Климатические циклы Северной Африки - North African climate cycles

Климатические циклы Северной Африки имеют уникальную историю, которая насчитывает миллионы лет. Циклический климат образец Сахара характеризуется значительными сдвигами в силе североафриканского муссона. Когда североафриканский муссон самый сильный, годовое количество осадков и, следовательно, растительность в регионе Сахары увеличивается, в результате чего возникают условия, обычно называемые «зеленой Сахарой». Для относительно слабого североафриканского муссона верно обратное: уменьшение годовых осадков и растительности приводит к фазе климатического цикла Сахары, известной как «пустыня Сахара».^[1]

Вариации климата в регионе Сахары на самом простом уровне можно объяснить изменениями инсоляция из-за медленного изменения параметров орбиты Земли. Параметры включают прецессия равноденствий, наклонность, и эксцентриситет как было предложено Теория Миланковича.^[2] Прецессия равноденствий считается наиболее важным параметром орбиты в формировании цикла «зеленая Сахара» и «пустыня Сахара».

Январь 2019 г. Массачусетский технологический институт бумага в Достижения науки показывает цикл от влажного к сухому примерно каждые 20 000 лет.^[3]^[4]

Гипотеза орбитального муссона

Разработка

Идея о том, что изменения инсоляции, вызванные сдвигами в параметрах орбиты Земли, являются контролирующим фактором для долгосрочных изменений силы муссонов по всему земному шару, впервые была высказана Рудольфом Спиталером в конце девятнадцатого века.^[5] Позднее эта гипотеза была официально предложена и проверена метеорологом Джоном Куцбахом в 1981 году.^[6] Идеи Куцбаха о влиянии инсоляции на глобальные муссонные режимы получили сегодня широкое признание в качестве основной движущей силы долгосрочных муссонных циклов. Куцбах никогда официально не называл свою гипотезу, и поэтому она упоминается здесь как «гипотеза орбитального муссона», предложенная Руддиманом в 2001 году.^[5]

Инсоляция

Инсоляция, которая является просто мерой количества солнечной радиации, полученной на данной площади поверхности за данный период времени, является фундаментальным фактором гипотезы орбитального муссона. Из-за различий в теплоемкость, континенты нагреваются быстрее, чем окружающие океаны в летние месяцы, когда инсоляция наиболее сильная, и остывают быстрее, чем окружающие океаны в зимние месяцы, когда инсоляция наиболее слабая. Картина ветра, возникающая в результате градиента температуры инсоляции континента / океана, известна как сезон дождей. Значения летней инсоляции более важны для климата региона, чем зимние значения. Это потому, что зимняя фаза муссонов всегда сухая. Таким образом, флора и фауна муссонного климата определяется количеством дождя, выпадающего во время летней фазы муссонов.^[5] В течение периодов от десятков до сотен тысяч лет количество инсоляции изменяется в очень сложном цикле, основанном на параметрах орбиты. Результатом этого цикла инсоляции является усиление и ослабление муссонного климата по всему миру. Широкий спектр геологических данных показал, что североафриканский муссон особенно чувствителен к циклам инсоляции, а долгосрочные тенденции в интенсивности муссонов могут быть связаны с медленными изменениями инсоляции. Однако резкие сдвиги назад и вперед от «зеленой Сахары» к «пустынной Сахаре» не полностью объясняются долгосрочными изменениями цикла инсоляции.

Прецессия

Прецессия равноденствий на Земле можно разделить на две отдельные фазы. Первая фаза создается колебанием оси вращения Земли и известна как осевая прецессия. В то время как вторая фаза известна как процессия эллипса и связана с медленным вращением эллиптической орбиты Земли вокруг Солнца. В сочетании эти две фазы создают прецессию равноденствий, которая имеет сильный 23000-летний цикл и слабый 19000-летний цикл.^[5]

Было обнаружено, что вариации силы североафриканского муссона во многом связаны с более сильным 23000-летним циклическим циклом.^[2]^[7]^[8] Связь между циклом прецессии и силой североафриканского муссона существует потому, что процессия влияет на количество инсоляции, получаемой в данном полушарии. Величина инсоляции максимальна для северного полушария, когда цикл прецессии выровнен таким образом, что северное полушарие указывает на солнце в точке перигелий. Согласно гипотезе орбитального муссона этот максимум инсоляции увеличивает силу циркуляции муссонов в северном полушарии. На противоположном конце спектра, когда северное полушарие направлено к Солнцу во время афелий, здесь минимум инсоляции и самый слабый североафриканский муссон.

