ГЛАВА 2.5. ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ИНЕРЦИОННОСТЬ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ. АВТОКОЛЕБАНИЯ.

Проблема, представленная в этой главе, так или иначе, возникала в предыдущих главах, где в большей степени рассматривались внешние воздействия на ландшафтную оболочку и возникающие в ней как следствие ритмические колебания. Еще во введении были представлены понятия о ритмах среды и космических (т.е. обусловленных внешними воздействиями) ритмах. Данный курс посвящен именно изучению космических ритмов, однако не стоит забывать, что ландшафтная оболочка (и ее составные части) не только пассивно воспринимает влияния извне, но и благодаря механизмам прямых и обратных связей способна усиливать или, напротив, сводить на нет следствия этих возмущений, активно им противодействовать или, напротив, пластично реагировать, перестраиваясь согласно изменившимся внешним условиям. Слагающие ландшафтную оболочку компоненты и объекты, тем не менее, существенно различаются по размерам, вещественному составу, а следовательно, физическим и химическим свойствам. Соответственно, реагировать на внешние влияния они будут по-разному.

Колебания ледников особенно хорошо иллюстрируют сказанное выше. Известно, что периоды стабилизации , наступания или отступания ледников часто не совпадают по времени с текущими климатическими изменениями. Часть ледников даже наступает в периоды потеплений и отступает в периоду похолоданий. В.М. Котляков отмечал, что синхронность оледенения прослеживается лишь в геологическом масштабе времени и нет достаточных оснований для синхронизации кратковременных колебаний ледников разных горных стран с современными изменениями климата [1]. В действительности реакция ледника на климатические изменения подразделяется на две составляющие: синхронную, по продолжительности и интенсивности совпадающую с масштабами климатического события (к примеру, изменение температуры воздуха сразу же приводит к соответствующему измнению абляции), и эпихронную [2] реализующуюся в в период, пока образовавшийся во время события лед остается составной частью ледника (т.е. время достижения этим льдом фронта ледника). Таким образом, как современные климатические колебания так и климатические события прошлого могут оказывать одновременное воздействие на изменения оледенения. Так В.Н. Голубев [2] пришел к выводу, что сейчас динамика горного оледенения определяется суперпозицией современного потепления и эпихронного воздействия климатических событий малого ледникового периода.

Фронты наиболее крупных и медленно движущихся ледников с временем релаксации порядка 500 лет находятся под эпихронным воздействием потепления XVI века и отступают. Вообще, подобные ледники, в силу своих размеров отражают климатические события продолжительностью не менее нескольких десятков лет. Фронты средних ледников с временем релаксации порядка 300-400 лет находятся под воздействием похолодания XVII в. и наступают или находятся в стационарном состоянии. Небольшие ледники с временем релаксации 150-200 лет наступали в XIX веке при суперпозиции похолоданий XVII и XIX вв., однако в настоящее время они отступают из-за суперпозиции событий одного знака: современного потепления и потепления XVIII века. Ледники со временем релаксации порядка 100 лет наступают или находятся в стационарном состоянии, но в последующем должны отступать, при сохранении современных тенденций изменения климата.

Покровные ледники, будучи еще более масштабными образованиями, должны отражать и более продолжительные климатические колебания и, соответственно, их изменения должны также сильнее запаздывать относительно времени изменения климата. Например, крупные ледниковые покровы толщиной около 2 км имеют характерное время реакции на изменения условий 6-7 тыс. лет (3,4,5).

Еще сложнее реакция на внешние возмущения системы ледники-океан-атмосфера, управляющей климатом Земли. Эта сложность определяется не только инерционностью звеньев этой системы, но и наличием между последними многочисленных прямых и обратных связей. Построение в конце 70-х гг. XX века модели планетарной системы ледники-океан-атмосфера (В.Я. Сергин, С.Я. Сергин [6]) и исследование ее динамики на ЭВМ показали, что для нее характерны автоколебательные режимы.

