50. Климатические циклы

Фактические данные показывают, что реальные климатические характеристики содержат циклы – интервалы времени, в которых колебания хотя бы приблизительно статистически стационарны, а между этими интервалами – колеблются. Такие циклы обычно обладают некоторой повторяемостью, и их последовательности несут полезную информацию. Поскольку климатическая система зависит от внешних воздействий, появление циклов целесообразно рассматривать, прежде всего, как вынужденную реакцию системы на внешние воздействия.

Годичный цикл. Вынужденные колебания климатической системы оказываются неустойчивыми уже в годичном цикле, в котором происходят перераспределения масс воздуха над океанами и континентами, и над последними образуются и разрушаются сезонные центры действия атмосферы (ЦДА) – зимние субполярные антициклоны (в Северном полушарии это – Сибирский и Канадский антициклоны) и летние субтропические области пониженного атмосферного давления - Южно-Азиатская и Калифорнийская депрессии, а имеющиеся над океанами перманентные ЦДА – субтропические антициклоны, Азорский и Гавайский, от зимы к лету усиливаются, а субполярные депрессии – Исландская и Алеутская, наоборот, ослабевают.

Эти годичные колебания неустойчивы по отношению к более медленным возмущениям, осуществляющим перераспределение момента импульса атмосферных движений. Высокоточные измерения на станциях Международной службы широты показывают, что на спектрах малых колебаний полюсов, кроме узкого и мощного пика на годичном периоде, имеется еще более слабый, но широкий максимум около периода в среднем 1,19 года, соответствующий так называемым чандлеровским колебаниям полюсов (Монин А.С., Сонечкин Д.М., 2005).

Квазидвухлетние циклы. Согласно гипотезе А.М. Обухова, эти колебания находятся в состоянии параметрического резонанса с годичными колебаниями. Однако данные наблюдений неоспоримо свидетельствуют о том, что основные междугодовые климатические колебания происходят с периодичностью не в два года, а в 2,38 года. Они усиливаются, порождая так называемый квазидвухлетний цикл колебаний атмосферной циркуляции. Он наиболее ярко выражен в виде смены направлений зональных ветров в экваториальной нижней стратосфере, но заметен и в других метеорологических явлениях, в том числе и внетропических широтах.

Окончательной ясности относительно механизма квазидвухлетнего климатического цикла еще нет, но имеются достаточно веские предположения, что этот механизм связан с особыми бифуркациями инвариантных торов в фазовом пространстве климатической системы. Эти бифуркации обязаны своим возникновением внешним воздействиям на климатическую систему сил с другими, чем годичный, периодами. Среди возможных кандидатов можно указать вышеупомянутое чандлеровское колебание полюсов Земли, возбуждающее, как известно, в атмосфере и океанах так называемый полюсный прилив, который в свою очередь может взаимодействовать с сезонными климатическими колебаниями. Также могут быть важны взаимодействия годичного цикла с долгопериодными биениями лунно-солнечных приливных воздействий на климатическую систему (Монин А.С., Сонечкин Д.М., 2005).

Квазидвадцатилетние циклы. О другой бифуркации типа удвоения периода свидетельствует частое наличие в спектрах климатических рядов хорошо выраженного цикла со средней длиной 23,7 года, часто называемого «удвоенным» или циклом Хейла. При этом хорошо известный цикл солнечных пятен в 11,86 года выражен слабо или вовсе отсутствует. Вполне убедительное объяснение этого парадокса состоит в том, что каждые два последовательных цикла солнечных пятен сопровождаются одним изменением полярности магнитных полей всех солнечных пятен и других магнитных образований на Солнце, т.е. являются лишь половинами солнечного цикла общей длительностью в 23,7 года.

Главный цикл Солнечной системы. Многодекадные климатические циклы можно связать с главным циклом Солнечной системы, в котором приблизительно повторяется конфигурация взаиморасположения трех ее главных тел – Солнца, Юпитера и Сатурна, что вносит основной вклад в местоопределение центра инерции Солнечной системы.

Грубо говоря, длительность этого цикла должна бы быть близка к общему наименьшему кратному из периодов обращения Юпитера и Сатурна. Если взять для них округленные значения 12 и 30 лет, период главного цикла Солнечной системы близок к утроенному периоду вышеупомянутого цикла солнечно-магнитной активности. В таком тройном цикле Солнце описывает вокруг центра инерции траекторию в форме слегка незамкнутого трилистника, всюду отстающую от центра инерции на расстояние немного большим диаметра Солнца.

Недавние астрономические исследования показали, что полное движение по трилистнику на самом деле является сложным, включающим как квазипериодические, так и кажущиеся хаотическими движения. После одного обхода по трилистнику, в течение которого движение является довольно правильным, квазипериодическим, и управляется почти исключительно гравитационными взаимодействиями Солнца, Юпитера и Сатурна, следует стадия хаотического движения по трилистнику, период которой таков, что новое возвращение на трилистник квазипериодического движения происходит в среднем через 179 лет.

