‹ Назад

Наше життя буквально обертається навколо різноманітних циклів: серії подій, які регулярно повторюються в тому самому порядку. Ось з такого каламбуру я чомусь вирішив почати. Але ж дійсно, у нашому земному світі та й у Всесвіті в цілому існують сотні різних типів циклів. Деякі з них є природними, як-от зміна пір року, щорічні міграції тварин або циркадні ритми, які керують нашим режимом сну. Інші створені людиною , наприклад, вирощування та збирання врожаю, музичні ритми чи економічні цикли.

Цикли також відіграють ключову роль у короткостроковій погоді та довгостроковому кліматі Землі. Століття тому  сербський вчений Мілутін Міланкович висунув гіпотезу про те, що довгострокові колективні наслідки змін у положенні Землі відносно Сонця є сильною рушійною силою довгострокового клімату Землі та відповідальні за початок і кінець періодів зледеніння (або як ми їх частіше називаємо льодовикові періоди).

Зокрема, він досліджував, як варіації трьох типів орбітальних рухів Землі впливають на те, скільки сонячного випромінювання (відомого як інсоляція) досягає верхньої частини атмосфери Землі, а також куди досягає інсоляція.

Ці циклічні орбітальні рухи, які стали відомі як цикли Міланковича, викликають варіації аж до 25 відсотків у кількості вхідної інсоляції на середніх широтах Землі. Тобто на пікових відхиленнях орбіти ділянки нашої планети, розташовані приблизно між 30-им і 60-им градусами на північ і південь від екватора отримають на чверть менше (ну або, очевидно, більше) тепла.

Форма орбіти Землі. Ексцентриситет

Для розуміння циклів Міланковича на потрібні три основних параметри:

·        Форма орбіти Землі, відома як ексцентриситет;

·        Кут, під яким вісь Землі нахилена відносно площини орбіти Землі, відомий як нахил; і

·        Напрямок, у якому спрямована вісь обертання Землі, відомий як прецесія.

Давайте детально розглянемо кожен.

Щорічне паломництво Землі навколо Сонця не проходить ідеальним колом, але цей маршрут досить близький до ідеалу. З часом сила тяжіння двох найбільших газових гігантів нашої Сонячної системи, Юпітера та Сатурна, призводить до того, що форма орбіти Землі змінюється від майже круглої до трохи еліптичної. Ексцентриситет визначає, наскільки форма орбіти Землі відхиляється від ідеального кола. Ці варіації впливають на відстань між Землею та Сонцем.

Ексцентриситет є причиною того, чому наші сезони мають дещо різну тривалість: літо в Північній півкулі зараз приблизно на 4,5 дні довше, ніж зима, а весна приблизно на три дні довша, ніж осінь. Зі зменшенням ексцентриситету тривалість наших сезонів поступово вирівнюється.

Різниця між відстанню між найбільшим наближенням Землі до Сонця (відомим як перигелій), яке відбувається 3 січня... ну або приблизно 3 січня… кожного року, та найбільшим віддаленням Землі від Сонця (відомим як афелій), що відбувається приблизно 4 липня наразі становить приблизно 5,1 мільйонів кілометрів, тобто коливання становить приблизно 3,4 відсотка. Це означає, що кожного січня до Землі надходить приблизно на 6,8 відсотків більше сонячної радіації, ніж щороку в липні.

Коли орбіта Землі є найбільш еліптичною, приблизно на 23 відсотки більше вхідного сонячного випромінювання щороку досягає Землі у найближчій точці нашої планети до Сонця, ніж на її найбільшому віддаленні від Сонця. В даний час ексцентриситет Землі дуже повільно зменшується і наближається до свого найменшого еліптичного (найбільш круглого) циклу, який охоплює приблизно 100 000 років.

Загальна зміна глобальної річної інсоляції внаслідок циклу ексцентриситету дуже мала. Оскільки коливання ексцентриситету Землі досить малі, вони є відносно незначним фактором у річних сезонних коливаннях клімату. Тому рухаємося далі.

