Циклы Миланковича - Milankovitch cycles

Прошлые и будущие циклы Миланковича через модель VSOP
• На графике показаны вариации пяти орбитальных элементов:
  Осевой наклон или наклон (ε).
  Эксцентриситет ( e ).
  Долгота перигелия (sin (ϖ)).
  Индекс прецессии ( e  sin (ϖ))
• Индекс прецессии и инсоляция для контроля угла наклона на каждой широте:
  Среднесуточная инсоляция в верхней части атмосферы в день летнего солнцестояния ( ) на 65 ° с.ш.
• Океанские отложения и слои антарктического льда фиксируют древние уровни моря и температуры:
  Бентосные форамы (57 широко распространенных мест)
  Ядро льда Восток (Антарктида)
• Вертикальная серая линия показывает настоящее (2000 г. н.э.)

Циклы Миланковича описывают коллективные эффекты изменений в движении Земли на ее климат на протяжении тысяч лет. Термин назван в честь сербского геофизика и астронома Милютина Миланковича . В 1920-х годах он предположил, что вариации эксцентриситета , наклона оси и прецессии приводят к циклическим изменениям солнечного излучения, достигающего Земли, и что это орбитальное воздействие сильно влияет на климатические модели Земли.

Подобные астрономические гипотезы были выдвинуты в 19 веке Джозефом Адемаром , Джеймсом Кроллом и другими, но проверка была затруднена из-за отсутствия достоверных датированных свидетельств и неясности, какие периоды были важны.

В настоящее время изучаются материалы на Земле, которые не менялись на протяжении тысячелетий (полученные из льда , горных пород и глубинных ядер океана), чтобы указать на историю климата Земли . Хотя они согласуются с гипотезой Миланковича, все же есть несколько наблюдений, которые эта гипотеза не объясняет.

Движения Земли

В вращении Земли вокруг своей оси , и оборот вокруг Солнца , эволюционируют с течением времени из - за гравитационное взаимодействие с другими телами в Солнечной системе . Вариации сложные, но доминируют несколько циклов.

Круговая орбита, без эксцентриситета
Орбита с эксцентриситетом 0,5, увеличена для иллюстрации; Орбита Земли лишь немного эксцентрична

В орбите Земли изменяется между почти круглой и слегка эллиптическим (ее эксцентриситетом изменяется). Когда орбита более удлиненная, больше изменяется расстояние между Землей и Солнцем, а также количество солнечной радиации в разное время года. Кроме того, немного изменяется вращательный наклон Земли (ее наклон ). Больший наклон делает сезоны более экстремальными. Наконец, направление неподвижных звезд, на которое указывает земная ось, изменяется ( осевая прецессия ), в то время как эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца вращается ( апсидальная прецессия ). Комбинированный эффект прецессии с эксцентриситетом заключается в том, что близость к Солнцу происходит в разные астрономические сезоны .

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 подчеркнул изменения, произошедшие на 65 ° северной широты из-за большого количества суши на этой широте. Земные массивы изменяют температуру быстрее, чем океаны, из-за смешения поверхностных и глубинных вод и того факта, что почва имеет меньшую объемную теплоемкость, чем вода.

Орбитальный эксцентриситет

Орбита Земли приближается к эллипсу . Эксцентриситет измеряет отклонение этого эллипса от округлости. Форма орбиты Земли варьируется от почти круглой (с минимальным эксцентриситетом 0,000055) до слегка эллиптической (с максимальным эксцентриситетом 0,0679). Его среднее геометрическое или логарифмическое значение составляет 0,0019. Основная составляющая этих изменений происходит с периодом 413 000 лет (изменение эксцентриситета ± 0,012). У других компонентов есть циклы длиной 95 000 лет и 125 000 лет (с периодом биений 400 000 лет). Они свободно объединяются в 100 000-летний цикл (изменение от -0,03 до +0,02). Текущий эксцентриситет составляет 0,017 и уменьшается.

