Земята се люлее в ритъм с ледниковия период
На всеки 100 000 години земята се събужда от леден сън и се променя в климата на междуледниковия период за 10 000 до 20 000 години - като този, в който живеем днес. Последният ледников период приключи преди около 11 000 години и тук в Европа огромният ледник, който покри Скандинавия, Северна Германия и големи части от Източна Европа, се стопи. Съответно, вече щяхме да имаме голяма част от сегашното междуледниково минало покрай нас - а следващата ледникова епоха на практика щеше да бъде точно зад ъгъла.
Но Андре Бергер от Католическия университет в Льовен, Белгия, не е съгласен. Според неговите изчисления Земята се насочва към рядко съзвездие от орбитални параметри, което ще удължи нашия междуледен период с до 50 000 години. Допълнителното глобално затопляне, причинено от парниковия ефект на човека, може дори да сложи край на ледниковия период, който е продължил около три милиона години и се характеризира с редуване между ледникови векове и междуледници.
"Часовниците", които принуждават ледените възрасти на земята на равни интервали, са Луната и другите планети в нашата Слънчева система. Ако имаше само слънцето и земята, тогава според законите на Кеплер земята би обикаляла около слънцето на постоянна елипса. Ако земята също беше точно сферична, тогава ориентацията на оста на въртене в пространството винаги щеше да остане същата. Последицата ще бъде, че всеки регион на земята винаги ще получава точно същото количество слънчева радиация на една и съща дата всяка година - при условие, че количеството енергия, излъчвано от слънцето, не варира. Единствената климатична промяна би била смяната на сезоните: на полукълбото, обърнато към слънцето, винаги има лято, а напротив е зима. Само във времеви мащаб от много милиони години ще има допълнителни промени поради изместването на континентите.
Но реалността е много по-сложна. Земята не е сфера, а приблизително елипсоид на революцията - казано по-просто: компресирана сфера. Поради центробежната сила, причинена от собственото й въртене, екваториалният диаметър на земята е с 43 километра по-голям от диаметъра на полюса. Гравитационният ефект на слънцето и луната върху тази екваториална издатина предизвиква сила, която се опитва да изправи косата ос на земята. Както при играчка отгоре, върху която се въздейства външна сила (например удар), резултатът е прецесия: земната ос се клати. Отнема около 26 000 години, за да завършите пълен „цикъл на преобръщане“.
Ако земната орбита беше кръгла, прецесията нямаше да има климатични последици. В случая на елиптична орбита обаче има значение дали полукълбата има лятото или зимата си в точката на орбитата, най-отдалечена от или най-близо до слънцето - от една страна, защото разстоянието до слънцето се променя, от друга страна, защото планетата се движи по-бавно през най-отдалечената от слънцето точка, отколкото се премести през точката, най-близка до слънцето. Ето защо лятото в северното полукълбо днес е по-дълго от това в южното полукълбо. След малко повече от 10 000 години - след половината „цикъл на преобръщане“ - ще бъде обратното.
Освен това останалите планети издърпват земята със своята гравитация и принуждават допълнителни периодични промени в параметрите на орбитата върху нея. Наклонът на земната ос по отношение на оста на въртене на земната орбита се колебае с около 2,5 градуса за период от 41 000 години. „Луната обаче има най-голям дял през този период“, обяснява Бергер. Колкото повече е наклонена земната ос, толкова по-голяма е разликата между сезоните.
Освен това земната орбитална елипса не лежи постоянно в космоса, а се върти около слънцето като хула обръч с период от около 100 000 години. Тъй като тази ротация противоречи на прецесията, тя ефективно съкращава своя период до 21 000 години. В допълнение, елипсата "пулсира" между по-кръгла и по-елипсовидна форма с период от около 100 000 години. На всеки 400 000 години земната орбита дори става почти кръгла.
Тъй като всички тези периоди на колебания променят количеството енергия, което регионът на земята получава от слънцето през определен сезон, някои изследователи се опитват да обяснят формирането на ледникови епохи с тях още през 19 век. Сръбският професор по математика Милутин Миланкович възприема идеите им от 1915г. Миланкович беше запознат с новите изчисления на земната орбита от немския математик Лудвиг Пилгрим, който беше изчислил параметрите на орбитата през последните милион години. Миланкович подозира, че само подробно изчисление на слънчевото облъчване в зависимост от географската ширина ще даде задоволително обяснение за причината за ледниковите епохи. „Днес тези изчисления биха били приятна изчислителна задача, която да се даде на студент през лятната ваканция“, казва Ричард Мюлер, професор в Калифорнийския университет в Бъркли, който в момента работи по вариант на теорията на Миланкович.