Нахил площини земної орбіти

Кут, під яким вісь обертання Землі нахилена під час руху навколо Сонця, називається нахилом площини земної орбіти. Через цей нахил на Землі є пори року. За останні мільйони років він коливався від 22,1 до 24,5 градусів відносно площини орбіти Землі. Чим більший кут нахилу осі Землі, тим екстремальнішими є наші пори року, оскільки кожна півкуля отримує більше сонячного випромінювання влітку, коли півкуля нахилена до Сонця, і значно менше взимку, коли вона нахилена від Сонця. Більші кути нахилу сприяють періодам дегляціації (танення та відступ льодовиків і крижаних покривів). Ці ефекти неоднорідні в усьому світі – вищі широти отримують більшу зміну загальної сонячної радіації, ніж райони, розташовані ближче до екватора.

Зараз вісь Землі нахилена на 23,4 градуси, або приблизно на півдорозі між крайніми значеннями, і цей кут дуже повільно зменшується протягом циклу, який охоплює приблизно 41 000 років. Востаннє він мав максимальний нахил близько 10 000 років тому і досягне свого мінімального нахилу приблизно через 10 000 років. Коли нахил зменшується, це поступово сприяє тому, що наші пори року стають м’якшими, що призводить до дедалі теплішої зими та прохолоднішого літа, що поступово, з часом, дозволяє снігу та льоду у високих широтах утворювати великі крижані покриви. Коли льодовий покрив збільшується, він відбиває більше енергії Сонця назад у космос, сприяючи ще більшому охолодженню. Насправді, це дуже цікаво, але нам треба рухатися далі. Але в кінці ми ще повернемося до температурних змін і дізнаємося відповідь на питання чи впливають цикли Міланковича на глобальне потепління. А ми продовжимо.

Напрямок осі обертання Землі. Прецесія

Коли Земля обертається, вона злегка хитається навколо своєї осі обертання, як трохи зміщена від центру обертова іграшка. Це коливання пов’язане з припливними силами, спричиненими гравітаційним впливом Сонця та Місяця, які змушують Землю випинатися на екваторі, впливаючи на її обертання. Тенденція в напрямку цього коливання відносно фіксованих положень зір відома як осьова прецесія. Цикл осьової прецесії охоплює приблизно 25 771,5 років.

Осьова прецесія робить сезонні контрасти більш екстремальними в одній півкулі та менш екстремальними в іншій. В даний час перигелій спостерігається взимку в Північній півкулі і влітку в Південній півкулі. Це робить літо в південній півкулі спекотнішим і пом’якшує сезонні коливання в північній півкулі. Але приблизно через 13 000 років осьова прецесія спричинить зміни цих умов, причому в Північній півкулі спостерігатиметься більш екстремальне сонячне випромінювання, а в Південній півкулі – більш помірні сезонні коливання.

Прецесія дійсно впливає на сезонний час відносно найближчих/найвіддаленіших точок знаходження Землі навколо Сонця. Однак сучасна календарна система прив’язана до пір року, тому, наприклад, зима Північної півкулі ніколи не настане в липні. Сьогодні Полярними зорям Землі є Північна поляриссима (відома як Полярна зоря або альфа малої ведмедиці) та  Південна Поляриссима (або Сигма октанта), але пару тисяч років тому цим вказівником був Кохаб -  зоря бета Малої ведмедиці, яка в період від 2000 до 500 р. до н. е. була найближчою до північного полюса світу і виконувала сучасну роль Полярної зорі.

Існує також апсидальна прецесія. Земля коливається не тільки навколо своєї осі обертання, але й весь орбітальний еліпс Землі, тобто овальний шлях, яким Земля рухається по орбіті навколо Сонця, також коливається нерегулярно, головним чином через його взаємодію з Юпітером і Сатурном. Цикл апсидальної прецесії охоплює приблизно 112 000 років. Апсидальна прецесія змінює орієнтацію орбіти Землі відносно площини екліптики. Комбінований вплив осьової та апсидальної прецесії призводить до того, що загальний цикл прецесії охоплює в середньому близько 23 000 років.

