5.3 Ритмы Земли и Солнца

5.3.1 Орбитальное вращение Земли. Сезонные изменения. Климат

Любое природное явление, происходящее на Земле, прямо или косвенно имеет своим первоисточником Солнце. Лунные приливы, падения метеоритов, ничтожный приток тепла из недр Земли да сейсмические явления- вот, пожалуй, и все, что совершается на Земле без участия Солнца. Его энергия- причина почти всех процессов, происходящих на Земле (в том числе существования жизни). Она приходит от Солнца главным образом в виде электромагнитного излучения (свет Солнца). Эту энергию можно измерить с помощью светочувствительных приборов и других приемников излучения. Среднее количество энергии, приходящей от Солнца во всех диапазонах электромагнитных волн за 1 сек. на площадку площадью 1 кв.м (сориентированную на Солнце), называется солнечной постоянной. Усредненная за большой промежуток времени, эта величина составляет S_o=1370 Дж/с·м². Зная, сколько энергии падает в секунду на площадку 1 м², можно оценить ту долю солнечной энергии, которую перехватывает вся Земля. Это огромная энергия- 1,8·10¹⁷ Дж/с, но в то же время она составляет ничтожную долю от полной энергии, испускаемой Солнцем в пространство: всего одну двухмиллиардную ее часть. Именно эта доля солнечной энергии создает все многообразие процессов в живой и неживой природе, которые составляют предмет изучения большинства наук о природе и человечестве.

Одним из главных глобальных ритмов Земли, определяющих огромную совокупность явлений ее внешних оболочек (в том числе, разумеется, биосферы), является годичный ритм.

Смена времен года есть следствие двух вращений планеты- вокруг собственной оси и по орбите вокруг Солнца- и, что очень важно, их взаимной ориентации (наклона оси вращения к плоскости орбиты). Смены времен года не происходит на Юпитере- ось вращения Юпитера почти перпендикулярна плоскости его орбиты. Напротив, в утрированном виде происходит смена времен года на Уране, который вращается "лежа на боку " (см.5.2): зима при таком вращении усугубляется полярной ночью на всем полушарии, а лето совпадает с полярным днем.

Рис. иллюстрирует смену времен года на нашей планете. (Так же происходит смена времен года на Марсе, потому что наклон осей вращения к плоскостям орбит у Земли и Марса почти одинаковый.) На Справа на рисунке изображена ситуация, когда в северном полушарии Земли зима. Б\'ольшая часть северного полушария находится в тени, ночь здесь длится дольше, чем день, а область с географической широтой 66^o33' остается в тени, как бы Земля ни поворачивалась вокруг своей оси (полярная ночь). В этот период Земля приближается к перигелию орбиты, то есть к точке, где она ближе к Солнцу. В южном полушарии- лето. Б\'ольшая его часть освещена солнечными лучами, а в областях с южной географической широтой  66^o 33' царит полярный день.

Слева на рисунке ситуация, которая возникает через полгода, когда в северном полушарии лето, а в южном- зима. Земля при этом находится в противоположной точке орбиты- в афелии.

Рис.37: Времена года

Земля вместе с Луной, вместе с тысячами искусственных спутников, вместе с миллиардами своих обитателей вращается вокруг Солнца по орбите со средней скоростью 30 км/с. В соответствии с законом всемирного тяготения центр тяжести системы Земля- Луна описывает вокруг Солнца эллипс. Солнце находится в одном из фокусов этого эллипса.

Характеристики земной орбиты хорошо известны. Период обращения вокруг Солнца - 1 год. Большая полуось эллипса (то есть половина большой оси) земной орбиты равняется примерно 150 млнкм. Эксцентриситет земной орбиты- параметр, характеризующий степень ее вытянутости- составляет 0,0167 или 1,67% . Это означает, что когда мы с Землей находимся в перигелии (в точке орбиты, ближайшей к Солнцу), мы на 2 x 1,67% = 3,34% ближе к Солнцу, чем тогда, когда Земля проходит афелий; 3,34% от 150 млнкм- это 5 млнкм. Под влиянием возмущающего действия планет эксцентриситет земной орбиты медленно меняется. Эти изменения не вполне периодические, с характерным временем 100 тыс. лет (см. ниже рис.).

Перигелий своей орбиты Земля проходит 3 января (когда в северном полушарии зима, а в южном - лето), а афелий через полгода- 3 июля. В перигелии (когда у нас зима) Земля получает от Солнца на 7% больше энергии, чем в афелии (когда зима в южном полушарии). Эти 7% несколько смягчают зиму северного полушария.

Почему же происходят сезонные изменения температуры, проще говоря, почему летом жарко, а зимой холодно? И как это связано с наклоном земной оси? Ответ очевиден: в течение года изменяется количество энергии, получаемой от Солнца на данной географической широте. Снова рассмотрим площадку 1м² на поверхности Земли. Если она расположена перпендикулярно солнечным лучам, то она получает от Солнца 1370 Дж энергии в сек. Иными словами, освещенность такой площадки равна E_o - солнечной постоянной. Освещенность произвольно ориентированной площадки E=E_o cos, где - угол между направлением на Солнце и нормалью, перпендикуляром к площадке. Как изменяется в течение года освещенность данного места на Земле? Рассмотрим моменты, разделенные интервалом полгода: день летнего солнцестояния и день зимнего солнцестояния (рис.). Сравним освещенность пункта с географической широтой  в полдень 22 июня (слева на рисунке) и в полдень 22 декабря (справа на рисунке). Направление солнечных лучей показано стрелочками (сравните с рис.37). Показана ось вращения Земли, перпендикулярная ей плоскость экватора и круг широты . Обозначен угол - угол наклона плоскости экватора к плоскости эклиптики: =90^o - 66^o33' = 23^o 27'.

