Циклы Миланковича описывают коллективные эффекты изменений в движениях Земли на ее климат на протяжении тысяч лет. Термин был придуман и назван в честь сербского геофизика и астронома Милутина Миланковича . В 1920-х годах он выдвинул гипотезу, что изменения эксцентриситета , наклона оси и прецессии в совокупности приводят к циклическим изменениям в годовом и широтном распределении солнечной радиации на поверхности Земли, и что это орбитальное воздействие сильно влияет на климатические модели Земли. [1] [2]
Вращение Земли вокруг своей оси и обращение вокруг Солнца со временем эволюционируют из-за гравитационного взаимодействия с другими телами в Солнечной системе . Изменения сложны, но несколько циклов являются доминирующими. [3]
Орбита Земли варьируется от почти круговой до слегка эллиптической (ее эксцентриситет меняется). Когда орбита более вытянута, существует больше различий в расстоянии между Землей и Солнцем, а также в количестве солнечной радиации в разное время года. Кроме того, вращательный наклон Земли (ее наклон ) немного изменяется. Больший наклон делает времена года более экстремальными. Наконец, направление в неподвижных звездах, на которые указывает ось Земли, изменяется ( осевая прецессия ), в то время как эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца вращается ( апсидальная прецессия ). Совместный эффект прецессии с эксцентриситетом заключается в том, что близость к Солнцу происходит в разные астрономические сезоны . [4]
Миланкович изучал изменения в этих движениях Земли, которые изменяют количество и местоположение солнечной радиации, достигающей Земли. Это известно как солнечное воздействие (пример радиационного воздействия ). Миланкович подчеркивал изменения, происходящие на 65° северной широты из-за большого количества суши на этой широте. Массивы суши изменяют температуру быстрее, чем океаны, из-за смешивания поверхностных и глубинных вод и того факта, что почва имеет меньшую объемную теплоемкость, чем вода. [5]
Орбита Земли приближается к эллипсу . Эксцентриситет измеряет отклонение этого эллипса от кругообразности. Форма орбиты Земли варьируется от почти круговой (теоретически эксцентриситет может достигать нуля) до слегка эллиптической (самый высокий эксцентриситет был 0,0679 за последние 250 миллионов лет). [6] Его геометрическое или логарифмическое среднее равно 0,0019. Основной компонент этих вариаций происходит с периодом 405 000 лет [7] (вариация эксцентриситета ±0,012). Другие компоненты имеют 95 000-летние и 124 000-летние циклы [7] (с периодом биений 400 000 лет). Они свободно объединяются в 100 000-летний цикл (вариация от −0,03 до +0,02). Текущий эксцентриситет составляет 0,0167 [7] и уменьшается.
Эксцентриситет меняется в основном из-за гравитационного притяжения Юпитера и Сатурна . Большая полуось орбитального эллипса, однако, остается неизменной; согласно теории возмущений , которая вычисляет эволюцию орбиты, большая полуось является инвариантной . Орбитальный период (длительность сидерического года ) также является инвариантным, поскольку согласно третьему закону Кеплера , он определяется большой полуосью. Более долгосрочные изменения вызваны взаимодействиями, включающими перигелии и узлы планет Меркурия, Венеры, Земли, Марса и Юпитера. [6]
Большая полуось является константой. Поэтому, когда орбита Земли становится более эксцентричной, малая полуось укорачивается. Это увеличивает величину сезонных изменений. [8]
Относительное увеличение солнечного излучения при самом близком приближении к Солнцу ( перигелий ) по сравнению с излучением на самом дальнем расстоянии ( афелий ) немного больше, чем четырехкратный эксцентриситет. Для текущего орбитального эксцентриситета Земли входящее солнечное излучение изменяется примерно на 6,8%, в то время как расстояние от Солнца в настоящее время изменяется всего на 3,4% (5,1 млн км или 3,2 млн миль или 0,034 а.е.). [9]
