книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Гiaea 7. Косчогенно-к тматические опасные природные процессы

Поток энергии от Солнца определяется соотношением:

I* = [0 х гЧ Г0%

где г и г0 — текущее и среднее расстояние между Землей и Солнцем. Расстояние до Солнца при положении Земли в перигелии равно: гп=

=гс (1 —е), а при положении в афелии равно: га = г0 (1 + е).

Вперигелии на единичную площадку приходится количество солнеч­ ной энергии, определяемое по формуле:

I*n= I0 (1 - е )

или с учетом малости эксцентриситета:

I* = I0 (1 + 2е).

Аналогично получим для афелия орбиты:

I*a = 10 (1 - 2е).

Следовательно:

8I* = I* - I* = 4е10.

Нетрудно подсчитать, что при изменении эксцентриситета от 0,0007 до 0,0658 величина 8 1* меняется от 7 до 26% солнечной постоянной. При наи­ большем эксцентриситете в перигелий приходит энергии больше, чем в афелий, на 1/4 солнечной постоянной.

Схема времен года определяется наклоном оси вращения Земли к эк­ липтике (рис. 7.2).

е

Рис. 7.2. Прецессия земной оси в течение ближайших 400 тыс. лет [Дроздов В.А.. Васильев В.А., 1989]

В настоящее время угол между плоскостью экватора и плоскостью эк­ липтики составляет 23° 26' 30", но его значение меняется от 21,5° до 24,5° с периодом, равным 41 тыс. лет (еще обнаружен период 200 тыс. лет). Это оз­ начает, что широты тропиков и полярных кругов колеблются в пределах 2,5°.

Однако наиболее существенным проявлением гравитационных возму­ щений является прецессия земной оси относительно перпендикуляра к эк­ липтике (рис. 7.3).

221

Гшва " Кос\Юк?нно-к шмимические опасные природные процессы

стояния относительно перигелия орбиты. Период, с которым повторяется взаимное положение перигелия орбиты и точки зимнего солнцестояния, равен 21 тыс. лет. В 1250 г. перигелий совпадал с точкой зимнего солнце­ стояния. При малых эксцентриситетах не возникает существенной разни­ цы в получении тепла.

Орбитальные возмущения меняются достаточно быстро по сравнению с геологическими периодами развития нашей планеты. На основе этого югославский ученый М. Миланкович разработал теорию колебаний клима­ та Земли, объясняющую причины образования ледниковых периодов. Даль­ нейшие дополнения в работах В. Кёппена, И. Имбри, Г.И. Кухла и К.И. Месолелла позволили утверждать, что период изменения наклона земной оси. или прецессии земной оси, составляет 41 тыс. лет, и эти изменения оказы­ вают наибольшее влияние в высоких широтах. В низких широтах сильнее сказывается смещение точек предварения равноденствия вдоль орбиты с пе­ риодами 23 тыс. и 19 тыс. лет. Изменения формы орбиты составляют 100 тыс. лет. Сравнительно недавно установлено, что плоскость орбиты Земли так­ же испытывает колебания с периодами 200 тыс., 425 тыс. и 1,2 млн лет [Шараф Ш.Г., Будникова Н.А., 1969, 1967]. Однако следует отметить, что во всех этих ситуациях рассматривается только радиационный баланс и упуска­ ются из виду процессы переноса тепла, связанные с циркуляцией атмосферы и океана. Реально все обстоит сложнее.

Существует немало исследований истории климата и сопоставлений ее

систорией человечества. Американский ученый А. Идди сопоставил диа­ грамму изменений солнечной активности за последние 5 тыс. лет с кривой изменения количества радиоактивного углерода |4С, содержащегося в дре­ весине, исследованной за тот же период, и обнаружил тесную корреляцию. Следовательно, это косвенно свидетельствует об изменениях в составе ат­ мосферы и климата на планете. А. Идди также отметил соответствие кривых

скрупномасштабными изменениями в истории человечества. Максимумам

иминимумам количества содержания углерода он дал названия историче­ ских этапов человечества.

Согласно гипотезе О. Петтерсона, климатические изменения на протяже­ нии исторического периода обусловлены долговременными колебаниями океанической циркуляции, в основе которой лежат изменения приливооб­

разующей силы в зависимости от положения Солнца и Луны по отношению к Земле. Главным источником этого изменения является период вращения Солнца вокруг своей оси и положение угла наклона его оси и экватора по отношению к земной оси и экватору. Здесь возникает периодичность в 1850 лет. Приливообразующая сила влияет на геофизические и метеорологи­ ческие факторы.

