Milankovitch (orbitális) ciklusok és szerepük a Föld éghajlatában

Szerző: Alan Buis,
NASA Jet Propulsion Laboratory

Életünk szó szerint ciklusok körül forog: események sorozata, amelyek rendszeresen ismétlődnek ugyanabban a sorrendben. Több száz különböző típusú ciklus létezik a világunkban és az univerzumban. Néhány természetes, mint például az évszakok változása, az állatok éves vándorlása vagy a cirkadián ritmus, amely alvási szokásainkat szabályozza. Mások ember által termeltek, mint például a növények termesztése és betakarítása, a zenei ritmusok vagy a gazdasági ciklusok.

A ciklusok kulcsszerepet játszanak a Föld rövid távú időjárásában és hosszú távú éghajlatában is. Egy évszázaddal ezelőtt Milutin Milankovitch szerb tudós azt feltételezte, hogy a Föld Naphoz viszonyított helyzetében bekövetkező változások hosszú távú, kollektív hatásai a Föld hosszú távú éghajlatának erős mozgatórugói, és felelősek az eljegesedési időszakok (jégkorszakok) kezdetéért és végéért.

Pontosabban megvizsgálta, hogy a Föld körüli mozgások három típusának változásai hogyan befolyásolják, hogy mennyi napsugárzás (más néven insoláció) éri el a Föld légkörének tetejét, valamint hol éri el az insoláció. Ezek a ciklikus pályamozgások, amelyek Milankovitch-ciklusok néven váltak ismertté, akár 25% -os változásokat okoznak a bejövő insoláció mennyiségében a Föld középső szélességein (bolygónk körülbelül 30 és 60 fok között helyezkednek el az egyenlítőtől északra és délre).

A Milankovitch-ciklusok a következők:

1. A Föld pályájának alakja, excentricitáskéntismert;
2. A Föld tengelyének szöge a Föld keringési síkjához képest ferde;és
3. A Föld forgástengelyének iránya hegyes, precessziónak

Vessünk egy pillantást mindegyikre (további olvasmányok arról, hogy a Milankovitch-ciklusok miért nem magyarázhatják meg a Föld jelenlegi felmelegedését).

Forrás: NASA/JPL-Caltech

Excentricitás – A Föld éves zarándoklata a Nap körül nem tökéletesen körkörös, de elég közel van. Idővel a Naprendszerünk két legnagyobb gázóriás bolygója, a Jupiter és a Szaturnusz gravitációs vonzása miatt a Föld pályájának alakja majdnem kör alakútól enyhén elliptikusig változik. Az excentricitás azt méri, hogy a Föld pályájának alakja mennyire tér el a tökéletes körtől. Ezek a változások befolyásolják a Föld és a Nap közötti távolságot.

Az excentricitás az oka annak, hogy évszakaink kissé eltérő hosszúságúak, az északi féltekén a nyár jelenleg körülbelül 4,5 nappal hosszabb, mint a tél, és a tavasz körülbelül három nappal hosszabb, mint az ősz. Ahogy az excentricitás csökken, az évszakok hossza fokozatosan kiegyenlítődik.

A Föld Naphoz való legközelebbi megközelítése (perihélium) közötti távolság különbsége, amely minden év január 3-án vagy annak környékén következik be, és a Naptól való legtávolabbi távozása (aphelion néven ismert) július 4-én vagy akörül, jelenleg körülbelül 5,1 millió kilométer (kb. 3,2 millió mérföld), ami 3,4 százalékos eltérést jelent. Ez azt jelenti, hogy minden januárban körülbelül 6,8 százalékkal több bejövő napsugárzás éri el a Földet, mint júliusban.

Amikor a Föld pályája a legelliptikusabb, körülbelül 23 százalékkal több bejövő napsugárzás éri el a Földet bolygónk Naphoz legközelebbi megközelítésénél évente, mint a Naptól való legtávolabbi távozásakor. Jelenleg a Föld excentricitása nagyon lassan csökken, és megközelíti a legkevésbé elliptikus (legkörkörösebb) ciklusát, egy körülbelül 100 000 éves ciklusban.