Эксцентриситет варьируется в первую очередь из-за гравитационного притяжения Юпитера и Сатурна . Однако большая полуось орбитального эллипса остается неизменной; согласно теории возмущений , которая вычисляет эволюцию орбиты, большая полуось инвариантна . Орбитальный период (длина звёздного года ) также инвариантен, потому что , согласно третьему закону Кеплера , она определяется большой полуосью.

Влияние на температуру

Большая полуось постоянна. Следовательно, когда орбита Земли становится более эксцентричной, малая полуось укорачивается. Это увеличивает величину сезонных изменений.

Относительное увеличение солнечного излучения при самом близком приближении к Солнцу ( перигелий ) по сравнению с облучением на самом дальнем расстоянии ( афелий ) немного превышает эксцентриситет в четыре раза. Для нынешнего эксцентриситета орбиты Земли приходящая солнечная радиация варьируется примерно на 6,8%, в то время как расстояние от Солнца в настоящее время варьируется только на 3,4% (5,1 миллиона км, или 3,2 миллиона миль, или 0,034 а.е.).

Перигелий в настоящее время происходит около 3 января, а афелий - около 4 июля. Когда орбита наиболее эксцентрична, количество солнечной радиации в перигелии будет примерно на 23% больше, чем в афелии. Однако эксцентриситет Земли всегда настолько мал, что изменение солнечного излучения является второстепенным фактором в сезонных изменениях климата по сравнению с осевым наклоном и даже по сравнению с относительной легкостью нагрева больших массивов суши северного полушария.

Влияние на продолжительность сезона

Продолжительность сезона
Год Северное
полушарие
Южное
полушарие
Дата: UTC
Продолжительность сезона
2005 г. Зимнее солнцестояние Летнее солнцестояние 21 декабря 2005 18:35 88,99 дней
2006 г. Весеннее равноденствие Осеннее равноденствие 20 марта 2006 18:26 92.75 дней
2006 г. Летнее солнцестояние Зимнее солнцестояние 21 июня 2006 12:26 93.65 дней
2006 г. Осеннее равноденствие Весеннее равноденствие 23 сентября 2006 г. 4:03 89.85 дней
2006 г. Зимнее солнцестояние Летнее солнцестояние 22 декабря 2006 0:22 88,99 дней
2007 г. Весеннее равноденствие Осеннее равноденствие 21 марта 2007 0:07 92.75 дней
2007 г. Летнее солнцестояние Зимнее солнцестояние 21 июня 2007 18:06 93.66 дней
2007 г. Осеннее равноденствие Весеннее равноденствие 23 сентября 2007 9:51 89.85 дней
2007 г. Зимнее солнцестояние Летнее солнцестояние 22 декабря 2007 06:08  

Времена года - это квадранты земной орбиты, отмеченные двумя солнцестояниями и двумя равноденствиями. Второй закон Кеплера гласит, что тело на орбите отслеживает равные площади за равное время; его орбитальная скорость максимальна в районе перигелия и минимальна в районе афелия. Земля меньше времени проводит около перигелия и больше - около афелия. Это означает, что продолжительность сезонов разная. Перигелий в настоящее время 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. Большой эксцентриситет увеличивает изменение орбитальной скорости Земли. Однако в настоящее время орбита Земли становится менее эксцентричной (более близкой к круговой). Это сделает сезоны в ближайшем будущем более похожими по продолжительности.

Угол наклона Земли 22,1–24,5 °

Осевой наклон (наклон)

Угол наклона оси Земли по отношению к плоскости орбиты (наклон эклиптики ) колеблется от 22,1 ° до 24,5 ° в течение цикла около 41000 лет. Текущий наклон составляет 23,44 °, примерно на полпути между крайними значениями. Наклон последней достиг своего максимума в 8700 году до нашей эры . Сейчас он находится в фазе спада своего цикла и достигнет своего минимума примерно в 11 800 году н . Э. Увеличение наклона увеличивает амплитуду сезонного цикла инсоляции , обеспечивая больше солнечной радиации летом в каждом полушарии и меньше зимой. Однако эти эффекты неоднородны на всей поверхности Земли. Увеличение наклона увеличивает общую годовую солнечную радиацию в более высоких широтах и ​​уменьшает ее ближе к экватору.

