Около ста лет назад сербский учёный (инженер, геофизик, климатолог и астроном) Милутин Миланкович представил научному сообществу астрономическую теорию колебаний климата. Теория эта стала итогом огромного труда по сбору, обобщению и сопоставлению данных о климате с известными из астрономии, но скрытыми от людского глаза движениями Земли: наклоном оси суточного вращения, её прецессии, а также изменениями эксцентриситета орбитального полёта вокруг Солнца. Проделать такую работу нелегко и сейчас, а тогда это был настоящий научный подвиг. В качестве вычислительных средств Миланкович использовал логарифмическую линейку и арифмометр.
В развитие идей этого замечательного учёного мы разработали астрономическую модель облучения Солнцем зон полярных суток Земли, находящихся в пределах Северного и Южного полярного круга. Модель объясняет причины таяния льдов Арктики и нынешнего потепления климата.
Движения Земли в поле тяготения солнечной системы
Находясь в непрерывном гравитационном взаимодействии с Солнцем, Луной и другими телами Солнечной системы, наша планета, двигаясь по своей орбите, совершает сложное, имеющее множество составляющих, движение. Некоторые из этих движений приводят к изменениям расстояния от Земли до Солнца и угла падения солнечных лучей на земную поверхность. В результате, несмотря на практически постоянное количество солнечной энергии, ежегодно падающей на поверхность Земли (инсоляции), происходит непрерывный процесс её перераспределения: в некоторых регионах наблюдается относительный избыток энергии (профицит), тогда как в других возникает её относительный недостаток (дефицит).
Как различные движения Земли — собственные и орбитальные — влияют на инсоляцию её поверхности? Посмотрим на рисунок, где Земля показана в двух крайних положениях на эллиптической орбите её полёта вокруг Солнца: слева — в апогелии, то есть в точке максимального удаления от Солнца, а справа — в перигелии, то есть в точке минимального расстояния до светила (рис. 1). На рисунке ось суточного вращения Земли наклонена по отношению к перпендикуляру к плоскости орбиты Земли под углом 23,4°.
Самое заметное движение нашей планеты — суточное вращение Земли. Оно определяет смену дня и ночи. Хорошо ощутимы для человека также смены времён года в годичном цикле обращения планеты вокруг Солнца. Однако современные методы и средства астрономических измерений и баллистических расчётов показывают, что каждый пролёт Земли вокруг Солнца чуть-чуть отличается от предыдущего (рис. 2). С 2000 по 2040 год пиковые значения расстояний изменялись и будут изменяться в пределах от +5 до -7 тыс. км, что в сравнении со средним расстоянием от Земли до Солнца 150 млн км может казаться пренебрежимо малой величиной.
Незаметны для человека нутации земной оси — небольшие колебания, накладывающиеся на её прецессионное движение. Причина нутации оси — притяжение Луной и Солнцем экваториального избытка масс Земли. Сложное движение нашей планеты по орбите вокруг Солнца, а также Луны вокруг Земли приводит к изменению приливных сил, вызывающих нутацию, и, соответственно, к появлению во вращении Земли вариаций с различными периодами. Главная нутационная гармоника, имеющая период 18,6 года, определяется поворотом плоскости лунной орбиты. Амплитуда этой гармоники составляет около 17,2" для нутаций в долготе (Δψ) и 9,2" — для нутаций в наклоне (Δε). Нутационные колебания имеют и более высокочастотные гармоники с периодом до четырёх дней (рис. 3).
Прецессия земной оси — одно из долгопериодических колебаний в движении нашей планеты — идёт по конусу вокруг перпендикуляра к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца (эклиптики). В результате прецессии земная ось описывает в пространстве полный конус с вершиной в центре Земли. За счёт прецессии происходит медленное смещение времён года. По отношению к инерциальной системе координат период прецессии составляет 25 920 лет — древние греки называли его Великим или Платоновым годом. При обсуждении вопросов, связанных с климатом на Земле, необходимо учитывать ещё и прецессию эллипса орбиты в плоскости эклиптики с периодом около 140 тыс. лет, которая происходит в направлении, противоположном прецессии Земли. Биения этих двух видов прецессий вызывают изменение периода земной прецессии относительно Солнца, который варьируется от 10 до 32 тыс. лет. Нынешний период прецессии составляет 22 тыс. лет, предыдущий — 24 тыс. лет, следующий — 14 тыс. лет.
Наклон оси вращения Земли — причина смен времён года. Если бы наклон был равен нулю, то времена года отсутствовали бы, увеличение же наклонения привело бы к большему контрасту температуры между летом и зимой. Наклон оси вращения Земли также непостоянная величина. Он изменяется с периодом около 41 тыс. лет от 22,1 до 24,5°. Изменение наклона земной оси меняет границы и площадь Северного и Южного полярного круга, смещает границы других климатических зон — тропиков и субтропиков.
