. Принципиальная схема радиационного теплообмена в атмосфере

Три нижних блока в схеме отражают механизм усиления процесса глобального потепления климата. Так же следует учитывать положительные обратные связи – уменьшение альбедо из-за многолетнего сокращения площади морских льдов и усиление парникового эффекта из-за дегазации многолетнемерзлых пород в связи с потеплением климата.

Этим механизмом определяется повышение глобальной температуры (ПТВ и ТПО), сокращение горных ледников и площади распространения морских льдов, деградация мерзлоты, повышение уровня Мирового океана, увеличение аридных площадей и засушливых периодов.

Следует отметить, что из-за различий в полушариях (северное полушарие более континентальное, южное – более океаническое) эволюция климата в них несколько отличается. Так, во-первых, вихревых образований (тропических и внетропических циклонов) в северном полушарии больше, чем в южном полушарии (в котором подстилающая поверхность более однородна). Во-вторых, в южном полушарии меридиональный перенос тепла заметно блокируется зональной циркуляцией («ревущие сороковые» в атмосфере и циркумантарктическое течение в океане). Поэтому процессы потепления более заметно проявляются в северном полушарии.

Изменение глобального климата Земли в позднем голоцене

Изменения климата в будущем и знания о них во многом определяются изменениями климата в прошлом и нашей информацией о причинах таких изменений. Также по наблюдаемым изменениям современного климата и информации о причинах этих изменений, можно выполнять палеоклиматические реконструкции и объяснять причины глобальных климатических событий, например, в ближайшем прошлом.

Из-за того, что ось вращения Земли имеет наклон (в настоящее время около 23,5°) отмечаются сезонные изменения состояния природной среды, называемые временами года. Из-за наклона оси в летнее полугодие полушарие получает приблизительно в два раза больше (зимняя инсоляция составляет 46% от летней) солнечной радиации, чем в зимнее полугодие. Из-за эллиптичности орбиты (рис. 9) Земля в первое полугодие получает приблизительно на 7% меньше, чем во второе полугодие. Для сравнения амплитуда солнечной активности в 11-ти летнем цикле составляет всего 0,07%. Однако, наклон оси вращения меняется на 2 градуса 37 минут (это 11,1% от 23,5°) с периодом около 40 тысяч лет. С изменением наклона оси линейно связано изменение годовой ИК обобщенно отражающей изменение меридионального градиента инсоляции [15].

Рис. 9. Орбитальное движение Земли

Глобальное потепление климата (это начало современной геологической эпохи – голоцена) началось около 10–12 тысяч лет назад и связано с наступлением фазы уменьшения наклона оси вращения Земли (рис. 10). Лето в северном полушарии в это время также приходилась на положение Земли вблизи перигелии орбиты (сейчас лето в северном полушарии приходится на положение Земли вблизи афелия) (рис. 9). Соединение перигелия орбиты с точкой летнего солнцестояния произошло 11,7 тысяч лет назад.

. 10. Изменение наклона оси вращения Земли [21]

С этого времени происходит деградация и исчезновение последнего покровного оледенения в Европе, Западной Сибири и Северной Америки. Процесс потепления глобального климата не был равномерным. Он характеризовался этапами усиления (голоценовый оптимум, малый или средневековый оптимум голоцена) и этапами ослабления (в позднем голоцене – малый ледниковый период). В настоящее время отмечается этап усиления глобального потепления климата и его неустойчивости (турбулентности).

Выполненные нами расчеты показывают, что годовая инсоляционная контрастность (ИК) в полушариях на протяжении всего времени от 3000 г. до н.э. по 2999 г. возрастает (рис. 11, 12). Увеличение годовой ИК определяет термические условия межледниковья для современной геологической эпохи (голоцена) [15].

Рис. 11. Многолетние изменения годовой ИК в северном полушарии

Рис. 12. Многолетние изменения годовой ИК в южном полушарии

Большие значения ИК в южном полушарии связаны с тем, что в летнее в южном полушарии полугодие (когда приход солнечной радиации в полушарие максимальный) Земля (в исследуемый период с 3000 г. до н.э. по 2999 г.) проходит перигелий своей орбиты. В летнее в северном полушарии полугодие, Земля проходит афелий (рис. 8). Напомним, что годовая ИК полушарий и Земли линейно связана с многолетними изменения угла наклона оси вращения [15].

На фоне работы приведенного выше механизма, связанного с изменением годовой ИК в полушариях, определяющей межледниковый характер современной геологической эпохи (глобальное потепление), похолодания или усиления потепления связаны с другими характеристиками инсоляции. Рассчитанные нами на 5000 лет в прошлое и на 999 лет в будущее (от 2000 года) характеристики инсоляции позволили определить возможные причины таких глобальных климатических событий в позднем голоцене как малый (средневековый) оптимум и малый ледниковый период.

