Milankovičiaus ciklai, ašies posvyrio kaita ir orbitų ekscentricitetai, veikiantys ilgalaikius klimato svyravimus
Orbitinės klimato sistemos pagrindai
Trumpalaikį orą nulemia vietiniai atmosferos procesai, o ilgalaikis klimatas susiformuoja dėl platesnių veiksnių, tarp jų ir Saulės spinduliuotės intensyvumo, šiltnamio dujų koncentracijų bei orbitinės geometrijos. Žemei net nedideli orbitos ir orientacijos pokyčiai gali perskirstyti įeinančią Saulės spinduliuotę tarp platumų ir sezonų, taip stipriai veikdami ledynmečių–tarpledynmečių kaitą. Milankovičiaus teorija, pavadinta pagal serbų matematiką Milutiną Milankovičių, apibrėžia, kaip ekscentricitetas, ašies posvyris (obliškumas) bei precesija kartu modifikuoja insoliacijos (Saulės apšvietimo) pasiskirstymą per keliasdešimt tūkstančių iki kelių šimtų tūkstančių metų.
Ši sąvoka aktuali ne tik Žemei. Kitos planetos ir palydovai taip pat išgyvena klimato ciklus, tačiau jų pobūdis priklauso nuo vietinių orbitinių rezonansų, ašies posvyrio ar masyvių kaimyninių planetų. Daugiausiai duomenų turime apie Žemę, nes čia išsamiai išanalizuoti geologiniai ir paleoklimatiniai įrašai. Toliau aptariame esminius orbitinius parametrus, lemiančius šiuos ciklus, ir įrodymus, siejančius juos su istoriniais klimato svyravimais.
2. Žemės orbitiniai parametrai ir Milankovičiaus ciklai
2.1 Ekscentricitetas (100 000 metų ciklas)
Ekscentricitetas nusako, kiek Žemės orbita yra elipsinė. Esant didesniam ekscentricitetui, perihelyje (artimiausiame taške Saulei) ir afelyje (tolimiausiame taške) atstumas labiau skiriasi. Kai ekscentricitetas artimas nuliui, orbita yra beveik apskritiminė, ir šis skirtumas sumažėja. Pagrindiniai aspektai:
- Ciklo trukmė: Žemės ekscentricitetas kinta daugiausia ~100 000 ir ~400 000 metų periodais, nors yra ir papildomų subciklų.
- Klimato reikšmė: Ekscentricitetas moduliuoja precesijos (žr. toliau) amplitudę bei kiek keičia vidutinį metinį atstumą nuo Saulės, nors vien jis turi santykinai mažesnį poveikį insoliuotumui nei ašies posvyrio pokyčiai. Tačiau kartu su precesija ekscentricitetas gali sustiprinti arba susilpninti sezoninius skirtumus skirtinguose pusrutuliuose [1], [2].
2.2 Ašies posvyris (obliškumas, ~41 000 metų ciklas)
Obliškumas – tai Žemės sukimosi ašies posvyris ekliptikos atžvilgiu. Šiuo metu jis yra ~23,44°, bet per ~41 000 metų kinta nuo ~22,1° iki ~24,5°. Obliškumas smarkiai veikia platuminį Saulės spinduliuotės pasiskirstymą:
- Didesnis posvyris: Poliarinės sritys vasarą gauna daugiau Saulės spinduliuotės, didėja sezonų kontrastai. Daugiau vasaros saulės poliariniuose regionuose gali skatinti ledo tirpsmą, stabdant ledo sluoksnių augimą.
- Mažesnis posvyris: Poliai vasarą gauna mažiau šilumos, todėl žiemos metu susidaręs ledas gali išlikti ir kitąmet, sudarydamas sąlygas ledynų plėtrai.
Todėl obliškumo ciklai ypač siejami su ašigalių lediniais procesais, kaip rodo Pleistoceno ledynmečių duomenys iš ledo branduolių ir vandenyno nuosėdų.
