Идея влияния параметров земной орбиты и наклона оси на S0 и приходящую инсоляцию была высказана еще в 1842 г. французским математиком Адамаром и затем развита в 1930—1938 гг. в работах югославского геофизика Миланковича.
Как известно, величина S0 обратно пропорциональна квадрату расстояния от Земли до Солнца. Вследствие эллиптичности земной орбиты это расстояние меняется, в связи с чем меняется и количество приходящей радиации к различным широтным зонам. После Миланковича расчеты эксцентриситета были повторены рядом американских и советских авторов за 30 млн. лет в прошлом и 1 млн. лет в будущем. Он колеблется в пределах 0,0007—0,0658 (в настоящее время равен 0,017) с периодами 90 тыс. — 100 тыс., 425 тыс. и 1200 тыс. лет.
Угол наклона ε составляет 22,068°—24,568° с периодами 41 тыс. и 200 тыс. лет (по Миланковичу этот период 40 400 лет, по некоторым американским данным угол ε колеблется за последние 500 тыс. лет от 21,8° до 24,4°), в настоящее время он равен 23,5°. Прецессия орбиты (параметр е·sin π) колеблется в пределах от 0,03 до 0,07 относительно его значения в 1950 г. со средним периодом около 21 тыс. лет. Все эти периоды неплохо согласуются с имеющимися представлениями о колебании климата в плейстоцене. Источником изменения параметров земной орбиты является меняющееся гравитационное поле в системе планет Солнечной системы.
Расчеты движения Земли с учетом возмущений, создаваемых действием сил притяжения других планет, производились еще в XVIII столетии Ж. Л. Лагранжем, а затем уточнялись другими учеными. Они подтвердили наличие подобных колебаний. Расчеты показали, что в среднем отмеченные колебания параметров земной орбиты существенно не меняют приходящей к Земле суммарной радиации, но она перераспределяется между полушариями, широтными зонами, различными сезонами.
Если предположить, что эллиптичность орбиты, характеризуемая эксцентриситетом, — единственный климатообразующий фактор, то полушарие, находящееся в перигелии зимой (как сейчас северное полушарие), должно иметь более длинные и прохладные летние сезоны. В противоположном полушарии — в апогее зимой — более короткие теплые летние сезоны и более продолжительные холодные зимы. Сезонные контрасты должны быть увеличены в период максимальной эллиптичности орбиты, как примерно 20 тыс. лет назад, когда наблюдался один из наибольших максимумов этого параметра. Период таких изменений составляет порядка 90—100 тыс. лет. В настоящее время мы медленно приближаемся к периоду наименьшей эллиптичности, когда сезонные контрасты должны уменьшиться.
Временной ход эксцентриситета за последние 500 тыс. лет приведен на рис. 10, а. Этот фактор указывает на приближение к новой ледниковой эпохе. Временной ход угла наклона земной оси е за тот же период приведен на рис. 10, б. Хорошо видно, что последний максимум угла наклона наблюдался почти 8—10 тыс. лет назад, что соответствует времени существования климатического оптимума. Следующий минимум ожидается примерно через 20 тыс. лет. При минимальном угле наклона ε контрасты между сезонами будут наименьшими. При максимальном угле наклона различия в тепловой энергии, достигающей Земли, между летними и зимними сезонами будут наибольшими. Этот эффект происходит синхронно в северном и южном полушариях и зависит от широты. Он мал у экватора и имеет максимум у полюсов. Так, средняя инсоляция летом на широте 45° изменяется на 1,2% на каждый градус изменения угла ε, а амплитуда инсоляции (при амплитуде этого угла за последние 500 тыс. лет в 2,6°) составляет примерно 3%. Однако для широты 65° одному градусу изменения угла наклона оси соответствует изменение инсоляции на 2,5%. Амплитуда же инсоляции для этой широты составит уже 6,5%. Таким образом, в период максимальных углов наклона земной оси ледники должны отступить, а интенсивность цирукуляции атмосферы увеличиться; при уменьшении угла ε наоборот. В ближайшем будущем (рис. 10, б) следует ожидать уменьшения угла наклона оси, что приведет к наступлению ледников и уменьшению контрастов между сезонами.