Непостоянен и эксцентриситет орбиты Земли. Период его изменений в пределах 0,077 до 0,003 составляет в среднем примерно 100 тыс. лет (рис. 4).
Не все знают, что кроме привычных для нас времён года — зимы, весны, лета, осени, характерных для высоких широт, — существует ещё один тип времён года, который можно назвать экваториальным (рис. 1). Напомним, что орбита Земли имеет форму эллипса. Когда планета входит в окрестности перигелия, наступает экваториальное лето: расстояние до Солнца уменьшается и приток солнечной энергии увеличивается. И наоборот, в окрестности апогелия расстояние до Солнца увеличивается, приток солнечной энергии уменьшается и наступает экваториальная зима. Разница в величине энергопритока во время экваториальных лета и зимы сегодня при эксцентриситете орбиты Земли 0,017 составляет 7%. В случае увеличения эксцентриситета, которое когда-нибудь произойдёт в будущем, при достижении им максимального значения 0,077 эта разница вырастет почти в три с половиной раза, то есть составит 27%.
Сведения об основных переменных составляющих движения Земли приведены в табл. 1.
В наше время наблюдается тенденция к одновременному снижению наклона земной оси и эксцентриситета орбиты планеты. Представления об особенностях орбитального движения Земли и об изменениях величин инсоляции её полярных зон за время одного периода прецессии даёт табл. 2.
Солнечная активность тоже имеет вариации по величине и характеризуется периодичностью, которая составляет 11, 22, 80, 200 и даже 2300 лет. Эти циклы накладываются на периоды, связанные с орбитальным движением планеты.
Здесь нелишне вспомнить Древнюю Грецию. Слово «климат» произошло от греческого слова «klima» (клима), что означает «наклон», то есть положение некоторой площадки по отношению к падающим на неё солнечным лучам. О том, что переменные параметры движения Земли могут влиять на инсоляцию земной поверхности, знал живший в IV веке до н. э. афинский мыслитель Платон. Он и другие учёные древности в исследованиях небесных светил искали ответы на земные вопросы. Гиппарх Никейский (II век до н. э.) создал первый каталог звёзд, вычислил расстояния от Земли до Луны и Солнца и размеры этих небесных тел. В то время уже существовали первые календари, а моряки начали использовать небесные светила в качестве ориентиров.
Позже, в начале XVIII века, был изобретён секстант — астрономический прибор, позволяющий измерять высоту Солнца или ярких звёзд над горизонтом. Идея этого прибора принадлежала Исааку Ньютону. Примерно в то же время в Англии начал выходить Морской альманах, содержавший поправки для наблюдений Солнца с использованием секстанта. С тех пор любой путешественник на суше и на море, имея секстант и хронометр, мог определить своё местоположение. Навигация стала одним из прикладных применений астрономии. Всё шло к тому, чтобы основы астрономии впитала в себя зарождающаяся в то время климатология.
Но вернёмся к автору астрономической теории колебаний климата Земли Милутину Миланковичу. Он хорошо знал о достижениях в области астрономии и их успешном применении в навигации и исчислении времени. Его теория, изложенная в книге «Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата», была тепло встречена современниками. Казалось бы, что уж теперь климатология будет развиваться с учётом астрономических знаний, но этого не случилось. Во всяком случае, в наше время такие астрономические термины, как прецессия, нутация и эксцентриситет, не входят в лексикон Межправительственной группы экспертов по изменению климата ООН (МГЭИК). Эти слова отсутствуют в итоговом отчёте МГЭИК за 2023 год1. Единственной причиной потепления климата МГЭИК считает антропогенный фактор — повышение содержания углекислого газа в атмосфере планеты, возникшее в результате сжигания человеком огромного количества углеводородного топлива. В документах МГЭИК не упоминается и имя М. Миланковича, что, как минимум, вызывает недоумение. Хотя всё это не помешало Европейскому геофизическому союзу, начиная с 1993 года, награждать учёных, внёсших значительный вклад в исследования долгосрочных климатических изменений, медалью его имени. А в 2000 году NASA внесло имя Милутина Миланковича в первую десятку выдающихся учёных, занимавшихся науками о Земле. Не забыта теория Миланковича и в современной России. Регулярно в научных изданиях появляются серьёзные аналитические работы российских исследователей, развивающие и уточняющие отдельные положения его теории с учётом новейших достижений науки2.
