Цикли Міланковича, зміни нахилу осі та ексцентриситети орбіт, що впливають на довготривалі коливання клімату
Основи орбітальних кліматичних систем
Короткочасну погоду визначають місцеві атмосферні процеси, а довготривалий клімат формується через ширші чинники, серед яких інтенсивність сонячного випромінювання, концентрації парникових газів та орбітальна геометрія. Для Землі навіть незначні зміни орбіти та орієнтації можуть перерозподіляти вхідне сонячне випромінювання між широтами та сезонами, суттєво впливаючи на зміну льодовикових та міжльодовикових періодів. Теорія Міланковича, названа на честь сербського математика Мілутіна Міланковича, визначає, як ексцентриситет, нахил осі (обліковість) та прецесія разом модифікують розподіл інсоляції (сонячного освітлення) протягом кількох десятків тисяч до кількох сотень тисяч років.
Цей термін актуальний не лише для Землі. Інші планети та супутники також переживають кліматичні цикли, проте їхній характер залежить від місцевих орбітальних резонансів, нахилу осі чи масивних сусідніх планет. Найбільше даних маємо про Землю, оскільки тут детально проаналізовані геологічні та палеокліматичні записи. Далі обговорюємо основні орбітальні параметри, що визначають ці цикли, та докази, які пов’язують їх з історичними коливаннями клімату.
2. Орбітальні параметри Землі та цикли Міланковича
2.1 Ексцентриситет (100 000 років цикл)
Ексцентриситет описує, наскільки орбіта Землі є еліптичною. При більшому ексцентриситеті відстань у перигелії (найближчій точці до Сонця) і афелії (найвіддаленішій точці) значно відрізняється. Коли ексцентриситет близький до нуля, орбіта майже кругла, і ця різниця зменшується. Основні аспекти:
- Тривалість циклу: Ексцентриситет Землі змінюється переважно з періодами близько ~100 000 і ~400 000 років, хоча існують і додаткові підцикли.
- Значення для клімату: Ексцентриситет модулює амплітуду прецесії (див. далі) і дещо змінює середню річну відстань від Сонця, хоча сам по собі має відносно менший вплив на інсоляцію, ніж зміни нахилу осі. Проте разом із прецесією ексцентриситет може посилювати або послаблювати сезонні відмінності в різних півкулях [1], [2].
2.2 Нахил осі (нахил, ~41 000 років цикл)
Нахил – це нахил осі обертання Землі відносно екліптики. Наразі він становить приблизно ~23,44°, але протягом ~41 000 років змінюється від ~22,1° до ~24,5°. Нахил суттєво впливає на широтний розподіл сонячного випромінювання:
- Більший нахил: Полярні області влітку отримують більше сонячного випромінювання, збільшуючи контрасти сезонів. Більше літнього сонця в полярних регіонах може сприяти таненню льоду, уповільнюючи нарощування льодовикових покривів.
- Менший нахил: Полюси влітку отримують менше тепла, тому лід, що утворився взимку, може зберігатися й наступного року, створюючи умови для розширення льодовиків.
Тому цикли нахилу особливо пов’язані з льодовиковими процесами на полюсах, як свідчать дані плейстоценових льодовикових періодів із льодовикових кернів і морських осадів.
2.3 Прецесія (~19 000–23 000 років цикли)
Прецесія – це коливання осі обертання Землі («ефект обертового волчка») та відносне положення перигелію орбіти щодо сезонів. Існують дві основні складові, що створюють цикл приблизно у ~23 000 років:
- Вісна прецесія: Вісь обертання Землі повільно описує конусоподібну траєкторію (як волчок).
- Аксіальна прецесія: Зміна положення еліптичної орбіти Землі відносно Сонця.
Якщо перигелій збігається, наприклад, з літом у Північній півкулі, цей півкуль відчуває яскравіші літа. Таке розташування змінюється приблизно за ~21–23 тис. років, змінюючи, у якому сезоні який півкуль «зустріне» перигелій. Вплив найбільш відчутний, якщо ексцентриситет більший – тоді сезонність між півкулями більше відрізняється [3], [4].
