Земля в настоящее время находится в том, что климатологи называют межледниковым периодом, теплым пульсом между долгими холодными ледниковыми периодами, когда ледники доминируют в более высоких широтах нашей планеты. В течение последнего миллиона лет эти ледниково-межледниковые циклы повторялись примерно каждые 100 000 лет. Теперь у группы исследователей из Университета Брауна есть новое объяснение этого времени и того, почему миллион лет назад цикл был другим.
Используя набор компьютерных симуляций, исследователи показывают, что два периодических изменения орбиты Земли объединяются в 100 000-летнем цикле, вызывая расширение морского льда в Южном полушарии. По сравнению с водами открытого океана этот лед отражает больше солнечных лучей обратно в космос, существенно уменьшая количество солнечной энергии, поглощаемой планетой. В результате глобальная температура снижается.
«100 000-летний темп ледниково-межледниковых периодов было трудно объяснить», - сказал Юнг-Юн Ли, доцент кафедры изучения Земли, окружающей среды и планет Брауна и ведущий автор исследования. «Что мы смогли показать, так это важность морского льда в Южном полушарии наряду с орбитальными воздействиями в определении темпа ледниково-межледникового цикла».
Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.
Орбита и климат
В 1930-х годах сербский ученый Милутин Миланкович определил три различных повторяющихся изменения в орбитальной модели Земли. Каждый из этих циклов Миланковича может влиять на количество солнечного света, получаемого планетой, что, в свою очередь, может влиять на климат. Изменения повторяются каждые 100 000, 41 000 и 21 000 лет.
Проблема в том, что 100 000-летний цикл сам по себе является самым слабым из трех в степени, в которой он влияет на солнечное излучение. Так почему именно этот цикл задает темп ледникового цикла, остается загадкой. Но это новое исследование показывает механизм, посредством которого 100 000-летний цикл и 21 000-летний цикл работают вместе, чтобы управлять ледниковым циклом Земли.
Цикл в 21 000 лет связан с прецессией - изменением ориентации наклонной оси вращения Земли, что создает смену времен года на Земле. Когда северное полушарие наклонено к солнцу, оно получает больше солнечного света и переживает лето. В то же время Южное полушарие наклонено, поэтому оно получает меньше солнечного света и переживает зиму. Но направление, на которое указывает ось, медленно изменяется - или прецессирует - по отношению к орбите Земли. В результате положение на орбите, где сменяются времена года, немного мигрирует из года в год. Орбита Земли эллиптическая, а это означает, что расстояние между планетой и Солнцем меняется в зависимости от того, где мы находимся на орбитальном эллипсе. Таким образом, прецессия в основном означает, что времена года могут происходить, когда планета находится ближе всего или дальше всего от Солнца, или где-то посередине, что изменяет интенсивность времен года.
Иными словами, прецессия вызывает период в течение 21 000-летнего цикла, когда лето в Северном полушарии приходится на то время, когда Земля находится ближе всего к Солнцу, что делает эти лета немного теплее. Шесть месяцев спустя, когда в Южном полушарии наступит лето, Земля окажется в самой дальней точке от Солнца, что сделает лето в Южном полушарии немного прохладнее. Каждые 10 500 лет сценарий противоположный.
С точки зрения средней глобальной температуры можно не ожидать, что прецессия будет иметь большое значение. Какое бы полушарие ни было ближе к солнцу летом, другое полушарие будет дальше летом, поэтому эффекты просто смоются. Тем не менее, это исследование показывает, что действительно может быть влияние на глобальную температуру, если есть разница в том, как два полушария поглощают солнечную энергию, а она есть..
Эта разница связана со способностью каждого полушария выращивать морской лед. Из-за расположения континентов в Южном полушарии гораздо больше места для роста морского льда. Океаны Северного полушария прерываются континентами, что ограничивает возможности роста льда. Поэтому, когда прецессионный цикл приводит к ряду более прохладных лет в Южном полушарии, морской лед может резко расширяться, потому что летнее таяние меньше.
Модели климата Ли основаны на простой идее о том, что морской лед отражает значительное количество солнечной радиации обратно в космос, которая обычно поглощается океаном. Это отражение излучения может снизить глобальную температуру.