Астрономическая модель инсоляции зон полярных суток Земли
На Земле есть области, в которых смена дня и ночи происходит не раз в сутки, а значительно реже. Эти области — зоны полярной ночи и полярного дня — в наше время лежат выше 66,5° северной и южной широты. Длительность полярного дня и полярной ночи увеличивается от одних суток у полярного круга до примерно полугода на полюсах (с отклонениями в несколько суток из-за разной скорости движения Земли по орбите в летнее и зимнее время в Северном и Южном полушариях, а также из-за рефракции в атмосфере). Соответственно в течение года изменяется и площадь полярного дня и полярной ночи.
Годовой баланс инсоляции области полярного дня и излучения полярной ночи зависит от параметров орбиты Земли: наклонения ∆i, эксцентриситета е и угла прецессии λ. Периоды изменения этих параметров измеряются многими тысячелетиями и не кратны друг другу. Избыточное накопление тепловой энергии в течение года, то есть положительный энергобаланс (профицит), вызывает рост температуры и сокращение ледового покрова полярной шапки. Отрицательный годовой энергобаланс, то есть недостаток или дефицит тепловой энергии, ведёт к понижению температуры и увеличению площади ледового покрова. Усреднение процесса на большом интервале времени (при преобладании профицита или дефицита тепловой энергии) вызывает изменение температуры в окрестности соответствующих полярных шапок.
Разработанная нами астрономическая модель инсоляции зон полярных суток Земли3 вычисляет величину дисбаланса, то есть дефицита или профицита тепловой энергии в зависимости от меняющегося во времени наклона земной оси к плоскости орбиты, её прецессии по конусу вокруг перпендикуляра к той же плоскости, а также от изменений эксцентриситета орбиты Земли.
Разумно предположить, что при постоянном номинальном наклонении и постоянном нулевом эксцентриситете на Земле установились бы стационарные полярные шапки постоянной средней величины. При этом дисбаланс инсоляции ΔEПС (разница между профицитом и дефицитом) за время полярных суток — промежутка времени, когда Солнце не показывается над горизонтом или не «прячется» за него, — принимается равным нулю. Лёд, накопленный во время полярной ночи, за время полярного дня при таких условиях должен таять без остатка.
Дисбаланс инсоляции ΔEПС, рассчитанный при других значениях эксцентриситета и наклонения, будем называть условным дисбалансом энергии полярных зон. Соответственно, при положительном балансе имеющиеся запасы льда расходуются: за время полярного дня будет таять больше льда, чем намораживается за время полярной ночи. При отсутствии запасов льда начинается потепление. При отрицательном балансе идёт накопление льда и начинается оледенение.
На самом деле в баланс энергии полярной зоны помимо астрономических факторов вносят свой вклад отражение солнечного излучения, свойства атмосферы, горизонтальный перенос тепловой энергии и другие факторы, которые здесь не учитываются. Поэтому разработанная модель не может считаться климатической, а вычисляемый моделью дисбаланс назван условным. Это, скорее, инженерное решение задачи выявления дефицита или профицита энергии в зонах полярных суток в зависимости от параметров движения планеты.
Модель охватывает временной промежуток от 700 тыс. лет назад до 100 тыс. лет вперёд. Из неё вытекает, что циклы недостатка и избытка солнечной радиации сменяют друг друга с периодом прецессии (рис. 5а, б). Максимальные значения дефицита и профицита инсоляции не превышают 10% от того объёма энергии, который в среднем причитается зонам полярных суток Земли.
Фрагмент модели под номером 1 на рис. 5а охватывает период климатических событий, происходивших в Арктике начиная с доисторического периода, в наше время и на 10 тыс. лет вперёд. Десять тысяч лет назад сложился профицит инсоляции. Соответственно, уже тогда должен был начаться рост температуры, но этого, как мы знаем, не произошло. Повышение среднегодовой температуры началось только в наше время. Фрагмент 2 на рис. 5б описывает события в Антарктике. Здесь пик инсоляции случился около 5 тыс. лет назад, но ожидаемого повышения температуры не произошло до сих пор. В наши дни тепловой баланс в Антарктике уже смещается в отрицательную область, и в течение ближайших нескольких тысяч лет здесь будет дефицит инсоляции. Однако дефицит не будет острым.
Под номером 3 на рис. 5б показан фрагмент модели, который описывает климатические события в Антарктике на отрезке времени 370—390 тыс. лет назад. Но об этом несколько позже.
Итак, предсказанные моделью потепления в пределах Северного и Южного полярных кругов в указанное время не состоялись. Прежде чем объяснить причину этого, разберёмся в особенностях таяния водяного льда.
Особенности таяния водяного льда
Среди веществ, участвующих в управлении климатом на нашей планете, главную роль играет вода. В зависимости от давления и температуры вода может выступать в роли парникового газа, но также может формировать облака, которые, обладая высоким коэффициентом отражения, препятствуют нагреванию земной поверхности Солнцем. В форме снега и льда она также хорошо отражает солнечную радиацию. В жидком виде вода выступает аккумулятором тепла. При этом лёд может стать рабочим телом теплового аккумулятора и эффективно действовать в этой роли в режиме рекуперации энергии многие тысячелетия. Понять, как работает тепловой аккумулятор на основе водяного льда, можно из диаграммы (рис. 6).
