1. Астрономические факторы (положение Земли в космическом пространстве).

Относительное перемещение оси вращения в теле Земли, вызывает миграцию полюсов и экватора и, соответственно, миграцию климатических зон на земной поверхности.

Идея миграции географических полюсов не нова, она высказывалась еще Кеппеном, Вегенером и др. Важно отметить, что в настоящее время миграцию полюсов обосновывают не только чисто палеоклиматическими данными, но и палеомагнитными исследованиями.

Для многих отрезков геологической истории палеоклиматические и палеомагнитные материалы однозначно указывают местоположение полюсов и экватора. Это одно из самых убедительных доказательств правильности выводов палеоклиматологии (Монин А.С. с соавт., 1979; Будыко М.И., 1992; Павлов А.В., 1997; Анисимов О.А. с соавт., 1998 и др.).

Причина климатической изменчивости кроется в воздействии на планету гравитационных и электромагнитных волн Солнца и Галактики, а также в тектонических движениях земной коры, изменении колебаний земной оси, эксцентриситета земной орбиты, наклона эклиптики и периодов прецессии.

2. Геолого-географические факторы, вызывают общеземные или крупные региональные изменения климата, которые сопровождаются сдвигом климатических зон (изменения в распределении моря и суши, циркуляции и составе атмосферы и гидросферы, крупных форм рельефа, наклона земной оси, эксцентриситета земной орбиты, скорости вращения Земли и т.д.). Однако не все климатические зоны подвержены смещению в равной степени. Наиболее постоянно положение зоны тропического климата, поэтому и в современную эпоху области экваториальных лесов и саванн не выходят за пределы тропиков, несмотря на все разнообразие рельефа Земли и распределение морских течений.

Наименее постоянны границы климатических зон умеренно-влажного и особенно аридно-пустынного типа. Смещение границ этих зон может достигать, судя по современному их положению, 1000-1500 км, но не превосходит их средней ширины.

Возможно, в прошлом, в эпохи талассократические (влажные) с господством малоконтрастного рельефа, амплитуда смещения зон пустынного климата была больше, вплоть до почти полного их исчезновения. Но вряд ли было такое положение, что исчезали климаты умеренно-влажные и субтропические (влажные или сезонно-засушливые), так как их существование тоже определяется относительно постоянными астрономическими факторами (формой Земли, ее движением вокруг Солнца и вращением вокруг оси при наличии определенного угла наклона земной оси к плоскости эклиптики).

8.2. Палеоклиматическая реконструкция климата Земли

Под палеоклиматической реконструкцией приземных слоев атмосферы понимается восстановление климата в целом или отдельных ее элементов (солнечной радиации, температуры воздуха, влажности воздуха, осадков и характеристики ветров) в приземных слоях атмосферы за прошедшие геологические эпохи.

Работы в этом направлении проводятся учеными с 18 века. Гениальный русский ученый М.В. Ломоносов (1711-1765) один из основоположников палеонтологии и современного естествознания в работе «О слоях земных» изложил воззрение о вековых колебаниях суши, землетрясений, тектонических движений земной коры и изменений климата. Он писал, что в слоях земных сохранились следы жизни животного и растительного происхождения, соответствующие климатам прошлых геологических эпох.

Инструментальные наблюдения за погодой на планете начаты с 16 века, когда были изобретены термометр и барометр. С 17 века метеорологические наблюдения приобретают научный характер. В 19 веке английские исследователи Мич, Виннер (1877), Харгривс (1896) сделали первые попытки «пролить свет на геологические исследования, связанные с изучением температуры на земном шаре в очень удаленные эпохи» и получили формулы, связывающие радиацию на любой широте и ее вековые колебания с изменениями эксцентриситета, долготы перигелия и наклона эклиптики.

В 1920 г. Миланкович разработал упрощенную математическую теорию климата планеты, которая привела его к концепции солярного климата, т.е. климата, зависящего исключительно от количества солнечной радиации, достигающей того или иного пункта в зависимости от его географической широты.

Для решения этой задачи Миланкович использовал определенные допущения:

1. За период времени продолжительностью 100000 лет физическое состояние Солнца не менялось.

Рис. 8.2. Реконструкция мировых климатических зон четвертичного периода, основанная на шкале времени Эмилиани—Миланковича;

I – Гренландия, Северная Европа, II – Канада, Южная Европа, США, III – Египет, Мексика, Судан. Конго, IV – Бразилия, Родезия, Центральная Австралия, V — Южная Африка, Аргентина, Патагония, VI — Антарктика;

A – кривая солнечной радиации по Миланковичу для 65° с.ш.; Т – тепло, Х – холод, В – влажно.

2. За последние 650 000 лет интенсивность солнечной радиации зависит в основном от изменения трех элементов земной орбиты: долготы перигелия, эксцентриситета и наклона эклиптики.

3. Никакие течения в атмосфере или в океане не учитываются – принимается некоторое среднее распределение суши.

4.Атмосфера рассматривается как идеальный газ. Средняя облачность и состав атмосферы рассчитываются как функции подстилающей поверхности.

5. Принимается, что ослабление света в атмосфере происходит в соответствии с законом Бугера-Ламберта, а для инфракрасного излучения атмосферы — по закону Кирхгофа—Стефана.

С учетом этих допущений М. Миланковичу удалось получить формулу, учитывающую эффект главных физических факторов. Если  – абсолютная температура, W – радиация на данной широте, А – альбедо (с учетом отражения в атмосфере), М – масса столба воздуха,  – коэффициент поглощения для длинных волн и  — постоянная Стефана, то основное соотношение, даваемое Миланковичем, имеет вид:

где  (Т) – температура самого нижнего слоя атмосферы.

В этом приближении «распределение солнечной температуры» дается для устойчивого состояния радиационных условий (инсоляции).

Кривую солнечной радиации М.Миланкович (1924) строил для широт 55-65 с.ш. из расчета средней температуры воздуха 15,2С и синхронности изменений климата в северном и южном полушариях (рис. 8.2) с шагом 5 тыс. лет на временном отрезке 350 тыс. лет. Для случая, когда решался вопрос о восстановлении палеотемператур для временного отрезка времени – 650 тыс. лет температуры определялись через каждые 10 тыс. лет.

В 1965 г. нами (Сверлова, 1972) была предпринята попытка составления модели изменения климата Земли, состоящей из эндогенных и экзогенных факторов. Под эндогенными факторами понимается влияние эволюционных процессов Земли связанных с постепенным охлаждением планеты. Под экзогенными процессами понимается влияние ритмов, циклов Галактики солнечной активности и положения планеты в космическом пространстве (экцентриситета земной орбиты, наклона эклиптики, периодов прецессии). Экзогенные и эндогенные факторы формировали климат одновременно. Эти закономерности нами учитывались при разработке модели изменения климата Земли за период от 3,5 млрд. до настоящего времени.