3. Зв’язок циклів Міланковича з льодовиковими та міжльодовиковими періодами
3.1 Льодовикові періоди плейстоцену
За останні ~2,6 млн років (четвертинний період) клімат Землі коливався між льодовиковими та міжльодовиковими періодами. За останні ~800 тисяч років ці коливання відбувалися приблизно кожні 100 000 років, а в ранній частині плейстоцену домінував період близько 41 000 років. Дослідження морських відкладень і льодовикових свердловин показують закономірності, що збігаються з частотами Міланковича:
- Ексцентриситет: ~100 тисячолітній цикл відповідає найяскравішій моделі льодовикових періодів у останніх циклах.
- Нахил осі: ~41 тисячолітній цикл домінував у ранньому плейстоцені.
- Прецесія: ~23 тисячі років сигнали очевидні в мусонних регіонах і деяких палеокліматичних індикаторах.
Хоча механізм складний (включає вплив парникових газів, циркуляції океанів і альбедо льодовиків), зміна інсоляції, зумовлена орбітою, є основною силою, що визначає циклічність обсягу льоду на Землі. Те, що останнім часом домінує 100-тисячолітній цикл, залишається не до кінця поясненою загадкою («проблема 100 тисяч років»), оскільки вплив лише ексцентриситету не дуже великий. Імовірно, значний вплив мають льодовикові шари, CO2 і позитивні зворотні зв’язки океанічних процесів [5], [6].
3.2 Регіональні відповіді (наприклад, мусони)
Прецесія визначає сезонний розподіл сонячного випромінювання, тому суттєво впливає на інтенсивність мусонів. Наприклад, посилена інсоляція північного півкулі влітку підсилює мусони в Африці та Індії, що могло спричинити «зелену Сахару» в середньому голоцені. Рівні озер, записи пилку та дані відкладень печер підтверджують такі орбітальні зміни мусонів.
4. Інші планети та орбітальні зміни
4.1 Марс
Осі нахил Марса змінюється ще більше (до ~60° за мільйони років), оскільки немає масивного супутника, який би його стабілізував. Це радикально змінює полярну інсоляцію, можливо, визначаючи перерозподіл водяної пари в атмосфері або міграцію льоду між широтами. Вважається, що в минулому ці цикли могли короткочасно створювати рідку воду на Марсі. Дослідження нахилу осі Марса допомагають пояснити походження полярних шаруватих відкладень.
4.2 Газові гіганти та резонанси
Клімат газових гігантів менше залежить від сонячної інсоляції, проте ексцентриситет їхніх орбіт та орієнтація осі все ж трохи змінюються. Крім того, взаємні резонанси між Юпітером, Сатурном, Ураном і Нептуном змінюють їхній кутовий момент і з часом можуть спричиняти незначні зміни орбіт, опосередковано впливаючи на менші тіла або системи кілець. Хоч такі явища рідко називають «циклами Міланковича», принцип, що орбітальні варіації змінюють освітленість або затінення кілець, по суті, діє.
5. Геологічні докази орбітальних циклів
5.1 Шарування та циклічність осадів
У морських осадових свердловинах часто спостерігаються періодичні ізотопні зміни (δ18O – індикатор об’єму льодовиків і температури), кількість мікрофосилій або зміна кольору осадів, що збігаються з періодичністю Міланковича. Наприклад, класичне дослідження Гейса, Імбрі та Шеклтона (Hays, Imbrie, Shackleton, 1976) пов’язало дані ізотопів кисню в морі з орбітальними змінами Землі, сильно підтверджуючи теорію Міланковича.
5.2 Записи спелеотем та озер
У континентальних регіонах сталактити печер (спелеотеми) накопичують інформацію про опади та температуру з роздільною здатністю до тисячі років, часто свідчачи про зміни мусонів, викликані прецесією. Річні шари озер (варви) також можуть відображати довготривалі цикли вологості та посухи, пов’язані з орбітальними примусовими кліматичними змінами. Ці дані підтверджують періодичні коливання, що відповідають орбітальному впливу.
5.3 Льодовикові свердловини
Полярні льодовикові свердловини (у Гренландії, Антарктиді), охоплюючи ~800 тис. років (а можливо в майбутньому – до ~1,5 млн років), показують зміни льодовикових–міжльодовикових періодів з циклом ~100 тис. років у новітній історії, з вставними сигналами 41 тис. та 23 тис. років. Заморожені бульбашки повітря з CO2 кількість чудово відображає взаємодію атмосферних газів та орбіт. Кореляція цих даних між температурою, парниковими газами та орбітальними циклами підкреслює, як ці сили впливають одна на одну.
6. Прогнози майбутнього клімату та тенденції Міланковича
6.1 Наступний льодовиковий період?