Вода в полярных областях Земли может находиться в трёх агрегатных состояниях: кристаллическом (лёд), жидком и газообразном. В данной статье ограничимся первыми двумя. К концу полярной ночи лёд (участок 1 диаграммы) имеет весьма низкую температуру. С приходом полярного дня (участок 2) начинается прогрев льда до температуры плавления. На участке 3 ситуация претерпевает качественное изменение. Несмотря на то, что тепловая энергия продолжает поступать, температура льда перестаёт расти. В это время вся поступающая энергия поглощается веществом и расходуется на разрушение его кристаллической решётки, то есть на таяние. Образуется смесь льда и жидкой воды с температурой, близкой к нулю. Соотношение этих двух форм воды меняется в сторону уменьшения содержания льда. На участке 4 с началом полярной ночи поступление тепловой энергии прекращается и начинается её отток из-за собственного теплового излучения. В результате соотношение в смеси льда и жидкой воды начинает меняться в противоположную сторону. При этом температура расплава продолжает оставаться неизменной до тех пор, пока не завершится процесс кристаллизации. Наконец, к началу участка 5 кристаллизация завершается и лёд снова начинает вести себя как твёрдое тело. Выделяющееся в ходе кристаллизации тепло на участке 4 полностью компенсирует потери тепла на участке 3. Таким образом, осуществляется рекуперация энергии: избыток тепла, который мог бы пойти на повышение температуры на участке 3, запасается в веществе и расходуется на участке 4. На участке 6 происходит охлаждение вещества, и далее начинается новый цикл.
В описанном процессе раскрывается важное свойство водяного льда: ярко выраженный фазовый переход. Для того чтобы нагреть 1 кг льда на 1°, необходимо затратить 2,1 кДж. А чтобы преодолеть фазовый переход, требуется 332 кДж, то есть почти в 158 раз больше.
Следует отметить, что тепловой аккумулятор может работать в режиме рекуперации энергии только в том случае, если температура окружающей среды изменяется циклически вокруг температуры фазового перехода, то есть в нашем случае температуры превращения лёд—жидкая вода. При этом аккумулятор в равной мере препятствует как повышению, так и понижению температуры. Если температура окружающей среды всегда выше или всегда ниже температуры фазового перехода, то вещество ведёт себя как обычное жидкое или твёрдое тело.
Тепловые аккумуляторы на основе веществ с ярко выраженным фазовым переходом достаточно широко используются для стабилизации теплового режима в наземных системах, в космосе и в авиации. Они способны на определённое время исключать разовый перегрев или переохлаждение стабилизируемого объекта. Либо, в случае циклического перегрева и переохлаждения объекта, тепловой аккумулятор переходит в режим рекуперации энергии. Особую привлекательность тепловым аккумуляторам придаёт то, что, будучи «запрограммированными» на молекулярном уровне, они не требуют ни включения, ни выключения. При достижении определённой температуры вещество обязательно проявит свои свойства без дополнительных усилий со стороны человека.
Ресурс искусственных тепловых аккумуляторов может исчисляться десятками и сотнями тысяч циклов работы. Он ограничивается прочностью корпуса, в котором находится его рабочее тело. В природных условиях, когда есть естественные стоки, ресурс теплового аккумулятора лимитируется запасами льда. В полярных областях нашей планеты достаточно много льдов. Низкие температуры во время полярной ночи сменяются плюсовыми температурами во время полярного дня. Это значит, что в полярных областях планеты имеются условия для формирования и длительной работы природных тепловых аккумуляторов.
Таким образом, причиной несостоявшихся потеплений 10 тыс. лет назад в Северном полушарии и 5 тыс. лет назад в Южном полушарии стало то, что в полярных районах Земли в тот период из-за роста температуры сложились условия для таяния льда во время полярного дня. «Запрограммированный» на молекулярном уровне лёд начал таять, предотвращая повышение приповерхностной температуры. В Антарктике очередной скачок температуры был остановлен льдом. А вот ситуация в Арктике оказалась значительно сложнее: запасов льда хватило на 10 тыс. лет. После исчерпания этих запасов началось потепление, которое, судя по модели, продлится около 3 тыс. лет.
