«Важнейшей причиной всех тепловых явлений на земной поверхности и в
атмосфере является солнечная радиация, ее пространственное распределение,
обусловленное формой земной поверхности, и ее изменения со временем,
связанные с обращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси»
М. Миланкович*
Проблема изменения современного глобального климата и, прежде всего, его температурных характеристик представляется актуальной для современной науки и практики [111]. Эта проблема определяется необходимостью прогнозирования последствий климатических изменений для природной среды и общества. Наиболее важным в проблеме исследования и прогнозирования изменений климата является вопрос о причинах, вызывающих эти изменения [72, 73, 120].
Климат – это состояние природной среды (системы), которое характеризуется осредненными по времени для некоторого района (или Земли) гидрометеорологическими, почвенно–биологическими и другими показателями. Важнейшей характеристикой климата является температурный режим, определяющий многие особенности жизни населения и окружающей природной среды. Приповерхностная температура воздуха (ПТВ) и температура поверхности Мирового океана (ТПО) характеризует термическое состояние климатической системы Земли, которое в основном определяется приходящей от Солнца лучистой энергией и парниковым эффектом планеты. Изменения глобальной температуры являются важнейшим показателем изменения климата.
Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли [19, 20, 51, 58, 75, 96, 120, 213]. С широтными особенностями распределения солнечной радиации связано расположение климатических поясов (широтная зональность). В древности Гиппархом (древнегреческий астроном, географ и математик II века до нашей эры) было дано объяснение годовой смене климатических сезонов [13, 59]. Эта смена объяснялась изменением наклона падения солнечных лучей, связанным с орбитальным движением Земли и наклоном оси ее вращения («климат» в переводе с греческого языка означает – «наклон»). Кроме этого, отмечаются межгодовые и многолетние изменения климата, причины которых пока однозначно не определены.
В регулировании поступления солнечной радиации к Земле (без учета атмосферы) и распределении ее по земной поверхности (солярный климат Земли) выделяются два механизма, имеющие различную физическую природу. Один механизм связан с изменением активности Солнца. Другой механизм определяется небесно-механическими процессами, изменяющими элементы земной орбиты (расстояние Земля – Солнце, продолжительность тропического года и др.), наклон оси вращения и связанные с ними изменения в инсоляции Земли. Этот механизм детально анализируется в данной работе. В перераспределении тепла в климатической системе Земли (в атмосфере и океане) участвуют механизмы межширотного теплообмена («тепловая машина первого рода»), теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла («тепловая машина второго рода»), в системе океан – атмосфера и др. [213]. Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы (прежде всего, содержание Н2О), определяющий роль парникового эффекта и ее изменение [2, 105, 120].
В XX веке отмечена тенденция повышения глобальной приповерхностной температуры, однако причины этого однозначно не определены [290]. Широко распространено мнение о том, что основной причиной изменения глобального климата является «парниковый» эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором [29, 111]. В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе климата.
На исследование причин изменения климата направлен ряд международных научных программ, например, координируемые МСНС (Международный совет научных союзов), ЮНЭСКО и ВМО (Всемирная метеорологическая организация) Всемирная климатическая программа и Всемирная программа исследования климата. Повышенное внимание в настоящее время уделяется исследованиям изменения аномалии ПТВ в связи с изменением парникового эффекта планеты [111]. В то же время, вопросы изменения аномалии ПТВ в связи с пространственными и временными вариациями инсоляции исследованы еще не достаточно.
Основные задачи работы – определение влияния инсоляции и ее изменений, связанных с небесно-механическими процессами, на формирование и изменение ПТВ и ТПО отражающей современное состояние и динамику термического режима климатической системы Земли. Определение характера связи изменения климатических характеристик с различным пространственным и временным разрешением. Анализ изменения в отдельных компонентах климатической системы Земли (атмосфере, океане, криосфере) в связи с изменениями инсоляции.
Автор искренне благодарен А.А. Костину за многолетнее сотрудничество и помощь в разработке расчетных компьютерных программ и выполнении расчетов. Очень полезным оказалось участие в расчетах, подготовке графических иллюстраций и обсуждении результатов И.К. Бариева, П.Б. Гребенникова, А.М. Залиханова, Н.К. Кононовой, А.И. Хлыстова, Б.Г. Шерстюкова которым автор искренне признателен. Автор благодарен У. Фолкнеру (W.M. Folkner, NASA), любезно согласившемуся выполнить параллельные расчеты времени вхождения Земли в точку весеннего равноденствия (с 1600 по 2100 гг.), что позволило сравнить полученные нами результаты и убедиться в их точности и достоверности. Автор признателен Н.С. Сидоренкову и В.Н. Малинину за предоставленные данные по вариации скорости осевого вращения Земли и уровню Мирового океана. Особую признательность автор выражает С.А. Сократову за дружеское участие и вдумчивое обсуждение общей исследовательской концепции, расчетных алгоритмов и полученных результатов на всех этапах проведения исследований.
В монографии представлены результаты работ, выполнение которых оказалось возможным благодаря финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 11–05–07029, 14–45–01616, 15–05–07590, 17–15–00062).
* Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. М., Л.: ГОНТИ, 1939. С. 5.