Milankovičevi cikli: orbitalne spremembe, ki oblikujejo Zemljino podnebje

Odkrijte, kako Milankovičevi cikli — orbitalne spremembe in nagib Zemlje — oblikujejo ledene dobe in dolgoročno podnebje v ciklih 21.000–400.000 let.

Milankovičevi cikli so majhne, počasne, vendar redne spremembe v kroženju Zemlje okoli Sonca in naklonu Zemljine osi.

Dinamika je zapletena. Spremembe vplivajo na "osončenost" (sončna svetloba, ki pada na dele Zemlje). To povzroča podnebne cikle na Zemlji, ki trajajo približno 21.000, 41.000, 100.000 in 400.000 let. Celotno to področje se še vedno aktivno raziskuje.

Milanković je s pomočjo uporabne matematike napovedal, da spremembe ekscentričnosti, osnega nagiba in precesije Zemljine orbite povzročajo podnebne vzorce na Zemlji.

Podobne astronomske teorije so v 19. stoletju razvili Joseph Adhemar, James Croll in drugi. Vendar sprva ni bilo zanesljivih datiranih dokazov. Vprašanje je bilo rešeno šele po odvzemu globokih oceanskih jeder in objavi članka v reviji Science leta 1976.

Kaj sestavlja Milankovičeve cikle?

Milankovičevi cikli so posledica treh glavnih sprememb v Zemljinem gibanju in orientaciji glede na Sonce:

• Ekscentričnost: oblika Zemljine orbite se spreminja od bolj krožne do bolj eliptične. Ti spremembe potekajo v ciklih ~100.000 in ~400.000 let ter vplivajo na skupno količino sevanja, ki ga Zemlja prejme kot tudi na razliko med bližino in oddaljenostjo od Sonca.
• Osni nagib (obliquity): kot med Zemljino osjo in ravnino njene orbite ni stalen; spreminja se v ciklu ~41.000 let. Večji naklon poudari letne čase (hladnejše zime, toplejša poletja), manjši naklon pa jih zgladi.
• Precesija: počasno "zmajanje" zemeljske osi in tudi sprememba točke, kjer Zemlja doseže perihelij (najbližje Soncu). Ta gibanja povzročajo cikle okoli 19.000–23.000 let, pogosto opisane kot ~21.000-letni cikel, ker precesija v kombinaciji z ekscentričnostjo spreminja porazdelitev letnega sevanja.

Kako te spremembe vplivajo na podnebje

Ključen učinek Milankovičevih ciklov ni nujno sprememba skupne količine sončnega sevanja na Zemlji, temveč sprememba njegove porazdelitve po letih in po zemljepisni širini. Pomembno je predvsem poletno osvetljevanje visokih severnih širin: če so poletja hladnejša (manj sončne svetlobe v severnem poletju), se sneg in led laže ohranijo in ledene plošče lahko rastejo, kar pripomore k dolgim ledenim dobam. Če so poletja toplejša, led hitro stopi in nastopijo medledenodobni topli intervali.

Orbitalno prisiljevanje deluje kot "tempo" ali sprožilec za spremembe, medtem ko so za dejansko velikost in hitrost odziva odgovorni notranji klimatski mehanizmi, denimo:

• povratne zanke z albedom (odbojnost ledu),
• koncentracije toplogrednih plinov, predvsem CO2,
• oceanografske spremembe in prenos toplote z oceani.

Dokazi in zgodovina raziskav

Predlog, da astronomske spremembe nadzorujejo dolgoročne podnebne cikle, je imel predhodnike v 19. stoletju (Joseph Adhemar, James Croll itd.), a prepričljivi empirični dokazi so se pojavili šele v 20. stoletju. Rezultati iz globokih oceanskih jeder in njihove analize izkazujejo ponavljajoče se vzorce v razmerjih izotopov kisika, ki se ujemajo s pričakovanimi orbitalnimi cikli. Znanstvena objava v Science leta 1976 je močno utrdila to povezavo (študije Hays, Imbrie in Shackleton so pokazale usklajenost med oscilacijami v oceanskih sedimentih in Milankovičevimi periodami).

Omejitve in sodobni pomen

Čeprav Milankovičevi cikli pojasnjujejo ritem ledenih dob in medledenodobnih sprememb v preteklosti, imajo omejitve:

• Orbitalne spremembe same po sebi prinašajo sorazmerno majhne spremembe v neto sevanju — velike spremembe podnebja so posledica notranjih amplifikacijskih mehanizmov.
• Milankovičeva teorija ne pojasni kratkoročnih in hitrih sprememb, kot je današnje antropogeno segrevanje; ravni toplogrednih plinov so se v zadnjih stoletjih hitro dvignile zaradi človeških dejavnosti in povzročajo veliko močnejše in hitrejše učinke kot orbitalne spremembe.
• Interakcije med cikli so nelinearne in kompleksne, zato modeli in podatki še vedno zahtevajo intenzivne raziskave, da bi razumeli podrobnosti posameznih dogodkov v geološki preteklosti.

