Milankoviča cikli, ass slīpuma izmaiņas un orbītu ekscentritātes, kas ietekmē ilgtermiņa klimata svārstības
Orbitālās klimata sistēmas pamati
Īslaicīgo laiku nosaka vietējie atmosfēras procesi, bet ilgtermiņa klimatu veido plašāki faktori, tostarp Saules starojuma intensitāte, siltumnīcefekta gāzu koncentrācijas un orbitālā ģeometrija. Pat nelielas orbītas un orientācijas izmaiņas var Zemei pārdalīt ienākošo Saules starojumu starp platuma grādiem un sezonām, būtiski ietekmējot ledus laikmetu un starpledus laikmetu maiņu. Milankoviča teorija, nosaukta pēc serbu matemātiķa Milutina Milankoviča, apraksta, kā ekscentritāte, ass slīpums (obliķitāte) un precesija kopā modificē insoliācijas (Saules apgaismojuma) sadalījumu desmitiem tūkstošu līdz vairākiem simtiem tūkstošu gadu garumā.
Šis jēdziens ir aktuāls ne tikai Zemei. Citas planētas un pavadoņi arī piedzīvo klimata ciklus, taču to raksturs ir atkarīgs no vietējiem orbitālajiem rezonansiem, ass slīpuma vai masīviem kaimiņu planētu ietekmes. Visvairāk datu mums ir par Zemi, jo šeit ir detalizēti izpētīti ģeoloģiskie un paleoklimatiskie ieraksti. Turpmāk apspriežam būtiskos orbitālos parametrus, kas nosaka šos ciklus, un pierādījumus, kas tos saista ar vēsturiskajām klimata svārstībām.
2. Zemes orbītas parametri un Milankoviča cikli
2.1 Ekscentritāte (100 000 gadu cikls)
Ekscentritāte raksturo, cik ļoti Zemes orbīta ir eliptiska. Lielākas ekscentritātes gadījumā perihelijā (tuvākajā punktā Saulei) un afelijā (tālākajā punktā) attālums atšķiras vairāk. Kad ekscentritāte ir tuvu nullei, orbīta ir gandrīz apļa formā, un šī atšķirība samazinās. Galvenie aspekti:
- Cikla ilgums: Zemes ekscentritāte mainās galvenokārt aptuveni 100 000 un 400 000 gadu periodos, lai gan ir arī papildu apakšcikli.
- Klimata nozīme: Ekscentritāte modulē precesijas (skat. zemāk) amplitūdu un nedaudz maina vidējo gada attālumu no Saules, lai gan tā pati par sevi ietekmē insolāciju mazāk nekā ass novirzes izmaiņas. Tomēr kopā ar precesiju ekscentritāte var pastiprināt vai vājināt sezonālās atšķirības dažādās puslodēs [1], [2].
2.2 Ass novirze (obliķitāte, aptuveni 41 000 gadu cikls)
Obliķitāte – tas ir Zemes rotācijas ass novirze attiecībā pret ekliptiku. Pašlaik tā ir aptuveni 23,44°, bet aptuveni ik pēc 41 000 gadiem mainās no aptuveni 22,1° līdz aptuveni 24,5°. Obliķitāte būtiski ietekmē platuma Saules starojuma sadalījumu:
- Lielāks novirze: Polārajās teritorijās vasarā saņem vairāk Saules starojuma, palielinās sezonu kontrasti. Vairāk vasaras saules polārajos reģionos var veicināt ledus kušanu, kavējot ledus slāņu augšanu.
- Mazāks novirze: Polos vasarā saņem mazāk siltuma, tāpēc ziemā izveidojušais ledus var saglabāties arī nākamajā gadā, radot apstākļus ledāju paplašināšanai.
Tāpēc obliķitātes cikli īpaši saistīti ar polu ledus procesiem, kā rāda pleistocēna ledus laikmeta dati no ledus kodoliem un okeāna nogulumiem.
