Cicluri Milanković

Milutin Milanković , creatorul teoriei astronomice a ciclurilor orbitale

Ciclurile Milanković sunt efectele colective ale variațiilor ciclice ale parametrilor orbitali ai Pământului asupra climei sale. Ele poartă numele inginerului civil și matematician sârb Milutin Milanković .

Excentricitatea orbitală , înclinarea axială și precesiunea orbitei Pământului variază periodic și dau naștere, atunci când efectele lor sunt în fază, la glaciații ^{[1] la} fiecare aproximativ 100.000 de ani în timpul perioadei glaciare cuaternare . Axa Pământului finalizează un ciclu de precesiune la fiecare 26.000 de ani, iar orbita eliptică se rotește cu un ciclu la fiecare 22.000 de ani . Mai mult, unghiul dintre axa pământului și normalul planului orbital variază ciclic între 22,5 ° și 24,5 °, cu o perioadă de 41.000 de ani .

Cu toate acestea, teoria lui Milanković despre schimbările climatice nu a fost încă perfecționată; în special, cel mai mare răspuns climatic se referă la o scară de timp de 400 000 de ani , dar efectele asupra acestor perioade, în ceea ce privește glaciațiile, sunt aparent ușoare și nu sunt de acord cu previziunile. Pentru a justifica această discrepanță, sunt puse sub semnul întrebării diverse fenomene, legate de dioxidul de carbon prezent în aer sau de dinamica inlandsisului .

Teorii similare au fost avansate de Joseph Adhemar , James Croll și alții, dar verificarea experimentală este îngreunată de lipsa unor dovezi fiabile de datare, precum și de perplexitatea cu privire la perioadele care trebuie luate în considerare în sondaje. Cu toate acestea, teoria nu ar fi atins starea actuală decât grație cercetărilor asupra sedimentelor oceanice prin carotaj de Jim Hays , John Imbrie și Nicholas Shackleton care și - au publicat rezultatele în Știința în 1976 ^[2] .

Mișcări la sol

Pe lângă mișcările de rotație și revoluție , mișcarea Pământului este supusă unor variații pseudo-periodice. Chiar dacă graficele rezultate provin dintr-un număr mare de sinusoide , unele componente sunt evident dominante. Milanković a studiat variațiile de excentricitate, oblicitate și precesiune în mișcările pământului. Unele modificări ale mișcării și orientării modifică cantitatea de radiație solară care ajunge pe Pământ, precum și distribuția acesteia pe suprafața Pământului. Acest fenomen se numește forțare solară sau forțare solară (un tip de forțare radiativă ). Variațiile din zonele apropiate zonei polare nordice sunt considerate importante datorită întinderii mari de pământ, care reacționează mai repede decât oceanele la variațiile radiației solare.

Geometria orbitei

Orbită circulară, fără excentricitate

Orbita cu excentricitate 0,5

Orbita terestră este o elipsă . Excentricitatea orbitală este o măsură a formei eliptice în raport cu o orbită circulară . Forma orbitei Pământului variază de la aproape circulară (excentricitate scăzută: 0,005) la destul de eliptică (excentricitate ridicată: 0,058) și are o excentricitate medie de 0,028. Cea mai mare componentă a acestor variații (± 0,012) are o perioadă de 413.000 de ani . Alte componente variază în funcție de perioadele de 95.000 și 136.000 de ani , combinându-se aproximativ într-un interval de la -0.03 la +0.02 cu un ciclu de 100.000 de ani . Excentricitatea actuală este de 0,017.

Dacă Pământul ar fi singura planetă care orbitează Soarele , excentricitatea orbitei în timp nu ar varia. Principala cauză a variației este de fapt interacțiunea cu câmpurile gravitaționale ale lui Jupiter și Saturn , cele două cele mai masive planete din sistemul solar . Cu toate acestea, axa semi-majoră a elipsei orbitale rămâne neschimbată pe măsură ce excentricitatea variază. Din punctul de vedere al teoriei perturbării folosită în mecanica cerească pentru a prezice evoluția orbitei, axa semi-majoră este un invariant adiabatic . Conform celei de-a treia legi a lui Kepler , perioada orbitei este determinată de axa semi-majoră, deci anul anomalistic, adică perioada orbitală a Pământului (care este puțin mai lungă decât anul sideral din cauza precesiunii anomaliste ), este de asemenea invariantă pe măsură ce orbita se schimbă.

Odată cu excentricitatea actuală, diferența dintre distanțele Pământ-Soare la periheliu (punctul orbitei cel mai apropiat de soare) și la afeliu (punctul orbitei cel mai îndepărtat de soare) este de 3,4% (5,1 milioane de kilometri ). Această diferență determină o creștere cu 6,8% a radiației solare care ajunge pe Pământ. În prezent, periheliul are loc în jurul datei de 3 ianuarie, în timp ce afeliul în jurul datei de 4 iulie. Când orbita are o excentricitate maximă, cantitatea de radiație solară la periheliu este cu aproximativ 23% mai mare decât la afeliu. Diferența este de aproximativ 4 ori valoarea excentricității.

