Цикли Міланковича: Як обертна осі Землі визначають льодовикові періоди

Три годинники, Один Ритуал Клімату

Цикли Міланковича — це три окремі, періодичні зміни орбіти та орієнтації Землі, які разом визначають, як сонячна енергія, або інсоляція, розподіляється по світу через сезони та широти. Перший – ексцентричність, форма орбіти Землі навколо Сонця, яка коливається між майже круглою та незначно еліптичною протягом періодів приблизно 100 000 і 405 000 років. Другий – нахил обертального важеля Землі відносно її площини орбіти, який коливається між приблизно 22,1 та 24,5 градуси протягом періоду приблизно 41 000 років. Третій – прецесія обертального важеля Землі, повільний нахил обертального важеля Землі як вертушки, що завершує повний цикл приблизно за 26 000 років і визначає, який сезон настає, коли Земля найближча до або найдальша від Сонця. Жоден з цих циклів не діє наодинці. Їхній комбінований, перекривний вплив змінює те, скільки сонячного світла досягає високих північних широт влітку, що є ключовим тригером для зростання або танення великих льодовиків Північної Америки та Євразії. Інсайт Міланковича полягав у тому, що літня інсоляція на широті близько 65 градусів північної широти, а не середньо globale сонячне світло, є критичною змінною: холодні літа дозволяють зимовому снігу вижити та накопичуватися в льоди, тоді як теплі літа розчиняють їх. Оскільки три цикли мають різні періоди та нелінійно комбінуються, загальний вплив на клімат є складним, але обчислюваним сигналом, який чітко проявляється в геологічному та льодяному корі записі, що охоплює понад 800 000 років.

Викривленість: Форма орбіти Землі

Орбіта Землі не є ідеальною колом; вона є лемсічною формою, постійно тягнутою гравітаційним впливом Юпітера та Сатурна. Викривленість коливається приблизно від 0,0006 (майже ідеально круга) до 0,058 (слабо еліптична), і зараз становить приблизно 0,0167. Цей параметр коливається з двох основних періодів, одного приблизно 100 000 років та більш регулярного приблизно 405 000 років, останній з яких є одним із найбільш стабільних і точних дат ритмів у всьому геологічному записі. Коли викривленість висока, різниця між найближчим підходом Землі до Сонця (перигелієм) та її найвіддаленішою точкою (афелеєм) зростає, що означає, що планета отримує помітно більше сонячної енергії в перигелії, ніж в афелеї. На власний розмах викривленість має лише невеликий прямий вплив на загальну річну інсоляцію, зменшуючи її менше ніж на 0,5%, але вона відіграє значну роль, контролюючи силу ефекту осей прецесії. Коли викривленість близька до нуля, прецесія майже не має значення, оскільки перигелій і афелій майже однакові відстані від Сонця. Коли викривленість висока, час перигелію щодо сезонів стає кліматично важливим, посилюючи або послаблюючи сезонні контрасти. Приблизно 100 000-річний цикл викривленості також точно відповідає домінуючому періоду льодно-міжльодовикових циклів, які спостерігаються за останні 800 000 років, співвідношення, відоме як «проблема 100 000 років», оскільки безпосередній енергетичний ефект викривленості занадто слабкий, щоб повністю пояснити такі великі кліматичні коливання на нього самому.

Обликутіт: Нахил, що визначає пори року

Обертання осі Землі відносно перпендикулярної площини її орбіти – це кут, відомий як облік (облик), і він безпосередньо відповідає за існування пір року. Наразі цей нахил становить приблизно 23,4 градуси, і він повільно зменшується протягом приблизно 41 тисячі років, коливається між приблизно 22,1 та 24,5 градусами. Коли облік високий, обидві півкулі переживають більш екстремальні сезонні контрасти: літо отримує більше прямого сонячного світла на високих широтах, а зима – менше, що посилює сезонний цикл. Коли облик низький, сезони стають м’якшими, особливо на високих широтах, що сприяє виживанню літнього снігу та накопиченню льодовиків, оскільки холодні літа не розморожують те, що зима відклала. Вплив обліку посилюється в міру наближення до полюсів; на екваторі він майже не впливає на річну інсоляцію, але на 65 градусах північної широти, де історично утворювалися континентальні льодовики, це важливий фактор у визначенні літньої температури. До приблизно одного мільйона років домінували 41000-річний цикл обліку, коли льодяні періоди тривали приблизно 41 000 років кожен. Це іноді називають «світ за 41 000 років». Приблизно 800 000 – 1 200 000 років тому відбулася подія, відома як Перехід Середнього Пліоцену, після якої домінуючим ритмом стала приблизно 100 000-річна еліксісність, хоча облик продовжував циклічно змінюватися з періодичністю 41 000 років.”]} параметр:

Обертання: Здригання Осі

Обертання з осі визначає повільний, конусоподібний нахил обертання Землі, подібно до того, як нахиляється іграшковий саморіз, коли він сповільнюється. Цей нахил проходить повне коло приблизно за 26 000 років і викликаний переважно гравітаційним впливом Сонця та Місяця на екваторіальне сплющення Землі. Обертання не змінює величину нахилу осі, лише напрямок, в якому вказує нахилена вісь у просторі. Через це обертання визначає, який сезон настає, коли Земля досягає перигелію порівняно з афелеєм. Зараз Земля досягає перигелію на початку січня, під час зимового періоду в Північній півкулі, що трохи пом’якшує північні зими та трохи посилює контраст між літнім сонцестоянням та літом, пов'язаним з афелеєм. Приблизно через 13 000 років ситуація перевернеться, коли літо в Північній півкулі відбуватиметься під час перигелію замість цього, посилюючи сонячну інсоляцію літа в Північній півкулі. Ця взаємодія між обертанням та відношенням еліптичності часто описується за допомогою поняття «індексу обертання», а його ефективний період, відчутний кліматом, насправді ближчий до приблизно 19 000 – 23 000 років через додаткові гравітаційні взаємодії з іншими планетами, що створюють два близькі за часом підцикли замість одного чистого періоду. Оскільки обертання має значення лише тоді, коли відношення еліптичності не є незначним, сила сигналу обертання в кліматичній летописці коливається протягом більш тривалих циклів 100 000 і 450 000 років, створюючи вкладений, модуляційний за амплітудою малюнок замість простого постійного нахилу.

Об'єднання циклів: Докази з кернів льодовиків

Жоден окремий цикл Міланковича не викликає льодовиковий період сам по собі; це суперпозиція ексцентричності, обільності та прецесії, що визначає сонячну інсоляцію на високих північних широтах – величину, яку Міланкович ідентифікував як «пульсатор» знебілення. Коли ці три ритми збігаються, щоб мінімізувати літнє сонце в районі приблизно 65 градусів півночі, сніг залишається навколо круглий рік, відбиває більше сонячного світла у космос і утворює льодовикові щити на території Північної Америки та Європи, охолоджуючи планету та знижуючи рівень моря більш ніж на 100 метрів під час пікових періодів льодовикового періоду. Коли цикли збігаються, щоб максимізувати літню сонячну інсоляцію, льодовикові щити відступають і планета переходить у міжгірний період, такий як поточний Холцен, який почався близько 11 700 років тому. Ця теорія, яка спочатку була значною мірою заперечена, була драматично підтверджена кернами глибинного морського осаду в 1970-х роках і пізніше кернами льодовиків, видобутими на станціях Восток та Доме С у Антарктиді для проекту EPICA. Ці керни зберігають захоплені повітряні бульбашки та ізотопні підписи, що сягають понад 800 000 років, відкриваючи повторні льодовикові-міжгірні цикли, час і відстань між якими тісно відповідає розрахованим орбітальним ритмам, особливо приблизно 100 000-річному темпу, який спостерігається за останні 800 000 років, та більш чіткому 41 000-річному темпу, який видно в старих записах. Температура та концентрації вуглекислого газу в атмосфері з цих кернів піднімаються і падають разом із вражаючою регулярністю, коли CO2 коливається між приблизно 180 частин на мільйон під час пікових льодовикових періодів і близько 280 частин на мільйон під час міжгірних періодів, що підтверджує, що орбітальна дія викликає зміни, а зворотні зв’язки в льоду, океані та вуглецевому циклі посилюють їх у повні льодовикові епохи та теплі міжпроміжки.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Milankovitch Cycles: How Earth's Orbit Drives Ice Ages і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.