Циклите на Миланкович, промяната на наклона на оста и ексцентрицитетите на орбитите, влияещи на дългосрочните климатични колебания
Основи на орбиталните климатични системи
Краткосрочният климат се определя от местни атмосферни процеси, а дългосрочният климат се формира поради по-широки фактори, включително интензивността на слънчевата радиация, концентрациите на парникови газове и орбиталната геометрия. За Земята дори малки промени в орбитата и ориентацията могат да преразпределят влизащата слънчева радиация между ширини и сезони, като по този начин силно влияят на цикъла на ледникови и междуледникови периоди. Теорията на Миланкович, наречена на сръбския математик Милутин Миланкович, описва как ексцентрицитетът, наклонът на оста (обликвитет) и прецацията заедно модифицират разпределението на инсоляцията (слънчевото осветление) през няколко десетки хиляди до няколко стотици хиляди години.
Този термин е актуален не само за Земята. Други планети и спътници също преживяват климатични цикли, но техният характер зависи от местните орбитални резонанси, наклона на оста или масивните съседни планети. Най-много данни имаме за Земята, тъй като тук са подробно анализирани геоложките и палеоклиматичните записи. По-нататък обсъждаме основните орбитални параметри, които определят тези цикли, и доказателствата, свързващи ги с историческите климатични колебания.
2. Орбитални параметри на Земята и Миланковичеви цикли
2.1 Ексцентрицитет (100 000 годишен цикъл)
Ексцентрицитет описва колко елиптична е орбитата на Земята. При по-голям ексцентрицитет разстоянието при перихелия (най-близката точка до Слънцето) и афелия (най-отдалечената точка) се различава повече. Когато ексцентрицитетът е близък до нула, орбитата е почти кръгова и тази разлика намалява. Основни аспекти:
- Продължителност на цикъла: Ексцентрицитетът на Земята варира главно с периоди около ~100 000 и ~400 000 години, въпреки че има и допълнителни подцикли.
- Значение за климата: Ексцентрицитетът модулира амплитудата на прецесията (виж по-долу) и леко променя средното годишно разстояние от Слънцето, макар че сам по себе си има относително по-малко влияние върху инсоляцията в сравнение с промените в наклона на оста. Въпреки това, заедно с прецесията, ексцентрицитетът може да засили или отслаби сезонните разлики в различните полукълба [1], [2].
2.2 Осева прецесия (наклон, ~41 000 годишен цикъл)
Наклон – това е наклонът на оста на въртене на Земята спрямо еклиптиката. В момента е около ~23,44°, но за около ~41 000 години варира от ~22,1° до ~24,5°. Наклонът силно влияе на ширинното разпределение на слънчевата радиация:
- По-голям наклон: Полярните области получават повече слънчева радиация през лятото, сезонните контрасти се увеличават. Повече лятно слънце в полярните региони може да стимулира топенето на лед, като забавя растежа на ледени слоеве.
- По-малък наклон: Полюсите получават по-малко топлина през лятото, затова ледът, образуван през зимата, може да остане и през следващата година, създавайки условия за разрастване на ледниците.
Затова цикълът на наклона е особено свързан с ледниковите процеси на полюсите, както показват данните от плейстоценските ледникови периоди от ледени ядра и морски седименти.
2.3 Прецесия (~19 000–23 000 годишни цикли)
Прецесия – това е колебание на оста на въртене на Земята (ефектът "въртяща се въртележка") и относителното положение на перихелия на орбитата спрямо сезоните. Има две основни съставни части, които създават цикъл от ~23 000 години:
- Осева прецесия: Оста на въртене на Земята бавно описва конусовидна траектория (като въртележка).
- Прецесия на апсидата: Промяна в положението на елиптичната орбита на Земята спрямо Слънцето.
Ако перихелият съвпада, да речем, с лятото в Северното полукълбо, това полукълбо изпитва по-ярки лета. Това разположение се променя за около ~21–23 хиляди години, като така се променя в кой сезон кое полукълбо "ще посрещне" перихелия. Влиянието е най-силно, ако ексцентрицитетът е по-голям – тогава сезонността между полукълбото се различава повече [3], [4].
