Milankovičiaus ciklai: kas tai ir kaip veikia Žemės klimato kaitą

Milankovičiaus ciklai - tai nedideli, lėti, bet reguliarūs Žemės orbitos aplink Saulę ir Žemės ašies posvyrio pokyčiai. Šie pokyčiai vyksta pagal tam tikras periodines schemas ir keičia, kaip ir kada Saulė apšviečia Žemę.

Dinamika yra sudėtinga. Pokyčiai daro įtaką "insoliacijai" (saulės spinduliams, krintantiems į Žemės dalis). Dėl to Žemėje maždaug 21 000, 41 000, 100 000 ir 400 000 metų vyksta klimato ciklai. Visa ši sritis vis dar aktyviai tyrinėjama.

Remdamasis taikomąja matematika, Milankovičius numatė, kad Žemės orbitos ekscentriškumo, ašinio posvyrio ir precesijos pokyčiai lemia klimato pokyčius Žemėje. Tai reiškia tris pagrindinius ciklus:

• Ekscentriškumas (orbitalės elipsės formos kintamumas) — turi ~100 000 ir ~400 000 metų komponentes; keičia bendrą Žemės atstumo nuo Saulės svyravimų dydį ir moduliuoja precesijos poveikį.
• Ašinis posvyris (obliquity) — Žemės ašies pakrypimo kampas kinta apie 41 000 metų periodu; didesnis posvyris reiškia stipresnius sezoninius skirtumus, ypač aukštesnėse platumose.
• Precesija — Žemės sukimosi ašies plokštumos pasvirimo krypties lėtinis pasikeitimas (~21 000 metų), keičia, kada metų laikai patenka į perihelį arba afelį, ir taip moduliuoja sezoninę insoliaciją.

Kaip šie ciklai veikia klimatą

Pagrindinė Milankovičiaus ciklų reikšmė — jie keičia saulės energijos pasiskirstymą pagal platumą ir metų laiką, t. y. ne tiek bendrą Zemes gaunamą energiją, kiek jos išdėstymą. Ypač svarbi yra vasaros insoliacija aukštose šiaurės platumose, nes silpnesnės vasaros lemia mažesnį sniego ir ledo tirpimą, o tai skatina ledynų augimą (teigiamas grįžtamasis ryšys: daugiau ledo didina atspindį, mažiau šilumos įsisavinama).

Precesija nustato ar vasaros šiauriniame pusrutulyje vyksta priartėjus Žemei prie Saulės (stipresnės vasaros) ar tolstant (švelnesnės vasaros). Ekscentriškumas moduliuoja šio precesijos efekto stiprumą — todėl kartais precesijos poveikis stipresnis, kartais silpnesnis. Obliquity didina arba mažina sezoninių skirtumų amplitudę. Taip bendras poveikis nėra vien tik sinusoidinis — jame įsiterpia ne linijiniai procesai, ledynų dinamikos ribos ir atmosferos bei vandenynų grįžtamieji ryšiai.

Įrodymai ir metodai

Panašias astronomines teorijas XIX a. plėtojo Josephas Adhemaras, Jamesas Crollas ir kiti. Tačiau iš pradžių nebuvo patikimų datuotų įrodymų. Klausimas buvo išspręstas tik tada, kai buvo paimtos giliųjų vandenynų šerdys ir 1976 m. žurnale "Science" paskelbtas straipsnis. Svarbiausi įrodymai apima:

• Giliųjų vandenynų nuosėdų šerdys — analizė pagal izotopines priemaišas (pvz., δ18O) rodo periodiškus klimato signalus, suderinamus su orbitaliniais periodais.
• Ledo branduoliai — lede įstrigusių dujų koncentracijos (CO2, CH4) ir izotopiniai duomenys leidžia rekonstruoti atmosferos sąlygas ir temperatūrą per šimtis tūkstančių metų.
• Paleobotaniniai ir geologiniai duomenys — polenų analizė, ežerų nuosėdos, koraliniai sluoksniai ir kt., kurie taip pat rodo cikliškumą.
• Spektroanalizė — laikotarpių atpažinimas duomenų sekuose leido susieti temperatūros ir ice-volume svyravimus su ~21, ~41, ~100 tūkst. metų signalais.

