Войти
Прошлые и будущие циклы Миланковича через VSOP модель. • На графике показаны вариации пяти орбитальных элементов: Наклон оси или наклон (ε). Эксцентриситет (e). Долгота перигелия (sin (ϖ)). Индекс прецессии (e sin (ϖ)) • Индекс прецессии и наклон контролируют инсоляцию на каждой широте: Среднесуточная инсоляция в верхней части атмосферы в период летнего солнцестояния (
) на 65 ° с.ш. • Отложения океана и толщи антарктического льда рекорд древние уровни моря и температуры: бентосные образования (57 широко распространенных мест) ледяной керн Востока (Антарктида) • Вертикальная серая линия показывает настоящее время (2000 г. н.э.) циклы Миланковича описывают коллективное воздействие изменений в движениях Земли на ее климат за тысячи лет. Термин назван в честь сербского геофизика и астронома Милутина Миланковича. В 1920-х годах он предположил, что вариации эксцентриситета, наклона оси и прецессии приводили к циклическим изменениям солнечного излучения, достигающим Земля, и что это орбитальное воздействие сильно повлияло на климатические модели Земли.
Подобные астрономические гипотезы были выдвинуты в 19 веке Джозефом Адхемаром, Джеймсом Кроллом и другими, но проверка была трудной из-за отсутствия достоверно датированных свидетельств, и потому что было неясно, какие периоды были важными.
Сейчас материалы на Земле, которые не менялись тысячелетиями (полученные с помощью льда, горных пород и глубинных ядер океана) изучаются, чтобы указать на историю Климат Земли. Хотя они согласуются с гипотезой Миланковича, все же есть несколько наблюдений, которые эта гипотеза не объясняет.
Вращение Земли вокруг своей оси и вращение вокруг Солнца, эволюционируют со временем из-за гравитационных взаимодействий с другими телами в Солнечной системе. Вариации сложные, но несколько циклов преобладают.
Круговая орбита, без эксцентриситета 
Орбита с эксцентриситетом 0,5, преувеличено для иллюстрации; Орбита Земли лишь немного эксцентрична Орбита Земли варьируется от почти круговой до умеренно эллиптической (ее эксцентриситет меняется). Когда орбита более вытянута, больше изменяется расстояние между Землей и Солнцем и количество солнечной радиации в разное время года.
Кроме того, немного изменяется угол поворота Земли (ее наклон ). Большой 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 состоит 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 большой площади 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.
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 геометрическое или среднее логарифмическое равно 0,0019. Главный компонент этих вариаций происходит с периодом 413 000 лет (изменение эксцентриситета ± 0,012). У других компонентов циклы составляют 95 000 лет и 125 000 лет (с периодом биений 400 000 лет). Они свободно объединяются в 100 000-летний цикл (вариации от -0,03 до +0,02). Текущий эксцентриситет составляет 0,017 и уменьшается.
Эксцентриситет варьируется в основном 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 сидерического года ) также инвариантен, потому что согласно третьему закону Кеплера он определяется большой полуосью.
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 в северных регионах. полушарие.
| Год | Северное. полушарие | Южное. полушарие | Дата: UTC | Сезон. длительность |
|---|---|---|---|---|
| 2005 | Зимнее солнцестояние | Летнее солнцестояние | 21 декабря 2005 г. 18:35 | 88,99 дней |
| 2006 | Весеннее равноденствие | Осеннее равноденствие | 20 марта 2006 г. 18:26 | 92,75 дня |
| 2006 | Летнее солнцестояние | Зимнее солнцестояние | 21 июня 2006 г. 12:26 | 93,65 дня |
| 2006 | Осеннее равноденствие | Весеннее равноденствие | 23 сентября 2006 г. 4:03 | 89,85 дней |
| 2006 | Зимнее солнцестояние | Летнее солнцестояние | 22 декабря 2006 0:22 | 88,99 дней |
| 2007 | Весеннее равноденствие | Осеннее равноденствие | 21 марта 2007 г. 0:07 | 92,75 дня |
| 2007 | Летнее солнцестояние | Зимнее солнцестояние | 21 июня 2007 18:06 | 93,66 дня |
| 2007 | Осеннее равноденствие | Весеннее равноденствие | 23 сентября 2 007 9:51 | 89,85 дней |
| 2007 | Зимнее солнцестояние | Летнее солнцестояние | 22 декабря 2007 г. 06:08 |
Времена года квадранты орбиты Земли, отмеченные двумя солнцестояниями и двумя равноденствиями. Второй закон Кеплера гласит, что тело на орбите отслеживает равные площади за равное время; его орбитальная скорость наиболее высока вокруг перигелия и наименьшая - вокруг 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.