A globális éves insoláció teljes változása az excentricitási ciklus miatt nagyon kicsi. Mivel a Föld excentricitása meglehetősen kicsi, viszonylag kis tényező az éves szezonális éghajlati változásokban.

Forrás: NASA/JPL-Caltech

Ferdeség – A Föld forgástengelyének szögét ferdeségnek nevezik, amikor a Nap körül halad. A ferdeség az, amiért a Földnek évszakai vannak. Az elmúlt egymillió évben 22,1 és 24,5 fok között változott a Föld keringési síkjához képest. Minél nagyobb a Föld tengelydőlésszöge, annál szélsőségesebbek az évszakaink, mivel minden félteke több napsugárzást kap nyáron, amikor a félteke a Nap felé dől, és kevesebbet télen, amikor elfordul. A nagyobb dőlésszögek kedveznek a jégtelenedési időszakoknak (a gleccserek és jégtakarók olvadása és visszahúzódása). Ezek a hatások globálisan nem egységesek – a magasabb szélességi körök nagyobb változást kapnak a teljes napsugárzásban, mint az egyenlítőhöz közelebb eső területek.

A Föld tengelye jelenleg 23,4 fokkal dől, vagyis körülbelül félúton a szélsőségek között, és ez a szög nagyon lassan csökken egy körülbelül 41 000 éves ciklusban. Utoljára körülbelül 10 000 évvel ezelőtt volt a maximális dőlésszöge, és körülbelül 10 000 év múlva éri el a minimális dőlését. Ahogy a ferdeség csökken, fokozatosan segít az évszakok enyhébbé tételében, ami egyre melegebb teleket és hűvösebb nyarakat eredményez, amelyek fokozatosan, idővel lehetővé teszik, hogy a magas szélességi fokokon lévő hó és jég nagy jégtáblákká alakuljon. Ahogy a jégtakaró növekszik, a Nap energiájának nagyobb részét veri vissza az űrbe, elősegítve a további hűtést.

Forrás: NASA/JPL-Caltech

Precesszió – Ahogy a Föld forog, kissé ingadozik a forgástengelyén, mint egy kissé középen elrugaszkodott forgó játékfelső. Ez az ingadozás a Nap és a Hold gravitációs hatásai által okozott árapály-erőknek köszönhető, amelyek miatt a Föld az egyenlítőnél kidudorodik, ami befolyásolja annak forgását. Ennek a hullámzásnak a tendenciáját a csillagok rögzített helyzetéhez viszonyítva axiális precessziónak nevezik. Az axiális precesszió ciklusa körülbelül 25 771,5 évet ölel fel.

Az axiális precesszió az évszakos kontrasztokat szélsőségesebbé teszi az egyik féltekén, és kevésbé szélsőségessé a másikon. Jelenleg a perihélium télen fordul elő az északi féltekén és nyáron a déli féltekén. Ez forróbbá teszi a déli félteke nyarait, és mérsékli az északi félteke szezonális változásait. De körülbelül 13 000 év múlva az axiális precesszió miatt ezek a körülmények megfordulnak, az északi féltekén több szélsőséget tapasztalnak a napsugárzásban, a déli féltekén pedig mérsékeltebb szezonális ingadozásokat.

A precesszió befolyásolja az évszakok időzítését a Föld legközelebbi/legtávolabbi pontjaihoz viszonyítva a Nap körül. A modern naptárrendszer azonban az évszakokhoz kötődik, így például az északi féltekén a tél soha nem fordul elő júliusban. Ma a Föld északi csillagai a Polaris és a Polaris Australis, de néhány ezer évvel ezelőtt Kochab és Pherkad voltak.