По времето на Миланкович нямаше компютри. Той изчислява в продължение на много години, докато не получи кривите на радиация през последните 600 000 години за различни географски ширини. В кривата, представяща слънчевата радиация през лятото в по-високите северни ширини, Миланкович идентифицира периоди на много ниска слънчева радиация. Той е убеден, че тези периоди са поставили началото на ледниковите епохи. Защото: Южно от границата, която минава през по-високите северни ширини, снегът, който е паднал през зимата, се топи напълно през лятото - поне в години с умерени летни температури. Ако обаче там стане малко по-студено през лятото, тогава малко сняг ще остане до следващата зима. Тъй като снегът отразява слънчевата светлина, този ефект се засилва сам. Снежната покривка се уплътнява от година на година, образувайки леден ледник, който се придвижва все по-на юг. Това е началото на ледникова епоха, която засяга климата на цялата земя.
За разлика от своите предшественици, Миланкович осъзнава, че ледените епохи не се редуват между двете полукълба - което всъщност би могъл да се очаква само въз основа на астрономически фактори. Но северното полукълбо доминира в целия климат на Земята, защото тук се намират около две трети от земната площ. А ледниците могат да се образуват само на сушата.
Миланкович публикува своята теория през 1920 г. Когато органичните останки, например от находищата на ледници, могат да бъдат датирани с помощта на радиовъглеродния метод за първи път през петдесетте години на миналия век, са намерени периоди, които съответстват на 21 000-годишния прецесионен цикъл. В същото време обаче данните противоречат на изчислените от Миланкович дати на ледниковите епохи. „По това време както техниките за геологично датиране, така и астрономическите изчисления далеч не бяха достатъчно точни, за да направят ясно изявление“, казва Бергер, обяснявайки това противоречие. Професорът по геофизика и астрономия, който бе посветен в рицарство („Шевалие“) от белгийския крал Алберт II през 1996 г., работи по по-нататъшното развитие и уточняване на теорията на Миланкович повече от 30 години.
Също през 50-те години на миналия век италианският геолог Чезаре Емилиани използва все още сравнително новия метод за анализ на изотопния кислород, за да направи заключения за температурите от минали времена от морските седименти. Емилиани също намери съгласие с предсказанията на теорията на Миланкович. Всъщност Емилиани вероятно беше първият, който дори преброи продължителността на циклите в радиационните криви на Миланкович. Самият Миланкович никога не е правил това - поне в публикациите си - и методите му на изчисление не са му позволявали да вижда цикли директно “, казва Бергер.
Също така Бергер беше този, който заедно с резултатите от група, ръководена от Джеймс Хейс от обсерваторията на Ламонт Дохърти в Колумбийския университет, Ню Йорк, помогна на теорията на Миланкович да постигне своя пробив през 70-те години. Заедно със своите колеги Джон Имбри и Никълъс Шакълтън, Хейс е изследвал дълбоководно ядро, чийто материал се е връщал в продължение на милион години. Триото имаше брилянтна идея: изследователите не само извършиха изотопен анализ на сондажната сърцевина, но и потърсиха обръщане на магнитното поле на Земята в седиментите. Тъй като времето на последния обрат беше известно сравнително точно - според това, което беше известно по това време, то се е случило преди малко повече от 70 000 години (сегашни познания: преди 790 000 години). Това най-накрая направи възможно да се даде точна дата на ледниковите епохи и продължителността на цикъла.
„За първи път Хейс и колегите му откриха 100 000-годишния и 41 000-годишния цикъл, а също 23 000-годишен и 19-годишен вместо 21 000-годишния“, обяснява Бергер с още една изненада: „Тези цикли на Миланкович, така наречени от американците, всъщност бяха изчислени теоретично за първи път - приблизително едновременно с разследванията на Хейс.“ Той добавя палаво: „Освен ако не съм пренебрегнал някого.“ годишният Бергер е награден с медала на Милутин Миланкович, който се присъжда ежегодно от 1993 г., от Европейското геофизично общество през 1994 г.
Тези цикли, които бяха открити независимо един от друг в геоложките данни и в изчисленията на Бергер, бяха убедително доказателство за правилността на основните твърдения на теорията на Миланович. „Сега сме сигурни, че ледниковите епохи са причинени от промени в параметрите на орбитата на Земята“, пише Хейс през 1976 г., добавяйки: „Доказателствата са толкова убедителни, че алтернативните обяснения трябва да бъдат отхвърлени“.
