СЕМЕЙНЫЙ АРХИВ

 

 

---

 

СОВРЕМЕННОЕ  СОСТОЯНИЕ  ЛЕДНИКОВОЙ  ТЕОРИИ

  

Максимум последнего оледенения по современным данным.

Наши знания о гляциоклиматических событиях истории Земли за последние десятилетия несомненно обогатились и продолжают обогащаться. Обобщение и сопоставление имеющихся данных позволяет установить границы ледников и морских льдов. Наиболее надежно это может быть сделано по следам последнего оледенения с максимумом около 18 тыс. лет назад²⁸.

 Участники международной программы CLIMAP (Climatic Longterm Investigations, Mapping and Prediction — климатические долгопериодные исследования, картирование и предвидение) составили по новейшим данным ряд карт, показывающих климатические условия и общую природную обстановку на поверхности Земли, какой она была 18 тыс. лет назад²⁹. Интересна реконструкция максимальных размеров последнего оледенения, отличающаяся от ранее выполненных представлением о «панарктическом» ледяном щите, занимавшем всю Северную полярную область, включая и Северный Ледовитый океан, что напоминает «Великий Гренландский ледяной лишай» Гернета. Мелкие шельфовые моря вместе с архипелагами островов были заняты материково — Морскими покровными ледниками, подобными современной Западной Антарктиде, а над глубокими акваториями лежали шельфовые ледники, такие, как шельфовый ледник Росса в Антарктике и др.³⁰ Эта реконструкция кажется наиболее отвечающей всей совокупности современных представлений, хотя она и не общепризнана. Имеются, например, сторонники открытого полярного океана во время максимума последнего оледенения, замерзшего лишь в ходе его деградации с появлением благодаря таянию льдов поверхностного распресненного слоя, исчезавшего во время максимума оледенения³¹.

 

Рис. 1. Оледенение северного полушария во время последнего

максимума 18 тыс. лет тому назад (по Р. Флинту)

1 — распространение ледников; 2 — современные ледники; 3 — южная гра­ница распространения морских льдов; 4 — основные пути переноса воздуш­ных масс; 5 — теплые морские течения; 6 — холодные течения.  По последним реконструкциям теплое Северо-Атлантическое течение (Гольфстрим) поворачи­вало на юг даже значительно южнее, чем показывает Флинт, уже около 50° с. ш.  В современных же условиях оно уходит в Северный Ледовитый океан вдоль берегов Сибири. (с. 121)

 

 Внешние причины колебаний оледенения и климата. Система «Земная поверхность — Атмосфера», помимо внутренних взаимодействий, подвержена и внешним. Основной внешней силой, определяющей динамику системы, является солнечная энергия. Ее суммарная величина определяется солнечной постоянной, равной 1,9 кал/см²/мин (на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам на верхней границе атмосферы). Часть этой энергии отражается в мировое пространство, часть поглощается атмосферой и лишь часть идет на нагревание поверхности Земли. На каждый участок земной поверхности в разное время года и суток падает разное количество солнечной энергии в зависимости от высоты солнца над горизонтом и состояния атмосферы. Падающая на земную поверхность солнечная энергия имеет суточный и годовой ход, определяющийся вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Суточные и сезонные колебания повторяются неизменно, и при постоянстве природных условий на Земле причин для изменения климата, связанных с деятельностью Солнца, нет. Об астрономических причинах колебаний климата будет сказано ниже.

 Но история Земли свидетельствует о больших изменениях климата, происходивших в течение геологического времени. Наибольшее влияние оказывали изменения общего устройства поверхности Земли, ее глобальный рельеф — распределение моря и суши, поднятия и опускания гор и материков. Современный климат сложился в соответствии с современным рельефом, и климатические изменения первого порядка определялись изменениями глобального рельефа.

Последняя грандиозная перестройка лика Земли под влиянием ее внутренних сил происходила в третичном периоде (70—1 млн. лет назад) , когда образовались современные материки и горные системы. К началу четвертичного периода (около 1 млн. лет назад) земная поверхность приняла современный вид. Общее повышение суши и поднятие высоких горных цепей вызвали общее понижение температуры и создали условия для зарождения и распространения ледников. Таким образом, основной внешней (по отношению к системе «Земная поверхность —Атмосфера») причиной похолодания и появления ледников было поднятие суши (гор и материков) внутренними силами Земли.

