Моделирование показывает, что без Марса ритм ледниковой Земли изменился бы

Фото из открытых источников

Согласно исследованиям, этот сценарий коренным образом изменит историю климата нашей планеты. Компьютерные симуляции, охватывающие 100 миллионов лет, показывают, что Марс, несмотря на то, что он вдвое меньше Земли и находится на расстоянии примерно 225 миллионов километров, влияет на темпы ледниковых периодов посредством долговременных гравитационных взаимодействий.

Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде провели 22 различных моделирования, изменяя массу Марса от полного отсутствия до десятикратного увеличения его нынешних размеров. Когда они полностью исключили Марс из моделирования, исчез один из основных климатических ритмов Земли.

«2,4-миллионный цикл изменения эксцентриситета орбиты Земли отсутствует, когда масса Марса приближается к нулю», — сообщают исследователи в публикации Астрономического общества Тихого океана. Этот цикл, обнаруженный в древних слоях горных пород, охватывающих сотни миллионов лет, исчез из моделирования, когда Марс был исключен из уравнения.

Климат Земли подчиняется предсказуемым ритмам, называемым циклами Миланковича, названными в честь сербского учёного Милутина Миланковича, который впервые сформулировал их в 1920-х годах. Эти циклы отслеживают изменения формы орбиты Земли, наклона оси и колебаний на протяжении десятков и сотен тысяч лет. По мере изменения этих характеристик изменяется и количество солнечного света, достигающего разных частей Земли в разные сезоны, что влияет на климат планеты в периоды между ледниковыми периодами и тёплыми временами.

Когда исследовательская группа установила массу Марса равной нулю, моделирование выявило резко упрощенную систему климатического воздействия на орбите. Краткопериодные климатические циклы с периодом около 100 000 лет сместились в сторону более длительных периодов и значительно ослабли. Оставшиеся циклы сосредоточились в районе 101 000–102 000 и 133 000–134 000 лет, а не в привычных сегодня диапазонах 95 000–100 000 и 123 000–130 000 лет.

Ещё более примечательным было полное исчезновение мощности в интервале от 1,6 до 2,8 миллионов лет. Этот диапазон включает в себя большой цикл Земля-Марс, медленное колебание, которое модулирует амплитуду более коротких климатических циклов.

В ходе моделирования отслеживались четыре компонента движения Земли: направление её эллиптической орбиты в пространстве, степень её растяжения, наклон плоскости орбиты и наклон оси Земли. Каждый компонент по-разному реагирует на гравитационное взаимодействие планет.

Планеты не вращаются изолированно друг от друга. Их гравитационные поля взаимодействуют посредством долговременных гравитационных взаимодействий во внутренней части Солнечной системы, вызывая медленные изменения характеристик орбит. Ученые описывают эти взаимодействия математически, рассматривая планетные орбиты как связанные осцилляторы, каждый из которых вибрирует на собственных частотах.

Марс вносит в эту систему две ключевые частоты. Эти марсианские частоты смешиваются с естественными частотами Земли, создавая ритмические рисунки, подобно тому, как две музыкальные ноты, сыгранные одновременно, порождают третью, более низкую частоту, которую слушатели воспринимают как пульсацию или вибрацию.

Во всех протестированных сценариях, от полного отсутствия Марса до сверхмассивного Марса, в десять раз превышающего его нынешние размеры, один цикл оставался неизменным. 405-тысячелетний ритм, обусловленный влиянием Венеры и Юпитера, сохранялся независимо от существования Марса.

Геологи называют это «метрономом с большим эксцентриситетом», потому что он обеспечивает стабильный хронометр для датировки древних пород. Ученые выявили этот цикл в осадочных слоях, охватывающих не менее 200 миллионов лет, что делает его одними из самых надежных природных часов, доступных для понимания глубокого времени.

Этот цикл колебаний Юпитера и Венеры не зависит от Марса, а это значит, что планеты, подобные Земле, вокруг других звезд, вероятно, будут испытывать аналогичные долгопериодические циклы при сопоставимой архитектуре с гигантскими внешними планетами.