Перигелий в настоящее время происходит около 3 января, а афелий около 4 июля. Когда орбита находится в своей наибольшей эксцентричности, количество солнечной радиации в перигелии будет примерно на 23% больше, чем в афелии. Однако эксцентриситет Земли настолько мал (по крайней мере в настоящее время), что изменение солнечной радиации является незначительным фактором в сезонных изменениях климата , по сравнению с наклоном оси и даже по сравнению с относительной легкостью нагрева больших массивов суши северного полушария. [10]
Времена года — это квадранты орбиты Земли, отмеченные двумя солнцестояниями и двумя равноденствиями. Второй закон Кеплера гласит, что тело на орбите описывает равные площади за равные промежутки времени; его орбитальная скорость самая высокая около перигелия и самая низкая около афелия. Земля проводит меньше времени вблизи перигелия и больше времени вблизи афелия. Это означает, что продолжительность сезонов различается. [12] В настоящее время перигелий происходит около 3 января, поэтому большая скорость Земли сокращает зиму и осень в северном полушарии. Лето в северном полушарии на 4,66 дня длиннее зимы, а весна на 2,9 дня длиннее осени. [12] Больший эксцентриситет увеличивает вариацию орбитальной скорости Земли. Однако в настоящее время орбита Земли становится менее эксцентричной (более близкой к круговой). Это сделает времена года в ближайшем будущем более схожими по продолжительности. [12]
Угол наклона оси Земли по отношению к плоскости орбиты (наклон эклиптики ) изменяется от 22,1° до 24,5° в течение цикла продолжительностью около 41 000 лет. Текущий наклон составляет 23,44°, примерно посередине между его экстремальными значениями. Наклон в последний раз достиг своего максимума в 8 700 г. до н. э. , что коррелирует с началом голоцена, текущей геологической эпохи. Сейчас он находится в фазе убывания своего цикла и достигнет своего минимума около 11 800 г. н. э . [12] Увеличение наклона увеличивает амплитуду сезонного цикла инсоляции , обеспечивая больше солнечной радиации летом каждого полушария и меньше зимой. Однако эти эффекты не являются однородными повсюду на поверхности Земли. Увеличение наклона увеличивает общую годовую солнечную радиацию на более высоких широтах и уменьшает общую ближе к экватору. [12]
Текущая тенденция уменьшения наклона сама по себе будет способствовать более мягким сезонам (более теплым зимам и более холодным летам), а также общей тенденции к похолоданию. [12] Поскольку большая часть снега и льда планеты находится в высоких широтах, уменьшение наклона может способствовать окончанию межледникового периода и началу ледникового периода по двум причинам: 1) меньше общая летняя инсоляция и 2) меньше инсоляция в более высоких широтах (что приводит к таянию меньшего количества снега и льда предыдущей зимы). [12]
Прецессия оси — это тенденция в направлении оси вращения Земли относительно неподвижных звезд с периодом около 25 700 лет. Также известное как прецессия равноденствий, это движение означает, что в конечном итоге Полярная звезда больше не будет северной полярной звездой . Эта прецессия вызвана приливными силами, оказываемыми Солнцем и Луной на вращающуюся Землю; оба примерно в равной степени способствуют этому эффекту. [ необходима цитата ]
В настоящее время перигелий происходит летом в южном полушарии. Это означает, что солнечное излучение из-за наклона оси, наклоняющего южное полушарие к Солнцу, и близости Земли к Солнцу, достигнет максимума летом в южном полушарии и минимума зимой в южном полушарии. Таким образом, эти эффекты нагрева являются аддитивными, что означает, что сезонные изменения в облучении южного полушария более экстремальны. В северном полушарии эти два фактора достигают максимума в противоположные времена года: север наклонен к Солнцу, когда Земля находится дальше всего от Солнца. Эти два эффекта работают в противоположных направлениях, что приводит к менее экстремальным изменениям в инсоляции.
