Что вызывает изменение климата Земли?
Астроном Милютин Миланкович (1879-1958) изучал изменение орбиты вращения Земли вокруг Солнца и наклон оси нашей планеты. Он предположил, что циклически происходящие изменения между ними являются причиной долгосрочной смены климата.
Изменение климата – сложный процесс, на него влияют многие факторы. Основной из них – взаимосвязь Земли и Солнца.
Миланкович изучал три фактора:
Изменение наклона земной оси;
Отклонения в форме орбиты вращения Земли вокруг Солнца;
Прецессию изменения положения наклона оси по отношению к орбите. .
|
|
|
Отклонение земной оси. |
Изменение орбиты Земли. |
 Земля
Земля без смены времен года, наклон оси 0°. |
|
 Конец июня: лето в Северном полушарии, зима – в Южном. |
|
 Конец декабря: лето в Северном полушарии, зима – в Южном. |
|
Наклон земной оси
Если бы наклона оси не было, то у нас не было бы времен года, а день и ночь в течение всего года длились бы одинаково. Количество солнечной энергии, достигающей определенной точки Земли, было бы постоянным. Сейчас ось планеты находится под углом 23,5°. Летом (с июня) в Северном полушарии оказывается так, что северные широты получают больше света, чем Южные. Дни становятся длиннее, а положение солнца – выше. В то же время в Южном полушарии – зима. Дни – короче, а солнце – ниже.
Спустя полгода Земля переходит по своей орбите на противоположную сторону Солнца. Наклон остается таким же. Теперь лето в Южном полушарии, дни дольше, а света – больше. В Северном полушарии сейчас зима.
Миланкович предположил, что наклон земной оси не всегда равен 23,5°. Время от времени происходят колебания. Он подсчитал, что изменения лежат в интервале от 22,1° до 24,5°, повторяется это с периодом в 41 000 лет. Когда наклон меньше, то летом температура ниже обычного, а зимой – выше. При увеличении наклона наблюдаются более экстремальные климатические условия.
Как все это влияет на климат? Даже при увеличении температуры зимой все равно достаточно холодно для снега в удаленных от экватора областях. Если лето холодное, то, возможно, что снег зимой в высоких широтах так же будет таять медленнее. Год за годом он будет наслаиваться, образуя ледник.
В сравнении с водой и сушей, снег отражает больше солнечной энергии в космос, вызывая дополнительное похолодание. С этой точки зрения, здесь имеет место механизм положительной обратной связи. Вследствие понижения температуры дополнительно накапливается снег и увеличиваются ледники. Отражение со временем увеличивается, а температура снижается, и так далее. Возможно, именно так начинались ледниковые периоды.
Форма орбиты вращения Земли вокруг Солнца
Второй изучаемый Миланковичем фактор – форма орбиты вращения Земли вокруг Солнца. Орбита имеет не идеально круглую форму. В определенное время года Земля находится к Солнцу ближе, чем обычно. Значительно больше энергии Солнца Земля получает, находясь как можно ближе к светилу (в точке перигелия), в сравнении с максимальным удалением (точка афелия).
Форма земной орбиты меняется циклически с периодом 90 000 и 100 000 лет. Иногда форма становится более вытянутой (эллиптической), чем сейчас, поэтому различие в количестве солнечной энергии, получаемой в перигелии и афелии, будет большим.
Перигелий сейчас наблюдается в январе, афелий – в июле. Такая смена делает климат Северного полушария более мягким, принося дополнительное тепло зимой. В Южном полушарии климат более суровый, чем был бы, если бы орбита вращения Земли вокруг Солнца была круглой.
Прецессия
Есть и другая сложность. Ориентация земной оси со временем меняется. Подобно волчку, ось движется по кругу. Такое движение называют прецессионным. Цик такого движения составляет 22 000 лет. Это вызывает постепенную смену времен года. Одинадцать тысяч лет назад Северное полушарие было наклонено ближе к солнцу в декабре, чем в июне. Зима и лето менялись местами. Спустя 11 000 лет все снова изменилось.