Для этого нами рассчитывались сезонные ИК для полушарий (изменения которых связаны с наклоном оси и прецессией). Расчеты ИК выполнялись с учетом сезонного смещения областей источника 0°– 40° и стока 40°– 90° тепла для зимнего в полушарии астрономического полугодия. И областей источника 0°– 60° и стока 60°– 90° тепла для летнего в полушарии астрономического полугодия. Из полученных результатов следует, что максимум зимней ИК в северном полушарии синхронизируется с малым (средневековым) оптимумом голоцена (рис. 13).

Рис. 13. Максимум зимней ИК в северном полушарии

Зимняя ИК в северном полушарии в 3000 г. до н.э. составляет 1863,72 Вт/м², в 1023 г. (максимум зимней ИК в полушарии) 1891,62 Вт/м², в настоящее время (2020 г.) 1889,60 Вт/м². Максимальное значение зимней ИК в северном полушарии превышает значение ИК в 3000 г. до н.э. на 27,90 Вт/м² и современное значение на 2,02 Вт/м². Таким образом, вероятно, что одним из факторов малого (средневекового) климатического оптимума является максимум зимней ИК в северном полушарии. То есть, малый (средневековый) климатический оптимум связан, прежде всего, с зимним потеплением в северном полушарии из-за максимума в меридиональном переносе тепла.

Возможна и вторая причина средневекового оптимума, связанная с солярными факторами. При движении в первое астрономическое полугодие от точки весеннего равноденствия к точке осеннего равноденствия (в северном полушарии в это время лето, в южном полушарии – зима) Земля получает меньше солнечной радиации, чем во второе полугодие при движении от точки осеннего равноденствия к точке весеннего равноденствия (рис. 8). Вблизи 1000-х лет отмечается максимальное различие в инсоляции Земли по полугодиям (рис. 14). Максимальная разность инсоляции Земли в первое и второе астрономическое полугодие составляет около 14 Вт/м². В южном полушарии в это время (второе астрономическое полугодие) лето и происходит усиление межполушарного теплообмена. Из южного летнего полушария радиационное тепло переносится в северное зимнее полушарие (и, как отмечалось, в северном полушарии происходит усиление зимней ИК и меридионального переноса тепла) (рис. 13).

Рис. 14. Многолетние изменения инсоляции Земли: 1 – в первое (летнее в северном полушарии), 2 – во второе (зимнее в северном полушарии) астрономическое полугодие

Сезонный воздухообмен в полушариях впервые описан в работе Н.Шоу (Shaw).
Оценки перемещаемой массы воздуха в северном полушарии получены Н.С. Сидоренковым (для 1970–1974 гг.). В среднем из летнего полушария в зимнее переносится около 4•1018 г. воздуха [13]. Межполушарный обмен составляет, таким образом, около 0,08% от массы атмосферы. Однако, (как следует из рис.13.) соотношение в переносе воздуха из летнего полушария в зимнее может меняться (в связи с различием летней и зимней инсоляции в полушариях) и одно зимнее полушарие в результате межполушарного теплообмена может получать больше (или меньше) тепла, чем другое зимнее полушарие. Механизм межполушарного теплообмена связан с перемещением ячейки Хэдли из зимнего полушария в летнее и, таким образом, циркуляцией в этой ячейке обеспечивается перенос тепла из летнего полушария в зимнее.

Отмеченные изменения в термическом режиме, определяемые изменениями сезонной ИК и инсоляции (и механизмом полушарного теплообмена), происходят на фоне усиления меридионального переноса тепла (годовая ИК) связанного с уменьшением наклона оси (началось около 10 тысяч лет назад), которым определяется общая термическая характеристика современной геологической эпохи – межледниковье. На фоне усиления годового меридионального градиента инсоляции (и годовой ИК) отмечается и минимум летней инсоляции в северном полушарии (в середине XVI века) с которым (а также с минимумами солнечной активности) связан малый ледниковый период (МЛП) (рис. 15). Таким образом, определяется роль солярных факторов в глобальных климатических событиях позднего голоцена.

Рис. 15. Локализация минимума летней интенсивности облучения северного полушария

Размах изменения летней инсоляции северного полушария на всем интервале составляет 7,7 Вт/м2 или 1,84% от среднего значения. В пределах отмечаемых хронологических границ малого ледникового периода выделяются три минимума солнечной активности: минимум Шперера (1460 – 1540 гг. или 1420 – 1530 гг.), минимум Маундера (1645 – 1715 гг.) и минимум Дальтона (1790 – 1830 гг.). Наиболее глубоким, хотя и не очень продолжительным, был минимум Маундера. Сокращение солнечной радиации в этот период составляло около 0,5 – 0,7 Вт/м² относительно современного уровня [15, 26].

