Астрономическое датирование четвертичных отложений .

Длиннопериодные климатические колебания четвертичного периода связаны с флуктуациями потока солнечной энергии. Согласно теории М.М.Миланковича малые, периодические во времени, вариации земной орбиты, обусловленные гравитационным взаимодействием между Землей, Луной, Солнцем и планетами, существенно влияют на сезонную инсоляцию в высоких широтах, что приводит к цикличности ледниковых периодов.

Периодичность, присущая вариациям орбитальных параметров Земли, может быть точно рассчитана, и, следовательно, инсоляционная теория накладывает на климатические модели жесткие временные рамки. Таким образом, несомненная корреляция этих вариаций с зафиксированными климатическими флуктуациями в ледниковом периоде является проверкой справедливости теории Миланковича.

Климатические флуктуации в четвертичном периоде связываются с периодическими вариациями трех параметров орбиты Земли): угла наклона эклиптики, эксцентриситета и прецессии равноденствия.

Угол наклона эклиптики описывает наклон оси вращения и определяется как угол между плоскостью земного экватора и плоскостью орбиты Земли. В наше время наклон эклиптики составляет ~23.5° и с цикличностью в 40 тыс. лет изменяется между 22,1° и 24,4°. Наклон эклиптики приводит к сильному изменению инсоляции каждые полгода в Северном и Южном полушариях. что приводит к смене времен года. С ростом наклона эклиптики сезонные изменения становятся более ярко выраженными.

Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца, которое расположено в одном из фокусов. Эксцентриситет описывает отличие орбиты от круговой. В настоящее время он равен 1.7% и изменяется с циклом длительностью 100 тыс. Лет от 0,5 до 6% с наложением дополнительного цикла в 400 тыс. лет.

Вариации эксцентрнаггета вызывают изменения разности инсоляции между перигелием (точка, когда Земля находится ближе всего к Солнцу) и афелием (точка, когда Земля от Солнца дальше всего). В наше время Земля проходит перигелий 3 января. Это приводит к тому, что зима в Северном полушарии мягче, а лето холоднее, чем были бы в случае отсутствия эксцентриситета.

Вследствие эксцентриситета Земли ее ось вращения испытывает круговое прецессионное движение по отношению к небесной сфере. Прецессия имеет период 26 тыс. лет, и в настоящее время ось вращения направлена примерно на Полярную звезду. Прецессия приводит к перемещению по сезонам моментов прохождения через перигелий и афелий с циклом 20 тыс. лет.

Периодичность орбитальных параметров влияет не на величину среднего суммарного потока энергия от Солнца, достигающего Земли, а только на распределение инсоляции по сезонам и полушариям. Она приводит к периодическим флуктуациям инсоляции на данной географической широте в данное время года. На большом временном интервале эти вариации могут достигать 20%. Сначала влияние таких местных колебаний инсоляции на глобальные изменения климата кажется неочевидным.

В соответствии с механизмом Миланковича ключевую роль в развитии глобальных климатических процессов играют высокие северные широты. В средних н высоких широтах Северного полушария находятся обширные континентальные массы Северной Америки и Евразии, которые зимой покрываются плотным снежным покровом, практически не зависящим от величины инсоляции. От летней инсоляции зависит, какая часть снега сохраняется летом. В жаркое лето снега полностью тают, а в холодное часть снежного покрова остается.

Последовательность многих холодных летних периодов в минимуме инсоляции приводит к постепенному росту ледяного шита, который из-за эффекта альбедо еще больше усиливает тенденцию понижения температуры, таким образом, приводя в действие сценарий оледенения С другой стороны, в течение ряда летних периодов с сильной инсоляцией лед может растаять. Следовательно, именно летняя инсоляция играет роль переключателя в развитии глобальных климатических процессов в четвертичном периоде.

Явным свидетельством принципиальной правильности теории Миланковича является то, что некоторые характеристики, запечатленные в отложениях четвертичного периода, показывают периодические вариации, соответствующие расчетной кривой инсоляции северного лета. Отношение 18О/16О в раковинах фораминифер в глубоководных отложениях отражает объем континентального льда, и его вариации демонстрируют такую же периодичность в 100, 40 и 20 тыс. лет, как и кривая инсоляции Миланковича. Вариация содержания 10Ве в глубоководных арктических отложениях синхронна с ритмом наступления и отступления ледников. Также наблюдается корреляция между кривой инсоляции и флуктуациями уровня океана, которые получаются в результате датирования урановой серией следов ископаемых коралловых рифов, содержанием 10Ве, магнитной восприимчивостью лёссов, а также изотопных записей кернов льда. Во всех этих эффектах доминирует цикл длительностью 100 тыс. лет, связанный с вариациями эксцентриситета. Эти наблюдения свидетельствуют в пользу того, что ледниковые/межледниковые периоды определяются вариациями орбиты Земли.

Если согласиться с тем, что хорошо известная цикличность изменения орбиты управляет климатическими флуктуациями, можно астрономически привязывать к шкале времени литологическне и изотопные отпечатки осцилляции, в особенности вариации 18О в глубоководных отложениях, добиваясь их совпадения с кривой Миланковича.

Определенная сложность такого подхода связана с наличием систематической задержки между вариациями инсоляции и обусловленными ими климатическими откликами (например, время формирования или таяния полярных ледяных шапок). Эта задержка составляет 4 8 тыс. лет для морских кривых 18O, и, таким образом, точность астрономического датирования оценивается в ± 5 тыс. лет.

Астрономические хронологии покрывают интервал в 800 тыс. лет. В целом наблюдается прекрасное согласие с временными маркерами, которые могут быть датированы другими хронометрическими методами. Астрономическая датировка может быть в принципе расширена на весь четвертичный период.