Сопоставление модели с данными из истории климата и результатами современных исследований
Давайте сопоставим данные климатических реконструкций, выполненных по результатам анализа ледяных кернов из скважины на антарктической станции «Восток», с изменениями эксцентриситета орбиты Земли и дисбалансом энергии в антарктической зоне полярных суток (рис. 7). Без сомнения, вершины пяти самых крупных температурных всплесков на рисунке, обозначающих межледниковые периоды, совпадают по времени с максимумами эксцентриситета орбиты. При этом вершина всплеска во фрагменте модели под номером 2 на рис. 7а по временной шкале совпадает с передним фронтом на графике температуры. С этого момента начинается колебательный процесс, продолжающийся до настоящего времени. Амплитуда колебаний на данном участке не превышает ±1°C. Потепления не произошло, оно было парировано тепловым аккумулятором.
Под номером 3 на рис. 7а изображён фрагмент модели, который описывает климатические события в Южном полушарии на отрезке времени от минус 370 до минус 390 тыс. лет. Ему отвечают две температурные ступени, расположенные на «плечах» всплеска. Однако сам всплеск не был точно воспроизведён на Земле, он распался на несколько мелких под воздействием земных стихий.
Из данных палеоклиматической реконструкции известно, что среднегодовая приземная температура на Земле никогда не отличалась постоянством. На протяжении миллионов лет она изменялась в весьма широких пределах. Последний пик потепления произошёл около 60 млн лет назад, после чего среднегодовая температура начала медленно снижаться. Около 3 млн лет назад температура стала отрицательной. Приполярные области планеты покрылись толстым слоем льда. В Северном полушарии льды доходили до пятидесятых градусов северной широты. На пике оледенения толщина ледяного панциря достигала 700 м4.
Вероятнее всего, Земля начала выходить из ледникового периода благодаря серии мощных вулканических событий, начавшихся около 50 тыс. лет назад. Вулканические извержения всегда сопровождаются выходом на поверхность эндогенного тепла и выбросами вулканического пепла, уменьшающего альбедо Земли. Достаточно подробное описание происходивших в то время климатических событий даёт рис. 8. В Гренландии на протяжении 40 тыс. лет, как следует из анализа ледяных кернов, происходила непрерывная череда температурных всплесков. Их амплитуда достигала 10—15°C, скорость изменения температуры превышала 10°C за 100 лет. В Антарктике обстановка выглядела гораздо спокойнее. Температурные всплески там не превышали 3—5°C.
Последняя серия особенно крупных климатических событий, происходивших почти синхронно в Северном и Южном полушариях на протяжении 4,5 тыс. лет, завершилась около 10 тыс. лет назад. Среднегодовая температура в Антарктике и в Арктике почти одновременно повысилась на 7 и 15°C соответственно и стабилизировалась на этих значениях до настоящего времени. Фактически завершилась эпоха климатических катастроф и наступила эра относительной климатической стабильности, когда колебания среднегодовой температуры в районе полюсов Земли составляют в Антарктике ±1°С и в Арктике ± 2°С. Размах колебаний температуры по отношению к предыдущему периоду уменьшился в семь раз. При этом в районе Северного полюса во время полярного дня температура стала принимать плюсовые значения, то есть здесь сложились условия для таяния льда. Появился «температурный потолок»: таяние льда сопровождается поглощением тепловой энергии, вследствие чего не происходит повышения температуры выше 0°C более чем на несколько градусов Цельсия. Таким образом, в Северном полушарии сформировалась природная система, стабилизирующая среднегодовые температуры в этом регионе.
А что показывают современные исследования о таянии арктических льдов? Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (National Oceanic and Atmospheric Administration — NOAA) прогнозирует, что к 2085 году в августе, сентябре и октябре морские льды в Арктике исчезнут практически полностью5. Согласно архивным данным Центра Хэдли (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set — HadISST, Великобритания), начиная с 50-х годов прошлого века площадь морских льдов в Северном Ледовитом океане в сентябре непрерывно сокращалась и к 2010 году уменьшилась с 7,5 до 3 млн км2. Национальный центр данных по снегу и льду США (National Snow and Ice Data Center) располагает информацией о площади арктических льдов начиная с 1980-х годов. По данным центра, за сорок лет эта площадь в сентябре сократилась не менее чем в два раза. Если в последующие 25 лет тенденция сохранится, то в середине XXI века с августа по сентябрь Северный Ледовитый океан будет свободен ото льдов. При этом толщина образующихся во время полярной ночи однолетних льдов не превысит 0,45—1 м, что означает возможность круглогодичной навигации по Северному морскому пути.
Отчёт Университета Юкона (Канада) содержит прогноз таяния арктического льда, основанный на данных о таянии льдов северных морей за последние 40 лет наблюдений6. В течение этого периода северные моря ежегодно теряли 300 км3 льда с площади 80 тыс. км2. Прогнозируется, что к 2050 году в сентябре, когда завершается процесс сезонного таяния, северные моря будут полностью освобождены от ледяного покрова.