Известно, что летняя инсоляция имеет важное значений в генезисе климата и его изменениях. Это определяется, во-первых, тем, что при увеличении летней инсоляции увеличивается температура, а также испарение и содержание водяного пара в атмосфере, что приводит к усилению парникового эффекта. Во-вторых, выделением скрытого тепла от увеличения атмосферных осадков (переход водяного пара в воду и снег). В-третьих, уменьшением альбедо за счет сокращения площади морских льдов и ледников – нагревание поверхности (материков и океанов) и от нее атмосферы. При сокращении летней инсоляции – очевидно, происходят обратные эффекты. Максимальное сокращение летней инсоляции в минимуме (с экстремальными значениями в период с 1500 – 1550 гг.) относительно современного значения, по нашим расчетам, невелико 0,13 Вт/м². Однако, это был самый глубокий минимум летней инсоляции в северном полушарии за последние 5000 лет. Относительно значения инсоляции в 3000 г. до н.э. в годы минимума (1300 – 1880 гг.) инсоляция была меньше на 7,7 Вт/м². Именно это, наряду с тремя перечисленными климатическими эффектами увеличения/уменьшения летней инсоляции, позволяет считать продолжительный и глубокий минимум летней инсоляции северного полушария (с экстремальными значениями в 1500–1550 гг.) одной из причин МЛП.

По палеоботаническим, археологическим данным и историческим свидетельствам определяется что температура во время оптимума голоцена (5–7 тысяч лет назад) в Западной Европе была на 2°–3°С выше, чем в настоящее время [4, 8]. Средняя летняя температура в Европе и в Северной Америке в период малого (средневекового) оптимума (700–1300 гг.) более чем на 1°С превышала современную. Учитывая это, наблюдаемое в настоящее время глобальное потепление климата сложно признать уникальным и тем более, связанным с антропогенным фактором. Выбросы парниковых газов – это проблема экологическая. Радиационный эффект парниковых газов определяется увеличением содержания водяного пара в атмосфере которое является следствием увеличения испарения связанного с повышением ПТВ (в соответствие с приведенным выше физическим механизмом). С увеличением ТПО уменьшается растворимость двуокиси углерода в океане. Поэтому отмечается увеличение содержания СО₂ в атмосфере. То есть увеличение содержания СО₂ в атмосфере является не причиной, а следствием повышения температуры поверхности океана (ТПО). Изменения климата, как следует из исторической информации и полученных нами результатов, связаны с естественными факторами. В настоящее время это увеличение годового МГИ (ИК) определяющего усиление меридионального переноса тепла (рис. 10, 11) [11, 15, 17].

Заключение

Глобальные климатические события в позднем голоцене (средневековый оптимум и малый ледниковый период) связаны с экстремумами инсоляционных характеристик. В настоящее время основным фактором изменения глобального климата является уменьшение наклона оси вращения Земли, определяющее усиление меридионального градиента инсоляции и меридионального переноса тепла, как в циркуляционных ячейках, так и вихревыми образованиями. Характеристикой меридионального градиента инсоляции является инсоляционная контрастность (ИК). С многолетними изменениями годовой ИК в настоящее время отмечается тесная корреляционная связь многолетних изменений глобальной ПТВ, ТПО, баланса массы льда в ледниковых районах, площади морских льдов в северном полушарии, уровня Мирового океана [15]. Причины изменения глобального климата в позднем голоцене и в настоящее время могут быть основой долгосрочного прогноза изменения климата и связанного с ними последствий.

Инсоляционные характеристики теоретически рассчитываются в будущее на основе высокоточных астрономических эфемерид. Полученные в результате расчетов базы данных инсоляционных характеристик могут быть основой радиационного блока в физико-математических моделях климата [22] и, тем самым способствовать совершенствованию климатических прогнозов, оценке возможных рисков и минимизации их последствий.

Исследования выполнены в рамках темы ГЗ Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова «Палеоклиматы, развитие природной среды и долгосрочный прогноз ее изменений» (АААА-А16-116032810080-2).

Литература

References

Примечания:

¹ Значение 341 Вт/м² (рис. 1) на входе (на верхней границе атмосферы или на поверхности Земли без учета атмосферы) получается делением значения солнечной постоянной (для рис. 1 – 1364 Вт/м²) на 4, так как солнечная постоянная – это лучистая энергия, приходящая на единицу площади диска Земли (при расстоянии в 1 а.е ). Площадь же сферы в 4 раза больше площади ее большого круга.