Рис.38: К определению полуденной освещенности в дни солнцестояний на широте 

Найдем угол . На летней схеме (слева)

откуда

Рассматривая зимнюю схему (справа), сразу получаем

Сравним полуденную освещенность единичной площадки на поверхности Земли летом E_лет и зимой E_зим. Для примера возьмем широту Санкт-Петербурга (=60^o ). Отношение освещенностей

Это означает, что в летний полдень на широте 60^ количество солнечной энергии, падающей на единичную площадку за1 секунду, в семь раз (!) больше, чем зимой. Аналогичное отношение для широты Екатеринбурга (=56^o 50') равняется пяти, а для Москвы (=55^o 50')- примерно 4.5.

Можно рассчитать количество солнечной энергии, падающей на данной широте на единичную площадку за целые сутки- суточную световую энергию. Изменение этой величины день ото дня в течение года определяет изменение средней суточной температуры в данной местности.

Теперь понятно, почему климат данной местности зависит от наклона солнечных лучей. Кстати, понятие о климате было введено еще в Древней Греции, а само это слово означает "наклон ". Действительно, главную составляющую в климат каждой местности вносят условия согревания земной поверхности солнечными лучами, условия освещенности.

Сегодня под словом "климат " подразумевается понятие более широкое, чем вкладывалось в это слово древними греками. Климат Земли- это вся совокупность усредненных по времени погодных данных- температуры, давления, влажности, направления ветров и течений- во всех точках планеты для каждого дня года. По какому временн\'ому интервалу следует усреднять погоду, чтобы получить характеристику климата? Обычно в качестве такого срока выбирается декада, треть месяца. Рассмотрим, к примеру, среднюю температуру за одну декаду, скажем, с 1 по 10 мая. Если взять средние декадные температуры с 1 по 10 мая за разные годы, то они не совпадут точно, их расхождение может достигать десятка градусов. Если же взять их среднее значение за 10 лет, то такое же среднее за другое десятилетие будет отличаться от первого всего на несколько градусов. Эти отличия говорят об изменениях погоды.

Для того чтобы судить об изменениях климата (а не погоды), требуется усреднять за еще больший промежуток времени, например за 100 лет. Замечено, что и в этом случае существует различие средних декадных температур: оно небольшое (доли градуса), но зато регулярное. Средние столетние температуры имеют почти одинаковый ход по всей Земле. Например, в XVI- XVII веках было на несколько градусов холоднее, чем сейчас, а в XI- XII веках немного теплее, причем на всей планете целиком.

Если рассматривать историю Земли на временной шкале в десятки и сотни миллионов лет, то можно убедиться, что в далеком прошлом глобальный климат был в среднем на 8 - 15 ^oC теплее, чем сейчас. Большую часть времени полярные районы были свободны ото льда. Эти сравнительно теплые условия время от времени прерывались суровыми эпохами оледенений. Существуют геологические свидетельства того, что одна такая эпоха оледенения была 700 млн лет тому назад, а другая- примерно 300 млн лет назад. Последнее подобное оледенение началось в геологическую эпоху плейстоцена- около 2 млн лет назад- и продолжается до сих пор.

С тех пор длительные холодные периоды сменялись кратковременными периодами потепления. Изучение ледников и остающихся после них отложений позволило обнаружить несколько десятков ледниковых периодов. Они повторяются нерегулярно, промежутки между ними колеблются от 40 тыс. до нескольких сот тысяч лет. Последний ледниковый период был всего 20 тыс. лет тому назад.

Какие причины могут вызывать колебания средней температуры на Земле на такой временной шкале- десятки и сотни тысяч лет? Именно в этом временном интервале происходят изменения характеристик вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Действительно, период прецессии составляет 25800 лет, угол наклона экватора к плоскости орбиты (эклиптике) колеблется с периодом 41 тыс. лет (рис.), эксцентриситет земной орбиты также изменяется с характерным периодом около 100 тыс. лет (рис.). Астрономическую теорию колебаний климата разработал в 20-е гг. XX в. югославский ученый М.Миланкович. Эта теория дала возможность вычислить времена ледниковых периодов прошлого, которые практически совпали с ледниковыми периодами, известными по геологическим данным. В теории Миланковича доказывается, что совокупное изменение названных характеристик осевого и орбитального вращения Земли может привести к длительному изменению средней освещенности земной поверхности, которое, накапливаясь в течение столетий, дает устойчивое глобальное изменение климата, вплоть до наступления ледникового периода.

Рис.39: Изменение угла наклона земной оси на ближайшие 400 тыс. лет (теоретический расчет)

Рис.40: Изменение эксцентриситета земной орбиты в ближайший миллион лет (теоретический расчет)

Примерно тысячу лет тому назад климат в северном полушарии Земли был сравнительно теплым и сухим. В Англии выращивали виноград и изготавливали вино, что свидетельствует о том, что летом было сухо и тепло, а весной не было заморозков. Примерно в этот период викинги колонизировали Исландию и Гренландию. В центре евразийского континента отмечается период вековой засухи, поразившей всю Великую степь ¹⁸. Приблизительно с XV по XIX вв. отмечается период общего похолодания, называемый малым ледниковым периодом. С конца XIX в. средняя температура в северном полушарии начала расти и в период от 1900 до 1940 гг. увеличилась на 0.5^C. После непродолжительной фазы стабилизации (1940 - 1965 гг.) средняя температура снова начала расти. Этот рост продолжается и в настоящее время.