 

Сплошной «панарктический» покровный ледник во время максимума последнего оледенения 18 тыс. лет назад (по М. Г. Гросвальду, Т. Хьюзу и Г. Дентону)

 От вершин отдельных, слившихся между собой ледяных куполов (Лаврентьевского — Л, Кордильерского — К, Канадского Арктического или Иннуитского — Ин, Гренландского — Гр, Исландского — И, Британского Б, Скандинавского — Ск,   Баренцева — Ба,  со Свальбаруским куполом — Св, Карского— Ка, Путоранского — Я, Купола Толля над архипелагом Де-Лонга —Т) лед растекается во все стороны и занимает соседние акватории. Мелкие моря заполняются льдом, а  на глубоких, включая Центральный Арктический бассейн, образуются плавучие шельфовые ледники (Норвежско — Гренландский—Н- Г, Лабродорский —Ла,  Арктический –аркт).  В гренландско-европейской части и с восточного берега Северной Америки лед стекает в Атлантиче-ский океан, а  в  противоположной аляскинско-сибирской — наползает на материковую отмель, с понижением уровня моря, осушавшуюся. У южного края ледник стаивал, образуя подпрудные приледниковые озёра (особенно большие в Западной Сибири). 1 — границы материковой отмели; 2 — линии тока льда на суше; з — линии тока шельфовых ледников. (с. 123)

 

Но многократные колебания климата и. оледенения, чередование ледниковых и межледниковых эпох за последний миллион лет, когда существенных изменений рельефа Земли не происходило, нужно объяснять другими причинами.  Ими могли бы быть колебания состава атмосферы и ее прозрачности из-за вулканических извержений, колебания солнечной радиации. Обе эти причины выдвигались для объяснения ледниково-межледниковых климатических колебаний. Усиление вулканизма могло повышать содержание в атмосфере углекислого газа (СО₂) и понижать прозрачность атмосферы из-за увеличения запыленности. Первое увеличивает парниковый эффект и должно вести к потеплению, второе ослабляет солнечную радиацию и должно приводить к похолоданию. Эти влияния противоположны. Нет веских доказательств и о значительности возможных изменений климата из-за вулканических извержений. Главное же — нет никаких данных, свидетельствующих о циклических изменениях вулканической деятельности, соответствующих циклическим колебаниям климата. 

Высказывались предположения и о циклических колебаниях солнечной радиации. Основанная на этом гипотеза Дж. Симпсона получила широкую известность. Но нет достаточных доказательств циклических колебаний радиации Солнца. Влияние же на климат циклических колебаний солнечной активности дискуссионно³². 

   Однако существуют колебания интенсивности облучения Земли Солнцем, или колебания инсоляции, вызываемые астрономическими причинами. Они заслуживают особого внимания. Их физическая природа очевидна, а продолжительность циклов колебаний близка по порядку величин к продолжительности, циклов ледниково-межледниковых колебаний климата и оледенения. В 20-х годах XX в. Н. Миланкович рассчитал величины этих колебаний и предположил, что они и являются основной причиной чередования ледниковых и межледниковых эпох³³. Колебания инсоляции связаны с периодическими изменениями параметров земной орбиты — ее эксцентриситетом, наклоном оси вращения Земли к плоскости орбиты и смещениями по орбите точки равноденствия, так называемым предварением равноденствия или прецессией. (с. 124).

 

Накладываясь друг на друга, эти изменения параметров орбиты определяют наклон пада-ющих на Землю солнечных лучей, а следовательно, и интенсивность нагревания ими земной поверхности. Колебания инсоляции могут быть рассчитаны для прошлого и будущего. Расчеты Миланковича неоднократно проверялись и уточнялись³⁴. Сопоставление колебаний климата и оледенения и колебаний летней инсоляции на 65° с. ш. свидетельствует об их соответствии³⁵.

³⁴  См.: Шараф Ш. Г., Будникова Н. А. Вековые изменения элементов орбиты Земли и астрономическая теория колебаний климата. — Труды Инта теоретической астрономии АН СССР, 1969, вып. 14, с. 48—57.  

³⁵  См.: Эмилиани Ч. Геохимический и палеонтологический анализ непрерывных стратиграфических разрезов и история плейстоцена. — В кн.: Второй междунар. океанограф, конгр.: Тезисы докладов. М.: Наука, 1966; см. также: Dansgaard   W., Tauber H. Glacier oxygen-18 content and   Pleistocene ocean temperature. — Science, 1969, vol. 166, N 3904, p. 499—502.

 

Сам Миланкович сделал расчет колебаний приземной температуры, вызванных колебаниями инсоляции, и получил довольно большую амплитуду, порядка 5°. Но в своих вычислениях он не принял в расчет выравнивание температуры из-за циркуляции атмосферы, которое очень сильно уменьшает амплитуду возможных колебаний.  Оценку влияния атмосферной циркуляции сделал Дж. Симпсон. Современные расчеты, выполненные более совершенными методами, подтвердили заключение Симпсона о незначительности колебаний температуры из-за колебаний инсоляции. Но реальность этих колебаний не вызывает сомнений. Возможность их точного расчета и близость продолжительности циклов колебаний инсоляции и ледниково-межледниковых колебаний не позволяют не принимать их в расчет, несмотря на доказанную незначительность вызываемых ими колебаний приземной температуры.

Может быть, отклонение температуры к похолоданию (или потеплению) является импульсом, изменяющим направление взаимодействий в системе «Земная поверхность — Атмосфера». Несколько более холодная погода летом при смягчении зим и увеличении осадков приводит к большему распространению площади морских льдов и лучшему питанию ледников. Снег и лед, увеличивая альбедо, вызывают дополнительное охлаждение, большее, чем только из-за ослабления инсоляции. К такому объяснению пришли многие ученые³⁶. 

