Ледяные лишаи

Гернет Евгений Сергеевич

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 колебаний [46] . 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 суши [47] .

46

См.: Сергин С. Я., Сергин В. Я. Земная поверхность — Атмосфера как система автоматического регулирования. — Докл. АН СССР, 1966, т. 171, № 4; Они

же.Как возникали оледенения Земли. — Природа, 1969, № 9.

47

См.: Сергин В. Я., Сергин С. Я.Системный анализ проблемы больших колебаний климата и оледенения Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 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 °C, 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 °C, а масса покровных ледников огромна (вспомним, что она равна 60—80-метровому слою воды, разлитому равномерно по поверхности Мирового океана, — 360 млн. км ²). Через атмосферу же происходит основной обмен теплом.

Пользуясь методами теории систем управления, была составлена функциональная схема 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.

Функциональная схема системы «Ледники — Океан — Атмосфера» (по В. Я. и С. Я. Сергиным)

Схема показывает, как влияют друг на друга учитываемые ею величины. Например, испарение зависит от температуры и интенсивности атмосферной циркуляции. Испарение, в свою очередь, определяет осадки и облачность, которые, изменяясь, влияют на температуру через изменение притока к земной поверхности солнечной энергии, и т. д.

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 счет 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 колебаний 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.

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) 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. км ³, т. е. более чем в 10 раз, против 20–30 млн. км ³, 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.

Колебания климата и оледенения, полученные В. Я. и С. Я. Сергиными при математическом моделировании динамики системы «Ледники — Океан — Атмосфера», 1978 г.

Средняя температура (°С) северного полушария — t _с; средняя температура (°С) южного полушария — t _ю; объем ледников (в млн. км ³) в северном полушарии — V _с; объем ледников (в млн. км ³) в южном полушарии — V _ю; уровень океана (в м) — h.Все величины приведены в отклонениях от современных. Начало шкалы времени условное, т. е. за начало отсчета времени принят какой-то произвольный момент в прошлом. Колебания уровня океана происходят на фоне неуклонного его понижения, что объясняется повышением суши, продолжающимся с третичного времени. Помимо внутренних взаимодействий, моделирование учитывает и внешние влияния — колебания инсоляции по астрономическим причинам и повышение суши тектоническими силами, обусловленными процессами в недрах Земли.

На модели, кроме того, выясняются некоторые особенности хода событий гляциоклиматической истории плейстоцена, остававшиеся неясными по палеогеографическим данным. Так, изменение температуры отстает от изменения массы льда. 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. лет [48] . Этот результат полностью отвечает представлениям 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 надежных данных нет, но моделирование (см. рис. на с. 139) 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.

48

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

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.

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 лишь приблизительно 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.