Автоколебания- это колебания, которые могут возбуждаться и существовать в колебательной системе при отсутствии периодических внешних колебаний за счет наличия в системе активного элемента, восполняющего неизбежные в реальной колебательной системе потери энергии.В системе ледники-океан-атмосфера (ЛОА) автоколебания возникают вследствие переноса массы и энергии между двумя крупными инерционными звеньями: океаном и материковыми льдами. Эти звенья объединены системой взаимных и обратных связей, существующих вследствие процессов тепло- и влагообмена в атмосфере. Внешние возмущения модулируют собственные колебания, возникающие в системе. Такие колебания возникают в холодные периоды истории Земли (подобные плейстоцену), когда существуют материковые ледниковые щиты, являющиеся необходимым для автоколебаний звеном системы. Это, во многом , объясняет наличие резких периодических колебаний климата, отсутствовавших в предшествовавшие теплые эпохи.

Конечно, существование континентальных ледниковых покровов в кайнозое не исчерпывается плейстоценом, ледниковый покров Антарктиды существует, по крайней мере, с середины миоцена. Тогда вполне уместен вопрос: почему автоколебательный режим реализовывался лишь в последний миллион лет? Анализ упомянутой выше модели показывает, что автоколебания могут возникать в северном полушарии, тогда как динамические свойства системы ледники-океан-атмосфера южного полушария исчерпываются апериодическими режимами. Автоколебания в северном полушарии обусловлены тем, что океан и континентальные льды (два больших инерционных звена) взаимодействуют по схеме нелинейной обратной связи: повышение температуры океана вызывает усиление испарения и притока осадков к ледникам, что ведет к увеличению их размеров и понижению температуры океанов. В южном полушарии из-за ограниченного размера Антарктиды никакой рост осадков не может вызвать значительного увеличения размеров ледникового щита (его увеличение возможно примерно на 10%, что несопоставимо с увеличением на несколько сотен процентов площади оледенения в северном полушарии. Поэтому, как отмечают В.Я. Сергин и С.Я.Сергин, в южном полушарии континентальные льды не вызывают существенных изменений альбедо, градиентов температуры и влагооборота, почти отсутствует здесь и обратное влияние континентальных льдов на энергетику системы. В результате оказывается, что океан и континентальные льды соединены последовательно, без обратной связи, т.е. здесь имеет место апериодический режим.Колебания здесь носят индуцированный характер, т.е. происходят за счет переноса массы и энергии через экватор.

Итак, северное полушарие является дирижером климатических колебаний плейстоцена. Какова же географическая картина автоколебаний, установленная В.Я.Сергиным и С.Я. Сергиным на основе сопоставления модели автоколебаний с палеогеографическими данными? За условную точку отсчета были приняты межледниковые условия. Повышение температуры Мирового океана сопровождается усилением циклонической деятельности и увеличением количества осадков на севере Сибири и Канады приблизительно в 2 раза, относительно современного. При этом годовая амплитуда температуры уменьшается примерно на 10°за счет потепления в зимние месяцы и похолодания в летние. Формируется мощный снежный покров и ледники, что приводит к увеличению температурных градиентов и усилению циклонической деятельности в высоких и средних широтах северного полушария. Этот процесс тем интенсивней, чем больший запас тепла приобрел океан в межледниковую эпоху, он ведет к дальнейшему росту ледников в Арктике и экспансии снежного покрова. По мере понижения температуры растет доля твердых осадков областях с умеренно холодным климатом (на Лабрадоре, в Скандинавии и др.). Здесь возникают оледенения. Понижение температуры идет не только за счет высокого альбедо поверхности снежного покрова и ледников, но и за счет усиления испарения с земной поверхности и турбулентного теплообмена между земной поверхностью и атмосферой, увеличения облачности, увеличение облачности, увеличения площади суши (обусловленного гляциоэвстатическим эффектом), ослабления парникового эффекта все менее влажного (из-за понижения температуры) воздуха.

Из-за большой теплоемкости океана и развития на материках ледников охлаждение идет в основном на суше, где появляются ледниковые покровы (Лаврентийский, Скандинавский и др.) Возрастает площадь морских льдов, увеличивается разность температур экватор-полюс и усиление атмосферной циркуляции, что поддерживает интенсивный влагооборот. Максимальное материковое оледенение приурочено к условиям уменьшающегося (но все еще высокого) количества осадков и низкой (но еще не минимальной) температуры земной поверхности.

