Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов

Закон чередования ледниковых эпох Земли

Ледниковыми эпохами (оледенениями) в истории Земли называются резкие понижения средней температуры Земли, которые приводили к образованию ледников, покрывавших большую часть Европы, Азии и Северной Америки (подробнее см. https://www.mirf.ru/science/lednikovye-periody-v-istorii-zemli/ ).

Процесс оледенения наиболее наглядно иллюстрируется изменениями средней температуры на Земле. На рис.10 представлен график изменения температуры за период от настоящего времени до 400 тыс. л. до н.э.

Рис.11. Изменение средней температуры на Земле за 400 тыс. лет, Википедия

Что означает этот график? Нуль температуры на оси ординат рис.10 и нуль на оси времени соответствуют настоящему времени. Климат Земли при этом характеризует картинка рис.3. В этих условиях средняя температура на Земле равна +14 ^oC . На графике рис.11 этот участок зависимости отмечен красной цифрой «0».

Обращает внимание, что лишь в кратковременные периоды, обозначенные на рисунке красными цифрами от 0 до 4-х, наблюдались потепления, подобные нынешнему. Основное же время Земля имела температуру ниже, чем сейчас, на 2-9 градусов. Геофизические исследования показывали, что в эти промежутки времени север Америки, Европы и России покрывали ледники.

Таким образом, получается, что в последние 400 тыс. лет основное состояние климата Земли – оледенение. На рис.12 изображен пейзаж в районе Парижа, который можно было бы наблюдать во время последнего ледникового периода, если бы существовала машина времени.

По мнению автора брошюры картинка рис.10 является иллюстрацией одного из крупнейших открытий физики последних семи лет. Для ее получения потребовалась разработка методов применения ядерной физики и компьютерных методов обработки информации. График содержит результат работы нескольких тысяч океанографов, полярников, физиков, биологов, компьютерщиков и ученых других специальностей. Подробное описание действий нескольких армий ученых требует отдельной книги. А мы отметим лишь следующее.

Рис.12. Тундро-степь Европы в эпоху последнего оледенения (в представлении художника, Википедия)

Существование периодов оледенений были известны в науке давно, более ста лет. На территории России их назвали Валдайское, Московское и Днепровское, соответственно (рис.11). Подробное рассмотрение процессов оледенений выходит за пределы настоящей брошюры. Дополнительные сведения можно найти в статье https://www.mirf.ru/science/lednikovye-periody-v-istorii-zemli/ .

Сенсацией же последних семи лет является подробное количественное описание изменений температуры. Обнаруженное множество колебаний температуры в течение этого периода времени свидетельствуют о крайней неустойчивости климата Земли.

Следует отметить, что в физике существуют два основных метода исследований – «феноменологический» и «модельный». Первый из них основан на использовании «первых принципов». Они получаются из множества опытов и принимаются как аксиомы. Например, закон сохранения энергии – феноменологический, он получен путем наблюдений и экспериментов. Второй, то есть модельный, подход позволяет обосновывать опытные законы исходя из теоретических расчетов. В частности, закон сохранения механической энергии доказывается с помощью аналитической механики, исходя из аксиомы однородности времени (см. например, Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц. Механика). При этом однородность времени – тоже аксиома, укладываемая в фундамент теоретических расчетов.

В термодинамике второй ее закон утверждает, что энтропия замкнутой системы в любых процессах увеличивается. Это – феноменологический закон. В то же время статистическая теория Максвелла-Больцмана, объясняет рост энтропии движением молекул. Это – модельная теория.

Подобным образом, климат может описываться и предсказываться и с помощью феноменологических законов, и путем модельных расчетов на компьютерах. В частности, рис.11 показывает, что существует феноменологический закон: теплый климат между ледниковыми периодами должен длиться примерно 10 тысяч лет. Следствие: последний ледник кончился как раз 10 тыс. лет назад. Получается, что на Земле скоро снова наступит глобальное похолодание и оледенение?

Однако у физиков существует глобальная цель – перейти к модельному описанию климата, то есть описать все пики, все изменения, представленные на рис.11, с помощью компьютерных расчетов. Таким образом был бы осуществлен модельный метод предсказания климата. Он заключается в расчетах действия всех различных механизмов, которые им управляют. Продолжим в следующем разделе рассмотрение этих факторов.

Альбедо: разноцветные наряды Земли

Средняя температура планеты определяется прежде всего величиной потока тепла, создаваемого Солнцем. Но при этом количество получаемого тепла зависит от еще одного фактора. Он называется «альбедо» планеты.