Все три фактора: наклон оси, форма орбиты и прецессия меняют климат планеты. Так как это происходит в различных масштабах времени, то взаимодействие этих факторов сложно. Иногда они усиливают эффект друг друга, иногда – ослабляют. К примеру, 11 000 лет назад прецессия вызывала начало лета в Северном полушарии в декабре, эффект увеличения солнечного излучения в перигелии в январе и уменьшение в афелии в июле усилит межсезонную разницу в Северном полушарии, вместо привычного нам сейчас смягчения. Не все так просто как кажется, так как даты перигелия и афелия так же сдвигаются.
Другие факторы, влияющие на климат
Помимо эффекта смещения движения Земли, есть и другие влияющие на климат факторы?
Ось земли
Если бы вы могли посмотреть на Землю со стороны, то решили бы, что у Земли очень плохая осанка. Земля, летит вокруг Солнца, наклонившись несколько вбок (как парусник при сильном ветре).
Угол наклона земной оси
Угол наклона земной оси составляет 23,5 градуса от вертикальной линии. Это произошло во время смертоносных гонок, в результате которых 4,6 миллиарда лет назад образовалась наша Солнечная система .
Солнце, Земля и другие восемь планет в нашей планетной системе образовались из вращающегося облака межзвездных газа и пыли. Ученые считают, что Земля выросла до размеров планеты, поглощая сталкивавшиеся с ней частицы. Проходили миллионы лет, образовывались и разрушались миры, из их частей формировались планеты в современном виде. Естественный спутник Земли возможно образовался при столкновении раскаленной докрасна Земли с большим космическим телом.
Почему Земная ось наклонена?
По мнению Кларка Чепмена, астронома из Планетарного научного института в Таксоне, штат Аризона, для того, чтобы придать Земле ее нынешнюю орбиту, потребовался гигантский взрыв. Благодаря взрыву жизнь на нашей родной планете стала весьма интересной. Результаты этого удара до сих пор окрашивают осенью листья в желтый цвет, летом поджаривают побережье Средиземного моря, позволяют детишкам резвиться в речках, зимой вызывают сильные снегопады на радость детям и на горе городским властям. Этот последний решающий взрыв создал на Земле времена года - четыре времени года.
Схематическое изображение наклона земной оси вращения. Авторы и права: UniverseTodayRu
В древние времена, в различных культурах наша планета принимала разнообразные формы – от куба до более популярного плоского диска, окружённого морем. Но благодаря развитию астрономии, мы пришли к пониманию того, что на самом деле Земля имеет шарообразную форму (геоид), к тому же это одна из многих планет в нашей звёздной системе, которая вращается вокруг Солнца.
В течение последних нескольких столетий, в результате развития науки, эволюции научных инструментов и более комплексных наблюдений, астрономы с высокой точностью смогли определить истинную форму орбиты Земли. В дополнении к знанию точного расстояния до Солнца, мы также выяснили, что наша планета вращается вокруг него с определённым наклоном.
Наклон оси вращения – это угол на который отклонена ось вращения планеты от перпендикуляра, проведённого к плоскости её орбиты. Такого рода наклон небесного тела влияет на то, сколько солнечного света получает определённая точка на его поверхности в течение года. Наклон земной оси вращения составляет приблизительно 23,44° (или 23,439281°, если быть точным).
Наклон земной оси является основным фактором ответственным за сезонные изменения, происходящие на Земле в течение года. Когда северный полюс направлен к Солнцу, то в северном полушарии наступает лето, а в южном – зима. Когда же, спустя шесть месяцев, южный полюс разворачивается к Солнцу – наблюдается противоположная ситуация.
В дополнение к изменениям температуры, смена сезонов также приводит к изменениям в суточном цикле. Так летом, продолжительность дня больше, чем ночи, а Солнце поднимается выше в небе. Зимой дни становятся короче, а Солнце располагается ниже.
