Гіпотези, що пояснюють зміни клімату Землі

Для пояснення причин зміни клімату Землі у минулому було запропоновано багато гіпотез. Їх можна поділити на три групи – це астрономічні, фізичні та геолого-географічні гіпотези.

Астрономічні гіпотези

Земля обертається навколо Сонця за витягнутою еліптичною орбітою. В одному із фокусів орбіти міститься Сонце. Орбіту Землі в основному визначає Сонце, але на неї впливають і планети сонячної системи. Оскільки маси планет значно менші від маси Сонця, то їхній вплив проявляється лише у вигляді малих збурень елементів земної орбіти. Це проявляється у коливанні витянутості земної орбіти або ексцентриситету. Час зміни ексцентриситету становить 100 тис років. Зміни ексцентриситету неперіодичні: він змінюється від 0,0007 до 0,0658. Зараз він становить 0,0167 і продовжує зменшуватись. Його мінімальне значення настане через 25 тис. років. Можливі періоди зміни ексцентриситету і до 400 тис. років.

Обчислення показує, що при малому ексцентриситеті і в перигелії і в афелії різниця надходження тепла на Землю незначна. При великому ексцентриситеті в перигелії на Землю надходить сонячної енергії на чверть більше, ніж в афелії.

Крім зміни ексцентриситету збурююча дія планет сонячної системи проявляється і в іншому. Відомо, що зміна пір року визначається нахилом осі обертання Землі до екліптики. Зараз кут нахилу між площиною екватора та площиною екліптики становить 23⁰26^′30^″, а протягом 41 тис. років він змінюється від 22 до 24⁰30^′. Це значить, що широти тропіків та полярних кіл коливаються у межах 2,5⁰.

Дуже суттєвим проявом гравітаційних збурень є зміни орієнтації земної осі в просторі або прецесія земної осі відносно перпендикуляру до екліптики. Період прецесії становить 26 тис. років. Прецесія земної осі призводить до взаємної зміни положення точок зимового і літнього сонцестояння відносно перигелію орбіти.

При малому ексцентриситеті положення точок літнього та зимового сонцестояння відносно перигелію орбіти не призводить до суттєвих змін кількості тепла, яке надходить на Землю протягом зими та літа. При великих ексцентриситетах Земля швидко проходить частину орбіти біля перигелію, де найбільша кількість сонячної радіації. Решту витягнутої орбіти через точку весняного рівнодення до афелію Земля проходить повільно, довго перебуває далеко від Сонця. Якщо в цей час перигелій і точка зимового сонцестояння співпадає, то в північній півкулі буде спостерігатись коротка тепла зима та довге прохолодне літо, а в південній півкулі – коротке тепле літо і довга холодна зима. Якщо з перигелієм буде співпадати точка літнього сонцестояння, то в північній півкулі буде спостерігатись тепле коротке літо і довга холодна зима, а в південній коротка тепла зима і довге прохолодне літо.

Тривале прохолодне і вологе літо сприяє накопиченню криги у тій півкулі, де зосереджена основна частина суходолу. Отже, зміна надходження тепла на Землю через малі гравітаційні збурення земної орбіти може суттєво впливати на клімат.

Враховуючи усі ці зміни елементів земної орбіти, югославський вчений М. Міланкович побудував криву надходження сонячної радіації за 650 тис. років. Цим він сподівався пояснити наявність льодовикових та міжльодовикових стадій четвертинного зледеніння. Пізніше виявилось, що повного співпадіння цих стадій з кривою немає. Крім того, таку криву можна побудувати і для третинного періоду, але ознак зледеніння в цей період не виявлено.

Фізичні гіпотези

Представники цих гіпотез пояснюють зміну клімату Землі у минулому зміною кількості та спектрального складу сонячної радіації, яка надходить на Землю. Такі зміни можливі як в наслідок зміни фізичного стану Сонця, так і зміни оптичних властивостей атмосфери.

Ще в 19 ст. зміни клімату пояснювали зміною вмісту в атмосфері вуглекислого газу. Розрахунки показують, що якби не було в атмосфері вуглекислого газу, то середня температура повітря на Землі була б -7⁰ С, тобто на 21⁰ нижчою, ніж зараз. Подвоєння вмісту СО₂ могло б підвищити середню річну температуру до 18⁰ С.

Отже, теплі періоди в історії Землі пояснювали великим вмістом СО₂ в атмосфері, а холодні – малим. Але чергування льодовикових і міжльодовикових епох під час четвертинного зледеніння пояснити важко, оскільки невідомі причини можливої зміни вмісту СО₂ в атмосфері.

Крім того, клімат може змінюватись в результаті зміни прозорості атмосфери. При забрудненні атмосфери вулканічним пилом і попелом збільшується альбедо Землі як планети. Внаслідок цього до Землі надходить менше сонячної радіації і її температура знижується. Так, вулкан Кракатау (Індонезія) в 1883 р. викинув в атмосферу близько 18 км³ пилу та попелу, а вулкан Катмаі (Аляска) в 1912 р. – близько 21 км³. Дрібний пил та попіл може зберігатись в атмосфері протягом кількох років.

Після виверження вулкану Катмаі інтенсивність сонячної радіації в Алжирі зменшилась на 20%. У цей же час коефіцієнт прозорості атмосфери в Ленінградській області зменшився до 0,588, а в серпні навіть до 0,560 замість нормального його значення 0,765.

Докази впливу вулканів на температуру можна продовжити. Так, в 1815 р. вулкан Тамбора на о. Субава (Індонезія) викинув величезну кількість попелу. Його шлейф покрив атмосферу всієї північної півкулі. Наступного року в Західній Європі сніг лежав до червня, а в серпні вже почались приморозки. Англія залишилась практично без літа. Про роль вулкану в цьому похолоданні європейці і не здогадувались. Лише у наш час історико-географічний аналіз дозволив відтворити причинний зв’язок.

У березні 1963 р. стався вибух вулкану Агунг (о. Балі, Індонезія). Уже через кілька місяців в Австралії пряма сонячна радіація зменшилась на 24%, а через рік – на 16%. На станціях Антарктиди пряма сонячна радіація зменшилась на 40%.

У березні-квітня 1982 р. було кілька потужних вивержень вулкану Ель-Чічон (Мексика). Це найбільше виверження протягом 20 ст. Утворилось два шари аерозолю на висотах 18 та 24 км, які потім об’єдналися в один. Хмара аерозолю обійшла земну кулю за 21 день з середньою швидкістю 22 м/с. До 27 червня хмара розширилась від екватора до 30⁰ пн.ш., а невелика її кількість досягла 30⁰ пд.ш. В усіх зонах, які попали під вплив вулкану, температура повітря знизилась на 1-2⁰ С, причому найменше зниження було поблизу екватора.

Отже, клімат земної кулі має тісний зв’язок з вулканічною діяльністю. В історії розвитку Землі були періоди інтенсивної вулканічної діяльності і спокійні періоди. Але при зміні льодовикових та міжльодовикових епох в плейстоцені вулканічна активність не змінювалась.

До фізичних гіпотез належать також ті, які пояснюють зміну клімату циклічними коливаннями діяльності Сонця. При цьому могла змінюватись як сонячна стала, так і потоки ультрафіолетової та корпускулярної геоактивної радіації.