А.В. Шнитников, опираясь на гипотезу О. Петтерсона, проанализировал статистический материал и также выделил цикл длительностью 1850 лет. Ритмичность состоит из двух фаз: первая (300—500 лет) — быстрое и энер­

223

Раздел II. Опасные природные процессы

гичное развитие прохладно-влажного климата; вторая — медленно развива­ ющаяся фаза преимущественно сухого и теплого климата (больше 1000 лет) с отступлением ледников, уменьшением стока рек, падением уровня озер, снижением увлажненности. Остальные годы приходились на переходный период.

Изменения климата непосредственно сказываются на изменении хо­ зяйственной деятельности народов, особенно в допромышленный период. При неблагоприятном суровом периоде наступал экологический кризис и многие цивилизации становились жертвой окружающих кочевых племен, которые в своем развитии стояли на более низком уровне, но были адап­ тированы к жестким сельскохозяйственным условиям. И тогда возникал но­ вый центр цивилизации. Периоды формирования и расцвета цивилизаций приходятся в основном на переходы от влажного к сухому и теплому клима­ ту. Эта же закономерность была подтверждена исследованиями индексов почвообразования (рис. 2 во «Введении»). Учитывая роль почв в земледе­ лии в ранние периоды человеческой истории и высокую корреляцию ва­ риаций почвообразовательных процессов с солнечной активностью, мож­ но в основном согласиться с изложенными утверждениями.

Существуют и более короткие (30—35 лет) смены периодов влажного и прохладного климата на сухой и теплый. Как и более короткие циклы — 178 и 400 дней, эти смены периодов обусловлены гравитационным влияни­ ем Юпитера и Сатурна на Солнце. Периоды парных соединений Юпитера, Марса и Венеры обусловливают циклы длительностью 4,2 года. Период со­ единений Юпитера и Марса является причиной хорошо выраженной повто­ ряемости погодных ситуаций с периодом 2,2 года.

Самое масштабное и поэтому самое убедительное проявление клима­ тических изменений, происходящих на Земле в течение жизни одного по­ коления, — это засухи. В последние годы интересные результаты по этой проблеме получены Т.В. Покровской. Ею показано, что за 1887—1965 гг. засухи, случавшиеся на Европейской территории СССР, были лишь в годы восходящей ветви 11-летнего цикла геомагнитной возмущенности (9 засух за 46 лет). Один из ведущих американских метеорологов У. Робертс связывает последние 8 сухих периодов в районе к востоку от Скалистых гор с 22-лет­ ним циклом солнечной активности. Для Казахстана характерна связь засух с годами нисходящей ветви И-летнего цикла.

Тем не менее в последние годы внимание ученых и политиков привле­ чено к существенным климатическим изменениям, включая и засухи, свя­ занным с явлением Эль-Ниньо. Исследователи отмечают кореллируемость контрастов засух в восточной Азии и Калифорнии и сильной влажности в Европе и других районах мира с 6-летним циклом Эль-Ниньо. Более деталь­ но эту проблему мы рассмотрим ниже. Наиболее ярко климатические цик­ лы проявляются в периодических оледенениях, фиксируемых на поверхно­ сти Земли.

224

Глава 7. Кос чогенно-климатические опасные природные процессы

7.2

Гляциоизостатические циклы

Появление гигантских ледниковых покровов не только приводит к уничтожению большей части органической жизни на этих территориях. Одновременно происходит глобальное климатическое похоло­ дание, иногда совпадающее с глобальными биотическими кризисами. Таяние ледников — это повышение уровня Мирового океана и затопление значи­ тельных территорий. Ранние исследователи Д’Аламбер и Джеймс Кроль при­ держивались точки зрения о цикличности оледенений с периодом 11 тыс. лет. Исследования последних лет показали всю сложность картины и неаде­ кватность только астрономических подходов. Обратимся не к анализу цик­ лов, а к реально установленным данным по оледенениям ближайшей геоло­ гической истории (рис. 7.4—7.6).