Более интересная ситуация наблюдается за северным полярным кругом: там сначала в течении почти шести месяцев Солнце не поднимается над горизонтом (явление известное как “полярная ночь”), а затем также в течении почти шести месяцев не заходит за горизонт (“полярный день”).
На этой иллюстрации показан вид на Землю из космоса. Авторы и права: NASA.
Четыре времени года можно привязать к четырём датам: солнцестояниям и равноденствиям. В северном полушарии, зимнее солнцестояние наблюдается 21 или 22 декабря, летнее солнцестояние – 20 или 21 июня, весеннее равноденствие – 20 марта, а осеннее равноденствие – 22 или 23 сентября. В южном полушарии, ситуация противоположная: дата летнего солнцестояния меняется с датой зимнего, а дата весеннего равноденствия – с датой осеннего.
Угол наклона Земли является относительно стабильными в течение длительного периода времени. Однако, земная ось постоянно раскачивается. Это явление, известное как прецессия, приводит к периодическому “переворачиванию” сезонов (примерно каждые 25 800 лет). Когда это произойдет, лето в северном полушарии будет наступать в декабре, а зима в июне.
Таким образом, вращение Земли вокруг своей оси – это не так уж и просто, как вы могли подумать. Во время научной революции для многих было настоящим откровением узнать, что Земля не является неподвижной точкой во Вселенной. Но даже тогда, такие астрономы как Коперник и Галилей считали, что орбита Земли является идеальной окружностью, и они не могли себе даже представить, как всё выглядит на самом деле. И лишь спустя долгое время мы поняли, что наклон оси нашей планеты приводит к серьёзным изменениям с течением времени – как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.
Если внимательно рассмотреть все объекты Солнечной системы, то без сомнения можно сказать, что Земле повезло. При формировании планет именно ей было суждено оказаться в правильном месте, где наиболее гармонично сочетаются все факторы для развития жизни. Парадокс, но даже с развитием прогресса в сфере изучения космоса и информационной доступности, не все люди имеют представление о космических параметрах Земли, а ведь именно их стоит поблагодарить не только человеку, но и всей природе за возможности, которые она предоставляет для развития жизненного цикла. Пора восполнить этот пробел.
Отдельное спасибо орбите, атмосфере и осевому наклону
Земля является третьей по удаленности от главной звезды планетой. Среднее расстояние до Солнца составляет около 149,5 млн.км, оно стало для нее оптимальным в плане соотношения температур - не слишком жарко в дневное и летнее время, и умеренно холодно ночью и зимой.
Земная орбита заслуживает уважения за свое расположение не только благодаря климату, но и за то, что нахождение на данном участке Солнечной системы создало возможности для формирования атмосферы, способствующей зарождению жизни, основу которой составляют азот и кислород.
Обратить внимание следует и на угол наклона земной оси к плоскости орбиты. Он составляет 23 градуса, благодаря ему на планете нет полностью затененных участков, каждый из них попеременно получает нужное количество света и тепла при смене времен года.
Воздух на Земле - это не только кислород...
С самого детства люди знают о значимости кислорода. Однако редко вспоминают о других составляющих.
В первую очередь к ним относится азот — этого газа даже больше, чем первого, в атмосфере по объему и его главная задача - нейтрализовать негативные свойства кислорода. Звучит странно? На самом деле, ничего удивительного нет, ведь если вспомнить химию, то известно, что газ О 2 обладает способностью создавать окислительные реакции, в чистом виде он способен даже сжечь дыхательные пути! Поэтому азот является подушкой безопасности для наших слизистых оболочек носа и легких.
Ну и конечно, немного углекислого газа присутствует, всего несколько сотых долей процента. Почему так мало, если столько людей на планете его ежесекундно выдыхают? Все очень просто: от человека углекислый газ передается растениям, которые при выдохе возвращают кислород в атмосферу. Вот такой круговорот!