Той може би беше малко прибързан с това твърдение, защото все още има много несъответствия, които трябва да бъдат изяснени. Едната се отнася за 100 000-годишния цикъл на земната орбитална елипса. „Цикълът на ексцентричността всъщност не трае 100 000 години“, обяснява Ричард Мюлер. „Всъщност това е комбинация от 125 000-годишен и 95 000-годишен цикъл.“ И тъй като тези цикли са с различна дължина, ефектите им се сумират в някои моменти и се отменят в други. „Например преди 400 000 години техните ефекти трябваше да се отменят взаимно“, казва Мюлер. "В повечето геоложки данни обаче няма такова изчезване."
Мюлер обвинява един от пренебрегваните астрономически параметри на Миланкович за 100 000-годишния цикъл: променящият се наклон на земната орбитална равнина по отношение на така наречената инвариантна равнина на Слънчевата система. "Поради огромната маса на Юпитер, може да се каже с добро приближение, че орбиталната равнина на Юпитер представлява инвариантната равнина", обяснява Мюлер. Но имаше добра причина Миланкович и неговите наследници да игнорират този цикъл, който също е на 100 000 години: той не води до никакви промени, които засягат слънчевата радиация на земята - поне не геометрични.
Но - според хипотезата на Мюлер - когато земната орбитална равнина периодично се „разклаща“ през основната равнина на Слънчевата система, земната орбита може редовно да пресича ленти от прах, например от разлагаща се комета. Това би отслабило слънчевата светлина, достигаща земята. „Потърсихме в Гренландския леден лист за доказателства за космически прах, който е бил заловен от земята. Досега не сме намерили доказателства за моята хипотеза ”, признава Мюлер. "Но ние изследвахме само няколко ледени дълбочини."
„Хипотезата на Мюлер е интересна“, казва Андрей Ганополски от Потсдамския институт за изследване на въздействието върху климата. „Но аз вярвам, че можем успешно да обясним циклите от ледниковия период в рамките на класическата теория на Миланкович. За целта обаче той трябва да бъде доразвит и допълнен с факти, които още не са били известни по времето на Миланкович. Това е моята сфера на работа. “Наскоро Ганополски, заедно с колегите си от Центъра за географски изследвания Потсдам, откриха, че драстичната промяна в океанските течения преди 2,7 милиона години доведе до трайно заледяване в северния полярен регион. Едва оттогава климатът на Земята реагира на промени в параметрите на орбитата с промяна между ледената и междуледниковата епоха.
Бергер цитира причината за това: „Според нашите симулационни изчисления има прагова стойност за съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата - около 350 ppmv (части в милионна част от обема). Ако тази стойност не бъде достигната, климатичната система на Земята реагира много по-интензивно на астрономическите фактори. ”За сравнение: Стойността на въглеродния диоксид от преди индустрията е около 280 ppmv, сегашната стойност е 370 ppmv.
Рано Бергер призна, че за цялостно обяснение на ледниковите епохи не е достатъчно просто да се изчисли променливата слънчева радиация за различните географски ширини. Ето защо той работи с изследователската си група повече от 20 години по разработването на климатичен модел, който правилно симулира много сложните, често забавени реакции на земната климатична система на променящите се астрономически условия.
Междувременно Бергер е подобрил своите симулационни изчисления до такава степен, че те правилно отразяват почти всички съответни климатични събития от последните три милиона години - включително съответните времена на максимално заледяване или прехода от господството на 41 000-годишния цикъл към този на 100 000-годишния цикъл преди около милион години.
Сега той се осмелява да прогнозира бъдещи климатични промени. Днешните астрономически параметри не могат да се сравняват с тези от последните междуледникови преди 100 000 години. През следващите хилядолетия минимумът от 100 000-годишния цикъл на ексцентричност ще се припокрива с този от 400 000-годишен. Следователно след 27 000 години земната орбита ще бъде почти кръгова. Това означава, че „цикълът на преобръщане“ губи своя климатичен ефект - а колебанията на лятната слънчева радиация в по-високите северни ширини ще бъдат изключително малки през следващите 100 000 години.
Моделните изчисления на Бергер и неговата колега Мари-Франс Лутр показват, че настоящият междуледен период ще продължи до 50 000 години - и следователно ще бъде толкова дълъг, колкото междуледниковият период преди 400 000 години. Ако съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата надхвърли 700 ppmv в продължение на няколкостотин години - което се предполага в някои сценарии от третия доклад на ООН за климата, публикуван през 2001 г. - тогава Ледената епоха може дори да свърши окончателно. Настоящият междуледен период никога няма да свърши. ■
Д-р AXEL TILLEMANS е физик и работи като журналист на свободна практика в Тиц, Северен Рейн-Вестфалия.