Читать книгу Życie i ewolucja biosfery - January Weiner - Страница 35

Natężenie promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię Ziemi zależy oczywiście od odległości od Słońca. Odległość ta zmienia się ustawicznie z powodu zmian położenia Ziemi względem Słońca. Ruch kuli ziemskiej jest dość złożony — mają na niego wpływ różne czynniki, a wypadkowa trajektoria jest bardzo trudna do obliczenia i może sprawiać wrażenie chao­tycznej. Astronom serbski Milankovič w latach 30. XX wieku sformułował hipotezę, iż owe złożone ruchy kuli ziemskiej mogły być przyczyną znanych w historii Ziemi głębokich zmian klimatycznych. Już wcześniej podobne koncepcje wysuwali Lagrange (1782) i inni uczeni, ale dopiero obliczenia Milankoviča zdobyły rozgłos. Problematyka ta w ostatnich latach przeżywa renesans, gdyż z jednej strony— dokładniejsze dane astronomiczne i lepsze możliwości obliczeniowe pozwalają na precyzyjniejsze odtworzenie pozycji Ziemi względem Słońca w minionych epokach, a z drugiej — nowe metody w geologii przyczyniły się do dokładniejszego poznania historii klimatu naszej planety (ramka 2.3).

Poruszając się po eliptycznej orbicie, Ziemia otrzymuje w aphelium o 3,6% mniej, a w peryhelium o 3,5% więcej energii niż wynosi średnia roczna. Jednakże kształt (wydłużenie) orbity Ziemi ulega pewnym wahaniom, spowodowanym oddziaływaniem innych planet Układu Słonecznego. Wahania te są okresowe, a ich cykl wynosi średnio 92 000 lat.

Nachylenie osi ziemskiej względem płaszczyzny orbity również się zmienia z powodu oddziaływania grawitacyjnego Księżyca i innych planet — nachylenie płaszczyzny równika ziemskiego do płaszczyzny ekliptyki oscyluje między 21°48’ a 24°24’, przy czym okres tych wahań wynosi około 40 000 lat. Do tego dochodzi zjawisko precesji, spowodowane tym, że kształt naszej planety odbiega od idealnej kuli, a przy tym oddziałują na nią siły grawitacyjne Księżyca i Słońca. W wyniku oś ziemska „kołysze się”, zakreślając powierzchnię stożka wokół prostej prostopadłej do płaszczyzny ekliptyki, przy czym pełny okres wynosi około 26 000 lat. Skutkiem tego zmieniają swoje położenia punkty równonocy wiosennej i jesiennej, a także odległości peryhelium i aphelium. Obecnie peryhelium wypada w styczniu i właśnie w styczniu Ziemia otrzymuje najwięcej energii od Słońca. Za 11 000 lat peryhelium wypadnie w lipcu.

Ramka 2.3. Hipoteza Milankoviča Zgodność zapisu zmian klimatu na Ziemi ze zmianami przewidywanymi na podstawie hipotezy Milankoviča. A — dane orbitalne (wyrażone w jednostkach odchylenia standardowego); B — wyliczone przewidywania zmian objętości lodu na Ziemi; C i D — zmiany objętości lodu na Ziemi obliczone na podstawie pomiarów zawartości izotopu tlenu 18O, z dwóch różnych stanowisk (wg Imbrie i Imbrie, 1980)

Nakładanie się tych trzech ruchów, których okresy nie są stałe, lecz tylko zbliżone do przeciętnych wartości 92, 40 i 26 tys. lat, daje skomplikowany obraz zmian ruchu Ziemi. Dzisiejsze techniki obliczeniowe pozwalają jednak dość dokładnie oszacować skutki klimatyczne tych ruchów. Sezonowe zmiany natężenia promieniowania, spowodowane zjawiskiem precesji, są tym większe, im bardziej wydłużona jest elipsa orbity Ziemi (dla orbity dokładnie kolistej efekt ten w ogóle by nie wystąpił). W związku ze zmianami kształtu orbity Ziemi w przeszłości sezonowe wahania napromieniowania Ziemi mogły sięgać 30% wartości średniej. Wydaje się jednak, że największe znaczenie klimatyczne mają zmiany nachylenia płaszczyzny równika względem płaszczyzny ekliptyki, zwłaszcza w wysokiej szerokości geograficznej. W strefie międzyzwrotnikowej największe znaczenie dla wahań klimatu ma zmiana kształtu orbity i precesja, natomiast w pasie 55–65° wszystkie czynniki oddziałują równie silnie, powodując najbardziej zawikłany przebieg zmian klimatu.

Nie wchodząc w szczegóły, można powiedzieć, iż zmiany orbity Ziemi wynikające z opisanych przez Milankoviča mechanizmów astronomicznych mogły powodować zmiany średniej temperatury miesięcznej w różnych rejonach, nawet o kilkanaście stopni Celsjusza. Obniżenie temperatury z kolei wpływa na długość zalegania pokrywy śnieżnej, powodując silniejsze odbicie promieniowania, dalsze ochłodzenie i powstawanie zlodowaceń. W zależności od szerokości geograficznej i przebiegu czasowego zmian orbity ziemskiej w danej epoce prowadziło to do dłuższych lub krótszych okresów glacjalnych. Dane paleoklimatyczne potwierdzają przewidywania astronomiczne (ramka 2.3), przynajmniej dla okresu ostatniego miliona lat (zarówno dane astronomiczne, jak paleoklimatyczne są tym mniej dokładne, im starszej epoki dotyczą).

Czynniki kosmiczne zapewniają względnie stabilne warunki na Ziemi w okresie kilku miliardów lat. Na warunki te składają się: odpowiednia odległość od Słońca, a więc umiarkowana temperatura, pozwalająca na utrzymanie wody w stanie ciekłym (a nie gazowym, jak na Wenus, czy zestalonym — jak na Marsie); odpowiednia masa, umożliwiająca utrzymanie atmosfery (Księżyc, jednakowo jak Ziemia oddalony od Słońca, jest za mały, aby utrzymać atmosferę, a co za tym idzie — aby w ogóle utrzymać wodę); cykl dobowy i cykl roczny — przy odpowiednim dla zaistnienia pór roku kącie nachylenia osi obrotu do ekliptyki. Warunki środowiska ulegają cyklicznym zmianom i chaotycznym oscylacjom, o wielkim znaczeniu dla życia na Ziemi, ale zakres tych zmian mieści się w dość wąskim, stałym przedziale.