Для того чтобы растопить ежегодно теряемые 300 км3 льда, необходимо затратить 8,91•1019 Дж (теплота плавления льда 330•103 Дж/кг). Однако здесь стоит вспомнить о коэффициенте отражения снега, льда и открытой воды. Альбедо сухого свежевыпавшего снега составляет 80—95% и уменьшается по мере его таяния и загрязнения. Альбедо чистого льда значительно меньше и составляет около 40%. Коэффициент отражения морской поверхности обычно лежит в диапазоне 4—7%, но может увеличиваться при малой высоте Солнца над горизонтом из-за усиления отражения прямого солнечного излучения.
Будем считать, что альбедо покрытого снегом ледяного покрова Арктики и Антарктики равно 90%. Это значит, что на таяние смеси снега и льда тратится лишь 10% получаемой от Солнца энергии, остальные 90% отражаются обратно в космос. Вода, наоборот, поглощает подавляющую часть падающей на неё солнечной энергии, а остальная уходит в космос. Соответственно, полный объём инсоляции, необходимый для плавления 300 км3 льда, составляет 8,91•1020 Дж. Ежегодно в наше время7 инсоляция на такую величину превышает потери тепла, возникающие в зоне полярных суток в ночное время. Такого объёма энергии достаточно для нагрева 2•105 км3 океанской воды на 1,0°С. Итак, мы можем считать представленный на рис. 5а график абсолютно точным на участке, соответствующем нашему времени в Северном полушарии.
За последние 10 тыс. лет профицит энергии в зоне полярных суток непрерывно возрастал от 0 до 8,91•1020 Дж (рис. 9), что приводило к безвозвратным потерям льда в среднем ~150 км3 в год. Разумно предположить, что и в далёком прошлом профицит энергии расходовался на таяние льдов, накопленных во время большого ледникового периода. Исходя из этого, запас льда, необходимый для поддержания квазипостоянной среднегодовой температуры в Арктике, должен был быть не менее 150 км3 x 104 лет = 1,5•106 км3.
Таким образом, все упомянутые источники (NOAA, HadISST, National Snow and Ice Data, Center, Yukon University) вполне обоснованно прогнозируют, что к середине XXI века в Северном Ледовитом океане останутся только однолетние льды. По приведённым в этих источниках данным мы составили обобщённую таблицу (табл. 3). Из неё следует, что с 1900 по 1950 год объём льдов в Северном Ледовитом океане монотонно сокращался со скоростью ~300 км3 в год. Затем площадь таяния льдов начинает заметно расти. Соответственно, увеличиваются площадь и время существования открытой воды. Кончились запасы многолетних льдов, накопленные в полярной шапке в период великого оледенения, и начала меняться структура льдов океана. Многолетние льды стали постепенно замещаться однолетними. К 2050 году этот процесс завершится — в Северном Ледовитом океане останутся только однолетние льды.
Далее будем исходить из того, что средняя толщина однолетних льдов не превысит 0,5 м. Тогда за время полярной ночи на площади в 14,5 млн км2 будет намораживаться 725 км3 льда, которые начнут таять уже в апреле. В это время лёд и вода будут соседствовать друг с другом. Из-за высокой отражательной способности лёд плохо нагревается солнечными лучами. В то же время открытая вода прогревается быстро. От неё тает лёд. Его площадь сокращается, а площадь открытой воды увеличивается. Таким образом, усиливается способность океана усваивать тепло от Солнца. Процесс таяния льда ускоряется.
Для того чтобы растопить 7250 км3 льда, потребуется ЕПД = 2,23•1022 Дж. Этой энергии достаточно для подогрева 5•106 км3 воды на 1°С. При этом вклад профицита (8,91•1020 Дж) в данный процесс составит всего 4% от общей величины инсоляции. То есть энергия, затрачиваемая на плавление льда, будет год от года уменьшаться, а доля энергии, расходуемой на подогрев воды, — увеличиваться. Одновременно будет расти средняя за полярный день приземная температура. Это приведёт к изменению начальных условий для тепловых процессов, происходящих во время полярной ночи. В результате ожидается рост среднегодовой температуры как в пределах Северного полярного круга, так и на соседних с ним территориях.
Предсказания модели, данные из истории климата и результаты современных исследований льдов Арктики мы обобщили в форме диаграммы для трёх временны́х интервалов: от 10 тыс. лет назад до 2000 года; в наше время (2000 год ±50 лет) и в будущем до +3 тыс. лет (рис. 10). В прошлом ежегодное чередование полярных дней и ночей сопровождалось необратимыми потерями льда, пропорциональными увеличению профицита инсоляции, начавшемуся с нуля 10 тыс. лет назад и достигшему 300 км3 льда в наше время. В дальнейшем профицит инсоляции снизится до нуля (текущая величина избытка солнечной радиации рассчитана на основе отчёта Университета Юкона). Таким образом, с момента возникновения профицита инсоляции должно было быть израсходовано около ~1,55•106 км3 льда. Без такого объёма льда работа теплового аккумулятора была бы невозможна.