Увеличение массы Марса вдвое, до 200 процентов от его нынешней массы, усилило миллионные климатические циклы и сдвинуло период большого цикла с 2,4 миллиона лет до 1,4 миллиона лет. Климатические полосы с периодом в 100 000 лет стали на несколько тысяч лет короче и усилились.

Увеличение массы Марса до 1000 процентов от его нынешней массы привело к кардинальному изменению Земли. В этой экстремальной ситуации, когда Марс превышает массу Земли, привычный 41 000-летний цикл наклона оси вращения Земли растянулся примерно до 50 000 лет. Четкий, предсказуемый ритм распался на множество более слабых компонентов без четко выраженного доминирующего периода.

Большой спутник Земли стабилизирует наклон оси вращения, предотвращая хаотические колебания. Без спутника изменения массы Марса привели бы к еще более драматическим последствиям, потенциально вызывая резкие сезонные колебания, которые могли бы сделать Землю менее пригодной для сложной жизни.

Цикл с периодом в 2,4 миллиона лет — это не просто математическое предсказание. Геологи обнаружили этот ритм в осадочных породах мезозойской и кайнозойской эр, подтверждая сохранение этого цикла на протяжении как минимум 250 миллионов лет, что согласуется с длительным периодом связи Земли и Марса.

Эти геологические архивы работают как природные магнитофоны. Накопление осадочных пород на древних озерных и океанских доньях сохранило изменения климатических циклов. Анализируя закономерности в слоях горных пород, ученые могут обнаружить орбитальные воздействия, происходившие на протяжении сотен миллионов лет.

Марс, вероятно, представляет собой «застрявший зародыш планеты», который быстро сформировался, но затем испытывал недостаток строительного материала. Современные модели предполагают, что Марс накопил большую часть своей массы в течение первых 5-10 миллионов лет после того, как Солнечная система образовалась из диска газа и пыли.

Несколько механизмов могут объяснить, почему рост Марса прекратился. Ранняя миграция Юпитера могла сместить вещество внутрь, в то время как область Марса оказалась истощенной. В качестве альтернативы, ранние потрясения среди гигантских планет могли нарушить и рассеять зародыши планет вблизи орбиты Марса, прежде чем они смогли бы слиться в более крупный мир.

Это исследование выходит за рамки понимания нашей собственной планетной системы. Миссия НАСА «Кеплер» показала, что компактные многопланетные системы распространены по всей галактике. Многие из этих систем содержат несколько планет земной группы, вращающихся вокруг своих звезд ближе, чем Меркурий вокруг нашего Солнца.

В таких плотно расположенных планетных системах, вероятно, наблюдаются интенсивные гравитационные взаимодействия, подобные тем, что возникают на Марсе для Земли, но потенциально гораздо более сильные. На планете земной группы с массивным ближайшим соседом климатические изменения в масштабах миллионов лет были бы более интенсивными по сравнению с Землей.

Понимание того, как архитектура планет влияет на климатические условия, помогает астрономам оценить, на каких экзопланетах могут сохраняться стабильные условия, пригодные для жизни.

Для проведения орбитальных расчетов команда использовала специализированное программное обеспечение. Каждая симуляция включала все восемь планет нашей Солнечной системы, при этом изменялась только масса Марса, а масса остальных планет оставалась неизменной. Симуляции проводились в течение 100 миллионов лет с шагом в один день, регистрируя орбитальные элементы каждые 1000 лет.

Для расчетов наклона оси Земли исследователи применили общепринятые физические модели, учитывающие воздействие Солнца и Луны на экваториальное утолщение Земли. Они использовали текущую скорость вращения Земли — один оборот за 24 часа — и период прецессии в 25 700 лет, а также приливные эффекты от Луны при ее нынешней массе.

В заключение, несмотря на свои относительно небольшие размеры и удаленность, Марс оказывает ощутимое влияние на эволюцию климата Земли благодаря своему гравитационному воздействию на орбитальные циклы. Это открытие подчеркивает, как процессы формирования планет в зачаточном состоянии Солнечной системы могут влиять на климатические условия спустя миллиарды лет.