Моделирование влияния изменения оси вращения Земли на глобальный климат

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геофизика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ОСИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ НА
ГЛОБАЛЬНЫЙ КЛИМАТ Пархоменко Валерий Павлович Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Вычислительный центр им. А. А. Дородницына Российской академии наук
SIMULATION OF THE INFLUENCE OF THE EARTH'-S ROTATION AXIS CHANGES ON THE GLOBAL CLIMATE
В настоящей работе проведены численные эксперименты по определению климата Земли при смещении оси вращения Земли без изменения ее наклона к плоскости эклиптики. Существуют некоторые данные о возможности такого смещения в прошлом. Расчеты проведены с использованием гидродинамической трехмерной глобальной климатической модели, включающей блоки атмосферы, термохалинной крупномасштабной циркуляции океана, морского льда. Развита методика формирования необходимых карт и связей между ними при повороте оси вращения Земли или использования новых картографических данных. Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 15 и Проектов РФФИ № 11−01−575, № 11−07−161.
In the present work conducted numerical experiments to determine the climate of the Earth if the Earth'-s axis of rotation without changing its inclination to the plane of the ecliptic. There is some evidence of the possibility of such bias in the past. Calculations carried out using three dimensional hydrodynamic models of the global climate, including atmospheric blocks, large scale thermohaline ocean circulation, sea-ice. There are developed methods of forming necessary maps and links between them when you turn the Earth'-s axis of rotation, or use the new map data.
Ключевые слова: глобальная климатическая модель, термохалинная циркуляция, численные эксперименты- global climate model, thermohaline circulation, numerical experiments.
Существуют некоторые предположения и свидетельства о теплом климате в Северо-Восточной Сибири 12 — 24 тысячи лет назад. Возможно, это связано с изменением расположения северного географического полюса в это время.
В соответствии с мнением основателя теории дрейфа континентов А. Вегенера [1] северный географический полюс в эпоху последнего поздневалдайского или осташковского оледенения (12−24 тысячи лет назад), располагался почти в самом центре Гренландии, приблизительно на 15 град. южнее его современного положения. В этом случае расположение климатических зон в Арктическом регионе в тот период должно было быть иным. Если сейчас Северный полярный круг (66о с.ш.) проходит через значительную часть севера Азии (Западная и Восточная Сибирь, Чукотка) и севера Северной Америки (Аляска, Арктическая Канада), то тогда он должен был проходить севернее северной и северо-восточной Азии, Чукотки и Аляски (через острова Новая Земля и Северная Земля и в акватории современного Северного Ледовитого океана). Внутри северного полярного круга должны были быть северная часть полуострова Лабрадор в Канаде, значительная часть Скандинавии и северная часть Великобритании и Ирландии.
Из такого расположения северного полярного круга следует, что основная часть территории северо-восточной Азии и Аляски должна была находиться в районе с умеренным климатом и хвойными и широколиственными лесами и степями.
Американский геофизик А. О'-Келли выдвигает еще более радикальное предположение о расположении северного географического полюса в эпоху этого оледенения — в районе острова Акпаток в Гудзоновом проливе, отделяющем полуостров Лабрадор от Баффиновой Земли, в точке, географическая широта которой составляет сейчас 60° с.ш. Эти представления изложены в соответствии с [2].
Причиной изменения положения северного географического полюса может быть изменение положения оси вращения Земли [3]. В последние годы предложена теория, объясняющая механизм глобального изменения климата и катастрофических изменений на Земле, разработанная в 1984 г. американским астрономом и геофизиком из НАСА П. Шульцем: это проскальзывание литосферы, приводящее к смещению географических полюсов Земли. Суть ее заключается в следующем. Земная кора вместе с твердой верхней частью мантии — литосфера — покоится на слое расплавленной мантии — астеносфере. Толщина литосферы — от 1−5 км в океанах до 50−100 км на материках при общем радиусе Земли 6370 км. Это дает возможность литосфере при сильном воздействии на нее (например, при касательном ударе летящего со скоростью 50 км/с астероида диаметром 20 км) проскальзывать по жидкой астеносфере без сколь-нибудь заметного изменения вращения всего гироскопа, в данном случае Земли. Однако наклон оси вращения Земли по отношению к плоскости эклиптики при этом не меняется.
В настоящей работе, не вдаваясь в вопросы правильности этой теории, проведены численные эксперименты по определению климата Земли при смещении оси вращения без изменения ее наклона к плоскости эклиптики. Расчеты проведены с использованием описанной ниже климатической модели и развитой методики формирования карт при повороте оси вращения Земли.