Примерно через 10 000 лет северный полюс будет наклонен к Солнцу, когда Земля будет в перигелии. Наклон оси и эксцентриситет орбиты будут способствовать максимальному увеличению солнечной радиации летом в северном полушарии. Прецессия оси будет способствовать более экстремальным изменениям в облучении северного полушария и менее экстремальным изменениям в южном. Когда ось Земли выровнена таким образом, что афелий и перигелий находятся вблизи равноденствий, наклон оси не будет выровнен с эксцентриситетом или против него. [ необходима цитата ]
Сам орбитальный эллипс прецессирует в пространстве нерегулярным образом, завершая полный цикл примерно за 112 000 лет относительно неподвижных звезд. [13] Апсидальная прецессия происходит в плоскости эклиптики и изменяет ориентацию орбиты Земли относительно эклиптики. Это происходит в основном в результате взаимодействия с Юпитером и Сатурном. Меньший вклад также вносят сплющенность Солнца и эффекты общей теории относительности , которые хорошо известны для Меркурия. [14]
Апсидальная прецессия сочетается с 25 700-летним циклом осевой прецессии (см. выше), чтобы изменить положение в год, когда Земля достигает перигелия. Апсидальная прецессия сокращает этот период примерно до 21 000 лет в настоящее время. Согласно относительно старому источнику (1965), среднее значение за последние 300 000 лет составило 23 000 лет, варьируясь от 20 800 до 29 000 лет. [13]
По мере изменения ориентации орбиты Земли каждый сезон будет постепенно начинаться раньше в году. Прецессия означает, что неравномерное движение Земли (см. выше) будет влиять на разные сезоны. Зима, например, будет находиться в другой части орбиты. Когда земные апсиды (крайние точки расстояния от Солнца) совпадают с равноденствиями, продолжительность весны и лета вместе будет равна продолжительности осени и зимы. Когда они совпадают с солнцестояниями, разница в продолжительности этих сезонов будет наибольшей. [ необходима цитата ]
Наклон орбиты Земли дрейфует вверх и вниз относительно ее нынешней орбиты. Это трехмерное движение известно как «прецессия эклиптики» или «планетарная прецессия». Текущий наклон Земли относительно неизменной плоскости (плоскости, которая представляет угловой момент Солнечной системы — приблизительно орбитальная плоскость Юпитера) составляет 1,57°. [ требуется ссылка ] Миланкович не изучал планетарную прецессию. Она была обнаружена совсем недавно и измерена относительно орбиты Земли, и ее период составляет около 70 000 лет. Однако при измерении независимо от орбиты Земли, но относительно неизменной плоскости, прецессия имеет период около 100 000 лет. Этот период очень похож на 100 000-летний период эксцентриситета. Оба периода близко соответствуют 100 000-летней схеме ледниковых событий. [15]
Материалы, взятые с Земли, были изучены, чтобы сделать выводы о циклах прошлого климата. Антарктические ледяные керны содержат захваченные пузырьки воздуха, чьи соотношения различных изотопов кислорода являются надежным показателем глобальных температур около времени формирования льда. Изучение этих данных пришло к выводу, что климатическая реакция, задокументированная в ледяных кернах, была вызвана инсоляцией северного полушария, как предполагалось в гипотезе Миланковича. [16] Похожие астрономические гипотезы были выдвинуты в 19 веке Джозефом Адемаром , Джеймсом Кроллом и другими. [17]
Анализ кернов глубоководных океанов и глубин озер [18] [19] и основополагающая статья Хейса , Имбри и Шеклтона [20] предоставляют дополнительное подтверждение посредством физических доказательств. Климатические записи, содержащиеся в керне породы глубиной 1700 футов (520 м), пробуренном в Аризоне, показывают закономерность, синхронизированную с эксцентриситетом Земли, а керны, пробуренные в Новой Англии, соответствуют ей, уходя на 215 миллионов лет назад. [21]