Судя по архивным данным Центра Хэдли, к нашему времени запасы льда полярной шапки закончились и началось таяние многолетних льдов Северного Ледовитого океана. При этом из-за недостатка льда профицит инсоляции начал уходить в океанские воды. Можно предположить, что расходуемая на подогрев воды энергия инсоляции вырастет с 4% в 1950 году до 15—25% в 2050 году. Ускорится таяние льдов Гренландии. Вскоре после этого доли энергии, идущие на таяние льдов и на подогрев воды, уравняются и составят примерно 1,125•1022 Дж каждая.
Океанские течения разносят прогретые солнцем воды в разных направлениях. Какая-то их часть уже сейчас достигает берегов Гренландии, что ускоряет таяние её ледников (рис. 11). К сожалению, мы не располагаем данными о том, какая часть поглощённой водой энергии достигнет Гренландии. Неизвестен нам и механизм таяния льдов Гренландии под воздействием подогретой воды. Но судя по объёму поглощаемой океанскими водами солнечной энергии, таяние льдов Гренландии может приобрести катастрофический характер.
Кто виноват и что делать?
Вполне возможно, что формирование в приполярных областях нашей планеты около 10 тыс. лет назад зон относительной температурной стабильности подарило человечеству возможности для быстрого развития. После сотен тысяч, а может и многих миллионов лет полудикого существования всего за 500 поколений человечество шагнуло в наше высокотехнологичное время. Следуя за отступающими на север ледниками, люди, двигаясь вдоль русел рек, обживали новые территории. В устьях и долинах рек они строили деревни, посёлки и города, создавали дорожную сеть, превратившуюся сегодня в сложную инфраструктуру, рассчитанную на эксплуатацию в привычных для человека климатических условиях. Никто не догадывался, что придёт время, когда растает Северная полярная шапка, а вслед за ней начнётся таяние ледников Гренландии, где сосредоточено около 2,5 млн км3 льда. Именно это таяние может стать главной угрозой человечеству. Повышение уровня океана в ближайшие столетия на 5—7 м способно привести к затоплению наиболее густонаселённых районов земного шара.
Самыми большими запасами льда на нашей планете располагает Антарктика — 26,5 млн км3. Исходя из представленной астрономической модели инсоляции зон полярных суток Земли, опасаться таяния льдов Антарктики не следует. Здесь уже наступает недостаток инсоляции, о чём говорит начавшийся рост оледенения. В то же время в Арктике началось потепление.
На рис. 12 показана вся последовательность изменений температуры, происходивших в Арктике за последние 10 500 лет. Слева внизу красной стрелкой на графике отмечен момент, когда в Северном полушарии произошёл значительный подъём температуры. Во время полярного дня приповерхностная температура стала принимать плюсовые значения, сложились условия для таяния льда и начал работать природный тепловой аккумулятор. Его площадь примерно равна площади, на которой происходит таяние и замерзание льда. Естественно, тепловой аккумулятор принимал и принимает участие в конвективном теплообмене через атмосферные потоки с другими частями планеты. Добытые в Гренландии ледяные керны с некоторой точностью отражают температуры, которые в своё время были в точке бурения. На рисунке видно, что на протяжении почти 10 тыс. лет вариации пиковых значений температуры не превысили 3,7°С. При этом в последние 2 тыс. лет ясно выделяются четыре сменяющих друг друга климатических цикла. В истории климата они получили собственные имена.
Вслед за малым ледниковым периодом начал формироваться «новый» температурный всплеск, обозначенный на рисунке цифрой 5. К 2020 году среднегодовая температура в Северном полушарии по отношению к 1950 году поднялась на 0,6°С. Так проявило себя начало нового климатического цикла. В это же время среднегодовая температура в мире выросла по отношению к 1950 году на 0,5°С, в России — на 1,2°С, а в Канаде — на 1,7°С.
Палеоклиматические реконструкции очень тесно увязывают температурные всплески с ростом содержания углекислого газа в атмосфере. Однако они не отвечают на вопрос о том, что первично: рост температуры или повышение содержания углекислого газа. Господствующая точка зрения, которой придерживается в том числе МГЭИК, состоит в предположении, что рост температуры провоцируется ростом содержания углекислого газа в атмосфере. В наше время, как и прежде, одновременно фиксируется рост обоих показателей. Но профицит тепловой энергии в Северном полушарии сформировался очень давно. Тепловой аккумулятор задержал начало потепления до середины прошлого века, то есть рост температуры стал причиной увеличения содержания углекислого газа в атмосфере Земли, а не наоборот8.