Кліматична машина часу

Невеликі зміни, викликані циклами Міланковича, діють окремо та разом, впливаючи на клімат Землі протягом дуже тривалих проміжків часу, що призводить до більших змін нашого клімату протягом десятків тисяч до сотень тисяч років.  Міланкович об’єднав ці цикли, щоб створити повну математичну модель для розрахунку відмінностей у сонячному випромінюванні на різних широтах Землі разом із відповідними температурами поверхні.

Модель схожа на кліматичну машину часу :  її можна запускати назад і вперед, щоб дослідити минулі та майбутні кліматичні умови.

Міланкович припустив, що зміни в радіації на деяких широтах і в деякі сезони є більш важливими, ніж інші, і відповідно вони по різному впливають на зростання та відступ крижаних щитів.  Крім того, він вважав, що нахил є найважливішим із трьох циклів для клімату, оскільки він впливає на кількість інсоляції в північних високоширотних регіонах Землі протягом літа (відносна роль прецесії проти нахилу все ще є науковим питанням дослідження).

Він підрахував, що льодовикові періоди відбуваються приблизно кожні 41 000 років.  Подальші дослідження підтверджують, що вони відбувалися з інтервалом у 41 000 років між одним і трьома мільйонами років тому. Але приблизно 800 000 років тому цикл льодовикових періодів подовжився до 100 000 років, що відповідає циклу ексцентриситету Землі. Хоча були запропоновані різні теорії для пояснення цього переходу, проте вчені все ще не мають однозначної відповіді.

Роботу Міланковича підтримали інші дослідники його часу, і він є автором численних публікацій щодо своєї гіпотези. Але лише через 10 років після його смерті в 1958 році світова наукова спільнота почала серйозно звертати увагу на його теорію. У 1976 році в журналі Science було проведено дослідження, де було використано керни глибоководних відкладень. В результаті науковці виявили, що цикли Міланковича відповідають періодам великих кліматичних змін за останні 450 000 років, причому льодовикові періоди відбувалися, коли Земля проходила різні стадії зміни орбіти.

Кілька інших проектів і досліджень також підтвердили достовірність роботи Міланковича, включаючи дослідження з використанням даних з кернів льоду в Гренландії та Антарктиді, які надали переконливі докази циклів Міланковича, які сягають багатьох сотень тисяч років. Крім того, його роботу підтримала Національна дослідницька рада Національної академії наук США.

Зараз тривають наукові дослідження для кращого розуміння механізмів, які викликають зміни в обертанні Землі, і того, як саме цикли Міланковича поєднуються, щоб впливати на клімат. Але теорію про те, що вони визначають час льодовиково-міжльодовикових циклів, можна вважати однозначно прийнятою. А тепер повернемося до температурних коливань, про які я вам обіцяв розповісти.

Чому цикли Міланковича не можуть пояснити поточне потепління Землі

За останні кілька місяців з’явилася низка запитань щодо того, чи НАСА пов’язує нещодавнє потепління Землі зі змінами в тому, як Земля рухається в просторі навколо Сонця: а саме з серією циклів Міланковича.

Ми тільки що з вами дізналися, що саме цикли Міланковича забезпечують міцну основу для розуміння довгострокових змін клімату Землі, включаючи початок і кінець льодовикових періодів протягом всієї історії Землі.

Але цикли Міланковича не можуть пояснити всі зміни клімату, які відбулися за останні 2,5 мільйона років або близько того. І що важливіше, вони не можуть пояснити Нинішній період швидкого потепління, який Земля пережила з доіндустріального періоду (період між 1850 і 1900 роками), і особливо з середини 20-го століття. Вчені впевнені, що нещодавнє потепління Землі в основному спричинене діяльністю людини — зокрема, прямим надходженням вуглекислого газу в атмосферу Землі від спалювання викопного палива.

Отже, логічне питання, а як ми знаємо, що цикли Міланковича не винні?

По-перше, цикли Міланковича діють у великих часових масштабах, починаючи від десятків тисяч до сотень тисяч років. Навпаки, нинішнє потепління Землі відбувалося протягом десятиліть і століть. За останні 150 років цикли Міланковича не сильно змінили кількість сонячної енергії, яку поглинає Земля. Справді, супутникові спостереження NASA показують, що за останні 40 років сонячна радіація фактично дещо зменшилася.