Наклон

Наклон, также известный как наклон, относится к углу, под которым ось вращения Земли образует с линией, перпендикулярной оси вращения Земли. орбитальный самолет. Текущий наклон земной оси составляет примерно 23,5 °. Однако в течение длительных периодов времени наклон оси вращения Земли меняется из-за неравномерного распределения массы по планете и гравитационного взаимодействия с землей. солнце, Луна, и планеты. Из-за этих взаимодействий наклон оси вращения Земли колеблется от 22,2 ° до 24,5 ° в 41 000-летнем цикле.^[5]

Модуляция цикла инсоляции, вызванного прецессией, является основным воздействием наклона на североафриканский муссон. Доказательства влияния наклона на интенсивность североафриканского муссона были обнаружены в записях отложений пыли из океанических кернов на востоке страны. Средиземноморье которые происходят в результате Эоловые процессы.^[2] Эти данные требуют сложных механизмов обратной связи для объяснения, так как наиболее сильное влияние наклона на инсоляцию наблюдается в высоких широтах. Были предложены два возможных механизма существования индикатора наклона, обнаруженного в эоловых пыльных отложениях Восточного Средиземноморья. Первый из них предполагает, что во времена более высокого наклона градиент температуры между полюсами и экватором в южном полушарии больше во время бореального лета (лето в северном полушарии). В результате этого градиента сила североафриканского муссона увеличивается. Вторая теория, которая может объяснить существование признака наклона в климатических данных Северной Африки, предполагает, что наклон может быть связан с изменениями широты тропиков.^[2] Широта тропиков примерно определяется максимальным путем блуждания тепловой экватор. Район, который сегодня расположен между Тропик Козерога и Тропик Рака. Однако по мере изменения наклона общий путь блуждания теплового экватора смещается между 22,2 ° и 24,5 ° с севера на юг. Это блуждание может повлиять на расположение Североафриканского фронта летних муссонов и, таким образом, повлиять на предполагаемую силу североафриканских муссонов. Дальнейшее подтверждение воздействия наклона на североафриканские муссоны было получено через глобальную полностью связанную атмосферу-океан-морской лед. климатическая модель, который подтвердил, что прецессия и наклон могут объединиться, чтобы увеличить количество осадков в Северной Африке за счет обратной связи инсоляции.^[8]

Эксцентриситет

Эксцентриситет - это мера отклонения орбиты Земли от идеального круга. Если орбита Земли представляет собой идеальный круг, то эксцентриситет будет иметь значение 0, а значение эксцентриситета, равное 1, будет указывать на параболу. У Земли есть два цикла эксцентриситета, которые происходят в циклах 100 000 и 400 000 лет. На протяжении многих лет эксцентриситет Земли варьировался от 0,005 до 0,0607, сегодня эксцентриситет земной орбиты составляет примерно 0,0167.^[5] В то время как значение эксцентриситета действительно влияет на расстояние Земли от Солнца, его основное влияние на инсоляцию происходит из-за его модулирующего воздействия на цикл процессии. Например, когда орбита Земли сильно эллиптическая, в одном полушарии будет жаркое лето и холодная зима, что соответствует большей, чем средняя годовая инсоляция. градиент. В то же время в другом полушарии будет теплое лето и прохладная зима из-за меньшего, чем средний годовой градиент инсоляции.

Как и наклон, эксцентриситет не считается основным фактором силы североафриканского муссона. Вместо этого эксцентриситет модулирует амплитуда максимумов и минимумов инсоляции, возникающих из-за цикла прецессии. Сильную поддержку модуляции цикла прецессии эксцентриситетом можно найти в отложениях эоловой пыли в Восточном Средиземноморье. При внимательном рассмотрении можно увидеть, что периоды низких и высоких гематит потоки соответствуют циклам эксцентриситета 100 000 лет и 400 000 лет. Считается, что это свидетельство циклов эксцентриситета в пылевых записях Восточного Средиземноморья указывает на более сильное продвижение на север Североафриканского муссонного фронта в те времена, когда максимумы эксцентриситета и прецессии инсоляции совпадают.^[2] Модулирующее влияние эксцентриситета на цикл прецессии было также показано с использованием глобальной модели климата, полностью связанной с атмосферой, океаном и морским льдом.^[8]