Таким образом, сегодня мы сталкиваемся с двумя климатическими проблемами: первая — увеличение содержания СО2 в атмосфере, обусловленное деятельностью человека, и вторая проблема — рост среднегодовой температуры, вызванный неподвластным человеку сочетанием астрономических факторов.
Согласно данным Института океанографии имени Скриппса при Калифорнийском университете (Сан-Диего, США), в течение 800 тыс. лет до индустриальной революции содержание СО2 в атмосфере никогда не превышало 300 ppm. В 2024 году этот показатель уже приблизился к 430 ppm. Предположительно, разница между этими значениями отражает вклад антропогенных факторов.
С учётом проблем, которыми грозит потепление климата, разрабатываются методы, способные приостановить процесс. Среди них — геоинженерные методы, основанные на различных способах контролируемого уменьшения пропускания земной атмосферы9. Большинство из них, на наш взгляд, неосуществимы или грозят непредсказуемыми последствиями, либо превышают реальные сегодняшние технико-экономические возможности человечества. Однако некоторые из этих методов могут рассматриваться для локального применения, например, в границах Северного Ледовитого океана, чья площадь не превышает 3% от площади земного шара.
В середине XX века, когда запасы арктического льда ещё оставались значительными, для предотвращения глобального потепления достаточно было нейтрализовать профицит тепловой энергии в Северном Ледовитом океане. Для этого в течение каждого полярного дня надо было снижать проницаемость земной атмосферы над океаном примерно на 4%, чтобы сократить годовое поступление солнечного излучения. Сегодня, когда уже начался прогрев вод Северного Ледовитого океана, чтобы остановить процесс потепления, требуется уменьшить пропускание атмосферы на 7—10%. К 2050 году эти цифры вырастут до 15—25%. В дальнейшем уже вряд ли что-то сможет предотвратить глобальное потепление.
Снизить пропускание атмосферы на ограниченное время можно с использованием авиации, распыляя капельки воды в верхних слоях атмосферы. Учитывая, что площадь Северного Ледовитого океана относительно невелика, эта задача вполне посильна для современной техники, хотя и весьма затратна. Тем более что эту процедуру придётся повторять ежегодно на протяжении 3 тыс. лет… В то же время, в случае подъёма уровня Мирового океана на 5—7 м переселение сотен миллионов жителей с затопленных территорий будет стоить много дороже.
Словарик
Апогелий — максимально удалённая от Солнца точка орбиты Земли.
Инсоляция — облучение поверхности параллельным потоком солнечной радиации. Астрономическая инсоляция зависит от эксцентриситета орбиты Земли и угла наклона оси её вращения по отношению к плоскости эклиптики.
Нутация — периодическое, быстрое по отношению к прецессии, покачивание земной оси с периодом 18,61 года.
Перигелий — минимально удалённая от Солнца точка орбиты Земли.
Прецессия — вращательное движение земной оси вдоль конуса с вершиной в центре Земли со средним периодом 25 920 лет.
Эксцентриситет орбиты Земли — безразмерный параметр, определяющий величину, на которую орбита полёта Земли вокруг Солнца отличается от идеальной окружности.
Комментарии к статье
1 AR6 Synthesis Report: Climate Change 2023 (https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-cycle/).
2 См., например, Фёдоров В. М. Инсоляция Земли и современные изменения климата. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018.
3 Аванесов Г. А., Жуков Б. С. и др. Космические регуляторы климата Земли. Астрономический вестник, 2023, Т. 57, № 6, С. 521—531.
4 Чумаков Н. М. Оледенения Земли: История, стратиграфическое значение и роль в биосфере. Труды Геологического института. Вып. 611. М.: ГЕОС, 2015.
5 Delworth Thomas L., Broccoli Anthony J. et al. GFDL’s CM2. Global Coupled Climate Models. Part I: Formulation and Simulation Characteristics. Journal of Climate. March 2006, V. 19. № 5. Р. 643— 674.
6 https://www.yukonu.ca/sites/default/files/inlinefiles/Indicators2022_Final Report_Oct 2022.pdf.
7 Под нашим временем здесь и далее будем понимать период с 1950 по 2050 год.
8 Avanesov G. A., Zhukov B. S. et al. Climate Disasters at the Dawn of Mankind and their Long-Term Consequences, Solar System Research. 2025, Vol. 59:7. © Pleiades Publishing, Ltd., 2025.
9 Израэль Ю. А., Рябошапко А. Г., Петров Н. Н. Сравнительный анализ геоинженерных способов стабилизации климата. Метеорология и гидрология. 2009. № 6. С. 5—24.