3. Връзката между Milankovičiaus цикли и ледникови-междуледникови периоди
3.1 Плейстоценски ледникови периоди
През последните ~2,6 млн. години (Квартерен период) климатът на Земята е варирал между ледникови и междуледникови периоди. През последните ~800 хиляди години тези колебания са се случвали на всеки ~100 000 години, а в по-ранната част на плейстоцена е доминирал ~41 000-годишен период. Изследванията на морските седименти и ледниковите сондажи показват закономерности, съвпадащи с честотите на Milankovičiaus:
- Ексцентрицитет: ~100 хиляди годишен цикъл съответства на най-яркия модел на ледникови периоди в последните цикли.
- Наклон: ~41 хиляди годишен цикъл доминира в ранния плейстоцен.
- Прецесия: ~23 хиляди годишни сигнали са очевидни в мусонните области и в някои палеоклиматични показатели.
Въпреки че механизмът е сложен (включващ ефекта на парниковите газове, циркулацията на океаните и обратните връзки на албедото на ледниците), промяната на инсоляцията, предизвикана от орбитата, е основната сила, определяща цикличността на обема на земния лед. Фактът, че в последно време доминира 100-хилядолетен цикъл, остава не напълно обяснена загадка („100 хилядолетен проблем“), тъй като ефектът от ексцентрицитета не е много голям. Вероятно силно влияние оказват ледниковите слоеве, CO2 и положителни обратни връзки на океанските процеси [5], [6].
3.2 Регионални отговори (напр. мусони)
Прецесията определя как слънчевата радиация се разпределя сезонно, затова силно влияе на интензивността на мусоните. Например, засилената инсоляция през лятото в Северното полукълбо усилва мусоните в Африка и Индия, което може да е предизвикало „зелената Сахара“ през средния холоцен. Нивата на езерата, записите на полени и данните от пещерни отложения потвърждават такива орбитални промени в мусоните.
4. Други планети и орбитални промени
4.1 Марс
Наклонът на оста на Марс се променя още повече (до ~60° за милиони години), тъй като няма масивен спътник, който да го стабилизира. Това драстично променя полярната инсоляция, вероятно определяйки преразпределението на водните пари в атмосферата или миграцията на лед между ширините. Смята се, че в миналото тези цикли на Марс са могли временно да създадат течна вода. Изследванията на наклона на Марс позволяват да се обясни произходът на полярните слоести отложения.
4.2 Газови гиганти и резонанси
Климатът на газовите гиганти е по-малко зависим от слънчевата инсоляция, но ексцентрицитетът на орбитите им и ориентацията на оста им все пак се променят леко. Освен това, взаимните резонанси между Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун променят техния ъглов момент и с времето могат да предизвикат малки промени в орбитите, косвено влияещи на по-малките тела или системите от пръстени. Въпреки че такива явления рядко се наричат „Milankovičiaus ciklais“, принципът, че орбиталните вариации променят осветеността или засенчването на пръстените, по същество важи.
5. Геоложки доказателства за орбитални цикли
5.1 Слоеве и цикличност на седиментите
В морските седиментни сондажи често се наблюдават периодични изотопни промени (δ18O – индикатор за обема на ледниците и температурата), изобилие на микрофосилии или промяна в цвета на седиментите, съвпадащи с периодичността на Миланкович. Например класическото изследване на Хейс, Имбри и Шаклтън (Hays, Imbrie, Shackleton, 1976) свързва данните за морските кислородни изотопи с орбиталните промени на Земята, силно потвърждавайки теорията на Миланкович.
5.2 Записи от спелеотеми и езера
В континенталните райони сталактити и сталагмити в пещерите (спелеотеми) натрупват информация за валежи и температура с резолюция до хиляда години, често свидетелстваща за промени в мусоните, предизвикани от прецесията. Годишните слоеве в езерата (варви) също могат да отразяват по-дългосрочни цикли на влажност и суша, свързани с орбиталните принудителни климатични промени. Тези данни потвърждават периодични колебания, съответстващи на орбиталното влияние.
5.3 Ледени сондажи
Полярните ледени сондажи (в Гренландия, Антарктида), обхващащи ~800 хиляди години (а може би в бъдеще – до ~1,5 милиона години), показват промени между ледникови и междуледникови периоди с ~100 хиляди годишен цикъл в най-новата история, с включени сигнали от 41 хиляди и 23 хиляди години. Замразените въздушни мехурчета с CO2 количеството отлично илюстрира взаимодействието между атмосферните газове и орбитите. Корелацията на тези данни между температурата, парниковите газове и орбиталните цикли подчертава как тези сили влияят една на друга.
6. Проекции за бъдещия климат и тенденциите на Миланкович
6.1 Следващият ледников период?
