Історія клімату

Клімат – це безліч станів, які проходить система океан – суша – атмосфера за періоди часу в кілька десятиліть. При цьому важливо знати, як часто зустрічається в цій безлічі кожне з можливих станів, – тоді можна знаходити середнє значення по всій множині для будь кількісної характеристики цих станів.

Миттєве стан системи океан – суша – атмосфера називають погодою. Вона характеризується деяким набором глобальних полів, тобто розподілів по земній кулі ряду характеристик морської води, атмосферного повітря, поверхні Землі і верхнього шару грунту. Для води і повітря потрібно брати температуру, тиск, концентрації термодинамічно активних домішок (для морської води – сіль, для повітря – пароподібна волога, рідка вода і лід в хмарах і туманах, вуглекислий газ, пил різної природи) і векторні швидкості руху. На поверхні Землі потрібно знати потоки тепла і ТАН (насамперед – випаровування і опади), наявність сніжного і льодового покриву (і їх товщину), для суші, крім того, – характер рослинності, вологість грунту, стік вологи.

Періоди часу в кілька десятиліть, зазначені у визначенні клімату, вибрані так, щоб визначаються але цим періодам характеристики клімату були найбільш стійкими, тобто найменше змінювалися б при переході від одного такого періоду до іншого. Дійсно, фактичні дані (наприклад, про температуру повітря) показують, що при менших періодах осреднения (скажімо, за рік або за декілька років) середні значення виявляються більш мінливими (це – так звана між річна, а також і більш коротко – периодная мінливість погоди). Більш інтенсивної виявляється і значно більш длінноперіодних мінливість клімату, скажімо, з періодами в тисячі років.

Клімат формується під дією ряду факторів, які можна розбити на три групи.

1. Зовнішні, чи астрономічні, чинники – світність Сонця, положення і рух планети і Сонячній системі, нахил її вісп обертання до площини орбіти і швидкість обертання, що визначають дії на планету з боку інших тіл Сонячної системи, – її інсоляцію (опромінення сонячною радіацією) і гравітаційні впливу зовнішніх тіл, що створюють припливи і коливання характеристик орбітального руху і власного обертання планети (а тому і коливання в розподілі інсоляції по зовнішній межі атмосфери).

2. Геофізичні і географічні чинники – ряд особливостей планети, з яких для клімату Землі найбільш важливими є властивості нижньої межі атмосфери – підстильної поверхні – і насамперед ті властивості, які визначають її динамічну і теплове взаємодія з атмосферою і обмін з нею термодинамічно активними домішками. З цих властивостей, мабуть, па першому місці має бути назване географічний розподіл континентів і океанів.

3. Атмосферні фактори – маса і склад атмосфери (включаючи і основні її складові частини, і специфічні ТЛП).

Ми ще не знаємо, чи визначається клімат усіма цими факторами однозначно, або ж при одних і тих же фіксованих значеннях всіх климатообразующих факторів можуть виходити різні клімати. Друге з цих припущень виникає у зв’язку з тим, що за останні 0,6 – 1 млн років якихось різких змін климатообразующих факторів як ніби не відбувалося, однак мали місце різкі коливання клімату – чергування льодовикових і Інтергляціал періодів тривалістю в десятки тисяч років. Їх ми детально проаналізуємо нижче, тут же розглянемо зміни климатообразующих факторів, що відбувалися протягом історії Землі, і породжувані ними еволюцію клімату.

Здається найлегше приписувати зміни клімату і навіть погоди змінам сонячної радіації. Дійсно, різниця в температурах повітря біля поверхні Землі між днем і вночі, екватор і полюсами, влітку і взимку створюється різницею в кількості прийдешньої сонячної радіації: чим більше ця кількість, тим вище температура; так чи не можна допустити за аналогією, що в періоди з теплим кліматом приходить на Землю сонячна радіація була підвищеною, а під час льодовикових періодів вона знижувалася (цю гіпотезу запропонував ірландський астроном Е. Енік). Однак таке просте міркування може виявитися невірним, якщо невеликі підвищення сонячної радіації будуть приводити на Землі до збільшення випаровування, зростанню хмарності, посилення зимових снігопадів, сніготанення через підвищену хмарності і, як наслідок, до зростання льодовиків і зниження температури (Г. Сімпсон), Втім, більшість фахівців з еволюції зірок на противагу Е. Епіку вважає, що Сонце та інші зірки такого ж типу (” жовті карлики ” спектрального класу G – 2) мають вельми стабільне випромінювання, мало мінливий протягом часу порядку 10 млрд. років (часу їх перебування па так званої головної послідовності зір на діаграмі світність – колір). Відзначимо, що не спостерігається і короткоперіодних коливань сумарної світності Сонця – що йде від нього потік енергії, на середній відстані Землі від Сонця становить 1,952 кал на 1 см2 в хвилину, мабуть, не відчуває скільки – валютних зміні в часі (і тому ця величина іменується сонячної постійної).