Kratek povzetek

• Milankovičevi cikli so počasne astronomskopodnebne spremembe, ki spreminjajo porazdelitev sončne energije po Zemlji.
• Glavne komponente so ekscentričnost, osni nagib in precesija, s karakterističnimi obdobji ~21.000, ~41.000, ~100.000 in ~400.000 let.
• Ti cikli so pomemben "uresničitelj" ledenih in medledenih obdobij, vendar jih moramo razumeti v povezavi z notranjimi podnebnimi povratnimi zankami in sodobnimi človeškimi vplivi.

Cikli

Oblika orbite (ekscentričnost)

Zemljina orbita je elipsa. Ekscentričnost je merilo za odmik te elipse od krožnosti. Oblika Zemljine orbite se v času spreminja med skoraj krožno in rahlo eliptično.

Osni nagib (poševnost)

Kot Zemljinega osnega nagiba se spreminja glede na ravnino ekliptike, ker motnje drugih planetov premikajo Zemljino orbito.

Ko se naklon poveča, poletja na obeh poloblah prejmejo več toplote in svetlobe od Sonca, zime pa manj. In obratno, ko se naklon zmanjšuje, so poletja deležna manj sončne svetlobe, zime pa več. Te počasne spremembe naklona za 2,4° so približno periodične. Za spremembo med naklonom 22,1° in 24,5° ter nazaj traja približno 41.000 let.

Aksialna precesija

Precesija je nihanje Zemljine osi. To žiroskopsko gibanje je posledica plimskih sil Sonca in Lune na trdno Zemljo, ki ima obliko oblatnega sferoida in ne krogle. Sonce in Luna k temu učinku prispevata približno enako. Njegova perioda je približno 26.000 let.

Če je os obrnjena proti Soncu, so na eni polobli večje razlike med letnimi časi, medtem ko so na drugi polobli letni časi milejši. Polobla, ki je poleti v periheliju, prejme večino ustreznega povečanja sončnega sevanja, vendar ima ista polobla, ki je pozimi v afeliju, hladnejšo zimo. Druga polobla ima relativno toplejšo zimo in hladnejše poletje.

Apsidalna precesija

Planeti, ki krožijo okoli Sonca, se gibljejo po eliptičnih (ovalnih) tirnicah, ki se s časom postopoma vrtijo (apsidalna precesija).

Poleg tega se tudi sama orbitalna elipsa premakne v prostoru, predvsem zaradi interakcij z Jupitrom in Saturnom. To skrajša obdobje precesije enakonočij s 25.771,5 na ~21.636 let.

Nagib orbite

Nagib Zemljine orbite se glede na njeno sedanjo orbito povečuje in zmanjšuje s ciklom, ki traja približno 70.000 let. Milankovič tega tridimenzionalnega gibanja ni preučeval. To gibanje je znano kot "precesija ekliptike" ali "planetarna precesija".

Raziskovalci so opazili ta premik in tudi to, da se orbita premika glede na orbite drugih planetov. Nespremenljiva ravnina, ravnina, ki predstavlja kotni moment Osončja, je približno ravnina Jupitrove orbite. Nagib Zemljine orbite ima glede na nespremenljivo ravnino 100.000-letni cikel. To je zelo podobno 100.000-letnemu obdobju ekscentričnosti. Ta 100.000-letni cikel se natančno ujema s 100.000-letnim vzorcem ledenih dob.

Predlagali so, da v ravnini obstaja disk s prahom in drugimi ostanki, ki vpliva na zemeljsko podnebje. Zemlja se premika skozi to ravnino okoli 9. januarja in 9. julija, ko se poveča število radarsko zaznanih meteorjev in z meteorji povezanih nočnih oblakov.

Študija antarktičnih ledenih jeder, v kateri je bilo uporabljeno razmerje med kisikom in dušikom v zračnih mehurčkih, ujetih v ledu, je pokazala, da je podnebni odziv, dokumentiran v ledenih jedrih, posledica osončenosti severne poloble, kot predlaga Milankovičeva hipoteza. To je dodatna potrditev Milankovičeve hipoteze z relativno novo metodo. Ni v skladu s teorijo "nagiba" 100.000-letnega cikla.

Vpliv apsidalne precesije na letne čase


Prikaz apsidalne precesije. Večina tirnic v Osončju ima veliko manjši ekscentričnost, zato so skoraj krožne.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Milankovičev cikel?

V: Koliko podnebnih ciklov na Zemlji povzročajo Milankovičevi cikli?

V: Kdo je napovedal, da spremembe ekscentričnosti, osnega nagiba in precesije Zemljine orbite povzročajo podnebne vzorce na Zemlji?

V: Kdaj so bile prvič razvite astronomske teorije o Milankovićevih ciklih?

V: Kakšen je bil problem Milankovičevih ciklov do leta 1976?

V: Kdaj so bili dokazi o Milankovičevih ciklih v podnebnih vzorcih na Zemlji rešeni?

V: Ali je področje Milankovičevih ciklov še vedno predmet aktivnih raziskav?

Išči po črki