Ако нямаше човешко въздействие, може да се очаква, че през десетки хиляди години Земята отново ще се приближи към нов ледников период според ~100 хиляди годишния цикъл. Но антропогенният CO2 емисиите и парниковият ефект могат значително да забавят или дори да отменят този преход. Някои изследвания показват, че при поддържане на високо CO2 ниво в атмосферата, началото на следващата естествена ледникова епоха може да бъде отложено с десетки хиляди години.
6.2 Дългосрочно развитие на Слънцето
През стотици милиони години слънчевата светлина бавно се увеличава. В крайна сметка този фактор ще надмине влиянието на орбиталните цикли върху жизнеспособността. След около ~1–2 млрд. години слънчевата радиация може да предизвика неконтролируем парников ефект, засенчвайки климата, модулиран от цикъла на Миланкович. Въпреки това в близките геоложки периоди (хиляди–стотици хиляди години) орбиталните цикли ще останат важни за климата на Земята.
7. По-широко значение и важност
7.1 Взаимодействия в Земната система
Въпреки че орбиталните принудителни промени са съществени, те често се преплитат със сложни обратни връзки: лед–албедо, обмен на парникови газове с океаните и биосферата, промени в океанската циркулация и др. Тази сложна взаимовръзка може да предизвика прагове, внезапни промени или преходни епизоди, които обикновено не се обясняват само с цикъла на Миланкович. Това показва, че орбиталните вариации действат като "темпо", но не са единствената причина за климатичното състояние.
7.2 Аналогии с екзопланети
Влиянието на наклона на оста, ексцентрицитета и възможните резонанси е актуално и за екзопланетите. Някои екзопланети могат да изпитат крайни промени в наклона на оста, ако нямат голям спътник, който да осигури стабилност. Разбирането как наклонът или ексцентрицитетът влияят на климата помага при изследването на обитаемостта на екзопланетите, свързвайки орбиталната механика с възможността за поддържане на течна вода или стабилен климат.
7.3 Човешко разбиране и адаптация
Знанията за орбиталните цикли помагат за интерпретирането на миналите промени в околната среда и предсказването на бъдещи естествени цикли. Въпреки че в близко бъдеще човешкото предизвикано затопляне на климата ще бъде по-изразено, разбирането на естествените циклични тенденции е много важно за по-добро осмисляне на климатичната еволюция на Земята в периоди от десетки или стотици хиляди години, далеч надхвърлящи възрастта на съвременната цивилизация.
8. Заключение
Климатичните цикли на планетите (особено в случая със Земята) се определят главно от вариациите на ексцентрицитета на орбитата, наклона на оста и прецесията, известни още като цикли на Миланкович. Тези бавни и предсказуеми промени оформят разпределението на инсоляцията по ширини и сезони, контролирайки смяната на ледникови и междуледникови периоди през Кватернера. Въпреки че обратните връзки между ледниковия слой, парниковите газове и океанската циркулация усложняват директната причинно-следствена връзка, орбиталната „ритмика“ остава основен фактор за дългосрочния климат.
От гледна точка на Земята тези цикли силно са повлияли историята на плейстоценските ледникови периоди. За другите планети резонансните промени в оста или ексцентрицитетът също могат да влияят на климатичните условия. Разбирането на орбиталните промени е изключително важно за дешифриране на климатичните записи от миналото на Земята, прогнозиране на възможни бъдещи естествени климатични етапи и оценка на това как орбитите и осите на въртене на планетите създават космически танц, който определя климатичната еволюция в мащаб, значително надхвърлящ човешкия живот.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Milankovitch, M. (1941). Canon of Insolation and the Ice-Age Problem. K. G. Saur.
- Hays, J. D., Imbrie, J., & Shackleton, N. J. (1976). „Вариации в орбитата на Земята: ритъмът на ледниковите епохи.“ Science, 194, 1121–1132.
- Berger, A. (1988). „Теория на Миланкович и климат.“ Reviews of Geophysics, 26, 624–657.
- Imbrie, J., & Imbrie, J. Z. (1980). „Моделиране на климатичния отговор на орбиталните вариации.“ Science, 207, 943–953.
- Laskar, J. (1990). „Хаотичното движение на Слънчевата система: числена оценка на размера на хаотичните зони.“ Icarus, 88, 266–291.
- Raymo, M. E., & Huybers, P. (2008). „Отключване на мистериите на ледниковите епохи.“ Nature, 451, 284–285.