Milankoviča cikli — kā orbītas svārstības nosaka Zemes klimatu

Uzzini, kā Milankoviča cikli — ekscentricitāte, ass slīpums un precesija — ietekmē Zemes klimatu un ilgtermiņa ledus laikus.

Milankoviča cikli ir nelielas, lēnas, bet regulāras izmaiņas Zemes orbītā ap Sauli un Zemes ass slīpumā.

Dinamika ir sarežģīta. Izmaiņas ietekmē "insolāciju" (saules gaismu, kas krīt uz Zemes daļām). Tā rezultātā uz Zemes veidojas aptuveni 21 000, 41 000, 100 000 un 400 000 gadu ilgas klimata maiņas. Visa šī joma joprojām tiek aktīvi pētīta.

Izmantojot lietišķo matemātiku, Milankovičs prognozēja, ka Zemes orbītas ekscentricitātes, aksiālā slīpuma un precesijas svārstības nosaka Zemes klimata modeļus.

Līdzīgas astronomiskās teorijas 19. gadsimtā bija attīstījuši Džozefs Adhemārs, Džeimss Krolls un citi. Tomēr sākotnēji nebija ticamu datētu pierādījumu. Jautājums tika atrisināts tikai pēc tam, kad 1976. gadā zinātniskajā žurnālā Science tika iegūti dziļūdens kodoli un publicēts raksts.

Kā Milankoviča cikli ietekmē klimatu

Trīs galvenie orbitalie parametri un to būtiskākā ietekme:

• Ekscentricitāte — orbītas izstieptība ap Sauli. Mainoties ekscentricitātei, mainās attāluma variācijas starp Zemi un Sauli gada gaitā. Ekscentricitātes svārstības notiek ar periodiem aptuveni 100 000 un 400 000 gadu. Pašas par sevi šīs izmaiņas ir salīdzinoši nelielas, bet tās modulē precesijas iedarbību.
• Aksiālais slīpums (obliquitāte) — Zemes ass slīpuma leņķis pret orbītas plakni. Tas nosaka sezonu asumu (cik spēcīgas ir vasaras un ziemas). Aksiālais slīpums mainās aptuveni ik pēc ~41 000 gadiem un būtiski ietekmē sezonālo insolāciju, īpaši vidējās un augstās platuma joslās.
• Precesija — Zemes ass griešanās ass lēna "griešanās" (sviras kustība), kas maina to, kad gada laikā notiek tuvums vai attālums no Saules attiecībā pret sezonām. Tas rada apmēram 19 000–23 000 gadu ilgus periodus un, kopā ar ekscentricitāti, ietekmē sezonālo un diennakts sadalījumu saules enerģijai.

Svarīgi saprast, ka Milankoviča cikli nemaina kopējo Zemes saules starojuma daudzumu ļoti strauji, bet maina, kur un kad tā nonāk — īpaši cik daudz saules enerģijas saņem augstās platuma joslas vasarās. Tieši vasaras insolācijas izmaiņas augstajās platuma joslās ir svarīgas, jo tām ir tieša ietekme uz ledus sega izveidi un izzušanu: aukstas vasaras veicina ledāju izplešanos, siltas vasaras veicina to sarukumu.

Pierādījumi un metodes

Pierādījumi, ka orbītas svārstības saistītas ar klimata cikliem, radās, analizējot paleoklimatiskos ierakstus, piemēram, dziļūdens sedimentu kodus, ledus kodolus un stalaktītu/stalagmītu ierakstus. Tipisks klimata "proxies" ir skābekļa izotopu attiecības (δ18O), kas atspoguļo globālo ledāju apjomu un ūdens temperatūru. 1976. gada rakstā (Hays, Imbrie un Shackleton) spektrālā analīzē tika atrasta skaidra orbītu periodu klātbūtne dziļūdens kodolos, kas deva spēcīgu atbalstu Milankoviča teorijai.

Pētījumi izmanto arī precīzas astronomiskas prognozes, kuras aprēķina Zemes un citu planētu gravitācijas mijiedarbības ietekmē, lai rekonstruētu insolasiju (sezonālo, diennakts un platumiskas sadalījuma) vēsturi un prognozētu tās nākotnē.

Ierobežojumi un papildu faktori

Milankoviča cikli skaidro ritmiku un laika mērogu glacālajiem–interglaciālajiem cikliem, taču tie nav vienīgie klimata noteicēji. Lai orbitalās izmaiņas pārvērstos par lielām ledāju svārstībām un globālām temperatūras pārmaiņām, nepieciešami pastiprinoši un nomācoši faktori (feedbacks):

• atgriezeniskā saite ar oglekļa dioksīdu un citiem siltumnīcefekta gāzēm (CO2 līmeņa izmaiņas pastiprina vai vājinās temperatūras reakciju)
• ledus–albedo atgriezeniskā saite (vairāk ledus → lielāks atstarošanās koeficients → vēsāks klimats)
• okeānu cirkulācijas izmaiņas un bioloģiskie procesi, kas maina siltumnīcefekta gāzu uzkrāšanos
• ne-linearitātes un iekšējās dinamiskas īpašības ledus gleznām un klimata sistēmai (piemēram, 100 000 gadu problēma — spēcīgs 100 kildžu signāls paleoklimata ierakstos, kuru tīri orbītu piespiedu spēki grūti paskaidrot)

Turklāt mūsdienu globālā sasilšana galvenokārt ir saistīta ar antropogēnu siltumnīcefekta gāzu emisijām. Orbītu cikli darbojas uz daudz ilgākiem laika mērogos un pašlaik nespēj izskaidrot pēdējo gadsimtu straujo temperatūras pieaugumu.

