Milankovičove cykly: definícia a vplyv na dlhodobú zmenu klímy

Milankovičove cykly: vysvetlenie excentricity, precesie a sklonu osi a ich vplyv na dlhodobé zmeny klímy. Historický výskum a dôkazy z hlbokomorských jadier.

Milankovičove cykly sú malé, pomalé, ale pravidelné zmeny obežnej dráhy Zeme okolo Slnka a sklonu zemskej osi. Tieto zmeny sú dôsledkom gravitačných pôsobení ostatných planét v slnečnej sústave a prebiehajú v časových mierkach desiatok až stoviek tisíc rokov.

Dynamika je zložitá. Zmeny ovplyvňujú "oslnenie" (množstvo slnečného svetla dopadajúceho na rôzne časti Zeme), teda nielen celkové množstvo energie získanej od Slnka, ale hlavne jej ročné a zemepisné rozdelenie. To vedie k cyklickým zmenám klímy na Zemi, pozorovateľným približne v periódach ~21 000, ~41 000, ~100 000 a ~400 000 rokov. Celá táto oblasť je stále predmetom aktívneho výskumu.

Základné komponenty Milankovičových cyklov

Milanković pomocou aplikovanej matematiky predpovedal, že tri hlavné parametre orbity a orientácie Zeme vedú k periodickým zmenám oslnenia:

• Excentricita (rozdiel medzi kruhovosťou a eliptickosťou dráhy) mení vzdialenosť Zeme od Slnka a moduláciu ostatných efektov. Má typické periódické zložky okolo 100 000 a 400 000 rokov. (excentricity)
• Sklon osi (obliquita) mení veľkosť ročných rozdielov medzi ročným obdobím; jej periody sú okolo 41 000 rokov. (sklonu osi)
• Precesia (točenie osi rotácie podobné krútiacemu sa gyroskopu) mení, v ktorom okamihu roka sa určité časti Zeme smerujú k Slnku, s charakteristickou periódou približne ~21 000 rokov. (precesie)

Ako tieto zmeny ovplyvňujú klímu

Zmeny týchto parametrov menia hlavne sezónne a zemepisné rozloženie slnečnej energie — napríklad množstvo letného oslnenia na vysokých severných zemepisných šírkach. Dôležitým mechanizmom je, že menej teplé letá v týchto oblastiach umožňujú nárast snehovej pokrývky a ľadových čiap, čím sa zvyšuje odrazivosť povrchu (albedo) a dochádza k ďalšiemu ochladzovaniu. Tieto spätné väzby (albedo, zmeny koncentrácie skleníkových plynov, cirkulácia oceánov a pod.) môžu výrazne zosilniť pôvodné malé orbitalné signály a viesť ku glaciálnym a interglaciálnym cyklom.

Dôkazy z paleoklímových záznamov

Teória dlho čakala na priame dátové overenie. Spor sa výrazne posunul po analýze hlbokomorských jadier a izotopových záznamov, ktoré ukázali opakované cykly v klíme zodpovedajúce Milankovičovým periódám. Významnú syntézu ukázali Hays, Imbrie a Shackleton v článku v časopise Science v roku 1976, kde preukázali súlad medzi orbitálnymi výkyvmi a paleoklimatickými záznamami (najmä δ18O z morských sedimentov). Neskôr doplnili dôkazy ľadové vrty a ďalšie sedimentárne záznamy, ktoré prepojili zmeny teploty a koncentrácie CO2 s obdobiami glaciácií.

Obmedzenia a otvorené otázky

Milankovičova teória nehovorí, že orbitálne zmeny jediným spôsobom riadia klímu bez ďalších faktorov. Existujú problémy a nuance, napríklad tzv. "100 000‑ročný problém": klimatické rekordy posledného milióna rokov silno vykazujú ~100 000‑ročný cyklus, hoci priama energetická síla excentricity je relatívne malá. Vysvetlenia zahŕňajú nelineárne reakcie klimatu, prahové efekty, vnútornú dynamiku ľadových štítov, a interakcie s CO2 a albedom. Taktiež precesia a obliquita často spoločne pôsobia a vzájomne sa modulujú.

Význam dnes

Orbitálne cykly sú dôležité pre pochopenie prirodzených dlhodobých zmien klímy a pre interpretáciu geologických a paleoklimatických dát. Avšak ich časové škály (tisíce až stovky tisíc rokov) sú úplne odlišné od rýchlych zmien spôsobených súčasným nárastom skleníkových plynov z ľudskej činnosti. Dnešné antropogénne otepľovanie nemôžu vysvetliť Milankovičove cykly — funguje tu iný, oveľa rýchlejší režim forcovania.

Naďalej prebieha aktívny výskum, ktorý kombinuje astronomické výpočty, klimatické modelovanie a nové paleoklimatické záznamy, aby sa lepšie pochopili mechanizmy, ktoré premenili malé orbitálne signály na veľké klimatické zmeny v minulosti.