Текущая тенденция уменьшения наклона сама по себе будет способствовать более мягкому сезону (более теплая зима и более холодное лето), а также общей тенденции к похолоданию. Поскольку большая часть снега и льда на планете находится на высоких широтах, уменьшение наклона может способствовать окончанию межледникового периода и наступлению ледникового периода по двум причинам: 1) общая летняя инсоляция меньше, и 2) меньше инсоляция в более высоких широтах (которая тает меньше снега и льда предыдущей зимы).

Осевая прецессия

Осевое прецессионное движение

Осевая прецессия - это тенденция в направлении оси вращения Земли относительно неподвижных звезд с периодом 25 771,5 года. Это движение, также известное как прецессия равноденствий, означает, что в конечном итоге Полярная звезда больше не будет звездой северного полюса . Эта прецессия вызвана приливными силами, действующими на вращающуюся Землю со стороны Солнца и Луны; оба примерно одинаково способствуют этому эффекту.

В настоящее время перигелий происходит летом в южном полушарии. Это означает, что солнечная радиация из-за наклона оси южного полушария к Солнцу и близости Земли к Солнцу будет достигать максимума в течение южного лета и минимума в течение южной зимы. Таким образом, эти эффекты на нагревание являются аддитивными, а это означает, что сезонные колебания облучения южного полушария более экстремальны. В северном полушарии эти два фактора достигают максимума в противоположное время года: север наклонен к Солнцу, когда Земля находится дальше всего от Солнца. Эти два эффекта работают в противоположных направлениях, что приводит к менее резким изменениям инсоляции.

Примерно через 13000 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. Осевая прецессия будет способствовать более экстремальным колебаниям облучения в северном полушарии и менее экстремальным колебаниям в южном. Когда ось Земли выровнена так, что афелий и перигелий возникают около точек равноденствия, наклон оси не будет совмещен с эксцентриситетом или против него.

Апсидальная прецессия

Планеты, вращающиеся вокруг Солнца, движутся по эллиптическим (овальным) орбитам, которые постепенно со временем вращаются (апсидальная прецессия). Эксцентриситет этого эллипса, а также скорость прецессии преувеличены для визуализации.

Сам орбитальный эллипс прецессирует в космосе нерегулярным образом, завершая полный цикл каждые 112 000 лет относительно неподвижных звезд. Апсидальная прецессия происходит в плоскости эклиптики и изменяет ориентацию орбиты Земли относительно эклиптики. Это происходит прежде всего в результате взаимодействия с Юпитером и Сатурном. Меньший вклад вносит также сжатие Солнца и эффекты общей теории относительности , которые хорошо известны для Меркурия.

Апсидальная прецессия сочетается с 25771,5-летним циклом осевой прецессии (см. Выше ), чтобы изменить положение в год, когда Земля достигает перигелия. Апсидальная прецессия сокращает этот период в среднем до 23 000 лет (от 20 800 до 29 000 лет).

Влияние прецессии на сезоны (используя термины Северного полушария )

Поскольку ориентация орбиты Земли меняется, каждый сезон будет постепенно начинаться раньше в году. Прецессия означает, что неоднородное движение Земли (см. Выше ) будет влиять на разные времена года. Зима, например, будет на другом участке орбиты. Когда апсиды Земли (крайние расстояния от Солнца) совпадают с точками равноденствия, продолжительность весны и лета вместе взятых будет равна длине осени и зимы. Когда они совпадают с солнцестоянием, разница в продолжительности этих сезонов будет наибольшей.