Рис. 10. Изменение параметров земной орбиты и наклона оси вращения за последние 500 тыс. лет
Третий параметр, который влияет на величину S0 и климат, — прецессия орбиты. Эффект влияния данного фактора с периодом порядка 21 тыс. лет проявляется в одной фазе в северном и южном полушариях и не зависит от широты. В настоящее время Земля и Солнце ближе всего находятся друг от друга в январе (лето в южном полушарии). Но 10 тыс. лет назад это происходило в июле. Следовательно, еще через 10—11 тыс. лет картина станет обратной: летом южного полушария Земля будет дальше от Солнца, а летом северного ближе. В результате лето южного полушария и зима северного полушария станут еще холоднее, а зима южного полушария и лето северного — несколько теплее. Временной ход индекса, характеризующего прецессию орбиты, приведен на рис. 10, в.
На рис. 11 приведен временной ход суммарной инсоляции, вычисленной Бреккером и Ван Донком в 1970 г. для трех широтных кругов (45°, 55° и 65° с. ш.) за последние 500 тыс. лет. Данные позволяют сделать вывод, что чередование ледниковых-межледниковых эпох удивительно хорошо согласуется с периодами колебания параметров земной орбиты и наклона оси Земли. При учете всех трех факторов амплитуды изменения инсоляции составили около 5% относительно средних летних значений, что весьма много. Это равноценно изменению инсоляции вследствие уменьшения солнечной постоянной примерно на те же 5%.
Изменения инсоляции такой величины вполне могут объяснить колебания климата в течение последних 500 тыс.— 1 млн. лет. Устойчивого уменьшения инсоляции на несколько процентов достаточно, чтобы объяснить появление крупных оледенений и их ослабление. Во всяком случае, на рис. 11 отчетливо видно совпадение увеличения инсоляции с климатическим оптимумом 8—10 тыс. лет назад, а уменьшение — с последним ледниковым периодом. Согласуются и другие эпохи потепления и похолодания климата в прошлом. Детальные расчеты советских специалистов показали, что очередной минимум инсоляции, который почти на 5% ниже современной величины инсоляции, будет наблюдаться через 11 тыс. лет.
Анализируя эпохи оледенения Земли, следует иметь в виду, что изменение орбитальных параметров Земли и наклона ее оси вращения должно было отразиться на широтных контрастах температуры, что в свою очередь должно повлиять на характер циркуляционных процессов в атмосфере. Поэтому строгого соответствия периодов минимальной инсоляции и максимального оледенения может и не быть. К тому же на этот механизм накладывается влияние и других факторов.
Однако из всех естественных причин, вызывающих изменения климата, колебания параметров земной орбиты и как следствие инсоляция — наиболее реальные и более или менее ясно понимаемые климатообразующие факторы[1]. На основании экстраполяции рассмотренных параметров можно сделать вывод о том, что ход естественных процессов приближает нас к новому ледниковому периоду, который может наступить через несколько тысяч лет. Сейчас Земля находится в фазе межледниковья и приближается к эпохе оледенения со средней скоростью уменьшения инсоляции порядка 0,2—0,4% за тысячу лет.
Рис. 11. Временной ход летней инсоляции за последние 500 тыс. лет
Вторая группа факторов, относящаяся к астрономическим и влияющая либо на S0, либо на внутриатмосферные механизмы, — процессы на самом Солнце. Данная группа факторов относится к проблеме, получившей в последние годы название «солнечно-земные связи в погоде и климате». И хотя эта проблема одна из старейших, она до сих пор принадлежит к числу остродискуссионных и имеет как горячих приверженцев, так и непримиримых противников. Однако противников признания влияния солнечно-атмосферных связей на погоду и климат становится все меньше, а их аргументация слабеет на фоне появления новых экспериментальных и теоретических работ, подтверждающих наличие таких связей.
На Солнце существует много процессов, характеризующих его активность. Но наибольшее внимание всегда уделялось солнечным пятнам как признаку солнечной активности, т. е. они имеют самый длительный ряд наблюдений. Средний диаметр солнечных пятен около 37 тыс. км, а наибольший — до 245 тыс. км. Средняя температура в них почти на 2000 К ниже, чем эффективная температура фотосферы. Магнитное поле солнечных пятен много выше, чем в целом для диска Солнца, а полярность лидирующего пятна в биполярной группе противоположна полярности следующего за ним пятна.
В последние годы появились научные работы, в которых делается попытка на основе магнитно-гидродинамической теории объяснить существование циклов солнечных пятен. Такая работа, в частности, выполнена А. С. Мониным. Имеются, однако, и другие идеи, связывающие цикличность в появлении солнечных пятен с аномалиями в поле гравитации, создаваемыми планетами Солнечной системы.