Основные уравнения крупномасштабных течений в океане обычно [4] записываются в приближении Буссинеска (постоянства плотности в горизонтальных уравнениях импульса и неразрывности, наличия силы Кориолиса, вертикальной и горизонтальной турбулентной вязкости). По вертикали принимается уравнение гидростатики. Уравнения дополняются уравнениями переноса и турбулентной диффузии тепла и солей, а также уравнением состояния для плотности, зависящей от температуры и солености. На поверхности океана предполагается воздействие ветра, обмен теплом и влагой.
Для стационарного случая при наличии придонного трения (фрикционного члена), пропорционального среднему по глубине потоку, и стационарного воздействия ветра осредненные по глубине уравнения объясняют эффект западной интенсификации течений в океане, влияния переменной глубины океана и воздействия ветра [4]. Можно предположить, что некоторое их обобщение и использование далее в качестве горизонтальных уравнений импульса может быть пригодно для описания термохалинной циркуляции мирового океана.
С учетом этих соображений система уравнений модели океана рассматривается в геострофическом приближении с фрикционным членом в уравнениях импульса по горизонтали. Значения температуры Т и солености S удовлетворяют адвекционно-диффузионным уравнениям, что позволяет описать термохалинную циркуляцию океана. Приближенным образом учитываются также конвективные процессы [5].
Таким образом, система основных уравнений, записанных в локальных декартовых координатах (х, у, х), где х, у — горизонтальные координаты и z — высота, направленная вверх, имеет следующий вид:
уравнения импульса по горизонтали
,. 1 др 1 дт 1 др 1 дТу
— IV + Ли =---- ±-- 1и + Лу =---- ±-у
р дх р дх р ду р дх
уравнение неразрывности
ди ду дw
— + - + - = 0 дх ду ду
?
уравнение гидростатики
др
дх
?
уравнение состояния морской воды
Р = Р (5, Т)
?
уравнение переноса и диффузии трассеров X (температуры и солености)
х = к V2 х + д {К дх) + с
^ дх дх
?
в которых и, V, w — компоненты вектора скорости, X — переменный в пространстве фрикционный член, увеличивающийся к береговым границам и экватору, Т, 5, р -температура, соленость, давление соответственно- тх, ту — компоненты напряжения трения ветра- р — плотность воды- I — параметр Кориолиса, g — ускорение свободного
падения,, ^ - коэффициенты турбулентной диффузии трассеров по вертикали и горизонтали соответственно, С — источники.
Условие отсутствия нормального потока требуется на всех границах. На границах материков также принимаются равными нулю нормальные составляющие потоков тепла и солей. Океан подвергается воздействию напряжения трения ветра на поверхности. Потоки Т и 5 у дна полагаются равными нулю, а на поверхности определяются взаимодействием с атмосферой.
В термодинамической модели морского льда динамические уравнения решаются для сплоченности льда и для средней толщины льда. Рост и таяние льда в модели зависят только от разности между потоком тепла из атмосферы в морской лед и потока тепла изо льда в океан. Для температуры поверхности льда решается диагностическое уравнение.
Для описания процессов, протекающих в атмосфере, используется энерго- и влаго-балансовая модель. В модели решается вертикально проинтегрированное уравнение для температуры, определяющее баланс приходящего и уходящего радиационных потоков, явных (турбулентных) обменов потоками тепла с подстилающей поверхностью, высвобождения скрытого тепла из-за осадков и простой однослойной параметризации горизонтальных процессов переноса. Источники в уравнении переноса для удельной влажности определяются осадками, испарением и сублимацией с подстилающей поверхности.
Все блоки модели связаны между собой обменом импульсом, теплом и влагой.
Используются реальная конфигурация материков и распределение глубин мирового океана [6]. Уравнения в сферической системе координат решаются численным конечно-разностным методом. Глубина океана представляется в виде восьмиуровневой логарифмической шкалы до 5000 м. Начальное состояние системы характеризуется постоянными температурами океана, атмосферы и нулевыми скоростями течений океана. Расчеты показывают, что модель выходит на равновесие за период около 2000 лет.
Численные эксперименты концептуально соответствуют теории А. О'-Келли, описанной выше. Предполагается, что ось вращения Земли смещается таким образом, что северный полюс находится в точке 60о с.ш. и 90о з.д. На рис. 1 показана конфигурация материков (серый цвет) на расчетной сетке для этого случая, полученная с помощью системы преобразования карт и расчетной сетки. В используемой в модели картографической проекции конфигурация претерпела значительные изменения. Так, например, Антарктида сместилась к экватору. На этом рисунке и далее кружками отмечено предыдущее положение оси вращения (то есть географических полюсов).