Ribotumai ir kas dar svarbu

Nors Milankovičiaus ciklai aiškiai suteikia „ritmą“ ledynmečiams ir interglacialams, jie nėra vienintelė priežastis. Orbitaliniai pokyčiai dažnai veikia kaip pradinis impulsas, kurį sustiprina ir moduliuoja:

• Atmosferinių šiltnamio dujų koncentracijos (CO2 ir kt.) — jos stipriai įtakoja bendrą Žemės energijos balansą.
• Ledynų ir sniego dangos grįžtamieji ryšiai — albedo pokyčiai gali sustiprinti arba susilpninti pradinį orbitalinį signalą.
• Vandenynų cirkuliacija ir anglies ciklas — keičia šilumos ir anglies kiekių paskirstymą.
• Geologiniai veiksniai ir vulkanizmas — gali sukelti papildomus klimato svyravimus.

Taip pat svarbu paminėti, kad orbitalinis jėgų poveikis yra lėtas ir palyginti mažas pagal energiją — todėl jis veikia kartu su minėtais stiprinančiais mechanizmais. Dėl sudėtingų netiesinių procesų (pvz., ledo plokščių atsakų ir slenksčių) kartais dominuoja maždaug 100 000 metų ciklas, nors ekscentriškumo signalas vien tik yra santykinai mažas.

Dabartinė situacija

Milankovičiaus ciklai toliau vyksta, bet jų natūralus poveikis šiuo metu nesuderinamas su greitu pastarųjų dešimtmečių temperatūros kilimu. Dabartinis klimato atšilimas daugiausia susijęs su žmogaus veikla — išmetamų šiltnamio dujų koncentracijų augimu. Orbitaliniai ciklai gali nulemti ilgalaikį „pagrindinį“ klimato foną per dešimtis ar šimtus tūkstančių metų, tačiau trumpalaikiai ir greiti pokyčiai (dešimtmečiai–amžiai) daug labiau priklauso nuo antropogeninių veiksnių ir greitai veikiančių grįžtamųjų mechanizmų.

Išvados

Milankovičiaus ciklai yra esminė datos ir mechanizmo dalis aiškinant Žemės ilgalaikius klimato svyravimus, ypač ledynmečių ir interglacialų periodiką. Jie paaiškina, kodėl klimatas kinta tam tikrais ritmais, tačiau nebūtinai pilnai paaiškina visų laikotarpių detalę be papildomų veiksnių — atmosferinių dujų, ledkalnių dinamikos ir vandenynų reakcijų. Tyrimai šioje srityje tebėra aktyvūs, o nauji duomenys ir modeliai nuolat gerina supratimą apie orbitalių pokyčių vaidmenį klimato sistemoje.

Ciklai

Orbitos forma (ekscentricitetas)

Žemės orbita yra elipsė. Ekscentricitetas yra šios elipsės nukrypimo nuo apskritimo matas. Žemės orbitos forma laike kinta nuo beveik apskritos iki silpnai elipsės formos.

Ašinis posvyris (įstrižumas)

Žemės ašies posvyrio kampas ekliptikos plokštumos atžvilgiu kinta, nes dėl kitų planetų sukeltų trikdžių Žemės orbita pasislenka.

Padidėjus pasvirimui, vasaros abiejuose pusrutuliuose gauna daugiau saulės šilumos ir šviesos, o žiemos - mažiau. Ir atvirkščiai, kai įstrižainė mažėja, vasaros gauna mažiau saulės šviesos, o žiemos - daugiau. Šie lėti 2,4° įstrižainės svyravimai yra maždaug periodiški. Jie trunka apie 41 000 metų, kol pasikeičia nuo 22,1° iki 24,5° ir atgal.