2.3 Precesija (~19 000–23 000 gadu cikli)
Precesija – tas ir Zemes rotācijas ass svārstības efekts ("rotējošā virpuļa" efekts) un orbītas perihelija relatīvā pozīcija attiecībā pret sezonām. Ir divas galvenās sastāvdaļas, kas rada aptuveni 23 000 gadu ciklu:
- Asu precesija: Zemes rotācijas ass lēni veido konusa formu trajektoriju (kā virpuļvads).
- Apsidijas precesija: Zemes eliptiskās orbītas pozīcijas maiņa attiecībā pret Sauli.
Ja perihelijs sakrīt, piemēram, ar Ziemeļu puslodes vasaru, šī puslode piedzīvo izteiktākas vasaras. Šāda izvietojuma maiņa notiek aptuveni ik pēc 21–23 tūkstošiem gadu, mainot, kurā sezonā kura puslode "satiek" periheliju. Ietekme visvairāk jūtama, ja ekscentritāte ir lielāka – tad sezonālums starp puslodēm vairāk atšķiras [3], [4].
3. Milankoviča ciklu un ledus laikmetu-starpledus laikmetu saistība
3.1 Pleistocēna ledus laikmeti
Pēdējo ~2,6 milj. gadu laikā (Kvartera periods) Zemes klimats svārstījās starp ledus laikmetiem un starpledus laikmetiem. Pēdējos ~800 tūkst. gadu šīs svārstības notika ik pēc ~100 000 gadiem, bet agrākā Pleistocēna daļā dominēja ~41 000 gadu periods. Jūras grunts nogulumu un ledus urbumu pētījumi rāda likumsakarības, kas sakrīt ar Milankoviča frekvencēm:
- Ekscentricitāte: ~100 tūkst. gadu cikls atbilst spilgtākajam ledus laikmetu modelim pēdējos ciklos.
- Obliškums: ~41 tūkst. gadu cikls dominēja agrīnajā Pleistocēnā.
- Precesija: ~23 tūkst. gadu signāli ir acīmredzami musonu reģionos un dažos paleoklimatiskajos rādītājos.
Lai gan mehānisms ir sarežģīts (aptverot siltumnīcefekta gāzu, okeānu cirkulācijas un ledāja albedo atgriezeniskās saites ietekmi), orbitāli noteiktās apgaismojuma izmaiņas ir galvenā spēka, kas nosaka Zemes ledus apjoma cikliskumu. Tas, ka pēdējā laikā dominē 100 tūkst. gadu cikls, joprojām ir ne pilnībā izskaidrota mīkla („100 tūkst. gadu problēma“), jo tikai ekscentritātes ietekme nav ļoti liela. Iespējams, ka spēcīgu ietekmi rada ledus slāņu, CO2 un okeāna procesu pozitīvās atgriezeniskās saites [5], [6].
3.2 Reģionālās atbildes (piemēram, musoni)
Precesija nosaka, kā sezonāli sadalās Saules starojums, tāpēc būtiski ietekmē musonu intensitāti. Piemēram, pastiprināts Ziemeļu puslodes vasaras apgaismojums pastiprina Āfrikas un Indijas musonus, kas varēja izraisīt „zaļo Sahāru“ vidējā holocēna periodā. Ezeru līmeņi, ziedputekšņu ieraksti un alu nogulumu dati apstiprina šādas orbitālās musonu izmaiņas.
4. Citas planētas un orbitālās izmaiņas
4.1 Marss
Marss ass novirze mainās vēl vairāk (līdz ~60° miljonos gadu), jo nav masīva pavadoņa, kas to stabilizētu. Tas būtiski maina polāro apgaismojumu, iespējams, ietekmējot ūdens tvaiku pārdali atmosfērā vai ledus migrāciju starp platuma grādiem. Uzskata, ka pagātnē šie cikli Marsā īslaicīgi varēja radīt šķidru ūdeni. Marss ass novirzes pētījumi palīdz izskaidrot polāro slāņoto nogulumu izcelsmi.