Отставание

Одна из ключевых проблем гипотезы орбитального муссона состоит в том, что подробный анализ климатических данных показывает, что наблюдаемый максимум североафриканского муссона отличается от прогнозируемого максимума на 1000–2000 лет. Эта проблема возникает из-за того, что гипотеза орбитального муссона предполагает, что климатическая система мгновенно реагирует на изменения инсоляции от орбитального воздействия. Однако для этой проблемы есть ряд исправлений. Наиболее разумное решение можно показать с помощью простого аналога сегодняшнего климата. В настоящее время пик солнечной радиации приходится на 21 июня, но пик летних муссонов в Северной Африке приходится на месяц позже, в июле. Такое отставание в один месяц должно быть представлено примерно отставанием от 1500 до 2000 лет в максимуме муссонной циркуляции, потому что июльский максимум инсоляции в цикле прецессии от 19000 до 23000 лет происходит примерно через 1500-2000 лет после максимума июньской инсоляции. Были выдвинуты два других возможных объяснения наблюдаемого запаздывания данных. Первые предполагают, что развитие муссонов в субтропики закаляется медленным плавлением полярных кусочки льда. Таким образом, полная сила муссонного режима не наблюдается до тех пор, пока полярные ледяные щиты не станут настолько маленькими, что их влияние на развитие годовых муссонов будет минимальным. Второе альтернативное решение предполагает, что относительно прохладные тропические океаны, оставшиеся от оледенение может первоначально замедлить развитие муссонов во всем мире, поскольку более холодные океаны являются менее мощными источниками влаги.^[5]

Подтверждающее доказательство

Сапропели

Сапропели представляют собой темные морские отложения, богатые органическими веществами и содержащие более 2% органического углерода по весу. В Восточном Средиземноморье слои сапропелей можно найти в кернах морских отложений, которые совпадают с периодами максимальной инсоляции в цикле прецессии над Северной Африкой.^[9]^[10] Такое выравнивание можно объяснить связью с североафриканским муссоном. В периоды высокой инсоляции усиление и продвижение на север североафриканского муссонного фронта вызывает очень сильные дожди в верхнем и среднем течении реки. река Нил бассейн. Затем эти дожди текут на север и попадают в Восточное Средиземноморье, где большой приток богатой питательными веществами пресной воды вызывает крутой вертикальный градиент солености. Как результат, термохалин конвекция отключается, и столб воды стабильно расслаивается. Как только происходит это стабильное расслоение, придонные воды в Восточном Средиземноморье быстро истощаются кислородом, и большой приток пелагического органического вещества из богатых питательными веществами поверхностных вод сохраняется в виде сапропелевых образований.^[11] Одним из ключевых доказательств, связывающих образование сапропелей с увеличением стока из реки Нил, является тот факт, что они происходили во время обоих межледниковый и ледниковый периоды. Следовательно, образование сапропелей должно быть связано со сбросом пресной воды из реки Нил, а не с талой водой из-за рассеивания ледяных щитов.^[12]

Палеоозеры

Доказательства существования больших озер в Сахаре можно найти и интерпретировать из геологических данных. Эти озера заполняются по мере приближения цикла прецессии к максимуму инсоляции и затем истощаются, когда цикл прецессии приближается к минимуму инсоляции. Самым крупным из этих палеозернов было озеро Мегачад, глубина которого на пике составляла 173 м, а площадь его поверхности составляла примерно 400 000 км2.².^[13] Сегодня остатки этого некогда массивного озера известны как Озеро Чад, который имеет максимальную глубину 11 м и площадь всего 1350 км². Спутниковые снимки Береговые линии древнего озера Мегачад показывают, что это озеро существовало при двух различных ветровых режимах: северо-восточном и юго-западном. Режим северо-восточного ветра соответствует современным ветровым режимам и характерен для слабого муссонного потока. Между тем режим юго-западного ветра характерен для более сильного муссонного потока.^[13]

Пресноводные диатомеи

Еще одно ключевое свидетельство процессуального контроля над североафриканскими муссонами можно найти в отложениях пресной воды. диатомеи в тропической Атлантике. В ядрах океана из тропической Атлантики обнаружены отдельные слои пресноводной диатомовой водоросли Aulacoseira Granulata, также известной как Melosira Granulata. Эти слои возникают в 23000-летнем цикле, который отстает от максимума прецессии инсоляции примерно на 5000-6000 лет.^[5]^[14] Чтобы объяснить эти циклические отложения пресноводных диатомовых водорослей, мы должны взглянуть на континент Сахара в Африке. Примерно во время максимума инсоляции в прецессионном цикле североафриканский муссон является наиболее сильным, и в регионе Сахара преобладают большие муссонные озера. Затем, когда время приближается к минимуму инсоляции, эти озера начинают высыхать из-за ослабления североафриканского муссона. По мере высыхания озер обнажаются тонкие отложения отложений, содержащие пресноводные диатомеи. Наконец, когда зимой приходят преобладающие северо-восточные ветры, отложения пресноводных диатомовых водорослей в высохших озерах собираются в виде пыли и переносятся на тысячи километров в тропическую Атлантику. Из этой серии событий очевидна причина задержки отложения пресноводных диатомовых отложений на 5000-6000 лет, поскольку североафриканский муссон должен стать достаточно слабым, прежде чем муссонные озера в Сахаре начнут высыхать и обнажить потенциальные источники пресноводных диатомовых водорослей.^[5] Один из ключевых факторов, который необходимо учитывать при изучении пресноводных отложений диатомовых водорослей, - это идентификация видов. Например, в некоторых кернах океана непосредственно у западного побережья Африки можно увидеть смесь пресноводных озерных и речных диатомовых водорослей. Таким образом, чтобы ядро точно отображало цикл диатомовых водорослей Сахары, оно должно быть извлечено из региона тропической Атлантики, находящегося на достаточном расстоянии от берега, чтобы минимизировать воздействие речных стоков.^[15]