 

Это подтверждается и тем, что колебания инсоляции, вызванные астрономическими причинами, наблюдались в течение всей истории Земли, но в безлёдные теплые периоды никаких существенных колебаний климата не вызывали. Колебания климата начались в плейстоцене, когда разрастались и сокращались обширные покровные ледники.

 Из последних научных работ, относящихся к этому вопросу,  заслуживают внимания результаты исследований участников программы CLIMAP, просмотревших большое число проб (колонок) глубоководных донных отложений, взятых в разных частях Мирового океана³⁷. 

³⁷ Hays J. D., Imbrie J., Shackleton N. J. Variations in the Earth’s orbit: pacemaker of the Ice Ages. —- Science, 1976, vol. 194, p. 1121-1132.

Прослеженные в слоях осадков колебания климата указывают на продолжительность циклов приблизительно в 23, 42 и около 100 тыс. лет, т. е. такую, какую имеют периоды колебаний элементов земной коры орбиты, откуда авторы делают вывод о несомненной зависимости колебаний климата от колебаний инсоляции по астрономическим причинам.

 

   Растекание и сокращение плейстоценовых покровных ледников

Как показывают современные исследования (полевые, лабораторные и теоретические), огромное значение в ходе ледниковых событий и связанных с ними изменений климата имеет растекание льда благодаря его пластичности. Возникающие в горах ледники заполняют понижения рельефа и стекают вниз по уклону. После заполнения межгорной котловины лед вытекает в долину, образует долинный ледник, как бы ледяную реку. Сужение долины, создавая подпор движению льда, способствует повышению поверхности льда выше сужения. Такое подпруживание ледников играет большую роль в развитии оледенения в условиях его разрастания — в ходе наступания ледников. Лед сглаживает неровности рельефа, заполняя понижения и перетекая через седловины, не покрытыми льдом остаются только вершины гор с крутыми склонами. При дальнейшем развитии лед покрывает страну сплошь, оставляя лишь отдельные высокие горные вершины у края, где покров льда утоньшается. (127).

 

Поверхность такого покровного ледника очень полого поднимается от краев к середине, напоминая ковригу хлеба. Ее форма в слабой степени отражает неровности подледного ложа. Она определяется в основном растеканием льда от середины к краям. В средней части поверхность льда поднимается наиболее высоко независимо от высоты подледного ложа.  Во внутренних районах Антарктиды, например, находятся подлёдные горы Гамбурцева. Толщина льда над ними около 1,5 км при средней толщине льда Антарктиды 2,5 км.  

В центре Гренландии подлёдное ложе опускается ниже уровня моря, а  толщина льда здесь наибольшая, более 3,5 км при средней толщине льда Гренландского покрова 1,5 км. В разрезе поверхность льда покровных ледников имеет форму эллипса — ее уклон очень мал и становится круче только у краев.

 

 

 

Эллиптическую форму поверхности, определяющуюся растеканием льда, приобретают все покровные ледники независимо от их размеров — от малых ледяных шапок на островах полярных областей до ледяных щитов материковых размеров, таких, как Гренландия и Антарктида. Горизонтальные размеры и площадь покровных ледников находятся в определенной зависимости от их толщины.

Площадь S=kH⁴, где к — постоянный коэффициент; Н — толщина льда.

 

 

Зависимость площади (s) покровных ледников от их толщины (H)

Слева приведена кривая в обычном масштабе (I — для ледяных щитов, II — для ма­лых ледяных шапок). Справа — в логарифмическом масштабе (на шкале нанесены логарифмы величин). 1 — Антарктический; 2 — Гренланд­ский; 3 — Новоземельский покровные ледники; 4—17 — меньшие ледяные шапки

 

Эта зависимость может быть выведена математически из эллиптической формы поверхности и в то же время получается по фактическим данным. Если нанести на график по оси ординат толщину, а по оси абсцисс площадь современных покровных ледников, то окажется, что отклонения отдельных точек от общей зависимости большей частью невелики. Плейстоценовые покровные ледники, такие, как Скандинавский, Лаврентьевский и др., очевидно, также подчинялись этой зависимости: законы пластического течения льда, зависящие от его физических свойств, не могли быть иными. Тот факт, что площадь покровного ледника пропорциональна четвертой степени его толщины, показывает, что при увеличении толщины лёд растекается очень широко.  При увеличении толщины вдвое площадь увеличивается в 16 раз (линейные размеры, следовательно, в  4 раза, а объем в 32 раза). (с.128)

 

Все современные покровные ледники разделяются по их размерам на две неравные группы:

 — группу сравнительно небольших ледяных шапок, с  площадью не больше одного—двух десятков тысяч квадратных километров каждая, и

— группу ледяных щитов материковых размеров с площадью, измеряемой миллионами квадратных километров.

