Настоящая статья подготовлена специально для читателей сайта www.nuz.uz недавно трагически ушедшем из жизни Евгением Исааковичем Олевским.

Уже после того, как статья была передана в редакцию, Евгений Исаакович принял решение дополнить её некоторыми данными. К сожалению, не успел. Поэтому редакция приняла решение опубликовать статью в таком виде.

Важнейшим элементом климата, влияющим на остальные его характеристики, в первую очередь на температуру, является лучистая энергия Солнца. Есть и другие многочисленные факторы, которые влияют на климат Земли.

На нашей планете действуют четыре главных фактора определяющих климат:

1. Один фактор работает на потепление – это парниковый эффект
2. Другой фактор работает на похолодание – это образование облаков, которые отражают солнечное излучение в космос.
3. Расположение крупных планет в Солнечной системе — взаимодействие Земли с Юпитером и Сатурном (в основном) приводит к увеличению эксцентриситета орбиты и оказывает влияние на наклон оси собственного вращения планеты. В результате этого воздействия на Земле формируются ледниковые и межледниковые климатические циклы, называемые циклами Миланковича.
4. Вулканизм – эпохи массового извержения вулканов за счёт запыления верхних слоёв атмосферы ведут к экранированию Земли от солнечного излучения и отражения инфракрасных лучей от нагретого запылённого воздуха назад в Космос. Вулканы также могу извергать много углекислого газа.

На схеме видно, что один из факторов – водяной пар – действует как на похолодание через облака, так и на потепление через парниковый эффект.

Парниковый эффект

Что такое парниковый эффект.

Учёный Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом. Прозрачность атмосферы отличается для различных газов, составляющих земную атмосферу (водяной пар, углекислый газ, кислород, аргон, азот, метан, озон).

На этом рисунке показано действие двух факторов климата – парникового эффекта и отражения от облаков. Солнечные лучи попадают на Землю, нагревают поверхность. Нагретые поверхности излучают инфракрасные лучи, часть из которых уходит в космос, часть поглощается парниковыми газами нагревая атмосферу.

Парниковый эффект вызывают так называемые парниковые газы. Перечислим их в порядке убывание силы их влияние на климат:

Вопреки распространённому мнению главным парниковым газом по силе действия является не углекислый газ (СО2), а водяной пар. Увеличение средней температуры на Земле ведёт к увеличению испарения океанов генерирующее водяной пар и таким образом ускоряющее потепление. Увеличение содержания в атмосфере углекислого газа также ведёт к увеличению средней температуры на Земле, но в меньшей степени, чем увеличение содержания водяного пара (влажности атмосферы).

Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере кроме влияния на парниковый эффект имеет другие положительные и отрицательные эффекты. Важным положительным эффектом увеличения содержания углекислого газа является значительный рост урожайности всех растений на Земле, так как растения больше чем на 50% состоят из углекислого газа, который участвуют в процессе фотосинтеза – усвоения энергии солнца в виде древесной массы и процесс фотосинтеза сопровождается выделением кислорода – весь кислород на Земле создан растениями за очень большой промежуток времени. Таким образом уголь, это солнечная энергия, запасённая растениями за миллионы лет. На Земле были эпохи, когда содержание углекислого газа было в десятки раз больше, чем сейчас – по этой причине растительность была крупнее и обильнее. Сейчас на Земле период, когда существуют сильная нехватка углекислого газа в атмосфере. Последние 20 лет на Земле наблюдается дополнительный рост массы древесины лесов на 37%.

Считается пока отрицательным эффектом увеличения содержания углекислого газа в атмосфере растворение углекислого газа в Мировом океане, что ведёт к его закислению и увеличению количества микроводорослей (цветение воды).

Главные парниковые факторы повышения средней температуры Земли, это водяной пар и углекислый газ.

1. Увеличение содержания водяного пара – повышение температуры Мирового океана и увеличение испарения.
2. Увеличение содержания углекислого газа – извержение вулканов, сжигание людьми углеводородов.

Таким образом все парниковые газы работают на потепление.

Облака – отражение солнечной энергии в Космос

Увеличение содержания в атмосфере водяного пара вызываемое повышением температуры Мирового океана кроме парникового эффекта ведёт к увеличению количества облаков на Земле и к отражению солнечного излучения в Космос. Каждый испытывал на себе эффект, когда в жару появившиеся облака сразу снижают температуру в тени облака, но вряд ли кто думал в этот момент, что облако отражает энергию солнца непосредственно в Космос и она навсегда улетает с Земли. Полное закрытие неба облаками приведёт к сильному похолоданию, но так как похолодание уменьшит испарение океанов, то процесс охлаждения сам собой бы прекратился — т.е. действует саморегуляция. Последние годы распространился в СМИ сценарий того, что земля может превратиться в раскаленную Венеру, где температура воздуха достигает почти 500 градусов Цельсия. По оценке учёных когда-то на Венере температура была близкой к земной, но парниковый эффект привёл к разогреванию Венеры. Венерианский сценарий на Земле невозможен, так как испарение океанов и появление сильной облачности приведет к резкому торможению потепления.

По исследованиям геологов, климатологов, на Земле уже были периоды, когда средняя температура на Земле была на 10 градусов выше, чем сейчас. Масса растительности была гораздо больше чем сейчас из большего количества углекислого газа и более мягкого климата. Повышение на 10 градусов средней температуры не значит, что если где-то в пустыне сейчас бывает 55 градусов, то будет 65 – скорее наоборот – климат смягчится, ночи станут теплее, днём станет прохладнее, на полюсах температура станет значительно выше.