Угол наклона земной оси и его дары
Как уже отмечалось выше, он позволяет любой точке планеты заряжаться солнечной энергией. Но не только в этом его заслуги. Наклоненная ось позволяет наблюдать такие явления, как времена года, которые являются следствием того, что на каждой широте солнечные лучи направляются под разными углами, изменяя их в течение всех 365 дней, в результате чего становится то теплее, то холоднее. А на полюсах можно стать свидетелем того, что более 180 дней солнце не заходит с небосвода, а другие 180 суток не восходит, потому что освещает противоположный полюс. Таким образом, за весь орбитальный цикл два полушария по очереди нагреваются и охлаждаются. Когда на одном из них лето - на другом в это же время зимние холода; с осенью и весной все аналогично. В каждое время года меняется продолжительность дня и ночи.
Если бы угол наклона земной оси был нулевым, то картина была бы более блеклой: день и ночь бы стабильно длились по 12 часов, а время года и температура были бы одинаковые, в зависимости от широты. Экватор был бы оазисом лета, средние широты не покидала бы осень, а на полюсах не было бы ни дня, ни ночи, а только вечное утро.
Особые отличия от соседних планет Земной группы
1. Наша планета является самой большой по размеру среди них. Венера, а особенно Марс и Меркурий в своих размерах существенно уступают ей.
2. Только на Земле присутствует кислород в достаточном количестве и в правильном соотношении, что важно для наличия жизни.
3. Имеет самое сильное магнитное поле, которое защищает от радиации и самый крупный естественный спутник - Луну.
4. Единственная из планет Земной группы обладает огромным запасом воды.
5. Расстояние до Солнца — около полутора сотен миллионов километров — оказалось счастливым для нее.
Заключение
Землю можно по праву назвать Раем! Нигде в ближайшей космической округе нет подобных благоприятных условий. И благодарить за это нужно космос, который создал комфортный угол наклона земной оси и благоприятные орбитальные параметры. Ни одна соседняя планета не имеет спутника, подобного Луне, воды, кислорода и жизни, которая в любом случае прекрасна. А от людей требуется только лишь ее любить и беречь. Наша планета этого достойна.
Земная ось нашей планеты в северном векторе направлена к точке, где находится звезда второй величины, называемая Полярной, в хвостовой части
Эта звезда в течение суток очерчивает на небесной сфере небольшую окружность радиусом около 50 минут дуги.
В древности знали о наклоне земной оси
Очень давно, во II веке до н. э., астроном Гиппарх открыл, что эта точка является подвижной на звёздном небе и медленно перемещается навстречу движению Солнца.
Он рассчитал скорость данного движения в 1° за столетие. Данное открытие получило название Это ход впереди, или предварение равноденствия. Точное значение этого движения, постоянной прецессии, равно 50 секундам в год. Исходя из этого, полный цикл по эклиптике составит примерно 26 000 лет.
Точность важна для науки
Вернёмся к вопросу о полюсе. Определение его точного положения среди звёзд - есть одна из важнейших задач астрометрии, которая занимается измерениями дуг и углов на небесной сфере с целью определения и планет, собственных движений и расстояний до звёзд, а также решением задач практической астрономии, важных для географии, геодезии и навигации.
Найти положение полюса мира можно с помощью фотографии. Представьте себе длиннофокусную фотографическую камеру, осуществлённую в виде астрографа, направленную неподвижно на область неба близ полюса. На такой фотографии каждая звезда опишет более или менее длинную дугу окружности с единым общим центром, который и будет полюсом мира - той точкой, куда направлено вращение земной оси.
Немного об угле наклона Земной оси
Плоскость небесного экватора, будучи перпендикулярной к земной оси, так же изменяет своё положение, чем и вызывается движение точек пересечения экватора с эклиптикой. В свою очередь, притяжение Луной экваториального смещения стремится повернуть Землю таким образом, чтобы её экваториальная плоскость пересекала Луну. Но в данном случае эти силы действуют не на а на массы, образующие экваториальное вздутие её эллипсоидальной фигуры.