Покровных ледников с площадью между 30 тыс. и 2 млн. км² в наше межледниковое время не существует. Это свидетельствует о неустойчивости, краткости жизни плейстоценовых покровных ледников — Скандинавского, Лаврентьевского, достигавших размеров, близких к размерам современных Гренландского и Антарктического ледяных щитов.  По сравнению с последними, время существования которых измеряется миллионами лет,  плейстоценовые покровные ледники жили недолго — один—два десятка тысяч лет.

Различие это впервые объяснил Е.С. Гернет. Современные щиты — щиты «локализованные стационарные», их края обрываются в море, которое и ограничивает их разрастание. Достигая глубокого моря, лед обламывается айсбергами.  Гренландский и Антарктический щиты — ледяные щиты материково-островного типа.  Скандинавский и Лаврентьевский щиты были ледяными щитами собственно-материкового типа. Их передний край лежал на суше и их наступание ограничивалось стаиванием у края. Когда оно, все, увеличиваясь по мере продвижения в низкие широты, сравнивалось со снегонакоплением, дальнейшее наступание прекращалось, а затем по мере уменьшения питания сменялось отступанием.

Существовали щиты и третьего типа — материково-морского. Изучение их истории только начинается. Они образовывались на арктических островах и окружающей их материковой отмели (или материковом шельфе), а затем причленялись к собственно материковым Скандинавскому и Лаврентьевскому ледяным щитам. Наиболее изучена история Баренцева щита, покрывавшего Баренцево море вместе с архипелагами о-вов Шпицбергена, Земли Франца-Иосифа, Новой Земли ³⁸. Другой подобный щит — Карский — занимал Северную Землю и Карское море, надвигаясь с севера на п-ов Таймыр. Третий, так называемый Иннуитский, покрывал Канадский Арктический архипелаг и соединялся с Лаврентьевским ледяным щитом. (с. 130)

³⁸ См.: Шютт В., Хonne Г., Влейк В., Гросвалъд М. Г. О распро­странении позднеплейстоценового оледенения в европейской Арктике. — Изв. АН СССР. Сер географ., 1968, № 5; Грос­валъд М. Г. Последний Евразиатский ледниковый покров. — В кн.: Материалы гляциологических исследований MГГ: Хро­ника, обсуждения. М., 1977, вып. 30, с. 45—60.

Современным представителем ледяных щитов этого типа является ледяной покров Западной Антарктиды, причленившийся и слившийся с ледяным покровом Восточной Антарктиды в единый ледяной щит.  Подледная Западная Антарктида представляет собой архипелаг островов с довольно глубокими морями между ними, более глубокими, чем Баренцево или Карское море, и тем не менее ныне до дна заполненными льдом. Основание льда Западной Антарктиды опускается местами до глубины 2500 м ниже уровня моря, т. е. в ходе своего образования лед вытеснил воду и заполнил глубокие проливы между островами.

Многие ученые считают, что в отличие от большей части Антарктического ледника — ледяного щита Восточной Антарктиды, неизменно существующего многие миллионы лет, Западная Антарктида неоднократно разрушалась.  Возможность ее деградации не исключена и в недалеком будущем, что повлечет за собой катастрофически быстрое повышение уровня Мирового океана на 5—7 м. Образование материково-морских ледяных щитов следовало за образованием собственно-материковых. Оно облегчалось понижением уровня моря, неизбежным в ходе разрастания оледенения, и растеканием ледяных шапок на островах на освобождающуюся вокруг них от воды часть материковой отмели. Отдельные ледяные шапки на островах разрастались и сливались вместе и за счет многолетнего припая, образовывавшегося на мелководных участках.

 

 

 

Западная Антарктида — современный покровный ледник материково-морского типа

(схема Дж. Мёрсера, 1970). 1 — лед на суше; 2 — лед на плаву; з — лед на морском дне

 

Возможность разрастания и сокращения покровных ледников в течение сравнительно короткого времени подтверждают расчеты.  После максимального распространения Скандинавского ледника на равнины Восточной Европы, что было 18 тыс. лет назад, к 10 тыс. лет назад его край отступил в Южную Финляндию и Швецию, а к  7 тыс. лет назад сократился до размеров небольших разобщенных ледников в горах Скандинавии. За сравнительно короткое время (приблизительно в 20 тыс. лет) край ледника продвинулся на юг на 1200 км, а затем за 10 тыс. лет отступил на то же расстояние в обратном направлении. Расчеты показывают, что при вероятных (по современным наблюдениям на ледниках) величинах снегонакопления и стаивания такое настунание и последую­щее отступание за указанное время были вполне возможны. (131)

Были рассмотрены две возможности разрастания оледенения: растекание из орографического центра и постепенное накопление фирна и льда на равнине. Первый способ более вероятен по ряду соображений, однако и второй нельзя отвергать, тем более что он на первый взгляд легче объясняет быстрое оледенение огромных пространств. Но расчеты баланса льда по вероятным величинам зимнего накопления снега и летнего стаивания показывают невозможность непосредственного оледенения равнин. Наоборот, расчет растекания льда со Скан­динавских гор, где зародились ледники, свидетельствует о реальности распространения и сокращения оледенения за сравнительно короткое время при вполне возможных величинах снегонакопления и таяния ³⁹.