Ašinė precesija

Precesija - tai Žemės ašies svyravimas. Šį giroskopinį judesį lemia Saulės ir Mėnulio veikiamos potvynių jėgos, veikiančios kietąją Žemę, kuri yra ne rutulio, o apskrito sferoido formos. Saulė ir Mėnulis prie šio poveikio prisideda maždaug vienodai. Jo periodas yra apie 26 000 metų.

Kai ašis nukreipta į Saulę, viename poliariniame pusrutulyje metų laikai skiriasi labiau, o kitame - švelniau. Pusrutulis, kuris perihelyje yra vasarą, gauna daug didesnį Saulės spinduliuotės padidėjimą, tačiau tas pats pusrutulis, kuris perihelyje yra žiemą, turi šaltesnę žiemą. Kitame pusrutulyje bus santykinai šiltesnė žiema ir vėsesnė vasara.

Apsidinė precesija

Planetos, skriejančios aplink Saulę, skrieja elipsinėmis (ovaliomis) orbitomis, kurios laikui bėgant pamažu sukasi (apsidinė precesija).

Be to, pati orbitos elipsė erdvėje pasislenka, visų pirma dėl sąveikos su Jupiteriu ir Saturnu. Tai sutrumpina lygiadienių precesijos periodą nuo 25 771,5 iki ~21 636 metų.

Orbitos polinkis

Žemės orbitos polinkis dabartinės orbitos atžvilgiu didėja ir mažėja maždaug 70 000 metų ciklu. Milankovičius šio trimačio judėjimo netyrė. Šis judėjimas vadinamas ekliptikos precesija arba planetos precesija.

Mokslininkai pastebėjo šį dreifą, taip pat tai, kad orbita juda kitų planetų orbitų atžvilgiu. Nekintama plokštuma, t. y. plokštuma, atspindinti Saulės sistemos kampinį momentą, yra maždaug Jupiterio orbitos plokštuma. Žemės orbitos polinkis nekintamos plokštumos atžvilgiu turi 100 000 metų ciklą. Tai labai panašu į 100 000 metų ekscentriciteto periodą. Šis 100 000 metų ciklas labai atitinka 100 000 metų ledynmečių dėsningumus.

Teigiama, kad plokštumoje yra dulkių ir kitų nuolaužų diskas, kuris daro įtaką Žemės klimatui. Žemė juda per šią plokštumą maždaug sausio 9 d. ir liepos 9 d., kai padaugėja radarų aptiktų meteorų ir su meteorais susijusių naktinių debesų.

Atlikus Antarktidos ledo šerdies tyrimą, kurio metu buvo nustatytas deguonies ir azoto santykis lede įkalintuose oro burbuliukuose, buvo padaryta išvada, kad ledo šerdyse užfiksuotą klimato kaitą lėmė šiaurės pusrutulio insoliacija, kaip siūloma pagal Milankovičiaus hipotezę. Tai papildomas Milankovičiaus hipotezės patvirtinimas taikant palyginti naują metodą. Ji neatitinka "polinkio" teorijos apie 100 000 metų ciklą.

Apsidinės precesijos poveikis metų laikams


Rodoma apsidinė precesija. Daugumos Saulės sistemos orbitų ekscentricitetas yra daug mažesnis, todėl jos yra beveik apskritos.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Milankovičiaus ciklas?

K: Kiek klimato ciklų Žemėje sukelia Milankovičiaus ciklai?

K: Kas numatė, kad Žemės orbitos ekscentriciteto, ašies posvyrio ir precesijos svyravimai lemia klimato kaitą Žemėje?

K: Kada pirmą kartą buvo iškeltos astronominės Milankovičiaus ciklų teorijos?

Klausimas: Kokia buvo Milankovičiaus ciklų problema iki 1976 m.?

K.: Kada buvo išspręstas klausimas dėl Milankovičiaus ciklų įtakos Žemės klimato dėsningumams?

K: Ar Milankovičiaus ciklų sritis vis dar aktyviai tyrinėjama?

Paieška pagal raidę