Представим шар, вписанный в земной эллипсоид, которого он касается в полюсах. Такой шар притягивается Луной и Солнцем силами, направленными к его центру. По этой причине сохраняется неизменной земная ось. Это притяжение, действующее на экваториальное вздутие, стремится повернуть Землю таким образом, чтобы экватора и притягивающего её объекта совпадали, создавая этим опрокидывающий момент.
Солнце в течение года дважды отдаляется от экватора до ± 23,5°, а удаление Луны от экватора в течение месяца достигает почти ± 28,5°.
Детская игрушка волчок открывает небольшую тайну
Если бы Земля не вращалась, то она стремилась бы наклоняться, как бы кивая, так, чтобы экватор все время следил за Солнцем и Луной.
Правда, вследствие огромной массы и инерции Земли, такие колебания были бы очень незначительными, так как на столь быструю смену направлений Земля не успевала бы реагировать. Мы хорошо знакомы с этим явлением на примере детского волчка. стремится опрокинуть волчок, но центростремительная сила защищает его от падения. В итоге, ось движется, описывая коническую форму. И чем быстрее движение, тем более узкая фигура. Точно так же себя ведёт и земная ось. Это и является неким гарантом её стабильного положения в пространстве.
Угол наклона Земной оси влияет на климат
Земля совершает движение вокруг Солнца по орбите, которая практически сходна с окружностью. Наблюдение за скоростью звёзд, расположенных поблизости эклиптики, представляет, что во всякий момент мы приближаемся к одним звёздам и отдаляемся от противоположных им на небе со скоростью 29,5 километров в час. Перемена времён года является результатом того. Существует наклон земной оси к плоскости орбиты и составляет около 66,5 градусов.
Из-за небольшой эллиптической орбиты, планета в январе несколько ближе к Солнцу, чем в июле, но отличие в дистанции не существенно. Поэтому влияние на получение тепла от нашей звезды малозаметно.
Учёные считают, что земная ось - это нестабильный параметр нашей планеты. Как показывают исследования, угол наклона земной оси по отношению к плоскости её орбиты в прошлом был иным и периодически изменялся. По дошедшим к нам легендам о гибели Фаэтона в описаниях Платона существует упоминание о смещении оси в это ужасное время на 28°. Эта катастрофа имела место быть более десяти тысяч лет назад.
Немного пофантазируем и изменим угол наклона Земли
Имеющийся сегодня угол земной оси по отношению к плоскости орбиты составляет 66,5° и обеспечивает не столь резкое колебание температур зима - лето. К примеру, если этот угол составлял бы около 45°, что бы происходило на широте Москвы (55,5°)? В мае солнце при таких условиях достигнет зенита (90°) и сместится до 100° (55,5°+45°=100,5°).
При таком интенсивном движении Солнца весенний период проходил бы намного быстрее, и в мае бы достигал пика температур, как на экваторе при максимальном солнцестоянии. Затем слегка бы ослаблялся, так как солнце, проходя зенит, уходило бы немного дальше. Затем возвращалось назад, проходя зенит снова. В течение двух месяцев, в июле и мае, наблюдалась бы несносная жара, около 45-50 градусов Цельсия.
Теперь рассмотрим, что бы происходило с зимой, к примеру, в Москве? После прохождения второго зенита, наше светило опустилось бы в декабре месяце до 10 градусов (55,5°-45°=10,5°) над горизонтом. То есть с приближением декабря, солнце выходило бы на более короткий срок, чем сейчас, невысоко поднимаясь над горизонтом. В этот период солнце светило бы по 1-2 часа в сутки. При таких условиях ночная температура опустится ниже отметки -50 градусов Цельсия.
Каждая версия эволюции имеет право на жизнь
Как мы видим, для климата на планете немаловажно, под каким углом земная ось. Это основополагающее явление в мягкости климата и условий жизни. Хотя, возможно, при иных условиях на планете, эволюция пошла бы несколько другим путём, создав новые виды животных. А жизнь продолжала бы существовать в другом своём многообразии, и, возможно, нашлось бы место «иному» человеку в нем.