³⁹  Сущность расчета была изложена В. Г. Ходаковым в статье, опубликованной в 1968 г. (Материалы гляциологических ис­следований MГГ: Хроника, обсуждения. М.; 1968, вып. 14, с. 180—189).  Позже расчеты были уточнены. См.: Ходаков В. Г. Водноледовый баланс районов современного и древнего оле­денения СССР. М.: Наука, 1978, с. 145—169.

 

По достижении покровным ледником некоторой (сравнительно небольшой) величины — нижнего критического размера — благодаря каким-то изменениям климата, дальнейший рост ледника идет спонтанно (или самосильно, как писал Гернет); ледник растекается независимо от климата до достижения верхнего критического размера. В то же время он охлаждает климат и расширяет этим пределы своего саморазвития⁴⁰. Этот вывод подтверждается математическим анализом, вытекающим из механики движения льда⁴¹. Растекание льда покровных ледников и изменение ими климата положил в основу своей теории автоколебаний климата и оледенения югославский географ Т. Шегота⁴².

 ⁴⁰  См.: Тронов М. В.  Теоретические итоги ледниковых исследова­ний на Алтае. — В кн.: Вопросы географии Сибири. Томск: ТГУ, 1951, сб. 2, с. 3—68; Тронов М. В. Ледники и климат. Л.: Гидрометеоиздат, 1966, с. 385—392.

 ⁴¹  См.: Weertman J. Stability of Ice Age ice sheets. — Journal of Geophysical Research, 1961, vol. 66, N 11, p. 3783—3792.

⁴²  Segota T. Geografske osnove glacijacija. — Radovi Geografskog Instituta. Zagreb, 1963, Sv. 4; Чижов О. П. О теории развития оледенений югославского географа Т. Шеготы (Краткое изло­жение и критика). — В кн.: Материалы гляциологических ис­следований МГГ: Хроника, обсуждения. М., 1966, вып. 12, с. 309-315.

И. Вертман рассчитал растекание льда покровных ледников северного полушария, вызванное колебаниями инсоляции по астрономическим причинам⁴³. При этом он не рассматривал колебания температуры у земной поверхности из-за колебаний инсоляции, а просто использовал тот факт, что с широтой инсоляция уменьшается. Ослабление инсоляции равносильно увеличению широты или понижению климатической снеговой линии (точнее говоря, нижнего уровня хионосферы). Изменения инсоляции можно свести к изменению высоты снеговой линии. Его расчеты показывают, что повышение и понижение снеговой линии параллельно самой себе возможны в пределах от 500 м ниже уровня моря до 1300 м выше его; (ее современная высота на 70—80° с. ш. — 200—300 м над уровнем моря). Уклон снеговой линии Вертман принимает равным 0,001, т. е. 100 м на 1° широты. (133)

⁴³  Weertman J.  Milankovitch solar radiation variations and Ice Age ice sheets sizes. — Nature, 1976, vol. 261, N 5555, p. 17—20.

 

 Пользуясь моделью растекания льда в покровном леднике как твердого тела совершенной пластичности, Вертман рассчитывает пределы растекания и сокращения ледника в соответствии с колебаниями инсоляции. Его расчётный ледник растекается на юг и на север. На северном крае он стекает в море, обламываясь айсбергами, а на южном стаивает. Стаивание на южном крае равно расходу на айсберги на северном.

Расчеты Вертмана по принятой им модели покровного ледника хотя и не настолько точны, чтобы прогнозировать будущее наступание ледников по предвычисленному ходу инсоляции, все же очень интересны. Они показывают, что колебания климата и оледенения, возникшие в определенных географических условиях, сложившихся к началу четвертичного периода, связаны с колебаниями инсоляции, но последние действуют не непосредственно, не сами по себе, а лишь через оледенение. Не будь ледников, климатическое влияние изменений инсоляции было бы малозаметным.

 

СИСТЕМНЫЙ  АНАЛИЗ  КОЛЕБАНИЙ  ОЛЕДЕНЕНИЯ  И  КЛИМАТА   

 Ледниковая теория (или теория колебаний оледенения и климата) развивается также и в связи с успехами прикладной математики и вычислительной техники, с применением быстродействующих электронных вычислительных машин (ЭВМ). Методы теории систем управления позволили составить математическую модель динамики системы «Земная поверхность—Атмосфера», т. е. показать изменения в этой системе, вызванные взаимодействиями внутри нее.

На первых этапах исследования математическое моделирование подтвердило возможность автоколебаний в системе без какого-либо участия внешних воздействий, было так же показано, что последние лишь изменяют продолжительность . циклов и амплитуду колебаний⁴⁴. (134)

В даль­нейшем в ходе исследований, проводившихся в Тихоокеанском институте географии Дальневосточного научного центра АН СССР во Владивостоке, было проведено моделирование системы с учетом реально существующих внешних воздействий — колебаний инсоляции и повышения суши⁴⁵.