Наклонение орбиты

Наклонение орбиты Земли изменяется вверх и вниз относительно ее нынешней орбиты. Это трехмерное движение известно как «прецессия эклиптики» или «прецессия планеты». Текущий наклон Земли относительно неизменной плоскости (плоскости, которая представляет угловой момент Солнечной системы - приблизительно орбитальная плоскость Юпитера) составляет 1,57 °. Миланкович не изучал прецессию планет. Он был обнаружен совсем недавно и, по измерениям, имеет период около 70 000 лет относительно орбиты Земли. Однако при измерении независимо от орбиты Земли, но относительно неизменной плоскости, период прецессии составляет около 100 000 лет. Этот период очень похож на период эксцентриситета в 100 000 лет. Оба периода полностью соответствуют 100000-летней схеме ледниковых событий.

Теоретические ограничения

Пустыня Табернас , Испания: можно наблюдать циклы в окраске и сопротивлении различных слоев отложений.

Материалы, взятые с Земли, были изучены, чтобы сделать выводы о климатических циклах прошлого. Керны антарктического льда содержат захваченные пузырьки воздуха, соотношение различных изотопов кислорода которых является надежным показателем глобальной температуры во время образования льда. Изучение этих данных пришло к выводу, что климатическая реакция, зафиксированная в ледяных кернах, была вызвана инсоляцией северного полушария, как предполагала гипотеза Миланковича.

Анализ глубоководных кернов и озер, а также основополагающая статья Хейса , Имбри и Шеклтона обеспечивают дополнительное подтверждение с помощью вещественных доказательств. Климатические записи, содержащиеся в керне горной породы, пробуренном в Аризоне, длиной 1700 футов (520 м), показывают закономерность, синхронизированную с эксцентриситетом Земли, а керны, пробуренные в Новой Англии, соответствуют ей, начиная с 215 миллионов лет назад.

100000-летний выпуск

Миланкович считал, что из всех орбитальных циклов наибольшее влияние на климат оказывает наклон, и что это происходит за счет изменения летней инсоляции в северных высоких широтах. Таким образом, он вывел 41 000-летний период ледникового периода. Однако последующие исследования показали, что циклы ледникового периода четвертичного оледенения за последний миллион лет составляли 100 000 лет, что соответствует циклу эксцентриситета. Были предложены различные объяснения этого несоответствия, включая частотную модуляцию или различные обратные связи (от углекислого газа , космических лучей или от 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.

Юнг-Ын Ли из Университета Брауна предполагает, что прецессия изменяет количество энергии, поглощаемой Землей, потому что большая способность южного полушария наращивать морской лед отражает больше энергии от Земли. Более того, Ли говорит: «Прецессия имеет значение только тогда, когда эксцентриситет велик. Вот почему мы видим более сильный темп за 100 000 лет, чем за 21 000 лет». Некоторые другие утверждали, что длина климатической записи недостаточна для установления статистически значимой связи между вариациями климата и эксцентриситетом.

Переходные изменения

Вариации продолжительности цикла, кривые, полученные из океанических отложений
420000 лет данных ледяных кернов с исследовательской станции Восток, Антарктида , с более поздними временами слева.

От 1 до 3 миллионов лет назад климатические циклы соответствовали 41 000-летнему циклу наклона. Спустя миллион лет назад произошел переход среднего плейстоцена (MPT) с переключением на 100000-летний цикл, соответствующий эксцентриситету. Проблема перехода связана с необходимостью объяснить, что изменилось миллион лет назад. MPT теперь может быть воспроизведен с помощью численного моделирования, которое включает тенденцию к уменьшению содержания углекислого газа и удаление реголита, вызванное ледниками .

Интерпретация неразделенных пиковых дисперсий

Даже хорошо датированные климатические записи за последний миллион лет не совсем соответствуют форме кривой эксцентриситета. Эксцентриситет имеет составные циклы 95 000 и 125 000 лет. Некоторые исследователи, однако, говорят, что записи не показывают этих пиков, а указывают только на один цикл продолжительностью 100 000 лет. Однако разрыв между двумя компонентами эксцентриситета наблюдается по крайней мере один раз в буровом керне из скандинавских квасцов, возраст которых составляет 500 миллионов лет.

Несинхронизированное наблюдение пятой стадии

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, предсказанного гипотезой Миланковича. (Это также известно как проблема причинности , поскольку следствие предшествует предполагаемой причине.)