2.3 Precesija (~19 000–23 000 metų ciklai)
Precesija – tai Žemės sukimosi ašies svyravimas („besisukančios vilkelės“ efektas) ir orbitos perihelio santykinė padėtis sezonų atžvilgiu. Yra dvi pagrindinės sudedamosios, sukuriančios ~23 000 metų ciklą:
- Ašinė precesija: Žemės sukimosi ašis lėtai brėžia kūgio formos trajektoriją (kaip vilkelis).
- Apsidžių precesija: Žemės elipsinės orbitos padėties kitimas Saulės atžvilgiu.
Jei perihelis sutampa, tarkime, su Šiaurinio pusrutulio vasara, šis pusrutulis patiria ryškesnes vasaras. Toks išsidėstymas kinta per ~21–23 tūkst. metų, taip pakeisdamas, kuriame sezone kuris pusrutulis „sutiks“ perihelį. Poveikis labiausiai juntamas, jei ekscentricitetas didesnis – tuomet sezoniškumas tarp pusrutulių labiau skiriasi [3], [4].
3. Milankovičiaus ciklų ir ledynmečių-tarpledynmečių sąsaja
3.1 Pleistoceno ledynmečiai
Per pastaruosius ~2,6 mln. metų (Kvartero periodas) Žemės klimatas svyravo tarp ledynmečių ir tarpledynmečių. Pastaruosius ~800 tūkst. metų šie svyravimai įvyko kas ~100 000 metų, o ankstesnėje Pleistoceno dalyje dominavo ~41 000 metų periodas. Jūros dugno nuosėdų ir ledo gręžinių tyrimai rodo dėsningumus, sutampančius su Milankovičiaus dažniais:
- Ekscentricitetas: ~100 tūkst. metų ciklas atitinka ryškiausią ledynėjimų modelį pastaruosiuose cikluose.
- Obliškumas: ~41 tūkst. metų ciklas dominavo ankstyvajame Pleistocene.
- Precesija: ~23 tūkst. metų signalai akivaizdūs musoninėse srityse ir kai kuriuose paleoklimatiniuose rodikliuose.
Nors mechanizmas yra sudėtingas (apimantis šiltnamio dujų, vandenynų cirkuliacijos ir ledyno albedinio grįžtamųjų ryšių poveikį), orbitos nulemtas insoliuotumo kitimas yra pagrindinė jėga, lemianti Žemės ledo tūrio cikliškumą. Tai, kad paskutiniu metu vyrauja 100 tūkst. metų ciklas, išlieka ne iki galo paaiškinta paslaptis („100 tūkst. metų problema“), nes vien ekscentriciteto poveikis nėra labai didelis. Tikėtina, kad stiprų poveikį daro ledo sluoksnių, CO2 ir vandenyno procesų teigiami grįžtamieji ryšiai [5], [6].
3.2 Regioniniai atsakai (pvz., musonai)
Precesija lemia, kaip sezoniškai pasiskirsto Saulės spinduliuotė, todėl smarkiai veikia musonų intensyvumą. Pavyzdžiui, sustiprėjęs Šiaurinio pusrutulio vasaros insoliuotumas stiprina Afrikos ir Indijos musonus, galintis sukelti „žaliąją Sacharą“ vidurinėje holoceno epochoje. Ežerų lygiai, žiedadulkių įrašai ir urvų nuosėdų duomenys patvirtina tokius orbitinius musonų pokyčius.
4. Kitos planetos ir orbitiniai kitimai
4.1 Marsas
Marso ašies posvyris kinta dar labiau (iki ~60° per milijonus metų), nes jį stabilizuojančio masyvaus palydovo nėra. Tai drastiškai keičia poliarinį insoliuotumą, galbūt lemiant vandens garų persiskirstymą atmosferoje ar ledo migraciją tarp platumų. Manoma, kad praeityje Marse šie ciklai galėjo trumpam sukurti skystą vandenį. Marso obliškumo tyrimai leidžia aiškinti poliarinių sluoksniuotų nuosėdų kilmę.