4.2 Gāzu milži un rezonansi
Gāzu milžu klimats mazāk ir atkarīgs no Saules apgaismo, taču to orbītu ekscentritāte un ass orientācija tomēr nedaudz mainās. Turklāt savstarpējie rezonansi starp Jupiteru, Saturnu, Urānu un Neptūnu maina to leņķisko momentu un ilgtermiņā var izraisīt nelielas orbītu izmaiņas, netieši ietekmējot mazākus ķermeņus vai gredzenu sistēmas. Lai gan šādi procesi reti tiek saukti par „Milankoviča cikliem“, princips, ka orbitālās variācijas maina apgaismojumu vai gredzenu ēnas, būtībā ir spēkā.
5. Ģeoloģiskie pierādījumi par orbītas cikliem
5.1 Nogulumu slāņošanās un cikliskums
Jūras nogulumu urbumos bieži redzamas periodiskas izotopu izmaiņas (δ18O – ledāju apjoma un temperatūras indikators), mikrofosiliju daudzums vai nogulumu krāsu maiņa, kas sakrīt ar Milankoviča periodiskumu. Piemēram, klasiskajā Hayso, Imbrie un Šaklētona (Hays, Imbrie, Shackleton, 1976) pētījumā jūras skābekļa izotopu dati tika sasaistīti ar Zemes orbītas izmaiņām, spēcīgi apstiprinot Milankoviča teoriju.
5.2 Speleotēmu un ezeru ieraksti
Kontinentālajos reģionos alu stalagmīti (speleotēmas) uzkrāj nokrišņu un temperatūras informāciju ar pat tūkstošgadu izšķirtspēju, bieži liecinot par precesijas izraisītām musonu izmaiņām. Ezeru gada slāņi (varvas) arī var atspoguļot ilgtermiņa mitruma un sausuma ciklus, kas saistīti ar orbītas piespiedu klimata izmaiņām. Šie dati apstiprina periodiskas svārstības, kas atbilst orbītas ietekmei.
5.3 Ledus urbumi
Polāro ledus urbumi (Grenlandē, Antarktīdā), aptverot ~800 tūkstošus gadu (vai nākotnē – līdz ~1,5 miljoniem gadu), rāda ledus laikmetu–starpledus laikmetu izmaiņas aptuveni ~100 tūkstošu gadu ciklā jaunākajā vēsturē, ar 41 tūkstošu un 23 tūkstošu gadu signāliem. Sasalstošo gaisa burbuļu CO2 apjoms lieliski atspoguļo atmosfēras gāzu un orbītu mijiedarbību. Šo datu korelācija starp temperatūru, siltumnīcefekta gāzēm un orbītas cikliem uzsver, kā šīs spēks ietekmē viena otru.
6. Nākotnes klimata prognozes un Milankoviča tendences
6.1 Nākamais ledus laikmets?
Ja nebūtu cilvēka ietekmes, varētu sagaidīt, ka desmitu tūkstošu gadu laikā Zeme atkal pietuvosies jaunam ledus laikmetam aptuveni ~100 tūkstošu gadu ciklā. Tomēr antropogēnie CO2 izmeši un siltumnīcefekts var ievērojami aizkavēt vai pat novērst šo pāreju. Daži pētījumi liecina, ka saglabājot augstu CO2 atmosfēras līmeni, citu dabiskā ledus laikmeta sākumu var atlikt par desmitiem tūkstošu gadu.
6.2 Ilgtermiņa Saules attīstība
Gadsimtu miljonu laikā Saules spožums lēnām palielinās. Galu galā šis faktors pārsniegs orbītas ciklu ietekmi uz dzīvotspēju. Aptuveni pēc ~1–2 miljardiem gadu Saules starojums var izraisīt nekontrolējamu siltumnīcefekta pastiprināšanos, aizēnojot Milankoviča ciklu modulēto klimatu. Tomēr tuvākajos ģeoloģiskajos periodos (tūkstošiem–simtiem tūkstošu gadu) orbītas cikli saglabās nozīmi Zemes klimatam.