Из всех орбитальных циклов Миланкович считал, что наклон оказывает наибольшее влияние на климат, и что он делает это, изменяя летнюю инсоляцию в северных высоких широтах. Поэтому он вывел 41 000-летний период для ледниковых периодов. [22] [23] Однако последующие исследования [20] [24] [25] показали, что циклы ледниковых периодов четвертичного оледенения за последний миллион лет имели период в 100 000 лет, что соответствует циклу эксцентриситета. Были предложены различные объяснения этого несоответствия, включая частотную модуляцию [26] или различные обратные связи (от углекислого газа или динамики ледяного покрова ). Некоторые модели могут воспроизводить 100 000-летние циклы в результате нелинейных взаимодействий между небольшими изменениями орбиты Земли и внутренними колебаниями климатической системы. [27] [28] В частности, механизм стохастического резонанса был первоначально предложен для описания этого взаимодействия. [29] [30]
Jung-Eun Lee из Университета Брауна предполагает, что прецессия изменяет количество энергии, поглощаемой Землей, поскольку большая способность южного полушария к росту морского льда отражает больше энергии от Земли. Более того, Ли говорит: «Прецессия имеет значение только тогда, когда эксцентриситет большой. Вот почему мы видим более сильный 100 000-летний темп, чем 21 000-летний темп». [31] [32] Некоторые другие утверждают, что продолжительность климатических данных недостаточна для установления статистически значимой связи между климатом и изменениями эксцентриситета. [33]
От 1 до 3 миллионов лет назад климатические циклы соответствовали 41 000-летнему циклу по наклону. Спустя миллион лет назад произошел среднеплейстоценовый переход (MPT) с переключением на 100 000-летний цикл, соответствующий эксцентриситету. Проблема перехода относится к необходимости объяснить, что изменилось миллион лет назад. [34] MPT теперь можно воспроизвести в численном моделировании, которое включает тенденцию к снижению уровня углекислого газа и вызванное ледниками удаление реголита . [35]
Даже хорошо датированные климатические записи последнего миллиона лет не совсем соответствуют форме кривой эксцентриситета. Эксцентриситет имеет циклы компонентов в 95 000 и 125 000 лет. Однако некоторые исследователи говорят, что записи не показывают эти пики, а указывают только на один цикл в 100 000 лет. [36] Однако разделение между двумя компонентами эксцентриситета наблюдается по крайней мере один раз в керне бурения из скандинавского квасцового сланца возрастом 500 миллионов лет. [37]
Образцы глубоководных кернов показывают, что межледниковый интервал, известный как морская изотопная стадия 5, начался 130 000 лет назад. Это за 10 000 лет до солнечного воздействия, которое предсказывает гипотеза Миланковича. (Это также известно как проблема причинности, поскольку следствие предшествует предполагаемой причине.) [38]
Поскольку орбитальные изменения предсказуемы [39], любая модель, связывающая орбитальные изменения с климатом, может быть использована для прогнозирования будущего климата, с двумя оговорками: механизм, посредством которого орбитальное воздействие влияет на климат, не является окончательным; и неорбитальные эффекты могут быть важны (например, воздействие человека на окружающую среду в основном увеличивает выбросы парниковых газов, что приводит к более теплому климату [40] [41] [42] ).