При расширении полярных шапок все звенья атмосферной циркуляции сдвигаются к экватору: расширяется зона действия полярного антициклона, захватывая умеренные широты, западный перенос увлажняет субтропики, субтропические антициклоны отодвигаются к экватору, что приводит к аридизации низких широт.

Постепенное понижение температуры океанских вод приводит к уменьшению испарения и ухудшение питания ледниковых покровов атмосферными осадками. Начинается отступление ледниковых покровов, в первую очередь во внутренних областях материков. В это время температура земной поверхности приближается к минимуму, но, тем не менее, прогрессирующая аридизация способствует сокращению ледников.

Уменьшение площади материкового оледенения сопровождается уменьшением температурных градиентов и ослаблением атмосферной циркуляции. Низкие температуры океанических вод также способствуют общей аридизации климата Земли. В этот период увеличиваются площади и мощность криолитозоны, усиливаются эоловые процессы и формируются толщи лёссов и песков. Иссушение климата приводит к дальнейшему отступлению ледников. Уменьшение площади оледенения и материков (из-за эвстатического повышения уровня океана) уменьшения испарения, турбулентного теплообмена и облачности обуславливают повышение температуры земной поверхности. Развитие потепления ведет к увеличению содержания водного пара в атмосфере и усилению парникового эффекта. Потепление идет в основном на суше, поскольку именно там сокращаются ледниковые покровы, к тому же океан обладает большой теплоемкостью. Наконец, малое количество осадков, наряду с большим притоком солнечной радиации приводят к таянию ледниковых покровов и в прибрежных областях, их окраины, расположенные на шельфе быстро разрушаются. Наступает минимум материкового оледенения, а также мощности и продолжительности залегания снежного покрова.

Примечательно, что установленное по палеогеографическим данным увеличение амплитуды климатических колебаний при переходе к плейстоцену хорошо соответствует вычисленным В.Я. Сергиным и С.Я. Сергиным температурным кривым. При этом модель объясняет сам этот рост амплитуды появлением при монотонном понижении температуры второго инерционного звена системы ЛОА – континентальных льдов.

Периоды установленных авторами [6] автоколебаний варьируют от 20 до 80 тыс. лет. Однако, не стоит забывать и о наличие внешних возмущений, при воздействии которых по данным тех же авторов возникают климатические волны, периоды которых превышают периоды собственных колебаний модели. Еще одним важным результатом моделирования явилось то, что никакие вариации параметров модели (а усчитывалось множество параметров, см. рис. 1) суммарная площадь континентальных и морских морских льдов не выходила за пределы 20-30% площади полушария. Это, по мнению авторов, свидетельствует о невозможности полного оледенения Земли.

Рисунок 2.5.1. Функциональная схема ледники-океан-атмосфера.

Однако, как все таки совместить в одной схеме автоколебания и внешние возмущения климатической системы? Вернемся к приведенной в предыдущей главе орбитально-климатической диаграмме (ОКД) В.А. Большакова. Некоторые расхождения ОКД с изотопной кривой, по мнению Большакова как раз и могут быть связаны с возможностью автоколебаний в системе криосфера— гидросфера — литосфера — атмосфера. Считается, что период таких колебаний может быть около 100 тыс. лет. Эти управляемые вариациями инсоляции колебания, связываемые в первую очередь с изменениями объема ледников и температуры Мирового океана, имея в виду их огромную инерционность, вероятно, и определяли амплитуду глобальных климатических колебаний, в какой-то степени, возможно, стабилизируя ее по сравнению с амплитудой управляющего инсоляционного сигнала, в частности для ИК стадий 6 и 11.