4.2 Dujiniai milžinai ir rezonansai
Dujinių milžinių klimatas menkiau priklauso nuo Saulės insoliuotumo, tačiau jų orbitų ekscentricitetas ir ašies orientacija vis vien šiek tiek kinta. Be to, tarpusavio rezonansai tarp Jupiterio, Saturno, Urano ir Neptūno keičia jų kampinį momentą ir ilgainiui gali sukelti nedidelius orbitų pokyčius, netiesiogiai paveikdami mažesnius kūnus ar žiedų sistemas. Nors tokie reiškiniai retai vadinami „Milankovičiaus ciklais“, principas, jog orbitinės variacijos keičia apšvietimą ar žiedų šešėliavimą, iš esmės galioja.
5. Geologiniai įrodymai apie orbitinius ciklus
5.1 Nuosėdų sluoksniavimasis ir cikliškumas
Jūrinių nuosėdų gręžiniuose dažnai matyti periodiški izotopiniai pokyčiai (δ18O – ledynų tūrio ir temperatūros indikatorius), mikrofosilijų gausumas ar nuosėdų spalvų kaita, sutampanti su Milankovičiaus periodiškumu. Pavyzdžiui, klasikinis Hayso, Imbrie ir Šaklėtono (Hays, Imbrie, Shackleton, 1976) tyrimas jūrinių deguonies izotopų duomenis susiejo su Žemės orbitaliniais kitimais, stipriai patvirtindamas Milankovičiaus teoriją.
5.2 Speleotemų ir ežerų įrašai
Žemyniniuose regionuose urvų stalagmitai (speleotemos) kaupia kritulių ir temperatūros informaciją su net tūkstančio metų raiška, dažnai liudijančią precesijos sukeltus musonų pokyčius. Ežerų metiniai sluoksniai (varvos) taip pat gali atspindėti ilgesnės trukmės drėgmės ir sausros ciklus, siejamus su orbitiniu priverstiniu klimato kitimu. Šie duomenys patvirtina periodinius svyravimus atitinkančius orbitinį poveikį.
5.3 Ledo gręžiniai
Poliariniai ledo gręžiniai (Grenlandijoje, Antarktidoje), aprėpiantys ~800 tūkst. metų (o gal ateityje – iki ~1,5 mln. metų), rodo ledynmečių–tarpledynmečių pokyčius ~100 tūkst. metų ciklu naujausioje istorijoje, su įsiterpiančiais 41 tūkst. ir 23 tūkst. metų signalais. Įšalęs oro burbulų CO2 kiekis puikiai atskleidžia atmosferos dujų ir orbitų sąveiką. Šių duomenų koreliacija tarp temperatūros, šiltnamio dujų bei orbitinių ciklų pabrėžia, kaip šios jėgos veikia viena kitą.
6. Ateities klimato projekcijos ir Milankovičiaus tendencijos
6.1 Kitas ledynmetis?
Jei nebūtų žmogaus įtakos, galima tikėtis, kad per dešimtis tūkstančių metų Žemė vėl priartėtų prie naujo ledynmečio pagal ~100 tūkst. metų ciklą. Tačiau antropogeniniai CO2 išmetimai ir šiltnamio efektas gali šį perėjimą pastebimai atitolinti ar net panaikinti. Kai kurie tyrimai rodo, kad išlaikius aukštą CO2 lygį atmosferoje, kitą natūralaus ledynmečio pradžią galima nukelti dešimtims tūkstančių metų.
6.2 Ilgalaikė Saulės raida
Per šimtus milijonų metų Saulės šviesis lėtai didėja. Galiausiai šis veiksnys pranoks orbitinių ciklų įtaką gyvybingumui. Maždaug po ~1–2 mlrd. metų Saulės spinduliuotė gali sukelti nekontroliuojamą šiltnamio efektą, užgoždama Milankovičiaus ciklų moduliuojamą klimatą. Vis dėlto artimiausiais geologiniais laikotarpiais (tūkstančiai–šimtai tūkstančių metų) orbitiniai ciklai išliks svarbūs Žemės klimatui.