«Мы показываем, что даже если общая поступающая энергия одинакова на протяжении всего цикла прецессии, количество энергии, фактически поглощаемой Землей, меняется с прецессией», - сказал Ли.«Большой морской лед Южного полушария, который образуется, когда лето более прохладное, снижает поглощение энергии».
Но остается вопрос, почему цикл прецессии, который повторяется каждые 21 000 лет, вызывает 100 000-летний ледниковый цикл. Ответ заключается в том, что 100 000-летний орбитальный цикл модулирует эффекты цикла прецессии.
Цикл в 100 000 лет касается эксцентриситета орбиты Земли, то есть степени, в которой она отклоняется от окружности. За период в 100 000 лет форма орбиты меняется от почти круглой к более вытянутой и обратно. Только когда эксцентриситет высок, то есть орбита более эллиптическая, возникает значительная разница между самой дальней точкой Земли от Солнца и ближайшей к ней. В результате существует большая разница в интенсивности сезонов из-за прецессии, когда эксцентриситет велик.
«Когда эксцентриситет мал, прецессия не имеет значения», - сказал Ли. «Прецессия имеет значение только тогда, когда эксцентриситет велик. Вот почему мы видим более сильный темп в 100 000 лет, чем в 21 000 лет».
Модели Ли показывают, что, благодаря высокому эксцентриситету, прохладное лето в Южном полушарии может уменьшить на целых 17 процентов количество летней солнечной радиации, поглощаемой планетой на той широте, где разница в распределении морского льда наибольшая. достаточно, чтобы вызвать значительное глобальное похолодание и потенциально создать подходящие условия для ледникового периода.
Помимо отражения излучения, могут быть дополнительные обратные связи охлаждения, вызванные увеличением площади южного морского льда, говорят Ли и ее коллеги. Большая часть углекислого газа - ключевого парникового газа - выдыхаемого в атмосферу из океанов поступает из южного полярного региона. Если эта область в значительной степени покрыта льдом, она может удерживать углекислый газ, как крышка на бутылке с газировкой. Кроме того, энергия обычно течет из океана, чтобы согреть атмосферу и зимой, но морской лед изолирует и уменьшает этот обмен. Таким образом, меньше углерода и меньше энергии, передаваемой между атмосферой и океаном, усиливают охлаждающий эффект.
Объяснение смены
Выводы также могут помочь объяснить загадочный сдвиг в ледниковом цикле Земли. За последний миллион лет или около того 100 000-летний ледниковый цикл был наиболее заметным. Но до миллиона лет назад палеоклиматические данные предполагают, что скорость ледникового цикла была ближе к 40 000 лет. Это говорит о том, что в то время доминировал третий цикл Миланковича, который повторяется каждые 41 000 лет.
В то время как цикл прецессии имеет дело с тем, в каком направлении указывает земная ось, 41 000-летний цикл имеет дело с тем, насколько наклонена ось. Наклон - или наклон - изменяется от минимума около 22 градусов до максимума около 25 градусов. (Сейчас она составляет 23 градуса.) Когда угол наклона больше, каждый из полюсов получает больше солнечного света, что имеет тенденцию согревать планету.
Так почему цикл наклона был самым важным до миллиона лет назад, но стал менее важным в последнее время?
Согласно моделям Ли, это связано с тем фактом, что планета в целом была холоднее за последний миллион лет, чем до этого. Модели показывают, что, когда Земля была в целом теплее, чем сегодня, расширение морского льда в Южном полушарии, связанное с прецессией, было менее вероятным. Это позволяет циклу наклона доминировать над глобальной температурной характеристикой. Спустя миллион лет назад, когда Земля в среднем стала немного холоднее, сигнал наклона начинает уступать место сигналу прецессии/эксцентриситета.
Ли и ее коллеги считают, что их модели представляют новое сильное объяснение истории ледникового цикла Земли, объясняя как более поздние темпы, так и загадочный переход миллион лет назад.
Что касается будущего ледникового цикла, это остается неясным, говорит Ли. На данный момент трудно предсказать, как вклад человека в концентрацию парниковых газов на Земле может изменить будущее ледниковых периодов Земли.