Возможностью существования этих «управляемых» автоколебаний В.А. Большаков предлагает объяснять и переход, примерно миллион лет назад, от преобладающей 41-тысячелетней климатической цикличности к 100-тысячелетней: «В данном случае мог осуществляться механизм, подобный механизму параметрического резонанса, когда изменение внешних условий (в данном случае направленное похолодание в интервале времени от 2-х до 1-го млн. лет назад) изменяет и резонансные частоты. Это должно было привести к изменению объема ледников высоких широт и, следовательно, к изменению их инерционности. Первоначально, объем ледников был мал, поэтому изменение их объема в высоких широтах, подчинялось относительно короткопериодному воздействию вариаций наклона земной оси. Длиннопериодное воздействие вариаций эксцентриситета и связанные с ним глобальные колебания температуры планеты оказывались слишком слабыми, чтобы вызвать более значительное распространение покровных оледенений.. С течением времени, по мере дальнейшего глобального охлаждения планеты, увеличивалась и масса ледников. Можно предположить, что на рубеже 1 млн. лет температура поверхности планеты и масса ледников в высоких широтах стали критическими по отношению к влиянию изменений инсоляции, связанных с вариациями эксцентриситета. В этом случае «эксцентриситетное» понижение температуры оказывалось уже достаточным для предотвращения таяния распространяющихся от высоких широт ледников в более низких широтах. С другой стороны, с увеличением массы и площади ледников увеличились и положительные обратные связи за счет альбедо и содержания парниковых газов в атмосфере, которые в свою очередь усиливали распространение оледенения, а также повысилась, естественно, и постоянная времени разрастания и распада ледников.».

Предложенная В.А. Большаковым [7] орбитальная теория палеоклимата заключается в следующем.. Орбитальные изменения обусловливают вариации инсоляции, которые вызывают начальные изменения температуры в основном высоких широт, приводящих с помощью положительной обратной связи за счет альбедо, обусловленного вариациями объема и площади льда и снега в этих широтах, к более значительным и распространяющимся шире колебаниям температуры. В свою очередь, эти колебания более существенно воздействуют на изменения температуры Мирового океана и содержание парниковых газов в атмосфере, после чего действие всех факторов (орбитально обусловленных вариаций инсоляции и земных обратных связей) определяет результирующие глобальные колебания объема льда и температуры (климатические колебания). Отсюда следует, что не вариации содержания парниковых газов в атмосфере, в частности СО₂, а вариации инсоляции и глобального объема льда являются первичными причинами глобальных климатических изменений четвертичного периода.

По мнению автора данного пособия такой подход объясняет многие загадки в причинах возникновения ледниковых эпох и межледниковий. Как бы то ни было, будущее покажет, взгляды каких исследователей окажутся наиболее близкими к истине.

Литература.

1. Котляков В.М. О причинах различных тенденций развития существующих ледников.-МГИ, вып. 10, 1964, с. 121-127.

2. Голубев В.Н. Соотношение колебаний горных ледников с климатическими изменениями. МГИ, вып. 82, 1997, с.3-11.

3. Най Дж. Реакция ледников и ледниковых покровов на климатические изменения.- “МГИ. Хроника. Обсуждения.”. 1963, №7б с. 198-218.

4. Сергин В.Я. Моделирование крупных колебаний климата и оледенения Земли в антропогене.- “Антарктика”, вып. 11, 1972, с. 123-141.

5. Сергин В.Я., Струков Б.С. Транспортная модель ледникового покрова.- В кн.: Геофизические исследования планетарной системы ледники-океан-атмосфера. Владивосток, 1974, с. 54-59.

6. Сергин В.Я., Сергин С.Я. Системный анализ проблемы больших колебаний климата и оледенения Земли. Л. 1978. 280 с.

7. Большаков В. А. Новая концепция астрономической теории палеоклимата: шаг вперед, после двух шагов назад // Физика Земли. — 2001. — № 11. — С. 50-61

8. Сергин В.Я., Сергин С.Я. Как возникали оледенения Земли // Природа. -1969. -№ 9. — С.10-17.

9. Weertman J. Milankovitch solar radiation variations and ice age ice sheet sizes. //Nature. 1976. -V.261. - P. 17-20.

10. Oerlemans J. Model experiments on the 100,000-yr glacial cycle // Nature. — 1980. — V.287. — P. 430-432.