Вчені з Гарвардського університету побудували модель атмосфери Землі, якою вона була в архейському еоні в умовах підвищеного припливу радіації від Сонця. У цій моделі вони змоделювали конвективні рухи в атмосфері. Результати, опубліковані у Nature свідчать, що опади тоді відбувалися у коливальному режимі: після кількох діб сухої та спекотної погоди за кілька годин одразу на великій площі випадало до 30 сантиметрів опадів, що спричиняло справжній потоп.
Спекотний клімат у минулому та майбутньому
Ми живемо в епоху, коли клімат на Землі можна вважати прохолодним. Останні п'ятдесят мільйонів років у нас існує широтне та висотне кліматичне зонування, у багатьох місцях на Землі відбувається зміна пор року, час від часу відбуваються зледеніння. Але на нашій планеті були періоди, коли клімат був значно теплішим. Так було в архейському еоні, коли атмосфера більшою частиною складалася з СО2, який є ефективним парниковим газом. Так було у кінці протерозойського еону, коли після періоду «землі-сніжка» було занадто мало фотосинтезуючих мікроорганізмів і атмосфера знову наповнилася вуглекислим газом. Так буде і через мільярд років, коли світимість сонця почне збільшуватися.
У попередніх моделюваннях клімату таких епох вчені переважно концентрувалися на температурі атмосфери. Коли ж справа доходила до опадів, то зазвичай не враховувалися конвекивні рухи в атмосфері та радіаційний нагрів окремих її частин, якій відбувається через те, що атоми та молекули нагрітих атмосферних газів випромінюють надлишкову енергію. У новому дослідженні автори вирішили врахувати ці явища і ефект радіаційного нагріву низу тропосфери, який при цьому викликає
Осциляційна модель дощів
Дослідники змоделювали атмосферу на усю її висоту над квадратом поверхні зі стороною у 72 кілометри. При цьому були враховані випаровування, конвективне перенесення, випадіння опадів та інші явища, які є звичайними для атмосфери. У свою модель вчені заклали температуру повітря над рівнем моря у 32 градуси за Цельсієм. Це відповідає середньодобовій температурі у найспекотніших місцях на Землі зараз. А потім вони збільшили приплив сонячної радіації на 10 відсотків, що відповідає умовам на Землі через один мільярд років, коли світимість сонця зросте.
Моделювання показало, що при різкому збільшенні притоку світла температура повітря на рівні моря почне зростати й усього за чотири роки досягне позначки у 57 градусів за Цельсієм, на якій і стабілізується. При цьому зміниться характер випадіння опадів. До підвищення кількості сонячної радіації модель показувала квазістабільний режим випадіння опадів, схожий на той, що спостерігається у більшості місць на Землі зараз. Десь іде дощ, десь – сухо та спекотно і ці ділянки весь час змінюються.
Підвищення температури атмосфери спричиняє виникнення випадіння опадів у режимі релаксуючого осцилятора. Він складається з трьох фаз. Спочатку кілька діб іде фаза перезаряджання. Весь цей час спостерігається суха спекотна погода. Потім іде фаза тригеру, яка триває кілька годин і протягом якої стрімко збільшується кількість хмар і вони опускаються нижче. А завершується усе фазою розрядки, коли за кілька годин на Землю випадає кілька десятків міліметрів опадів. При цьому відбувається це на території у тисячу квадратних кілометрів, що призводить до невеличкого потопу. Після цього усе повторюється знову.
Вчені змогли зрозуміти механізм того, як це відбувається. Під час стадії перезаряджання між нижнім та верхнім шарами атмосфери формується проміжний шар, який характеризується підвищеною температурою, вологістю та відсутністю помітної конвекції. Він ефективно відділяє нижні шари атмосфери, де іде випаровування вологи від верхніх, де відбувається радіаційне охолодження повітря та конвекція.
Протягом фази зарядки нижня границя конвекції у верхньому шарі весь час знижується, поки не досягає рівня проміжного шару, у якому саме накопичується волога. Настає фаза тригеру, у якій при зустрічі холодного сухого та теплого вологого повітря відбувається конденсація вологи. Як тільки вологи збирається достатньо, починається фаза розрядки – починається злива.
Глобальні наслідки осциляційної моделі
Найцікавіша особливість нової моделі полягає у тому, що вказаний вище цикл здатний синхронізуватися на ділянках, які віддалені одна від одної на десятки кілометрів. З точки зору спостерігача це виглядало б так, ніби у Києві та Житомирі кожного тижня майже одночасно відбувались би катастрофічні зливи.
Важливо сказати, що на Землі й зараз є регіони, де випадіння опадів відбувається саме за такою осциляційною моделлю. Наприклад саме так відбувається на американських Великих рівнинах. Саме тому дуже важливо зрозуміти, чи буде синхронізація відбуватися у значно більших за десятки кілометрів масштабах. Адже в умовах підвищення температури кліматичні зони почнуть зникати і цілком можливо, що через мільярд років на Землі одночасно на більшій частині її поверхні розпочинатиметься злива, яка призводитиме до невеличкого потопу.
Іншим важливим наслідком нової моделі може бути перегляд наших уявлень про межі різних геологічних епох. Як відомо, відкладання осадових порід тісно пов'язане із їх ерозією. І дослідження показують, що кілька великих злив здатні призвести до значно більших перевідкладень, ніж велика кількість маленьких.
Також важливим і поки що недослідженим моментом є утворення висотних хмар в осциляційниый моделі. Аналіз показує, що описаний вище режим може інтенсифікувати їх утворення. А велика кількість хмар може значно підвищити альбедо планети та, як наслідок, змінити приплив сонячної радіації, що у черговий раз змінить режим випадіння опадів.
Нарешті, подальше дослідження вищеописаної моделі дуже важливе для моделювання клімату припливно захоплених планет у системах червоних карликів. У своїй статті вчені вказують, що ці планети навіть більше схильні переходити в осциляційний режим, ніж Земля. В умовах, коли один бік планети весь час повернутий до зірки перехід до такого режиму відбувається при значно нижчій температурі над рівнем моря. Тож, клімат із періодичними міні-потопами може виявитися найбільш розповсюдженим на землеподібних планетах.