По викладеним причин надалі будуть розглядатися лише фактори, не пов’язані з якими-небудь змінами в світності Сонця. Видається, що з таких найбільш повільні зміни клімату могли створюватися геохімічної еволюцією гідросфери і атмосфери, а також приливної еволюцією системи Земля – Місяць.

Маса водяної пари має позитивну зворотний зв’язок з парниковим ефектом, так як насичує концентрату водяної пари зростає з підвищенням температури: ” ем більше в атмосфері водяної пари, тим сильніше парниковий ефект, вище температура і тому більше допустиме, тобто насичує, вміст водяної пара. Скільки-небудь відмінкових розрахунків змін протягом історії Землі мас водяної пари і вуглекислого газу В атмосфері поки немає, так що можливість відповідних змін клімату (насамперед температури повітря) ще не виключена. Однак палеонтологічні дані, переконливо демонструють безперервність розвитку життя, свідчать про те, що ніяких кліматичних катастроф на Землі не відбувалося.

Перейдемо тепер до можливих кліматичних наслідків приливної еволюції системи Земля – Місяць. Цю систему можна розглядати як складний дзига, що складається з двох тіл, що обертаються навколо своїх осей і навколо загального центру ваги (всі ці обертання мають однаковий напрямок: якщо дивитися з боку Полярної зірки, то проти годинникової стрілки). Щоб спростити опис цієї системи, пренебрежем впливом на неї з боку інших небесних тіл. Тоді сумарний момент кількості руху всіх зазначених обертань не змінюватиметься з часом. З високою точністю можна вважати, що векторна сума моментів кількості руху власного обертання Землі та орбітального руху Місяця постійна.

Якби в тілі Землі не було ніякого тертя, то приливні горби, що утворюються на поверхні Землі з-зa тяжіння Місяця, були б спрямовані точно по лінії, що з’єднує центри цих тел. Але через тертя вони захоплюються обертанням Землі, багато більш швидким, ніж кутовий рух Місяця по орбіті, так що їх вісь утворює з лінією центрів Земля – Місяць деякий кут запізнювання б (і в кожній точці Землі максимальний приплив настає пізніше моменту найбільшої висоти Місяця на небі). Близький до Місяця приливний горб притягається нею сильніше, ніж дальній, і це створює на Землі момент сил, прагнучий повернути планету протилежно її власним обертанню. Обертання Землі сповільнюватися, так що її власний момент кількості руху буде зменшуватися. Відповідно момент кількості руху Місяця збільшаться. Але з третього закону Кеплера випливає, що момент кількості руху планети на орбіті пропорційний квадратному кореню з середнього радіуса орбіти (або кубічному кореню з періоду обігу планети). Отже, Місяць Дода відходити від Землі (і її кутовий рух на орбіті сповільниться).

Розрахунки показали, що через приливної тертя обертання Землі сповільнюється так, що тривалість доби збільшується на 0,0017 з за століття. Через це крихітного приросту за тисячоліття набігає вже досить помітна різниця. Так, середня за останні 2000 років тривалість доби була на 0,017 с менше сучасних, отже, набігла різниця в 3,5 години. Значить, якщо ми розрахуємо час якого-небудь сонячного затемнення, що відбувалося 2000 років тому, користуючись сьогоднішньої тривалістю доби, то помилимося проти істинного часу затемнення на 3,5 години. За цей час Земля повертається на 52, ° 5 по довготі – настільки великий буде наша помилка в визначення місця спостереження даного затемнення. Цей розрахунок показує, що одного лише свідчення стародавнього історика про спостереження сонячного затемнення в такому-то році в тому чи іншому пункті, скажімо в Стародавній Греції або в Вавилоні, може бути достатньо для досить точної оцінки приливної уповільнення обертання Землі. Отримувані таким способом оцінки виявляються дуже близькими до наведеної вище цифрі 0,0017 з за століття.

Дж. Уеллс (1963) знайшов ще один спосіб емпіричної оцінки приливної уповільнення обертання Землі – по виявленим їм на розрізах деяких викопних коралів мікроскопічним річним в добовим кільцям зростання, що дозволяє підраховувати кількість днів у році у відповідну геологічну епоху. Згідно астрономічним теоріям стійкості планетних рухів довжину року можна вважати практично незмінною. Тому, наприклад, отримана по коралів середнього девону, вік яких близько 380 млн. років, цифра 400 днів у році означає, що тривалість доби в ту епоху становила 21,7 години. Ці оцінки дуже непогано узгоджуються з наведеними вище.

Винятково велике значення для клімату має нахил е екватора планети до площини її орбіти до Сонячної системи. На Землі в минулому нахил е був менше сучасного, так що сезонні зміни погоди виявлялися слабкіше, а різниця між екватором і полюсами більше (па полюси потрапляло менше сонячного тепла), широтна зональність виражена різкіше, загальна циркуляція атмосфери була більш зональної та інтенсивної. Ці умови були сприятливими для розвитку оледенении в полярних районах, особливо за наявності в них континентів, і цим, очевидно, можна намагатися пояснювати виявляються геологами сліди безлічі докембрійскнх оледенений.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5.00 out of 5)

Історія клімату