£ 20

100 75 50 25 Настоящее -25 время

Тысяч лет назад

Рис. 7.4. График климата в течение последних 150 тыс. лет с прогнозом буду­ щего климата на ближайшие 25 тыс. лет [Имбри Д., Имбри К.П., 1988]

По данным А.Б. Ронова, М.И. Будыко, А.Л. Яншина, содержание С02 в атмосфере Земли за последние 600 млн лет было в 3—4 раза выше. Изме­ нение температуры за этот период составило 1Г. Так, в середине мелового периода (80—110 млн лет назад) под водой находилось 36% площади совре­ менной суши. Около 50—40 млн лет назад началось общее понижение тем­ пературы, и оно идет до настоящего времени. Возникло оледенение Антарк­ тиды (уровень океана сразу понизился на 65—70 м), а затем и Гренландии (понижение на 6—7 м). Понижение уровня океана привело к ослаблению об-

225

Раздел //. Опасные природные процессы

(U

X(U

5

ё

х

Тысяч лет назад

Рис. 7.5. Схема изменений климата в течение последних 10 500 лет [Имбри Д., Имбри К.П., 19881

мена водами, а значит, и теплом между Атлантикой и Тихим и Северным полярными бассейнами. Арктика стала гигантским планетарным холодильни­ ком, и несколько миллионов лет назад возникли ледниковые щиты в Скан­ динавии, на Урале, Новой Земле, в Северной Америке. Ледники толщиной до 2—3 км опускались до Киева и низовьев Иртыша. Эти ледники больше реагировали на изменения температуры, которые усиливались изменениями альбедо льда и воды и атмосферы. Последнее оледенение наблюдалось 18— 20 тыс. лет назад, температура была ниже на 5—7°С. Наибольший объем лед­ ников мог достигать 77 млн км3. Уровень опускался ниже на 100—120 м, и мелководных морей типа Балтийского и Белого не было. 16 тыс. лет назад началось отступление ледников и глобальное потепление на 5—8°С (8 тыс. лет назад). Уровень океана рос на 1—2 см в год. Из-за изменений гравита­ ционного поля Земли в связи с перераспределением ледников замедлилось врашение Земли. Когда ледники наступали, вращение Земли ускорялось.

Изучение последнего оледенения показало, что за период около 2 млн лет произошло 4 главных и несколько второстепенных продвижений льда.

Главные стадии наступления ледников разделялись продолжительными теплыми межледниковьями, когда климат был теплее, чем сейчас. Потепле­ ние и похолодание климата происходит с периодичностью 100 тыс. лет. Похолодания климата могут вызывать действующие вулканы, но они не способны вызвать оледенение. В геологическом прошлом были длительные эпохи, когда средние глобальные температуры были почти в 2 раза больше современных температур. За всю историю Земли было около 6 оледенений (средняя температура на 5°С меньше современных). Во время четвертично­ го оледенения 4 раза наступали ледниковые эпохи, сменявшиеся межлед­ никовыми. Последнее оледенение началось 75 тыс. лет назад и закончилось около 12—15 тыс. лет назад.

226

Раздел II. Опасные природные процессы

Сейчас мы живем в межледниковом периоде, который продолжается уже 10 тыс. лет (с момента последнего оледенения). В этом периоде выде­ ляют 4 эпохи: 2 теплые с пиками около 5000—3000 и 1000—800 лет назад и 2 холодные — с минимумами примерно 2900—2300 и 550—125 лет назад. Таким образом, последняя теплая эпоха была в 985—1185 гг. н.э., а послед­ няя холодная — с 1435 по 1860 г. н.э.

Новый ледниковый период может начаться не ранее чем через 8 тыс. лет (по расчетам Джонсона).

С 1880 г. происходит постепенное потепление климата, достигшее мак­ симума в 1930 г. (по сравнению с XIX в. температура воздуха в Северном по­ лушарии повысилась на 0,6°С), с 1950 по 1978 г. — похолодание, с 1980 г. — новое потепление (рис. 7.7).

При потеплениях начинается таяние ледников. В ледниках содержится более половины объема воды на континентах, более 99% всех ледниковых вод сосредоточено в ледниковых щитах Антарктиды и Гренландии. Все лед­ ники планеты имеют объем 24—33 млн км3. В XX в. сокращались почти все ледники Северного полушария. Некоторые ледники Норвегии и Скалистых гор отступали со скоростью 20 м/год, а Гималаев — 40 м/год, хотя обычно эта скорость составляет 10 см или несколько метров в год.

Рис. 7.7. Динамика глобального потепления [Boden Т.А. et. al.]