⁴⁵ См.: Сергин В. Я., Сергин С. Я. Системный анализ проблемы больших колебаний климата и оледенения Земли. Л.: Гидроме-теоиздат, 1978. 279 с.

 

Рассматриваемая система — атмосфера с подстилающей ее земной поверхностью — включает ледники, морские льды, океан и сушу. Климатическое значение суши в этой системе относительно невелико из-за небольшой ее теплоемкости и средней величины альбедо. Наибольшим альбедо обладает снег, отражающий 80% падающей солнечной энергии, а наименьшим — вода, альбедо которой не превышает 10%. Поэтому снег и лед нагреваются солнечными лучами очень мало. Наибольшим аккумулятором тепла является океан. Альбедо суши—.20—30%.

Систему «Земная поверхность—Атмосфера» будем в дальнейшем называть, следуя Сергиным, системой «Ледники—Океан—Атмосфера».  Первые два ее звена обладают большой тепловой инерцией, что оказывается очень важным для динамики всей системы. Вода имеет самую большую теплоемкость — 1 кал/г на 1° С, она медленно нагревается и также медленно остывает. Ледники—холодильники планеты; на таяние 1 г льда нужно затратить 80 кал тепла, и пока лед не растаял, температура талой воды не поднимается выше 0°С, а масса покровных ледников огромна (вспомним, что она равна 60—80-метровому слою воды, разлитому равномерно по поверхности Мирового океана, — 360 млн. км²). Через атмосферу же происходит основной обмен теплом.

Пользуясь методами теории систем управления, Сергины составили функциональную схему системы «Ледники — Океан—Атмосфера». Эта схема дает понятие о замкнутой цепи взаимосвязей, возникающих под действием постоянного источника энергии вне системы — солнечного тепла.  Она затем заменяется так называемой операторной схемой, в которой для каждой связи между величинами подбирается математическая зависимость. Их совокупность представляет собой систему дифференциальных уравнений, решение которой в численном виде производится на ЭВМ. Полученный результат показывает ход изменений во времени всех входящих в систему величин. (135)

 

Операторные схемы были составлены отдельно для северного и южного полушарий, а затем соединены в общую схему для всего земного шара. Раздельный их анализ показал, что в то время  как для северного полушария взаимодействия в системе приводят к автоколебаниям, для южного полушария устанавливается стационарный (или апериодический) режим. Рост покровного оледенения на полярном материке автоколебаний не вызывает (Антарктический ледяной лишай — лишай  локализованный стационарный, по  Гернету). Автоколебания в системе для Земли в целом обеспечиваются за счёт северного полушария, где разрастались покровные ледники собственно-материкового типа. В глобальную операторную схему были включены и внешние воздействия-колебания инсоляции и повышение суши. В результате был получен ход колебаний во времени объема ледников в северном и южном полушариях, средней годовой температуры для полушарий и других величин, характеризующих изменения климата.

Смоделированный ход колебании гляциоклиматических характеристик не претендует на близкое совпадение с действительным ходом соответствующих величин. Модель системы «Ледники-Океан-Атмосфера» пока еще несовершенна. Но все же полученные с ее помощью результаты весьма интересны. Из взаимодействующих между собой в природной системе сил и достоверно установленных внешних влияний ход изменений оказался в общих чертах подобным тому, каким он представляется (по доступным науке данным) за последние несколько сотен тысяч лет. (137)

Продолжительность циклов (от максимума или минимума предыдущего оледенения до максимума или минимума последующего) в модели имеет тот же порядок (от 40 до 80 тыс. лет, чаще 50—70 тыс. лет), какой известен по палеогеографическим данным. Так же сходны по порядку величин амплитуды колебаний.  Отклонения температуры в сторону похолодания (в ледниковья) боль-

 

 

 

 

Отклонения температуры в сторону похолодания (в ледниковья) больше чем в сторону потепления.(Мы живем в одно из межледниковий, и современная температура лишь немногим ниже, чем она была в самые теплые стадии).

В северном полушарии амплитуда температуры в два с лишним раза больше, чем в южном (до 20° против 8°), в соответствии с большими здесь колебаниями объема льдов (от 2 до 20 и более млн км³, т. е. более чем в 10 раз, против 20-30 млн км т,е. менее чем в 2 раза, в южном полушарии).

Колебания температуры в обоих полушариях синхронны и определяются главным образом событиями в северном полушарии. Синхронно  с  колебаниями объема льдов изменяется и разность значений температуры между экватором и полюсом: она увеличивается в  ледниковья и уменьшается в межледниковья. Колебания уровня Мирового океана также соответствуют колебаниям оледенения в северном полушарии. Уровень моря показывает тенденцию к неуклонному понижению в связи с продолжающимся и в плейстоцене повышением суши.

 На модели, кроме того, выясняются некоторые особенности хода событий гляциоклиматическои истории плейстоцена, остававшиеся неясными по палеогеографическим данным Так, изменение температуры отстает от изменения массы лада. Минимум температуры наступает после максимума оледенения уже в ходе его отступания а максимум температуры — после минимума оледенения, когда оно начинает уже разрастаться. Отставание это измеряется 2-3 тыс. лет⁴⁶   (139)

⁴⁶См: Сергин В.  Я., Сергин С. Я. Системный анализ проблемы больших колебаний климата и оледенения Земли, с 183—190.