Настоящие и будущие условия

Прошлые и будущие оценки среднесуточной инсоляции в верхней части атмосферы в день летнего солнцестояния на 65 ° северной широты. Зеленая кривая имеет эксцентриситет e, гипотетически установленный на 0. Красная кривая использует фактическое (прогнозируемое) значение e ; синяя точка указывает текущие условия (2000 г. н.э.).

Поскольку орбитальные вариации предсказуемы, любая модель, которая связывает орбитальные вариации с климатом, может быть использована для прогнозирования будущего климата с двумя оговорками: механизм, посредством которого орбитальные воздействия влияют на климат, не является окончательным; и неорбитальные эффекты могут иметь важное значение (например, воздействие человека на окружающую среду в основном увеличивает выбросы парниковых газов, что приводит к потеплению климата).

Часто цитируемая орбитальная модель 1980 года Имбри предсказывала, что «долгосрочная тенденция к похолоданию, начавшаяся около 6000 лет назад, будет продолжаться в течение следующих 23000 лет». Более поздняя работа предполагает, что вариации орбиты должны постепенно увеличивать летнюю инсоляцию на 65 ° с.ш. в течение следующих 25000 лет. Орбита Земли станет менее эксцентричной в течение следующих 100000 лет, поэтому изменения в этой инсоляции будут определяться изменениями наклона и не должны уменьшаться настолько, чтобы допустить новый ледниковый период в следующие 50 000 лет.

Другие небесные тела

Марс

С 1972 года спекуляции пытались установить связь между формированием чередующихся ярких и темных слоев Марса в слоистых полярных отложениях и влиянием орбитального климата планеты. В 2002 году Ласка, Левард и Мастард показали, что яркость слоя льда в зависимости от глубины коррелирует с изменениями инсоляции летом на северном полюсе Марса, аналогичными изменениям палеоклимата на Земле. Они также показали, что прецессия Марса имела период около 51 тыс. Лет , наклонение - около 120 тыс. Лет, а эксцентриситет - от 95 до 99 тыс. Лет. В 2003 году Хед, Мастард, Креславский, Милликен и Маршан предположили, что Марс находился в межледниковом периоде в течение последних 400 тыс. Лет, и в период ледникового периода между 400 и 2100 тыс. Лет из-за того, что наклон Марса превышал 30 °. При таком крайнем наклоне на инсоляции преобладает регулярная периодичность изменения наклона Марса. Фурье-анализ элементов орбиты Марса показывает период наклона 128 тыс. Лет и период индекса прецессии 73 тыс. Лет.

У Марса нет луны, достаточно большой, чтобы стабилизировать наклон, который колеблется от 10 до 70 градусов. Это объяснило бы недавние наблюдения его поверхности по сравнению с доказательствами различных условий в прошлом, таких как протяженность его полярных шапок .

Внешняя Солнечная система

Спутник Сатурна Титан имеет цикл около 60 000 лет, который может изменить расположение метановых озер. Спутник Нептуна Тритон имеет разновидность, похожую на луну Титана, которая может вызывать перемещение твердых отложений азота в течение длительного времени.

Экзопланеты

Ученые, использующие компьютерные модели для изучения экстремальных осевых наклонов, пришли к выводу, что большой наклон может вызвать экстремальные колебания климата, и хотя это, вероятно, не сделает планету непригодной для жизни, это может создать трудности для наземной жизни в пострадавших районах. Тем не менее, на большинстве таких планет могут развиваться как простые, так и более сложные формы жизни. Хотя наклонность, которую они изучали, является более экстремальной, чем когда-либо испытывала Земля, есть сценарии через 1,5–4,5 миллиарда лет, поскольку стабилизирующий эффект Луны ослабевает, когда наклон может выйти из своего текущего диапазона, а полюса в конечном итоге могут указывать почти прямо на Солнце.

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

СМИ, связанные с циклами Миланковича на Викискладе?

Циклы Миланковича в Викиучебнике