Восточно-экваториальный атлантический апвеллинг

Наблюдаемые вариации силы восточной экваториальной Атлантики апвеллинг Зона также может использоваться для поддержки цикла североафриканских муссонов, который регулируется циклом прецессии. Когда инсоляция в Северной Африке достигает пика во время цикла прецессии, восточные пассаты над экваториальной Атлантикой сильно отклоняются в сторону Сахары. Это отклонение ослабляет экваториальную зону апвеллинга в восточной экваториальной Атлантике, в результате чего вода в море становится теплее. пелагический. На другом конце спектра, когда инсоляция в Северной Африке минимальна из-за прецессионного цикла, отклонение восточных пассатов относительно невелико. Благодаря этому область апвеллинга в восточной экваториальной Атлантике остается сильной, а воды в пелагиали более прохладными.^[16] Доказательство существования такой закономерности периодического ослабления восточно-экваториального атлантического апвеллинга обнаруживается в отложениях поверхностных планктонных организмов в кернах океанических отложений. Такие керны показывают, что относительная численность видов планктона с теплой и холодной водой изменяется с постоянным интервалом 23 000 лет, что соответствует 23 000-летнему прецессионному циклу инсоляции.^[5]

Африканский влажный период

Климатология

Африканский влажный период произошел между 14 800 и 5 500 лет назад и был последним проявлением «зеленой Сахары». Условия в Сахаре во время африканского влажного периода были во власти сильных североафриканских муссонов, что привело к увеличению годового количества осадков по сравнению с сегодняшними условиями.^[17] С увеличением количества осадков структура растительности в Северной Африке была совсем не похожа на то, что мы видим сегодня. Например, большая часть региона Сахара характеризовалась обширным луга, также известный как степь. Между тем Сахель регион к югу от Сахары был в основном саванной.^[18] Сегодня регион Сахары в основном представляет собой пустыню, а для Сахеля характерны условия саванн и лугов. Африканский влажный период также характеризовался сетью обширных водных путей в Сахаре, состоящих из больших озер, рек и дельт. Четыре самых больших озера: Мегачад, Мегафезан, Анет-Муидир Мегалаке и Чоттс Мегалаке. К крупным рекам региона относились Река Сенегал, Реки Нил, реки Сахаби и Куфра. Эти речные и озерные системы образовывали коридоры, которые позволяли многим видам животных, включая человека, расширять свой ареал по всей Сахаре.^[19]

Начало и прекращение

Геологические данные о начале и конце африканского влажного периода предполагают, что как начало, так и окончание африканского влажного периода были внезапными. На самом деле оба события, вероятно, произошли в промежутке времени от десятилетий до столетий. Начало и окончание африканского влажного периода произошло, когда цикл инсоляции достиг значения примерно на 4,2% выше, чем сегодня. Однако сдвиги в инсоляционном цикле слишком постепенные, чтобы сами по себе вызвать резкие климатические изменения, подобные тем, которые наблюдались в начале и в конце африканского влажного периода. Итак, чтобы учесть эти быстрые изменения климата Сахары, несколько нелинейный были предложены механизмы обратной связи. Одним из наиболее распространенных рассматриваемых наборов нелинейных механизмов обратной связи является взаимодействие растительности с атмосферой.^[19] Компьютерные модели, изучающие взаимодействие растительности и атмосферы и инсоляцию по всей Северной Африке, продемонстрировали способность имитировать быстрые переходы между режимами «зеленой Сахары» и «пустыни Сахары».^[1]^[20] Таким образом, результаты этих моделей предполагают возможное существование порога инсоляции и растительности, который, если он будет достигнут, позволит региону Сахара быстро перейти от «зеленой Сахары» к «пустынной Сахаре» и наоборот.