Первая супергармоника этого цикла оказывается более или менее заметной даже в имеющихся коротких (примерно 150-летних) рядах инструментальных метеорологических наблюдений. Спектр движений Солнца вокруг общего центра масс Солнечной системы (и соответствующий спектр изменений расстояния от Земли до Солнца) является, в целом, довольно сложным и содержит много гармоник. Более того, этот спектр меняется со временем. Заметим, что с хаотическими движениями связаны все наблюдавшиеся в прошлом периоды пониженной солнечной активности.

Например, периоды Вольфа (1270–1350), Сперера (1430–1520), Маундера (1620–1710) и Далтона (1787–1843). После 1985 г. начался новый период хаотического движения, с продолжением которого вплоть до 2040 г. некоторые климатологи связывают ожидание нового глобального похолодания климата.

Статистически обоснованные оценки фаз и амплитуд откликов глобальной климатической системы на перечисленные основные циклы внешних воздействий с их региональными проявлениями могут создать научную основу для прогнозирования колебаний климата в XXI веке, и ясно, что никаких глобальных климатических катастроф, потопов или засух такой прогноз содержать не будет.

Главный цикл Голоцена. Даже беглый просмотр палеоклиматических рядов позволяет обнаружить на них межвековые климатические циклы. Недавно был декларирован, как наиболее выразительный из них, цикл, который имеет длительность около 1500 лет. Но было замечено, что как раз такую величину дает календарный подсчет, учитывающий наличие високосных лет. Известно, что фактический год в среднем содержит примерно 365,25 суток, так что интервал времени, на котором разность между количеством условных лет с длительностями в 365 суток и количеством фактических лет будет равна 1, оказывается имеющим длительность 1470 лет.

Поэтому это, конечно, не создает никакого климатического цикла, хотя при просмотре палеоклиматических рядов создает в них стробоскопический эффект, подобный эффекту обратного вращения колес, который мы наблюдаем в кино. Тем не менее, тысячелетние климатические циклы все же выявляются в Голоцене при математическом анализе палеоклиматических рядов. Природа тысячелетних модулирующих циклов может быть связана с внешними воздействиями.

Например, в главном цикле Солнечной системы, как кажется из анализа имеющихся (весьма неполных и ненадежных) косвенных данных о солнечной активности в Голоцене, имеются тысячелетние циклы возвращения на трилистники квазипериодических движений с совпадением их начальных фаз. Но источниками тысячелетних колебаний климата Голоцена могут быть также междувековые флуктуации глобальной «конвейерной» ленты термохалинной циркуляции Мирового океана, начинающиеся с миграции ее Северо-Атлантического звена от Фарреро-Шетланского порога к Бермудским островам и обратно.

Возможно, что именно такой цикл создавал известные из исторических данных межвековые колебания климата – климатический оптимум, наблюдавшийся в Голоцене 4-2,5 тысяч лет до нашей эры, «Средневековый Теплый Период» Х–ХIV веков, называемый иногда «Эпохой викингов», отделенный «Малым Ледниковым Периодом» от потепления XX века (Монин А.С., Сонечкин Д.М., 2005).

Ледниковые циклы. Наиболее выдающимися явлениями в истории климата были, несомненно, ледниковые климатические циклы последней трети Плейстоцена, во время которых в приполярных зонах континентов образовывались грандиозные ледниковые щиты с толщиной порядка 3 км. Оставшиеся от них следы в виде ледниковых морен были впервые изучены в Альпах, где удалось выделить четыре последних таких цикла и получить ориентировочную оценку их длительностей порядка 100 000 лет. Они были поименованы по названиям местных речек – в хронологическом порядке Гюнц, Миндель, Рисе и Вюрм.

В дальнейшем морены, оставшиеся после этих ледниковых циклов, были обнаружены и картированы во всех приполярных зонах Евразии и Северной Америки. Были построены хронологические реконструкции образования и разрушения Скандинавского и Лаврентийского ледниковых щитов. Ныне от них еще остается только Гренландский ледниковый щит, и имеются небольшие ледниковые купола на некоторых Арктических островах. Антарктический же ледниковый щит в Плейстоцене, по-видимому, только флуктуировал, но существовал все это время.

Астрономическая теория колебаний климата М. Миланковича, разработанная им еще в 1913 г., объяснила ледниковые циклы как реакцию климатической системы на вариации инсоляции, создаваемые возмущениями орбитального движения Земли в Солнечной системе из-за гравитационных взаимодействий с другими планетами. Более полувека климатологи считали, что такие вариации поля инсоляции слишком слабы, чтобы вызвать столь бурную реакцию в климатической системе как ледниковые циклы.

Но эти сомнения были напрасными: расчеты с помощью уравнений небесной механики показали, что эти возмущения содержат колебания с периодами 19-23 тысяч лет (прецессионные), 41 тысяч лет (создаваемые колебаниями наклона экватора к плоскости земной орбиты) и 100 тысяч лет (колебания эксцентриситета орбиты).

Именно эти периоды были обнаружены в 1976 г. Дж. Хейсом, Дж.Дж. Имбри и Н. Шеклтоном в спектрах климатических рядов, полученных по измерениям в некоторых колонках океанских осадков. Это и послужило фактическим подтверждением астрономической теории Миланковича.