Mecanica orbitală implică faptul că lungimea anotimpurilor este proporțională cu suprafețele cadranelor sezoniere. În consecință, atunci când excentricitatea este maximă, anotimpurile care apar pe latura orbitei cele mai îndepărtate de Soare pot fi semnificativ mai lungi. Când toamna și iarna cad, pe măsură ce Pământul este mai aproape de soare, așa cum se întâmplă în prezent în emisfera nordică , acesta se mișcă la viteza maximă, astfel încât aceste două anotimpuri sunt puțin mai scurte decât primăvara și vara . În prezent, în emisfera nordică, vara este cu 4,66 zile mai lungă decât iarna, în timp ce primăvara este cu 2,9 zile mai lungă decât toamna. ^[3]

Înclinarea axială

Același subiect în detaliu: Înclinarea axială .

Gama de variație a înclinării axei: 22,1-24,5º

Înclinarea axială (înclinarea axei terestre față de perpendiculară pe planul orbitei ) este supusă oscilațiilor într-un câmp de 2,4 ° de amplitudine. Variațiile înclinației sunt aproximativ periodice, cu o perioadă de aproximativ 40.000 de ani . Pe măsură ce oblicitatea crește, amplitudinea ciclului de insolație sezonieră crește, cu o creștere a fluxului radiativ în verile ambelor emisfere și o scădere respectivă a iernilor. Drept urmare, verile devin mai calde, iar iernile mai reci.

Aceste două variații ale semnului opus nu au însă aceeași entitate. Insolația medie anuală crește la latitudini ridicate odată cu creșterea oblicității, în timp ce la latitudini mai mici insolația scade. Verile mai reci ar trebui să favorizeze debutul unei ere glaciare, deoarece se topesc relativ mai puțin din gheața și zăpada rămasă din iarna anterioară. Iernile mai calde, pe de altă parte, permit o ninsoare mai mare și, prin urmare, o creștere a masei de gheață. Combinarea acestor două efecte duce la ipoteza că oblicitate mai mică favorizează, prin urmare, începutul unei ere glaciare.

În prezent, axa Pământului este înclinată cu 23,44º față de perpendiculară pe planul orbital, aproximativ la mijloc între extremele intervalului de variație.

Precesiune

Același subiect în detaliu: Precesiunea echinocțiilor .

Mișcare de precesiune.

Precesiunea echinocțiilor este schimbarea direcției axei Pământului măsurată în raport cu stelele fixe în perioadele în care apar periheliul și afeliul . Pământul trece printr-un ciclu complet de precesiune în aproximativ 21.000 de ani . Există două efecte care contribuie la determinarea acestei perioade de timp: în primul rând, axa pământului se rotește în jurul unei linii perpendiculare pe planul orbital, cu o perioadă de aproximativ 26.000 de ani . Această mișcare giroscopică este cauzată de forțele de maree exercitate, cu efecte aproape echivalente, de Soarele și Luna pe uscat și este asociată cu faptul că Pământul nu este o sferă perfectă, ci are o umflătură la ecuator ; în plus, elipsa orbitală este ea însăși supusă precesiunii, în principal datorită interacțiunilor cu Jupiter și Saturn . Precesiunea orbitală apare în direcția opusă mișcării giroscopice a axei de rotație, scurtând perioada de precesiune a echinocțiilor, în ceea ce privește periheliul, de la 26.000 la 21.000 de ani .

Când axa este orientată spre a indica spre Soare la periheliu, o emisferă va avea o diferență climatică mai mare între anotimpuri, în timp ce cealaltă va avea anotimpuri mai ușoare reciproc. Emisfera unde periheliul cade vara va primi o cantitate bună din creșterea corespunzătoare a radiației solare, dar, prin urmare, va fi la afeliu în timpul sezonului de iarnă, având astfel o iarnă mai rece. Cealaltă emisferă va avea o iarnă relativ mai caldă și o vară mai rece.

Când axa Pământului este aliniată astfel încât echinocțiile să cadă aproape de afeliu și periheliu, cele două emisfere vor avea diferențe climatice similare între anotimpuri.

În prezent, tranziția la periheliu are loc în timpul verii emisferei sudice , care la afeliu în timpul iernii. Opusul este valabil pentru emisfera nordică . Prin urmare, emisfera sudică tinde să aibă anotimpuri mai extreme decât emisfera nordică, toți ceilalți factori fiind egali.