 

Этот результат полностью отвечаетпредставлениям Е.С. Гернета: охлаждение вызывается оледенением, а  изменения последнего определяются балансом массы льда, который зависит от испарения с океана и осадков. Это отставание подтверждается и палеогеографическими данными для последнего оледенения с максимумом 18 тыс. лет тому назад. Относительно соответствия колебаний оледенения на полушариях сколько-нибудь надёжных данных нет, но моделирование (см. рис. на  с. 138) показывает, что эти колебания в северном и южном полушариях не совпадают по фазе.

Наибольший размер покровного оледенения Антарктиды наступает нередко задолго до максимума оледенения в северном полушарии. Это можно объяснить тем, что увеличение осадков, при­носимых с теплого океана, раньше сказывается на улучшении питания Антарктиды, а потом уже — на ледниках северного полушария. Разным по результатам моделирования оказывается и продолжительность гребней и впадин волны колебаний оледенения на полушариях. Для северного полушария характерные острые пики максимумов оледенения и относительно продолжительные межледниковья. Последнее подтверждается и палеогеографическими данными. Оледенение же Антарктиды изменяется по пологой кривой; продолжительность существования Антарктического покрова в несколько большем или несколько меньшем объеме почти одинакова.

 Таким образом, особенности эволюции оледенения в северном и южном полушариях, полученные моделированием, во многом соответствуют имеющимся данным, частью же указывают на неизвестные до сего времени черты. Для их подтверждения нужны дальнейшие исследования. Но общее соответствие палеогеографическим реконструкциям хода событий по модели заставляет внимательно отнестись и к выводам, пока не подтвержденным другими данными. (140)

 

Весьма интересен и результат моделирования перехода от плиоцена, в течение которого наблюдалось постепенное похолодание, к плейстоцену, когда на общем фоне похолодания начались резкие циклические колебания климата. Известно, что покровное оледенение Антарктиды существует более 10 млн. лет, покровное оледенение Гренландии — не менее 2 млн. лет, тогда как собственно материковые покровные ледники надвинулись на равнины Северной Америки и северо-востока Евразии приблизительно лишь 700 тыс. лет назад и с тех пор их наступания и отступания вызывали чередование ледниковых и межледниковых эпох. Моделирование хорошо воспроизводит эту последовательность событий. При постепенном включении в операторную схему роста оледенения в северном полушарии гляциоклиматические колебания начинаются лишь после разрастания собственно-материковых покровных ледников.

 

 

  

 

Весьма интересен и результат моделирования перехода от плиоцена, в течение которого наблюдалось постепенное похолодание, — к плейстоцену, когда на общем фоне похолодания начались резкие циклические колебания климата. Известно, что покровное оледенение Антарктиды существует более 10 млн. лет, покровное оледенение Гренландии — не менее 2 млн. лет, тогда как собственно материковые покровные ледники надвинулись на равнины Северной Америки и северо-востока Евразии приблизительно лишь 700 тыс. лет назад и с тех пор их наступания и отступания вызывали чередование ледниковых и межледниковых эпох. Моделирование хорошо воспроизводит эту последовательность событий. При постепенном включении в операторную схему роста оледенения в северном полушарии гляциоклиматические колебания начинаются лишь после разрастания собственно-материковых покровных ледников. 

Математическая модель колебаний климата и оледенения не потребовала привлечения каких-либо новых гипотез о причинах, их вызвавших. При составлении функциональной схемы системы «Ледники—Океан—Атмосфера» и решении с помощью ЭВМ уравнений, представленных в виде операторной схемы, были использованы существующие в природе физические зависимости.  Вопрос о причинах больших ледниково-межледниковых колебаний, характерных для последнего миллиона лет истории Земли, рассмотрен объективно с учетом всех факторов, влияние которых можно предполагать существенным. Отбор этих факторов был сделан на основании предварительного анализа, а  насколько этот отбор оказался правильным, показывает результат.  Ход событий в модели системы «Ледники—Океан—Атмосфера» оказался в общих чертах подобным наблюдавшемуся по имеющимся данным.  (141)

 

 

 

 

 

 

 

 

Математическая модель колебаний климата и оледенения не потребовала привлечения каких-либо новых гипотез о причинах, их вызвавших. При составлении функциональной схемы системы «Ледники—Океан—Атмосфера» и решении с помощью ЭВМ уравнений, представленных в виде операторной схемы, были использованы существующие в природе физические зависимости.  Вопрос о причинах больших ледниково-межледниковых колебаний, характерных для последнего миллиона лет истории Земли, рассмотрен объективно с учетом всех факторов, влияние которых можно предполагать существенным. Отбор этих факторов был сделан на основании предварительного анализа, а  насколько этот отбор оказался правильным, показывает результат.  Ход событий в модели системы «Ледники—Океан—Атмосфера» оказался в общих чертах подобным наблюдавшемуся по имеющимся данным.  (141)