7. Platesnė reikšmė ir svarba
7.1 Žemės sistemos sąveikos
Vien orbitos priverstiniai pokyčiai, nors esminiai, dažnai persipina su sudėtingais grįžtamaisiais ryšiais: ledo–albedo, šiltnamio dujų mainų su vandenynais ir biosfera, vandenynų cirkuliacijos pokyčių ir kt. Ši sudėtinga sąveika gali sukelti slenksčius, staigius pokyčius ar pereinamuosius epizodus, kurių paprastai nepaaiškina vien Milankovičiaus ciklas. Tai rodo, kad orbitų variacijos veikia kaip „tempas“, bet ne vienintelė klimato būsenos priežastis.
7.2 Egzoplanetų analogijos
Ašies posvyrio, ekscentriciteto ir galimų rezonansų poveikis aktualus ir egzoplanetoms. Kai kurios egzoplanetos gali patirti kraštutinius ašies posvyrio pokyčius, jeigu jos neturi didelio palydovo stabilumui užtikrinti. Suvokimas, kaip posvyris ar ekscentricitetas veikia klimatą, padeda tyrinėti egzoplanetų tinkamumą gyvybei, susiejant orbitinę mechaniką su galimybe išlaikyti skystą vandenį ar stabilų klimatą.
7.3 Žmonių supratimas ir prisitaikymas
Žinios apie orbitinius ciklus padeda interpretuoti praeities aplinkos pokyčius ir numatyti būsimus natūralius ciklus. Nors artimiausiu metu žmogaus sukeltas klimato šilimas bus ryškesnis, suvokti natūralias ciklines tendencijas – labai svarbu, kad geriau suprastume Žemės klimato evoliuciją dešimčių ar šimtų tūkstančių metų laikotarpiais, toli pranokstančiais dabartinės civilizacijos amžių.
8. Išvada
Planetų klimato ciklus (ypač Žemės atveju) labiausiai lemia orbitos ekscentriciteto, ašies posvyrio ir precesijos kitimai, dar vadinami Milankovičiaus ciklais. Šie lėti ir nuspėjami pokyčiai formuoja insoliuotumo pasiskirstymą platumose bei sezonuose, valdydami ledynų–tarpledynmečių kaitą Kvartere. Nors ledynų sluoksnio, šiltnamio dujų ir vandenyno cirkuliacijos grįžtamieji ryšiai apsunkina tiesioginį priežasties–pasekmės ryšį, orbitinė „ritmika“ išlieka pamatiniu ilgalaikio klimato veiksniu.
Žvelgiant iš Žemės perspektyvos, šie ciklai smarkiai paveikė Pleistoceno ledynmečių istoriją. Kitoms planetoms rezonansiniai ašies pokyčiai ar ekscentricitetai taip pat gali daryti įtaką klimato sąlygoms. Orbitinių pokyčių supratimas nepaprastai svarbus norint iššifruoti Žemės praeities klimato įrašus, prognozuoti galimus būsimus gamtinius klimato etapus ir įvertinti, kaip planetų orbitos bei sukimosi ašys kuria kosminį šokį, lemiantį klimato evoliuciją mastu, gerokai viršijančiu žmogaus gyvenimo trukmę.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Milankovitch, M. (1941). Canon of Insolation and the Ice-Age Problem. K. G. Saur.
- Hays, J. D., Imbrie, J., & Shackleton, N. J. (1976). “Variations in the Earth’s orbit: Pacemaker of the ice ages.” Science, 194, 1121–1132.
- Berger, A. (1988). “Milankovitch theory and climate.” Reviews of Geophysics, 26, 624–657.
- Imbrie, J., & Imbrie, J. Z. (1980). “Modeling the climatic response to orbital variations.” Science, 207, 943–953.
- Laskar, J. (1990). “The chaotic motion of the solar system: A numerical estimate of the size of the chaotic zones.” Icarus, 88, 266–291.
- Raymo, M. E., & Huybers, P. (2008). “Unlocking the mysteries of the ice ages.” Nature, 451, 284–285.