Van apsidális precesszió is. Nemcsak a Föld inog a forgástengelyén, hanem a Föld teljes keringési ellipszise – vagyis az ovális alakú pálya, amelyet a Föld a Nap körüli pályáján követ – is szabálytalanul ingadozik, elsősorban a Jupiterrel és a Szaturnusszal való kölcsönhatása miatt. Az apsidális precesszió ciklusa körülbelül 112 000 évet ölel fel. Az apsidális precesszió megváltoztatja a Föld pályájának orientációját az ekliptikus síkhoz képest.

Az axiális és apsidális precesszió együttes hatása átlagosan mintegy 23 000 éves teljes precessziós ciklust eredményez.

Egy klíma időgép

A Milankovitch-ciklusok által elindított kis változások külön-külön és együtt is működnek, hogy nagyon hosszú időn keresztül befolyásolják a Föld éghajlatát, ami több tízezer vagy százezer év alatt nagyobb változásokhoz vezet éghajlatunkban. Milankovitch kombinálta a ciklusokat, hogy átfogó matematikai modellt hozzon létre a napsugárzás különbségeinek kiszámításához a Föld különböző szélességein a megfelelő felszíni hőmérsékletekkel együtt. A modell olyan, mint egy éghajlati időgép: előre és hátra futtatható, hogy megvizsgálja a múltbeli és jövőbeli éghajlati viszonyokat.

Milankovitch feltételezte, hogy a sugárzás változásai bizonyos szélességi fokokon és bizonyos évszakokban fontosabbak, mint mások a jégtakarók növekedése és visszahúzódása szempontjából. Ezenkívül úgy vélte, hogy a ferdeség az éghajlat három ciklusa közül a legfontosabb, mivel nyáron befolyásolja a Föld északi magas szélességi régióiban a napsugárzás mennyiségét (a precesszió és a ferdeség relatív szerepe még mindig tudományos tanulmány kérdése).

Kiszámította, hogy a jégkorszakok körülbelül 41 000 évente fordulnak elő. A későbbi kutatások megerősítik, hogy 41 000 éves időközönként egy és hárommillió évvel ezelőtt fordultak elő. De körülbelül 800 000 évvel ezelőtt a jégkorszakok ciklusa 100 000 évre nyúlt, ami megfelel a Föld excentricitási ciklusának. Bár különböző elméleteket javasoltak ennek az átmenetnek a magyarázatára, a tudósoknak még nincs egyértelmű válaszuk.

Milankovitch munkáját korának más kutatói is támogatták, és számos publikációt írt hipotéziséről. De csak körülbelül 10 évvel az 1958-ban bekövetkezett halála után kezdte a globális tudományos közösség komolyan felfigyelni elméletére. 1976-ban Hays és munkatársai a Science folyóiratban mélytengeri üledékmagokat használva tanulmányban megállapították, hogy a Milankovitch-ciklusok megfelelnek az elmúlt 450 000 év jelentős éghajlatváltozási időszakainak, a jégkorszakok akkor következtek be, amikor a Föld különböző pályaváltozási szakaszokon ment keresztül.

Számos más projekt és tanulmány is megerősítette Milankovitch munkájának érvényességét, beleértve a grönlandi és antarktiszi jégmagok adatait felhasználó kutatásokat, amelyek erős bizonyítékot szolgáltattak a Milankovitch-ciklusokra több százezer évre visszamenőleg. Emellett munkáját az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiájának Nemzeti Kutatási Tanácsa is felkarolta.

Folyamatban van a tudományos kutatás annak érdekében, hogy jobban megértsük azokat a mechanizmusokat, amelyek változásokat okoznak a Föld forgásában, és hogy a Milankovitch-ciklusok hogyan befolyásolják az éghajlatot. De az elmélet, hogy ezek határozzák meg a jég-interglaciális ciklusok időzítését, jól elfogadott.

( ENDRE POSZTAJÁNLATA )