 Выполненная работа не завершение, а лишь начало исследований, практической задачей которых является прогноз будущих изменений климата, причем прогноз не в общей форме, который можно дать уже сейчас (и который еще в 1930 г. высказал Е. С. Гернет): мы живем в очередную межледниковую эпоху, за которой после  достаточного повышения температуры Мирового океана, увеличения испарения и осадков последует наступление ледников и следующая ледниковая эпоха. (142) 

Нужен прогноз более определенный: когда это будет и как повлияет на ход гляциоклиматических событий хозяйственная деятельность человека. Все увеличивающееся выделение тепловой энергии от сжигания минерального топлива (нефти, газа) и другие изменения окружающей среды заставляют предполагать возможность быстрого повышения температуры на всей поверхности Земли.

Модель системы «Ледники—Океан—Атмосфера» должна дать ответ, что произойдет, если температура повысится к такому-то году на столько-то градусов. Но пока модель еще недостаточно совершенна. Проверка ее качества может быть сделана по ее пригодности для реконструкции прошлого. Полученная на модели продолжительность циклов и амплитуда колебаний должны совпадать с таковыми по имеющимся геологическим и палеогеографическим данным, пока же мы имеем лишь качественное подобие и близкие по порядку величины.

 Колебания объема ледников в северном полушарии получились на модели несколько заниженными по сравнению с тем, что известно по палеогеографическим данным. Это может быть связано с недостаточным учётом растекания льда и увеличения площади абляции (ускоряющей деградацию) собственно-материковых покровных ледников. Может быть, не введены в расчёт некоторые факторы, например увеличение в межледниковья слоя распресненных вод в полярных морях и сокращение его в ледниковья, что облегчает замерзание морей при переходе от межледниковых эпох к ледниковым и способствует временным похолоданиям на фоне общего потепления и отступания ледников.

 Все величины, полученные математическим моделированием, дают средние значения для каждого полушария (северного и южного), но как они будут различаться от места к месту, остается неизвестным. В действительности в низких широтах, например, амплитуду колебаний температуры от теплых периодов (межледниковых) к холодным (ледниковым) можно принять равной нескольким градусам, в умеренных же и высоких широтах — 10—20° и больше. В приатлантических районах северного полушария изменения всей природной обстановки были значительно большими, чем в притихоокеанских. Но для моделирования все исходные величины были взяты как средние для полушарий, оно велось в «сосредоточенных» параметрах. Чтобы получить различия по широте и долготе и вообще более детальную картину, нужно было бы использовать «распределенные» параметры (т. е. разные значения температуры, испарения, осадков и пр. по участкам земной поверхности). (143)

Но эта сопряжено с огромными математическими трудностями и представляется делом будущего.

Таким образом, ледниковая теория, логические основы которой дал Гернет, успешно развивается.    подтверждается математической моделью системы «Ледники— Океан—Атмосфера», которая соответствует действительному ходу событий в прошлом. Как основная идея, предложенная впервые в нашей стране, так и ее дальнейшее развитие на современном научном уровне ведутся советскими учеными.  За рубежом также высказывались мысли о целесообразности применения для решения вопросов о причинах ледниковых колебаний теории сложных систем⁴⁷, но пока успешное ее применение сделано в нашей стране. 

 ⁴⁷ Metz L. D., Klein R. E. Toward a general theory of climate be­haviour based on the viewpoint of system theory. Proceedings IEEE Conference Decision and Control and 11th Symposium Adaptive Processes, New Orlean, 1972. New York, 1972.

Вспомним, что и ледниковая теория в том смысле, что именно ледники некогда наступали на равнины умеренных широт и оставили следы в виде огромных валунов, моренных гряд и холмов, была обоснована  русским ученым П. А. Кропоткиным. Приоритет нашей отечественной науки в развитии ледниковой теории не вызывает сомнений.

 

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Борисов П. М. Может ли человек изменить климат. М.: Наука, 1970. 192 с.

Брукс   К.   Климаты  прошлого.   М.: Изд-во   иностр.   лит.,   357   с.

Будыко М. И. Климат и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат. 1971. 472 с.

Воейков А. И. Климаты земного шара, в особенности России. — Избр. соч.,  М.;  Л.:  Изд-во АН СССР,  1948,  т.  1, с.   162—748.

Гернет Е.С. Ледяные лишаи. Новая теория оледенения. — М., Наука. 1981. 144 с.

Захаров В. Ф. Мировой океан и ледниковые эпохи плейстоцена. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 64 с.

Монин А. С. История Земли. — Л.: Наука, 1977. 228 с.

Сергин В. Я., Сергин С. Я. Системный анализ проблемы боль­ших колебаний климата и оледенения Земли. Л.: Гидроме­теоиздат, 1978. 279 с.

Тронов М. В. Ледники и климат. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 407 с.

Чижов О. П. Оледенение Северной полярной области. М.: Наука, 1976. 240 с.

 

 Далее — Приложения