Înclinarea orbitală

Înclinarea orbitală a Pământului măsurată în raport cu un plan de referință (de exemplu, planul ecuatorial al Soarelui) este supusă oscilațiilor periodice. Cu toate acestea, Milanković nu a studiat această mișcare tridimensională.

Cercetătorii mai recenți au observat această variație și au observat că orbita se mișcă în raport cu orbitele celorlalte planete. Planul invariabil , planul care reprezintă impulsul unghiular al sistemului solar , este aproximativ echivalent cu planul orbital al lui Jupiter . Înclinarea orbitei Pământului în raport cu planul invariant oscilează cu o perioadă de 100.000 de ani , aproape coincizând cu ciclul glaciațiilor.

S-a speculat că există un disc de praf și alte resturi în planul invariant, care afectează clima Pământului în diferite moduri. Pământul traversează în prezent acest plan în jurul valorii de 9 ianuarie și 9 iulie, când există o creștere a meteorilor detectați prin radar și a norilor noctilucenți în legătură cu aceștia. ^{[4] [5]}

Probleme

Deoarece periodicitățile schimbărilor climatice au fost observate pentru a se potrivi cu perioadele de mișcare orbitală, aceste teorii sunt susținute pe scară largă. Cu toate acestea, există unele discrepanțe între predicții și observații experimentale .

100 000 de ani problema

Același subiect în detaliu: Problema de sute de mii de ani .

Problema de 100.000 de ani este că variațiile excentricității orbitale au un impact semnificativ mai mic asupra forțării solare decât precesiunea și înclinarea axială și ar trebui să se aștepte să producă cele mai mici efecte ca rezultat. Cu toate acestea, observațiile arată că, în ultimele milioane de ani, cel mai mare semnal climatic este ciclul de 100.000 de ani. Mai mult, în ciuda faptului că este o scară de timp relativ mare, unii au susținut că durata perioadei este insuficientă pentru a stabili o relație statistic semnificativă între schimbările climatice și excentricitatea. ^{[6] Cu toate acestea,} unele modele pot reproduce cicluri de 100.000 de ani ca urmare a interacțiunilor neliniare între ușoare variații ale orbitei Pământului și oscilații interne ale sistemului climatic. ^{[7] [8]}

400 000 de ani problema

Problema de 400.000 de ani este că variațiile excentricității sunt caracterizate de un ciclu de 400.000 de ani de o magnitudine considerabilă. Acest ciclu este prezent doar în înregistrările climatice anterioare ultimului milion de ani. Deoarece variațiile de peste 100.000 de ani au un efect atât de mare, ar fi de așteptat și variații de peste 400.000 de ani. Această discrepanță este, de asemenea, cunoscută sub numele de problema stadiului 11 , întrucât perioada interglaciară a izotopului marin stadiul 11 nu este, ar fi trebuit să se întâmple dacă 400.000- ciclul de excentricitate al anului a avut un impact semnificativ asupra climei. Absența relativă a acestei periodicități în înregistrările izotopilor marini poate fi cauzată, cel puțin parțial, de timpul de răspuns al componentelor implicate în sistemul climatic, în special ciclul carbonului .

Problema etapei 5

Problema stadiului 5 se referă la perioada penultimei perioade interglaciare (în izotopul marin stadiul 5) care pare să fi început cu 10 mii de ani mai devreme decât forțarea solară care se presupune că a fost cauza. Se mai numește și problema cauzalității .

Efecte excesive în raport cu cauzele

Efectele variațiilor în mișcările pământului ar trebui să fie cauzate de variațiile intensității radiației solare distribuite pe diferite părți ale globului. Observațiile arată că răspunsul climatic este mult mai intens decât variațiile calculate. Se presupune că diferite caracteristici interne ale sistemelor climatice sunt sensibile la variațiile insolației , provocând răspunsuri de amplificare ( feedback pozitiv ) și atenuare ( feedback negativ ).

Problemă de vârf unic

Problema cu vârful unic se referă la faptul că excentricitatea are variații bine definite la ambele frecvențe de 95 și 125 de mii de ani. O înregistrare suficient de lungă și datată în mod fiabil a schimbărilor climatice ar trebui într-adevăr să poată determina ambele frecvențe, dar unii cercetători interpretează înregistrările climatice din ultimele milioane de ani, producând o singură periodicitate de vârf de 100.000 de ani din spectru . Este discutabil dacă calitatea datelor existente este suficientă sau nu pentru a determina ambele frecvențe în ultimii milioane de ani.

Problema tranziției

Problema tranziției se referă la variația frecvențelor schimbărilor climatice datând de un milion de ani. În urmă cu unu până la trei milioane de ani, schimbările climatice au urmat o variație dominantă care coincide cu ciclul de înclinare axială de 41.000 de ani . De acum un milion de ani, variația coincide cu ciclul de 100 000 de ani al oscilației excentricității orbitale.

Până în prezent, nu a fost identificată nicio cauză pentru această modificare.

Starea curenta

Insolația actuală din emisfera nordică la 65 ° latitudine nordică pare să fie compatibilă cu cea corespunzătoare unei neo-glaciații . Conform calculelor astronomice, se așteaptă ca insolația de vară la 65 ° N să crească treptat în următorii 25.000 de ani și nu va exista o scădere a insolației suficientă pentru a provoca o epocă de gheață în următorii 50.000 - 100.000 de ani .

După cum s-a menționat mai sus, periheliul cade în vara emisferei sudice și afeliul în iarna respectivă, prin urmare anotimpurile din emisfera sudică ar trebui să fie mai extreme decât cele din emisfera nordică.

Excentricitatea relativ scăzută a orbitei actuale determină o diferență de 6,8% între insolarea celor două emisfere.

Prognozele

Deoarece variațiile orbitale sunt previzibile ^[9] , pornind de la un model care leagă variațiile de climă, ar fi posibil să se prevadă evoluția viitoare a sistemului climatic.

Cu toate acestea, există două clarificări care trebuie făcute: în primul rând, schimbările climatice au loc pe o perioadă limitată de ani și, în al doilea rând, deoarece mecanismul prin care forțarea orbitală afectează clima nu este încă înțeles în mod adecvat, nu există un model adecvat care să exprime schimbările climatice ca o funcție a variațiilor orbitale.

Într-un studiu mult citat de J. Imbrie și JZ Imbrie, datând din 1980 , a fost dezvoltată o teorie conform căreia „ignorând” efectul antropogen și alte surse posibile de variații care acționează la frecvențe mai mari de un ciclu la fiecare 19.000 de ani, acest lucru modelul prezice că răcirea pe termen lung care a început în urmă cu aproximativ 6.000 de ani va continua în următorii 23.000 de ani. ^[10]

Studii mai recente efectuate de Berger și Loutre par să indice că actualul climat cald ar putea dura încă 50.000 de ani. ^[11]

Notă

Bibliografie

• ( EN ) JC Zachos, M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas, K. Billups. Tendințe, ritmuri și aberații în climatul global 65 Ma până în prezent . Știință , 2001, 292, 5517, 686-693. DOI : 10.1126 / science.1059412 - Publicație care tratează cicluri pe scară largă și schimbările climatului global în timpul Cenozoicului .
• ( RO ) JC Zachos, NJ Shackleton, JS Revenaugh, H. Palike, BP Flower. Răspunsul climatic la forțarea orbitală peste limita Oligocen-Miocen . Știință , 2001, 292, 5515, 274-278. DOI : 10.1126 / science.1058288 - Publicație care tratează influența ciclurilor Milankovitch asupra variațiilor climatice din Oligocenul târziu și Miocenul timpuriu (acum aproximativ 20-25 milioane de ani).
• ( EN ) Erik Tuenter. Modelarea variațiilor induse de orbita în climatul circummediteranean - Teză de doctorat asupra ciclurilor Milankovitch, cu descrierea influenței indirecte a variațiilor orbitale asupra precipitațiilor și a altor factori climatici. Folosește rezultatele obținute din depozite geologice și simulări climatice, concentrându-se asupra regiunii mediteraneene .

Elemente conexe

• Excentricitate orbitală
• Epoca de gheata
• Glaciația
• Înclinarea axială
• Milutin Milanković
• Precesiune
• Precesiunea echinocțiilor
• Teoria astronomică a glaciațiilor

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre ciclurile lui Milanković

linkuri externe

• ( EN ) Milanković Band , pe agu.org .
• ( EN ) Istoria adoptării teoriilor lui Milanković. , la muller.lbl.gov .
• ( EN ) Studiu aprofundat al înclinației orbitale și al modelelor climatice. , la muller.lbl.gov .
• Grafic de variație a izolației. : se notează clar ciclurile de 20.000, 50.000, 100.000 și 400.000 de ani.
• ( EN ) On the Shoulders of Giants - Milutin Milankovitch - Biografia lui Milanković și istoria descoperirilor sale.
• ( EN ) Anotimpurile și orbita Pământului , pe aa.usno.navy.mil . Adus la 24 februarie 2007 (arhivat din original la 28 februarie 2007) .
• ( EN ) Colecția de date NOAA SUA privind forțarea climei , la ncdc.noaa.gov .
• ( EN ) Simulări orbitale ale lui Varadi, Ghil și Runnegar (2003) , pe astrobiology.ucla.edu . Adus la 23 februarie 2006 (arhivat din original la 10 februarie 2006) .

Portalul de astronomie

Portal de meteorologie