Положение планет

Юпитер и Сатурн, могут как увеличивать эксцентриситет орбиты Земли (как бы оттягивать Землю от Солнца уменьшая количество энерги) так и наоборот – уменьшать эксцентриситет орбиты. В этом вопросе возможно будет разочарованы люди верующих в магию, например, в магическое влияние парада планет на жителей Земли. Парад планет – это когда все или большая часть планет солнечной системы выстраивается в одну линию. На самом деле парад планет влияет на Земную орбиту сильнее по чисто физическим причинам – все планеты тянут Землю в одну сторону в случае, когда они собрались с одной стороны от орбиты Земли и этот эффект гораздо меньше, когда планеты распределены на орбитах произвольным образом.

Ещё более важный эффект влияния притяжения планет на климат Земли – это действие планет на наклон оси вращения Земли. Известно, что наклон оси вращения Земли является основной причиной смены времён года.

Влияние положения планет на климат Земли проявляется в Ци́клах Мила́нковича

Ци́клы Мила́нковича (названы в честь сербского астрофизика Милутина Миланковича) — колебания достигающего Земли количества солнечного света и солнечной радиации в зависимости от изменений положения оси Земли и её орбиты. В значительной мере циклы Миланковича объясняют происходящие на Земле на сверхдлительных временных промежутках (от десяти до ста тысяч лет) естественные изменения климата и играют большую роль в климатологии и палеоклиматологии. Циклы Миланковича никак не связаны и не объясняют нынешние темпы глобального потепления, более того, подспудно подтверждают его наличие так как в текущей конфигурации циклов Земля за последний век должна была бы медленно остужаться, но наблюдается обратное. Поэтому можно ожидать, что в любое время глобальный цикл перевесит более короткий цикл вызванный парой «парниковые газы 2 – «альбедо Земли» и начнётся похолодание.

В настоящее время Земля переживает пик температуры — межледниковье — один из самых тёплых за последний миллион лет. Подобный пик с аналогичными значениями можно видеть 400 тыс. лет назад. Хотя периоды межледниковья продолжаются от 10 до 30 тыс. лет, климатический оптимум держится всего несколько столетий. Вполне возможно, он уже закончился вместе со Средневековым климатическим оптимумом. Многие ученые ожидают начало похолодания в ближайшие десятилетия.

В ходе своей истории планета Земля регулярно изменяет эксцентриситет своей орбиты, а также направление и угол наклона своей оси, что приводит к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Эти изменения принято называть «циклы Миланковича», они предсказуемы с высокой точностью. Различают 4 цикла Миланковича:

1. Прецессия — поворот земной оси под влиянием притяжения Луны, а также (в меньшей степени) Солнца. Как выяснил Ньютон в своих «Началах», сплюснутость Земли у полюсов приводит к тому, что притяжение внешних тел поворачивает земную ось, которая описывает конус с периодом (по современным данным) примерно 25 776 лет, в результате которого меняется сезонная амплитуда интенсивности солнечного потока на северном и южном полушариях Земли;
2. Нутация — долгопериодические (так называемые вековые) колебания угла наклона земной оси к плоскости её орбиты с периодом около 41 000 лет;
3. Долгопериодические колебания эксцентриситета орбиты Земли с периодом около 93 000 лет;
4. Перемещение перигелия орбиты Земли и восходящего узла орбиты с периодом соответственно 10 и 26 тысяч лет.

Поскольку описанные эффекты являются периодическими с некратным периодом, регулярно возникают достаточно продолжительные эпохи, когда они оказывают кумулятивное влияние, усиливая друг друга. Они считаются главными причинами чередования гляциальных и интергляциальных циклов последнего ледникового периода, в том числе объясняют Климатический оптимум голоцена. Результатом прецессии земной орбиты являются и менее масштабные изменения, такие как периодическое увеличение и уменьшение площади пустыни Сахара.

Вулканизм

Одно сильное извержение вулкана способно повлиять на климат, вызвав похолодание длительностью несколько лет. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году существенно повлияло на климат. Гигантские извержения, формирующие крупнейшие магматические провинции, случаются всего несколько раз в сто миллионов лет, но они влияют на климат в течение миллионов лет и являются причиной вымирания видов.

Выводы

Таким образом в регуляции климата на Земле действуют четыре противоположных фактора: парниковый эффект на потепление, и образование облаков – на похолодание. Положение планет может влиять как на похолодание, так и на потепление.

Для людей знакомых с математикой сразу станет ясно, что баланс этих всех эффектов рассчитывается с помощью дифференциального уравнения, которое имеет результатом решения уравнение колебательного процесса. Причём эти колебания раскладываются на множество мелких колебаний – внутри большого цикла, более мелкие циклы, внутри каждого мелкого ещё более мелкие (Ряд Фурье).

Таким образом климат непрерывно колеблется. Известны климатические циклы, которые длятся миллионы лет, а есть циклы, которые длятся сотни или даже десятки лет. Прогнозировать итоговые циклы наука пока не может.

Ясно, что у нас есть запас в потеплении порядка 10 градусов, после чего температура Земли с неизбежностью начнёт падать, но может начать падать гораздо раньше.

Запас по углекислому газу у нас также очень большой, так как в предыдущие эпохи содержание углекислого газа было больше в десятки раз и в результате саморегуляции климата перегрева Земли не произошло.

Е.И.ОЛЕВСКИЙ

Полезные ссылки статьи:

1. Влияние  положения планет: https://astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20191105174419#:~:text=Взаимодействие%20Земли%20с%20Юпитером%20и,климатические%20циклы%2C%20называемые%20циклами%20Миланковича
2. Циклы_Миланковича ru.wikipedia.org/wiki/Циклы_Миланковича
3. Что такое парниковый эффект — https://archive.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/ru/faq-1-3.html
4. Определение климата, факторы климата https://ru.wikipedia.org/wiki/Климат