7. Plašāka nozīme un svarīgums
7.1 Zemes sistēmu mijiedarbība
Patstāvīgas orbītas piespiedu izmaiņas, lai gan būtiskas, bieži vien savijas ar sarežģītas atgriezeniskās saites: ledus–albedo, siltumnīcefekta gāzu apmaiņa ar okeāniem un biosfēru, okeānu cirkulācijas izmaiņas u.c. Šī sarežģītā mijiedarbība var izraisīt sliekšņus, straujas pārmaiņas vai pārejas epizodes, ko parasti neizskaidro tikai Milankoviča cikls. Tas liecina, ka orbītas variācijas darbojas kā "temps", bet nav vienīgais klimata stāvokļa iemesls.
7.2 Egzoplanētu analoģijas
Asu noviržu, ekscentricitātes un iespējamo rezonansu ietekme ir aktuāla arī egzoplanētām. Dažas egzoplanētas var piedzīvot ekstremālas ass novirzes izmaiņas, ja tām nav liela pavadoņa stabilitātes nodrošināšanai. Izpratne par to, kā novirze vai ekscentricitāte ietekmē klimatu, palīdz pētīt egzoplanētu dzīvotspēju, sasaistot orbītālo mehāniku ar spēju uzturēt šķidru ūdeni vai stabilu klimatu.
7.3 Cilvēku izpratne un pielāgošanās
Zināšanas par orbītālajiem cikliem palīdz interpretēt pagātnes vides izmaiņas un prognozēt nākotnes dabiskos ciklus. Lai gan tuvākajā laikā cilvēka radītā klimata sasilšana būs izteiktāka, izprast dabiskās cikliskās tendences ir ļoti svarīgi, lai labāk saprastu Zemes klimata attīstību desmitu vai simtu tūkstošu gadu periodos, kas ievērojami pārsniedz pašreizējās civilizācijas ilgumu.
8. Secinājums
Planētu klimata ciklus (īpaši Zemes gadījumā) visvairāk nosaka orbītas ekscentricitātes, asas novirzes un precesijas izmaiņas, ko sauc arī par Milankoviča cikliem. Šīs lēnās un prognozējamās izmaiņas veido insolācijas sadalījumu platuma grādos un sezonās, kontrolējot ledus laikmetu un starplaiku maiņu Kvartērā. Lai gan ledus slāņa, siltumnīcefekta gāzu un okeāna cirkulācijas atgriezeniskās saites apgrūtina tiešu cēloņu un seku saistību, orbītālais “ritms” paliek pamatfaktors ilgtermiņa klimatā.
No Zemes skatupunkta šie cikli būtiski ietekmēja Pleistocēna ledus laikmetu vēsturi. Citas planētas rezonanses ass novirzes vai ekscentricitātes var arī ietekmēt klimata apstākļus. Orbītālo izmaiņu izpratne ir ārkārtīgi svarīga, lai atšifrētu Zemes pagātnes klimata ierakstus, prognozētu iespējamos nākotnes dabiskos klimata posmus un novērtētu, kā planētu orbītas un rotācijas ass rada kosmisko ritmu, kas nosaka klimata attīstību mērogā, kas ievērojami pārsniedz cilvēka dzīves ilgumu.
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). “Zemes orbītas variācijas: ledus laikmetu ritma noteicējs.” Science, 194, 1121–1132.
- Berger, A. (1988). “Milankoviča teorija un klimats.” Reviews of Geophysics, 26, 624–657.
- Imbrie, J., & Imbrie, J. Z. (1980). “Klimata reakcijas uz orbītālajām variācijām modelēšana.” Science, 207, 943–953.
- Laskar, J. (1990). “Saules sistēmas haotiskā kustība: haotisko zonu lieluma skaitliskais novērtējums.” Icarus, 88, 266–291.
- Raymo, M. E., & Huybers, P. (2008). “Ledynmeču noslēpumu atslēgšana.” Nature, 451, 284–285.