Изменение орбиты Земли влияет на планетарный климат

Ученые, бурящие древние скалы в пустыне Аризоны, говорят, что они зафиксировали постепенный сдвиг на орбите Земли, который повторяется каждые 405 000 лет, играя роль в естественных колебаниях климата.

Астрофизики давно выдвинули гипотезу о том, что цикл существует на основе расчетов небесной механики, но авторы нового исследования нашли первые проверяемые физические доказательства.

Они показали, что цикл был стабильным на протяжении сотен миллионов лет, начиная с появления динозавров и до сих пор действует. Исследование может иметь последствия не только для изучения климата, но и для нашего понимания эволюции жизни на Земле и эволюции Солнечной системы.

Ученые в течение десятилетий полагали, что орбита Земли вокруг Солнца меняется от почти круглой до примерно на 5 процентов эллиптической и обратно каждые 405 000 лет. Считается, что сдвиг обусловлен сложным взаимодействием с гравитационными влияниями Венеры и Юпитера вместе с другими телами Солнечной системы, поскольку они все вращаются вокруг Солнца.

Астрофизики полагают, что математический расчет цикла надежный на срок до 50 миллионов лет, но после этого проблема становится слишком сложной, потому что слишком много факторов приходится учитывать.

«Существуют и другие, более короткие, орбитальные циклы, но когда вы смотрите в прошлое, очень сложно узнать, с чем вы имеете дело в каждый момент времени, потому что все постоянно меняется», — сказал ведущий автор работы Деннис Кент, эксперт в палеомагнетизме в Обсерватории Земли Ламонт-Доэрти в Колумбийском университете и Университете Рутгерса.

Новые доказательства лежат в пределах 500-метровых скальных пород, которые Кент и его соавторы пробурили в Национальном парке в Аризоне в 2013 году, а также более ранние глубинные ядра из пригорода Нью-Йорка и Нью-Джерси. Аризонские породы, были образованны во время позднего триаса, между 209 миллионами и 215 миллионами лет назад, когда область была покрыта извилистыми реками, которые закладывали осадки пород. Примерно в это же время начали развиваться ранние динозавры.

Ученые изучали породы Аризоны, анализируя вкрапленные слои вулканического пепла, содержащие радиоизотопы, которые распадаются с предсказуемой скоростью. В пределах осадков они также обнаруживали неоднократные развороты полярности магнитного поля планеты. Затем группа сравнила эти данные с ядрами Нью-Йорка и Нью-Джерси, которые проникли в старые озера и почвы, в которых сохранялись признаки чередования влажных и сухих периодов в истории Земли.

Кент и Олсен уже давно утверждают, что изменения климата, проявленные в скалах Нью-Йорка и Нью-Джерси, контролировались 405-тысячным циклом. Однако там нет слоев вулканического пепла для установления точных дат. Но эти ядра действительно содержат развороты полярности, подобные тем, которые были обнаружены в Аризоне.

Объединив два набора данных, команда показала, что оба места менялись в одно и то же время, и что интервал в 405 000 лет действительно является своего рода основным контроллером над колебаниями климата. Палеонтолог Пол Олсен, соавтор исследования, сказал, что цикл не меняет климат напрямую; скорее, он усиливает или ослабляет последствия более коротких циклов, которые действуют более непосредственно.

Планетарные движения, которые стимулируют климатические колебания, известны как циклы Миланковича, названные по имени сербского математика, который разработал их в 1920-х годах. Они состоят из 100 000-летнего цикла в эксцентриситете орбиты Земли, подобно большому 405 000-летнему колебанию; 41 000-летний цикл в наклоне земной оси относительно ее орбиты вокруг Солнца; и 21 000-летний цикл, вызванный колебанием оси планеты. Вместе эти изменения меняют пропорции солнечной энергии, достигающей Северного полушария, и это, в свою очередь, влияет на климат.

В 1970-х годах ученые показали, что циклы Миланковича приводили к повторному потеплению и охлаждению планеты и, таким образом, к появлению и прекращению ледникового периода за последние несколько миллионов лет.

Но они все еще спорят о несоответствиях в данных за этот период, а также о взаимоотношениях циклов с растущим и понижающимся уровнями углекислого газа с одной стороны, а с другой — очевидным основным климатическим контролем. Понимание того, как все это работало в более отдаленном прошлом, еще сложнее. Во-первых, частоты более коротких циклов почти наверняка изменились с течением времени, но никто не может точно сказать, на сколько.

С другой стороны, циклы постоянно влияют друг на друга. Иногда некоторые не совпадают по воздействию с другими, и они склонны отменять друг друга; либо несколько циклов могут выстраиваться в линию друг за другом, чтобы инициировать внезапные, радикальные изменения. Выполнение расчета того, как все они могут соединиться друг с другом, становится еще сложнее, если мы хотим заглянуть дальше во времени.

Кент и Олсен говорят, что каждые 405 000 лет, когда орбитальный эксцентриситет находится на пике, сезонные различия, вызванные более короткими циклами, становятся более интенсивными; лето жарче, а зима холоднее; сухой период еще суше, дождливый еще более влажным.

Противоположностью будет время 202 500 лет спустя, когда орбита Земли будет самой круглой. Во время позднего триаса, по непонятным причинам, Земля была намного теплее, чем сейчас, спустя многие циклы, и оледенения практически не было. Затем цикл 405 000 лет проявился в чередующихся влажных и сухих периодах. Осадки достигли пика, когда орбита была наиболее эксцентричной, создавая глубокие водные пространства, которые оставили слои черного сланца в восточной части Северной Америки. Когда орбита была наиболее близка к окружности, они иссякли, оставив более легкие слои почвы.

Кент и Олсен говорят, что из-за всех конкурирующих факторов еще многое предстоит узнать. «Это действительно сложный материал, — сказал Олсен. «Мы используем в основном те же самые виды математики, что и для отправки космических кораблей на Марс и, конечно же, это работает. Но как только вы начнете распространять межпланетные движения назад во времени, чтобы выяснить влияние на климат, вы не сможете утверждать, что точно понимаете, как все это работает». По его словам, метрономический ритм 405-тысячного цикла может помочь исследователям разобраться в этом непростом деле.

Если вам интересно, Земля в настоящее время находится в почти круговой части 405 000-летнего периода. Что это значит для нас? «Наверное, ничего особо заметного», — говорит Кент. «Все это довольно далеко в списке многих других факторов, которые могут повлиять на климат во времени, который имеет для нас значение». Дэннис Кент указывает, что, согласно теории Миланковича, мы должны быть на пике тенденции потепления в 20-тысячном цикле, который закончился последним ледниковым периодом; Земля может в конце концов снова начать охлаждение в течение тысяч лет и, возможно, затем наступит новый ледниковый период.

Больше информации: Dennis V. Kent el al., «Empirical evidence for stability of the 405-kiloyear Jupiter–Venus eccentricity cycle over hundreds of millions of years,» PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1800891115