По-друге, цикли Міланковича є лише одним із факторів, який може сприяти зміні клімату, як минулого, так і теперішнього. Навіть для циклів льодовикового періоду зміни в масштабі льодовикових щитів і кількості атмосферного вуглекислого газу відіграли важливу роль у зміні ступеня температурних коливань протягом останніх кількох мільйонів років. Наприклад, розмір льодовикового покриву впливає на те, скільки енергії, що надходить від Сонця, відбивається назад у космос, і, у свою чергу, на температуру Землі.

Потім є вуглекислий газ. Під час минулих льодовикових циклів концентрація вуглекислого газу в нашій атмосфері коливалася приблизно від 180 частинок на мільйон до 280 частинок на мільйон внаслідок змін клімату Землі, викликаних циклом Міланковича. Ці коливання дали важливий зворотний зв’язок загальній зміні клімату Землі, яка відбулася під час цих циклів.

Однак сьогодні саме пряме надходження вуглекислого газу в атмосферу від спалювання викопного палива відповідає за зміну складу атмосфери Землі протягом останнього століття, а не зворотний зв’язок клімату з океану чи суші, викликаний циклами Міланковича.

З початку індустріальної ери концентрація вуглекислого газу в атмосфері Землі зросла на 50 відсотків, приблизно з 280 частинок на мільйон до 412 частинок на мільйон (оновленні дані за 2013 рік показали 421 частинок на мільйон).

Вчені з високим ступенем впевненості знають, що цей вуглекислий газ утворюється насамперед через діяльність людини, оскільки вуглець, що утворюється в результаті спалювання викопного палива, залишає чіткий «відбиток», який можуть вимірювати прилади. З 1850 року середня глобальна температура Землі зросла більш ніж на 1 градус Цельсія. Крім того, останні наукові оцінки показують, що очікується, що Земля нагріється ще на півградуса Цельсія невдовзі у 2030 році.

Це відносно швидке потепління нашого клімату внаслідок діяльності людини відбувається на додаток до дуже повільних змін клімату, викликаних циклами Міланковича. Кліматичні моделі вказують на те, що будь-який вплив на клімат Землі через цикли Міланковича припиняється, коли діяльність людини призводить до того, що концентрація вуглекислого газу в атмосфері Землі перевищує приблизно 350 частин на мільйон.

Вченим відомо про відсутність природних змін у рівновазі між кількістю сонячної радіації, яку поглинає Земля, та кількістю енергії, випромінюваної назад у космос, які могли б пояснити такий швидкий період глобального потепління. Кількість сонячної радіації, що надходить, лише незначно зросла за останнє століття і тому не є рушійною силою поточного потепління клімату на Землі.

Починаючи з 1750 року, потепління, спричинене парниковими газами, що виникають у результаті спалювання викопного палива людиною, більш ніж у 50 разів перевищує невелике додаткове потепління, що надходить від самого Сонця за той самий проміжок часу. Якби нинішнє нагрівання Землі відбувалося через Сонце, вчені кажуть, що ми повинні очікувати підвищення температури як у нижніх шарах атмосфери (тропосфері), так і в наступному шарі атмосфери, стратосфері. Натомість спостереження з повітряних куль і супутників показують, що поверхня Землі та нижня атмосфера нагрілися, але стратосфера охолола.

Нарешті, зараз Земля перебуває в міжльодовиковому періоді (період м’якшого клімату між льодовиковими періодами).  Якби на клімат не було впливу людини, вчені кажуть, що поточні орбітальні позиції Землі в рамках циклів Міланковича передбачають, що наша планета повинна охолоджуватися, а не нагріватися, продовжуючи довгострокову тенденцію до охолодження, яка почалася 6000 років тому.

Ви ж напевне звикли вже, що я завжди оптимістично закінчую свої розповіді, але… У тому, що я розповів у останній частині відео немає нічого крутого. Хоча, можливо, людство все ж таки виправиться?