Якщо б не вплив людини, можна очікувати, що протягом десятків тисяч років Земля знову наблизиться до нового льодовикового періоду за ~100 тисячолітнім циклом. Однак антропогенний CO2 викиди та парниковий ефект можуть помітно відтермінувати або навіть скасувати цей перехід. Деякі дослідження показують, що при збереженні високого рівня CO2 рівень в атмосфері, початок наступного природного льодовикового періоду можна відсунути на десятки тисяч років.
6.2 Довгостроковий розвиток Сонця
Протягом сотень мільйонів років сонячне світло повільно зростає. Зрештою цей фактор перевищить вплив орбітальних циклів на життєздатність. Приблизно через ~1–2 млрд років сонячне випромінювання може спричинити неконтрольований парниковий ефект, заглушаючи клімат, модульований циклами Міланковича. Проте в найближчі геологічні періоди (тисячі–сотні тисяч років) орбітальні цикли залишатимуться важливими для клімату Землі.
7. Ширше значення та важливість
7.1 Взаємодії Земної системи
Вимушені зміни орбіти, хоча й суттєві, часто переплітаються зі складними зворотними зв'язками: лід–альбедо, обміни парникових газів з океанами та біосферою, зміни циркуляції океанів тощо. Ця складна взаємодія може спричиняти пороги, раптові зміни або перехідні епізоди, які зазвичай не пояснюються лише циклом Міланковича. Це свідчить, що варіації орбіти діють як «темп», але не є єдиною причиною кліматичного стану.
7.2 Аналогії екзопланет
Вплив нахилу осі, ексцентриситету та можливих резонансів актуальний і для екзопланет. Деякі екзопланети можуть зазнавати крайніх змін нахилу осі, якщо у них немає великого супутника для стабілізації. Розуміння того, як нахил чи ексцентриситет впливають на клімат, допомагає досліджувати придатність екзопланет для життя, пов’язуючи орбітальну механіку з можливістю збереження рідкої води чи стабільного клімату.
7.3 Розуміння та адаптація людей
Знання про орбітальні цикли допомагають інтерпретувати зміни навколишнього середовища в минулому та передбачати майбутні природні цикли. Хоча найближчим часом антропогенне потепління клімату буде більш помітним, розуміння природних циклічних тенденцій є надзвичайно важливим для кращого усвідомлення еволюції клімату Землі протягом десятків чи сотень тисяч років, що значно перевищує вік сучасної цивілізації.
8. Висновок
Кліматичні цикли планет (особливо Землі) найбільше визначаються змінами ексцентриситету орбіти, нахилу осі та прецесії, які також називають циклами Міланковича. Ці повільні та передбачувані зміни формують розподіл інсоляції за широтами та сезонами, керуючи змінами льодовикових і міжльодовикових періодів у четвертинному періоді. Хоча зворотні зв’язки льодовикового покриву, парникових газів і океанської циркуляції ускладнюють прямий причинно-наслідковий зв’язок, орбітальний «ритм» залишається фундаментальним довгостроковим кліматичним фактором.
З перспективи Землі ці цикли суттєво впливали на історію плейстоценових льодовикових періодів. Для інших планет резонансні зміни осі чи ексцентриситету також можуть впливати на кліматичні умови. Розуміння орбітальних змін надзвичайно важливе для розшифрування кліматичних записів минулого Землі, прогнозування можливих майбутніх природних кліматичних фаз і оцінки того, як орбіти планет та осі обертання створюють космічний ритм, що визначає еволюцію клімату в масштабах, значно більших за тривалість життя людини.
Посилання та подальше читання
- Milankovitch, M. (1941). Canon of Insolation and the Ice-Age Problem. K. G. Saur.
- Hays, J. D., Imbrie, J., & Shackleton, N. J. (1976). “Варіації орбіти Землі: метроном льодовикових епох.” Science, 194, 1121–1132.
- Berger, A. (1988). “Теорія Міланковича і клімат.” Reviews of Geophysics, 26, 624–657.
- Imbrie, J., & Imbrie, J. Z. (1980). “Моделювання кліматичної відповіді на орбітальні варіації.” Science, 207, 943–953.
- Laskar, J. (1990). “Хаотичний рух Сонячної системи: чисельна оцінка розмірів хаотичних зон.” Icarus, 88, 266–291.
- Raymo, M. E., & Huybers, P. (2008). “Розкриття таємниць льодовикових епох.” Nature, 451, 284–285.