Рис. 1. Конфигурация материков (серый цвет) на расчетной сетке при повороте оси вращения Земли на 30о по широте и -90о по долготе
Расчеты велись из начального состояния практически до установления стационарного режима. Начальное состояние характеризуется однородным полем температур океана и атмосферы и нулевыми скоростями течений в океане. На рис. 2 на современной глобальной карте показано рассчитанное распределение температуры атмосферы (оС) для января. Отмечается существенное повышение температуры во всей северной Азии. Нулевая изотерма в январе проходит по побережью северного Ледовитого океана. Потепление коснулось также и Скандинавии. Наряду с этим значительное охлаждение воздуха наблюдается во всей Северной Америке. Изолинии температуры имеют концентрическую структуру, группируясь вокруг нового северного полюса. Нулевая изотерма опускается до 30о с.ш. в этом регионе. Заметные изменения произошли и в южном полушарии, где в январе лето. Значительная область Антарктиды прогрелась до температур выше 15оС. Это должно привести к интенсивному таянию ледников в течение длительного времени.
Рис. 2. Распределение температуры атмосферы (оС) для января при повороте оси вращения Земли на 30опо широте и -90о по долготе
Для сравнения, на рис. 3 показано рассчитанное распределение температуры атмосферы (оС) для января и современного положения оси вращения и конфигурации материков. Легко видеть существенную разницу по сравнению с рис. 4.
Base Tair Jn 80 000 steps 90-
70-
50-
30-
10-
-10-
-30-
-50-
-70-
-90 —
-260 -220 -180 -140 -100 -60 -20 20 60 100
Рис. 3. Распределение температуры атмосферы (оС) для января при старом положении оси вращения Земли
Значительное потепление области Северного Ледовитого океана приведет к таянию морского льда в Арктике. На рис. 4 показано изменение во времени в процессе выхода на стационар суммарной площади морского льда для двух вариантов расчета. Сплошная линия соответствует современному состоянию, а пунктирная — повороту оси вращения Земли на 30о по широте и -90о по долготе. Во втором случае наблюдается уменьшение в 2 раза площади морского льда.
0 20 000 40 000 60 000 80 000
Сутки
Рис. 4. Изменение во времени площади морского льда для двух вариантов расчета
На рис. 5 показано распределение площади морского льда (темные области) для января при указанном повороте оси вращения Земли. В эти месяцы значительная часть Северного Ледовитого океана свободна ото льда. Ледовый покров в ослабленном состоянии (толщина льда не превышает 1.5 м) по сравнению с современным присутствует только вблизи северного побережья Северной Америки. Вся акватория этого океана вдоль Европы и Азии свободна ото льда вплоть до северного полюса. Такая ситуация связана с перемещением северного полюса в район материковой части Америки. В южном полушарии покрыта льдом и зимой и летом только небольшая площадь на юге Индийского океана вблизи Антарктиды в районе локализации смещенного южного полюса.
Rot Iat0=30, Ion0=-90 Hice Jn 80 000 steps 90--
70--
50--
30--
10--
-10--
-30--
-50--
-70--
-90--
-260 -220 -180 -140 -100 -60 -20 20 60 100
Рис. 5. Распределение площади морского льда (темные области) для января при повороте оси вращения Земли на 30о по широте и -90о по долготе
Сильные изменения температуры и ледового покрова приводят к существенным изменениям горизонтальной циркуляции, характеризуемой баротропной функцией тока. Традиционные кольца циркуляции либо ослаблены (Тихий океан), либо
Rot latu=30, Ion0=-90 Hice Jn 80 000 steps
отсутствуют (Атлантический океан). Существуют только две области мощной циркуляции в разных направлениях на юге Тихого океана в районе нового южного полюса.
Проведенные расчеты подтверждают предположения и свидетельства о теплом климате в Северо-Восточной Сибири 12 — 24 тысячи лет назад при изменении расположения северного географического полюса в это время.
Список литературы:
1. Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. М: Изд-во МГУ, 2002. 506 с.
2. Колтыпин А. В.
http: //www. dopotopa. com/chto_sluchilos_na_severo_vostoke_azii_12 000_let_na. html
3. Колтыпин А. В.
http: //www. dopotopa. com/smeschenie_poljusov_-_proskalzyvanie_litosfery_ ili. html
4. Кочергин В. П. Теория и методы расчета океанических течений. М.: Наука, 1978, 128 с.
5. Marsh R., Edwards N.R., Shepherd J.G. Development of a fast climate model (C-GOLDSTEIN) for Earth System Science. SOC, No. 83, 2002, 54 p.
6. Пархоменко В. П. Модель климата с учетом глубинной циркуляции Мирового океана// Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Естественные науки. Спец. выпуск «Математическое моделирование». 2011. С. 186−200.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой