Milankovitchi tsüklid: Maa orbiidi ja telje muutuste mõju kliimale

Avasta Milankovitchi tsüklid: kuidas Maa orbiidi, telje kallutuse ja pretsessiooni muutused juhivad pikaajalisi kliimatsükleid ja jäätumise kõikumisi.

Milankovitši tsüklid on väikesed, aeglased, kuid korrapärased muutused Maa orbiidis ümber Päikese ja Maa telje kallutuses. Need muutused toimuvad tuhandete kuni sadade tuhandete aastate jooksul ning mõjutavad Maa pinnale langeva päikesepaistet, st päikesevalgust, mis erinevatele Maa piirkondadele langeb.

Peamised komponendid ja ajaskaalad

Dünaamika on keeruline, kuid selle mõistmiseks eristatakse tavaliselt kolme peamist orbitalset muutujat:

• Eksentsentrilisus – orbiidi elliptilisuse (ümaruse) määr. Sellel on perioodid ligikaudu 100 000 ja 400 000 aastat ning see mõjutab, kui palju aastane kaugus Päikesest varieerub.
• Telje kallutatus (obliquity) – Maa telje nurkitasakaalulise taseme muutus, mille periood on umbes 41 000 aastat. See määrab hooajaliste kontrastide tugevust, eriti kõrgematel laiuskraadidel.
• Pretsessioon – Maa telje pillutamine ja orbiidi orientatsiooni muutus ruumis, millest tulenev hooaegade nihkumine tekib umbes 21 000 aasta (19–23 tuhat aasta) tsükliga. Pretsessioon koos eksentsentrilisusega määrab hooajalise insulatsiooni varieerumise.

Need kolm komponenti kokku tekitavad peamised insulatsiooni tsüklid ligikaudu 21 000, 41 000, 100 000 ja 400 000 aasta sagedustel.

Kuidas need kliimat mõjutavad

Rakendusmatemaatika abil ennustas Milanković, et Maa orbiidi ekstsentrilisuse, telje kallutatuse ja pretsessiooni muutused põhjustavad Maa kliimamustreid. Täpsemalt mõõtis ta, kuidas need muutused mõjutavad päikeselt tuleva energia jaotust eri aastaaegadel eri laiuskraadidel. Milanković rõhutas eriti suvist päikesekiirgust kõrgetel põhjapoolsetel laiuskraadidel (nt 65°N), sest külmemad või soojemad suved mõjutavad jäätisemassiivi sulamist või kasvu.

Oluline on mõista, et orbitalsed muutused muudavad pigem insulatsiooni jaotust kui kogu Päikeselt tulevat energiat. Selle jaotuse muutus võib käivitada sise- ja tagasisideprotsesse, mis tugevdavad kliimamuutust:

• Jäätis-albedo tagasiside – jää ja lumi peegeldavad rohkem päikesevalgust, mis jahutab piirkonda veelgi ja soodustab jää tekke.
• Kliimatsüsteemi reageerimine – jääkatted, mered, atmosfäär ja süsinikutsükkel (nt CO2 muutused) annavad olulist tagasisidet, mis võib amplifitseerida väikest orbitalset signaali.

Tõendid ja meetodid

Sarnaseid astronoomilisi teooriaid olid 19. sajandil esitanud Joseph Adhemar, James Croll ja teised, kuid usaldusväärsed paleokliimaaruanded puudusid. Küsimus lahenes alles siis, kui 1976. aastal võeti süvamere tuumad ja avaldati Science'is artikkel. See töö (Hays, Imbrie & Shackleton, 1976) näitas, et süvamere sedimentide isotopilised ja tihedusalased signaalid sisaldavad sagedusi, mis langevad kokku Milankovitchi tsüklitega.

Põhilised paleokliimameetodid, mis annavad tõendeid orbitalsete tsüklite kohta:

• Deep-sea sedimentide ja jäätuumade analüüs (δ18O, mikroorganismide abundants jne).
• Pollenianalüüs, korallide ja speleothemide (koopakivide) kronoloogiad.
• Spektriline analüüs – paleokliimarekordide sageduskomponendid vastavad tihti orbitalsetele perioodidele.

Piirangud ja teaduse aktuaalsus

Kuigi Milankovitchi mehhanism selgitab palju glatsiaal-interglatsiaalsete tsüklite mustrit, on mõningad küsimused endiselt avatud. Näiteks nii-öelda 100 000-aastane probleem viitab sellele, et viimase ca 800 000 aasta jooksul on tugevaim signaal just ~100 000 aasta tsüklis, kuigi eksentsentrilisuse väline forsing ise on suhteliselt nõrk. Selle selgituseks uuritakse liustike dünaamikat, CO2 ja teiste kliimafaktorite tagasisidet ning sisemajanduslikke protsesse (nt jääplaatide stabiilsus, mitme-ealine vastus).

Täna on oluline rõhutada ka, et Milankovitchi tsüklid toimivad väga pikadel ajaskaaladel (tuhandest kuni sadade tuhandete aastani) ja ei ole praeguse kiire antropogeense soojenemise põhjus. Inimtekkelised kasvuhoonegaaside emissioonid põhjustavad tänapäeval palju kiiremaid ja suuremaid muutusi kui orbitalne forsing suurtel ajaskaaladel.

Kokkuvõte

Milankovitši tsüklid seletavad, kuidas väikesed, korrapärased muutused Maa orbiidis ja telje asendis muudavad päikesevalgust, mis eri laiuskraadidele ja aastaaegadele langeb. Need muutused võivad käivitada ja ajastada suuri glatsiaal-interglatsiaalsete tsüklite kõikumisi koos sise- ja tagasisideprotsessidega. Teema on endiselt aktiivne uurimisvaldkond, kus kombineeritakse astronoomiat, paleokliimat, jäägeofüüsikat ja süsinikutsükli uuringuid, et mõista täielikku pilti.

Tsüklid

Orbiidi kuju (ekstsentrilisus)

Maa orbiit on ellips. Eksentrilisus on selle ellipsi kõrvalekaldumise mõõtühik ringikujulisusest. Maa orbiidi kuju varieerub ajas peaaegu ringikujulise ja kergelt elliptilise vahel.

Aksiaalne kalle (kalduvus)

Maa telgjoone kaldenurk ekliptika tasandi suhtes muutub, sest teiste planeetide poolt tekitatud häiritused nihutavad Maa orbiiti.

Kui kalduvus suureneb, saavad mõlema poolkera suved rohkem soojust ja valgust Päikeselt ja talved vähem. Vastupidi, kui kalduvus väheneb, saavad suved vähem päikesepaistet ja talved rohkem. Need aeglased 2,4° kaldenurga kõikumised on ligikaudu perioodilised. Neil kulub umbes 41 000 aastat, et liikuda 22,1° ja 24,5° kallakute vahel ja tagasi.

Aksiaalne pretsessioon

Pretsessioon on Maa telje kõikumine. See güroskoopiline liikumine on tingitud päikese ja kuu poolt tahkele Maale mõjuvatest loodetejõududest, mis on pigem lapiku sfäärikujulised kui kerakujulised. Päike ja Kuu aitavad sellele efektile ligikaudu võrdselt kaasa. Selle periood on umbes 26 000 aastat.

Kui telg on suunatud Päikese poole, on ühel poolkeral suurem erinevus aastaaegade vahel, samal ajal kui teisel poolkeral on leebemad aastaajad. Poolkera, mis on periheelis suvel, saab suure osa vastavast päikesekiirguse suurenemisest, kuid samal poolkeral, mis on afelis talvel, on külmem talv. Teisel poolkeral on suhteliselt soojem talv ja jahedam suvi.

Apsidaalne pretsessioon

Päikese ümber tiirlevad planeedid järgivad elliptilisi (ovaalseid) orbiite, mis pöörlevad aja jooksul järk-järgult (apsidipretsessioon).

Lisaks sellele eendub orbiidi ellips ise kosmoses, peamiselt Jupiteri ja Saturni vastastikmõjude tõttu. See lühendab pööripäevade pretsessiooni perioodi 25 771,5 aastalt ~21 636 aastani.

Orbitaalne kalle

Maa orbiidi kalle tiirleb üles ja alla võrreldes praeguse orbiidiga, kusjuures tsükli pikkus on umbes 70 000 aastat. Milankovitch ei uurinud seda kolmemõõtmelist liikumist. Seda liikumist nimetatakse ekliptika pretsessiooniks või planeedi pretsessiooniks.

Teadlased märkisid seda triivi ja ka seda, et orbiit liigub teiste planeetide orbiitide suhtes. Muutumatu tasand, tasand, mis kujutab endast Päikesesüsteemi nurgamomenti, on ligikaudu Jupiteri orbiidi tasand. Maa orbiidi kalle on muutumatu tasandi suhtes 100 000-aastase tsükliga. See on väga sarnane 100 000-aastase ekstsentrilisuse perioodiga. See 100 000-aastane tsükkel vastab täpselt jääaegade 100 000-aastasele mustrile.

On tehtud ettepanek, et lennukis on tolmu ja muu prahi ketas, mis mõjutab Maa kliimat. Maa liigub läbi selle tasandi 9. jaanuari ja 9. juuli paiku, mil suureneb radariga tuvastatud meteooride ja meteoritega seotud ööpilvede arv.

Antarktika jääsüdamike uuringus, milles kasutati jäässe kinni jäänud õhumullide hapniku ja lämmastiku suhet, jõuti järeldusele, et jääsüdamikes dokumenteeritud kliimareaktsiooni põhjustas põhjapoolkera päikesepiiritus, nagu on välja pakutud Milankovitši hüpoteesi kohaselt. See on Milankovitši hüpoteesi täiendav kinnitus suhteliselt uue meetodi abil. See ei ole kooskõlas 100 000-aastase tsükli "kallakuteooriaga".

Apsidipretsessiooni mõju aastaaegadele


Näitab apsidipretsessiooni. Enamikul Päikesesüsteemi orbiitidel on palju väiksem ekstsentrilisus, mis muudab need peaaegu ringikujuliseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Milankovitši tsükkel?

Küsimus: Mitu kliimatsüklit Maal on põhjustatud Milankovitši tsüklitest?

K: Kes ennustas, et Maa orbiidi ekstsentrilisuse, telje kallakuse ja pretsessiooni muutused põhjustavad kliima muutusi Maal?

K: Millal esitati esimest korda astronoomilised teooriad Milankovići tsüklite kohta?

K: Mis oli Milankovitši tsüklitega seotud küsimus kuni 1976. aastani?

K: Millal lahendati tõendid Milankovitši tsüklite kohta Maa kliimamustrites?

K: Kas Milankovitši tsüklite uurimisel käib ikka veel aktiivne uurimistöö?

Otsing