Cykly

Tvar obežnej dráhy (excentricita)

Obežná dráha Zeme je elipsa. Excentricita je mierou odchýlky tejto elipsy od kruhovitosti. Tvar obežnej dráhy Zeme sa v čase mení medzi takmer kruhovou a mierne eliptickou dráhou.

Axiálny sklon (šikmosť)

Uhol sklonu osi Zeme sa mení vzhľadom na rovinu ekliptiky, pretože poruchy spôsobené inými planétami posúvajú dráhu Zeme.

Keď sa šikmosť zväčšuje, letá na oboch pologuliach dostávajú od Slnka viac tepla a svetla a zimy menej. Naopak, keď sa šikmosť zmenšuje, letá dostávajú menej slnečného svetla a zimy viac. Tieto pomalé zmeny šikmosti o 2,4° sú približne periodické. Trvá približne 41 000 rokov, kým sa zmení sklon medzi 22,1° a 24,5° a späť.

Axiálna precesia

Precesia je kolísanie zemskej osi. Tento gyroskopický pohyb je spôsobený slapovými silami, ktorými Slnko a Mesiac pôsobia na pevnú Zem, ktorá má skôr tvar oblého sféroidu ako gule. Slnko a Mesiac sa na tomto efekte podieľajú približne rovnakým dielom. Jeho perióda je približne 26 000 rokov.

Keď os smeruje k Slnku, na jednej polárnej pologuli sú väčšie rozdiely medzi ročnými obdobiami, zatiaľ čo na druhej sú obdobia miernejšie. Pologuľa, ktorá je v lete v periheliu, dostáva veľkú časť zodpovedajúceho zvýšenia slnečného žiarenia, ale tá istá pologuľa v zime v aféliu má chladnejšiu zimu. Druhá pologuľa bude mať relatívne teplejšiu zimu a chladnejšie leto.

Apsidálna precesia

Planéty obiehajúce okolo Slnka sa pohybujú po eliptických (oválnych) dráhach, ktoré sa v priebehu času postupne otáčajú (apsidálna precesia).

Okrem toho sa samotná elipsa obežnej dráhy v priestore precesuje, predovšetkým v dôsledku interakcií s Jupiterom a Saturnom. To skracuje periódu precesie rovnodenností z 25 771,5 na ~21 636 rokov.

Sklon obežnej dráhy

Sklon obežnej dráhy Zeme sa pohybuje nahor a nadol vzhľadom na jej súčasnú obežnú dráhu v cykle s periódou približne 70 000 rokov. Milankovitch tento trojrozmerný pohyb neskúmal. Tento pohyb je známy ako "precesia ekliptiky" alebo "planetárna precesia".

Vedci si všimli tento posun a tiež to, že sa obežná dráha pohybuje vzhľadom na dráhy ostatných planét. Nemenná rovina, rovina, ktorá predstavuje uhlový moment hybnosti Slnečnej sústavy, je približne rovina dráhy Jupitera. Sklon zemskej dráhy má voči nemennej rovine 100 000-ročný cyklus. Je to veľmi podobné 100 000-ročnej perióde excentricity. Tento 100 000-ročný cyklus sa presne zhoduje so 100 000-ročným modelom ľadových dôb.

Predpokladá sa, že v rovine existuje disk prachu a iných úlomkov, ktorý ovplyvňuje klímu Zeme. Zem sa pohybuje cez túto rovinu okolo 9. januára a 9. júla, keď sa zvyšuje počet radarom zistených meteorov a nočných oblakov súvisiacich s meteormi.

Štúdia antarktického ľadového jadra, v ktorej sa použil pomer kyslíka a dusíka vo vzduchových bublinách zachytených v ľade, dospela k záveru, že klimatická reakcia zdokumentovaná v ľadových jadrách bola spôsobená oslnením severnej pologule, ako to navrhuje Milankovitchova hypotéza. Ide o ďalšie potvrdenie Milankovitchovej hypotézy relatívne novou metódou. Nie je v súlade s teóriou "sklonu" 100 000-ročného cyklu.

Vplyv apsidálnej precesie na ročné obdobia


Zobrazenie apsidálnej precesie. Väčšina dráh v slnečnej sústave má oveľa menšiu excentricitu, takže sú takmer kruhové.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to Milankovičov cyklus?

Otázka: Koľko klimatických cyklov na Zemi spôsobujú Milankovičove cykly?

Otázka: Kto predpovedal, že zmeny excentricity, osového sklonu a precesie zemskej dráhy spôsobujú klimatické zákonitosti na Zemi?

Otázka: Kedy sa prvýkrát objavili astronomické teórie o Milankovičových cykloch?

Otázka: V čom spočíval problém Milankovichových cyklov do roku 1976?

Otázka: Kedy boli vyriešené dôkazy o Milankovichových cykloch v klimatických vzoroch na Zemi?

Otázka: Je oblasť Milankovičových cyklov stále predmetom aktívneho výskumu?

Hľadajte podľa písmena