Kopsavilkums

Milankoviča cikli ir droša un svarīga daļa no skaidrojuma par ilgtermiņa klimata svārstībām uz Zemes. Tie maina, kad un cik daudz saules enerģijas nokļūst dažādās platuma joslās un sezonās, kas, mijiedarbojoties ar klimatiskajām atgriezeniskajām saitēm, var radīt ledāju izplešanos vai sarukumu. Tomēr precīzu klimata rezultātu nosaka orbītas piespiedu spēku kombinācija ar iekšējām klimata sistēmas atsaucēm, un mūsdienu ātro klimata izmaiņu skaidrošanā Milankoviča cikli nav galvenais faktors.

Cikli

Orbītas forma (ekscentricitāte)

Zemes orbīta ir elipse. Ekscentricitāte ir šīs elipses novirzes no apaļuma mērvienība. Zemes orbītas forma laika gaitā mainās no gandrīz apaļas līdz viegli eliptiskai.

Aksiālais slīpums (slīpums)

Zemes aksiālā slīpuma leņķis mainās attiecībā pret ekliptisko plakni, jo citu planētu radītās perturbācijas maina Zemes orbītu.

Palielinoties slīpumam, vasaras abās puslodēs saņem vairāk saules siltuma un gaismas, bet ziemas - mazāk. Un otrādi, kad slīpums samazinās, vasaras saņem mazāk saules gaismas un ziemas vairāk. Šīs lēnās 2,4° slīpuma svārstības ir aptuveni periodiskas. Lai mainītos starp 22,1° un 24,5° slīpumu un atpakaļ, paiet aptuveni 41 000 gadu.

Aksiālā precesija

Precesija ir Zemes ass svārstības. Šo žiroskopisko kustību izraisa plūdmaiņu spēki, ko Saule un Mēness iedarbojas uz Zemes ķermeni, kam ir nevis lodes, bet gan oblāta sferoīda forma. Saule un Mēness šo efektu rada aptuveni vienādā mērā. Tās periods ir aptuveni 26 000 gadu.

Ja ass ir vērsta pret Sauli, vienā polārā puslodē gadalaiku atšķirības ir lielākas, bet otrā - maigākas. Puslode, kas atrodas vasarā perihelijā, saņem lielu daļu no atbilstošā Saules starojuma pieauguma, bet tai pašai puslodē, kas atrodas ziemā afēlijā, ir vēsāka ziema. Savukārt otrā puslodē ir relatīvi siltāka ziema un vēsāka vasara.

Apsidālā precesija

Planētas, kas riņķo ap Sauli, rotē pa eliptiskām (ovālām) orbītām, kas laika gaitā pakāpeniski rotē (apsidālā precesija).

Turklāt pati orbitālajā elipse kosmosā nobīdās, galvenokārt mijiedarbības ar Jupiteru un Saturnu rezultātā. Tas saīsina ekvinokciju recesijas periodu no 25 771,5 līdz ~ 21 636 gadiem.

Orbītas slīpums

Zemes orbītas slīpums attiecībā pret tās pašreizējo orbītu pārvietojas augšup un lejup ar aptuveni 70 000 gadu ilgu ciklu. Milankovičs nav pētījis šo trīsdimensiju kustību. Šī kustība ir pazīstama kā "ekliptikas precesija" vai "planētas precesija".

Pētnieki pamanīja šo dreifu, kā arī to, ka orbīta pārvietojas attiecībā pret citu planētu orbītām. Nemainīgā plakne, plakne, kas atspoguļo Saules sistēmas leņķisko momentu, ir aptuveni Jupitera orbītas plakne. Zemes orbītas slīpumam attiecībā pret nemainīgo plakni ir 100 000 gadu cikls. Tas ir ļoti līdzīgs 100 000 gadu ekscentricitātes periodam. Šis 100 000 gadu cikls cieši saskan ar 100 000 gadu ilgiem ledus laikmetiem.

Ir izteikts pieņēmums, ka plaknē atrodas putekļu un citu atlūzu disks, kas ietekmē Zemes klimatu. Zeme pārvietojas caur šo plakni ap 9. janvāri un 9. jūliju, kad palielinās ar radariem konstatēto meteoru un ar meteoriem saistīto naktsgaismas mākoņu skaits.

Antarktīdas ledus kodola pētījumā, izmantojot skābekļa un slāpekļa attiecību ledū iesprostotajos gaisa burbuļos, secināts, ka ledus kodolos dokumentēto klimatisko reakciju noteica Ziemeļu puslodes insolācija, kā to paredz Milankoviča hipotēze. Tas ir papildu apstiprinājums Milankoviča hipotēzei ar salīdzinoši jaunu metodi. Tas neatbilst 100 000 gadu cikla "slīpuma" teorijai.

Apisidālās precesijas ietekme uz gadalaikiem


Rāda apsidālo precesiju. Lielākajai daļai Saules sistēmas orbītu ir daudz mazāks ekscentricitāte, tāpēc tās ir gandrīz apaļas.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Milankoviča cikls?

Jautājums: Cik daudz klimata ciklu uz Zemes izraisa Milankoviča cikli?

J: Kurš paredzēja, ka Zemes orbītas ekscentricitātes, aksiālā slīpuma un precesijas svārstības izraisa klimata svārstības uz Zemes?

J: Kad pirmo reizi tika izvirzītas astronomiskās teorijas par Milankoviča cikliem?

J: Kāda bija problēma ar Milankoviča cikliem līdz 1976. gadam?

J: Kad tika atrisināts jautājums par pierādījumiem attiecībā uz Milankoviča ciklu nozīmi Zemes klimata modeļos?

J: Vai Milankoviča cikli joprojām tiek aktīvi pētīti?

Meklēt pēc burta