Общая площадь оледенения Северного Кавказа уменьшилась с начала XX в. до 60-х годов более чем на 1/3, а ледников Алтая и Альп — на 20— 25%. Это приводит к увеличению стока рек, питающихся от ледников, и росту температуры воздуха. При увеличении температуры сокращается по­ ступление влаги в ледники. Но суммарный вклад всех горных ледников в Мировой океан равен стоку среднестатистической реки. Сток ледников Гренландии (включая айсберговый сток) сопоставим с талым стоком, а у

228

Глава 7. Кос могенно-климатические опасные природные процессы

Антарктиды он даже значительно больше. Для полного возобновления за­ паса вод горных ледников требуется 100—200 лет. А в ледниковых щитах Антарктиды и Гренландии — несколько тысяч лет. Скорость снегонакоп­ ления по различным эпохам удается определить с помощью датирования по изотопам слоев снега, которых достигают путем бурения.

Уровень Мирового океана в последние 100 лет поднимается со скоро­ стью 0,5—2,5 мм/год (по данным космической геодезии). В отдельные пе­ риоды изменение уровня отличается от среднего (рис. 7.8).

Л

Z

ф

со

о

Q.

§1

и

о

о

Z

5

Рис. 7.8. Изменение относительного уровня Мирового океана (б) и объема оле­ денения Антарктиды (а) в течение последних 100 млн лет [Мягков С.М., 1989, с до­ полнениями]

Запасы воды в Гренландии с конца XIX в. сокращаются в среднем на 37 км3 в год, в Антарктиде — на 140 км3, но есть оценки и 1000 км3 в год. Большая доля приходится на айсберги. Они достигают 100 км в попереч­ нике и 300—400 м в высоту, существуют несколько лет и доплывают до бе­ регов Аргентины и Новой Зеландии.

С начала XX в. и до 1975 г. уровень Атлантики повысился на 144 мм, Северного Ледовитого океана — на 114, Тихого — на 68, а Индийского — на 46 мм. В чем причина? В перестройке глобальной системы водообмена в условиях потепления климата, ибо тектоника изменяется в течение сто­ летий, а атмосфера давления и течения — нескольких месяцев. Средний

229

Раздел //. Опасные природные процессы

объем Мирового океана с начала столетия увеличивался на 550 км1 в год, а с середины столетия — на 1300—1400 км3. В бессточных озерах увеличе­ ние составило: в начале века — несколько десятков кубических километ­ ров в год, а в 30-е годы — до 300—400 км3.

Бессточные озера есть на всех континентах. Они занимают 25% пло­ щади суши. К ним относятся: Каспий, Арал. Балхаш, Иссык-Куль, Урмия, Ван — в Евразии; Чад, Рудольф — в Африке; Эйр, Торрес — в Австралии; Большое — в Северной Америке; Титикака — в Южной Америке; Кукунор и Хубсугул — в Центральной Азии. Их уровни колеблются с периодом 25— 45 лет. При потеплениях меняется уровень бессточных озер. Так, повыше­ ние температуры на 0,5°С с 1900 по 1980 г. отразилось на их уровне: озеро Рудольф — на 15 м, Арал — на 8,5 м, Мертвое море — на 6,3 м, Каспий — на 3,5 м и т.д. Но как объяснить быстрый подъем Каспия с 1977 г., достиг­ ший уже 2,1 м, на фоне продолжающегося потепления? Сток Волги в это

+3т

ско-Среднеазиатского реги­ она и вытеснение воды из пор горных пород.

Уровень Каспия и дру­ гих бессточных озер реаги­ ровал и на ледниковые эпо­ хи плейстоцена (рис. 7.9, 7.10). Каспий в последний 1 млн лет поднимался на 30—50 и даже 80 м. Плошадь озера в пустыне Гоби увели­ чилась в 6—10 раз, а озеро Бонвилл и Лахонтан в Се­ верной Америке — изменя­ лась в десятки раз. Уровень Арала в последнюю ледни­ ковую эпоху повысился на 16—20 м. То же и в отноше­ нии горных озер — Севан, Иссык-Куль, в Тибете и др.

Рис. 7.9. Колебания уровня морей СССР за последние 10—12 тыс. лет: а —периоды низкого увлажнения материков [по А.В. Шнитникову]; б —Балтийское море; в — Бе­

лое море; г Восточно-Сибирское и Чукотское моря; д — Берингово море; е — Японское море

230