Часто цитируемая орбитальная модель 1980 года Имбри предсказала «долгосрочную тенденцию к охлаждению, которая началась около 6000 лет назад, и будет продолжаться в течение следующих 23000 лет». [43] Другая работа [44] предполагает, что солнечная инсоляция на 65° с.ш. достигнет пика в 460 Вт·м −2 примерно через 6500 лет, прежде чем снизится до нынешних уровней (450 Вт·м −2 ) [45] примерно через 16000 лет. Орбита Земли станет менее эксцентричной примерно в течение следующих 100000 лет, поэтому изменения в этой инсоляции будут определяться изменениями наклона и не должны снизиться настолько, чтобы допустить новый ледниковый период в следующие 50000 лет. [46] [47]
С 1972 года спекуляции искали связь между образованием чередующихся ярких и темных слоев Марса в полярных слоистых отложениях и воздействием орбитального климата планеты. В 2002 году Ласка, Левард и Мастард показали, что сияние ледяного слоя, как функция глубины, коррелирует с изменениями инсоляции летом на северном полюсе Марса, аналогично изменениям палеоклимата на Земле. Они также показали, что прецессия Марса имела период около 51 тыс. лет , наклон имел период около 120 тыс. лет, а эксцентриситет имел период в диапазоне от 95 до 99 тыс. лет. В 2003 году Хэд, Мастард, Креславски, Милликен и Марчант предположили, что Марс находился в межледниковом периоде в течение последних 400 тыс. лет и в ледниковом периоде между 400 и 2100 тыс. лет из-за наклона Марса, превышающего 30°. При таком экстремальном наклоне инсоляция определяется регулярной периодичностью изменения наклона Марса. [48] [49] Анализ Фурье орбитальных элементов Марса показывает период наклона 128 тысяч лет и период индекса прецессии 73 тысячи лет. [50] [51]
У Марса нет луны, достаточно большой, чтобы стабилизировать его наклон, который варьировался от 10 до 70 градусов. Это объяснило бы недавние наблюдения его поверхности в сравнении с доказательствами различных условий в его прошлом, такими как протяженность его полярных шапок . [52] [53]
У спутника Сатурна Титана есть цикл приблизительно в 60 000 лет, который может изменить местоположение метановых озер. [54] У спутника Нептуна Тритона есть вариация, похожая на Титан, которая может привести к миграции его твердых азотных залежей в течение длительного времени. [55]
Ученые, использующие компьютерные модели для изучения экстремальных наклонов оси, пришли к выводу, что высокий наклон может вызвать экстремальные изменения климата, и хотя это, вероятно, не сделает планету непригодной для жизни, это может создать трудности для наземной жизни в затронутых районах. Большинство таких планет, тем не менее, допускают развитие как простых, так и более сложных форм жизни. [56] Хотя изученный ими наклон более экстремальн, чем когда-либо испытывала Земля, существуют сценарии через 1,5–4,5 миллиарда лет, по мере того как стабилизирующий эффект Луны будет уменьшаться, когда наклон может выйти из своего текущего диапазона, и полюса в конечном итоге будут указывать почти прямо на Солнце. [57]
Поскольку ось Земли медленно описывает свой круг на небесной сфере, отношение времен года к перигелию неуклонно смещается.Примечание: Интуитивно понятно, что если равноденствия и солнцестояния происходят в смещающихся положениях на эксцентричной орбите, то эти астрономические времена года должны происходить в смещающихся окрестностях; и поскольку эксцентриситет и наклон изменяются, интенсивность эффектов этих смещений также меняется.
теплоемкость варьировалась от 1,48 до 3,54 МДж/м
3
/°C для глины и от 1,09 до 3,04 МДж/м
3
/°C для песка при содержании влаги от 0 до 0,25 (кг/кг) [и т. д.]
Примечание: см. Таблицу удельных теплоемкостей ; вода составляет около 4,2 МДж/м 3 /°C.
За последний миллион лет он варьировался от 22,1 до 24,5 градусов. ... Чем больше угол наклона оси Земли, тем экстремальнее наши времена года .... Большие углы наклона благоприятствуют периодам дегляциации (таяния и отступления ледников и ледяных щитов). Эти эффекты не являются однородными в глобальном масштабе — более высокие широты получают большее изменение общей солнечной радиации, чем районы, расположенные ближе к экватору. ... Ось Земли в настоящее время наклонена на 23,4 градуса, ... По мере увеличения ледяного покрова он отражает больше энергии Солнца обратно в космос, способствуя еще большему охлаждению.Примечание: см . Наклон оси . Нулевой наклон приводит к минимальной (нулевой) непрерывной инсоляции на полюсах и максимальной непрерывной инсоляции на экваторе. Любое увеличение наклона (до 90 градусов) вызывает сезонное увеличение инсоляции на полюсах и уменьшение инсоляции на экваторе в любой день года, кроме равноденствия .
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )13-миллионная непрерывная запись климата олигоцена из экваториальной части Тихого океана показывает выраженное «сердцебиение» в глобальном углеродном цикле и периодичности оледенений.
Медиа, связанные с циклами Миланковича на Wikimedia Commons