Больший эксцентриситет увеличивает изменение орбитальной скорости Земли. Однако в настоящее время орбита Земли становится менее эксцентричной (более близкой к круговой). Это сделает сезоны более похожими по продолжительности.
Диапазон наклона Земли 22,1–24,5 ° Угол наклона оси Земли по отношению к плоскости орбиты (наклон эклиптики ) колеблется от 22,1 ° до 24,5 ° за цикл около 41000 лет. Текущий наклон составляет 23,44 °, примерно на полпути между крайними значениями. Последний раз наклон достиг своего максимума в 8,700 г. до н.э.. Сейчас он находится в фазе спада своего цикла и достигнет своего минимума примерно в году 11,800 CE.
Увеличенный наклон увеличивает амплитуду сезонного цикла в инсоляции, обеспечивая больше солнечной радиации летом и в каждом полушарии. зимой меньше. 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 наступлению ледникового периода по двум причинам: общая меньшая летняя инсоляция, а также меньшая инсоляция в более высоких широтах, которая тает. меньше снега и льда прошлой зимы.
Осевое прецессионное движение Осевая прецессия - это тенденция в направлении оси вращения Земли относительно неподвижных звезд с периодом 25 771,5 года. Это движение означает, что со временем Полярная звезда больше не будет северной полярной звездой. Это вызвано приливными силами, действующими на твердую Землю со стороны Солнца и Луны; оба примерно одинаково способствуют этому эффекту.
В настоящее время перигелий происходит летом в южном полушарии. Это означает, что солнечное излучение из-за (1) наклона оси южного полушария к Солнцу и (2) близости Земли к Солнцу, оба достигают максимума во время южного лета и оба достигают минимума во время южной зимы. Таким образом, их влияние на нагревание носит аддитивный характер, 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 13 000 лет северный полюс будет наклонен к Солнцу, когда Земля находится в перигелии. Наклон оси и эксцентриситет орбиты будут способствовать максимальному увеличению солнечной радиации в течение лета 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.
Планеты, вращающиеся вокруг Солнца, движутся по эллиптическим (овальным) орбитам, которые постепенно вращаются во времени (апсидальная прецессия). Эксцентриситет этого эллипса, а также скорость прецессии преувеличены для визуализации. Кроме того, сам орбитальный эллипс прецессирует в космосе нерегулярным образом, совершая полный цикл каждые 112000 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 также вносит 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 укорачивает этот период в среднем до 23 000 лет (варьируется от 20 800 до 29 000 лет).
Влияние прецессии на времена года (используя термины Северное полушарие ). Как ориентация Земли орбита меняется, каждый сезон постепенно начинается раньше в году. Прецессия означает, что неравномерное движение Земли (см. выше) будет влиять на разные времена года. Зима, например, будет на другом участке орбиты. Когда апсиды Земли (крайние расстояния от Солнца) выровнены 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 Земли смещается вверх и вниз относительно ее текущей 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 в плоскости орбиты 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 точно соответствуют 100000-летнему графику ледниковых явлений.
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 примерно во время образования льда. Изучение этих данных пришло к выводу, что климатическая реакция, задокументированная в ледяных кернах, была вызвана инсоляцией северного полушария, как это было предложено гипотезой Миланковича.
Анализ глубоководных кернов и озер, а также основополагающая статья Хейс, Имбри и Шеклтон обеспечивают дополнительное подтверждение посредством 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 ему, датируясь 215 миллионами лет назад.
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 ледниковый период циклы четвертичного оледенения за последний миллион лет приходились на период 100000 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 динамика ледникового покрова ). Некоторые модели могут воспроизводить 100000-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, которое поглощает Земля, потому что большая способность южного полушария выращивать 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 утверждали, что продолжительность климатической записи недостаточна чтобы установить статистически значимую взаимосвязь между изменениями климата и эксцентриситетом.
Вариации продолжительности цикла, кривые, полученные из океанических отложений Фактически, от 1 до 3 миллионов лет назад климатические циклы действительно соответствуют 41 000-летнему циклу по наклонной плоскости. Спустя 1 миллион лет назад произошел переход среднего плейстоцена (MPT) с переключением на 100000-летний цикл, соответствующий эксцентриситету. Проблема перехода связана с необходимостью объяснить, что изменилось 1 миллион лет назад. MPT теперь может быть воспроизведен в численном моделировании, которое включает тенденцию к снижению углекислого газа и вызванное ледниковым воздействием удаление реголита.
Даже скважина- Датированные климатические записи за последний миллион лет не совсем соответствуют форме кривой эксцентриситета. Эксцентриситет имеет составные циклы 95 000 и 125 000 лет. Однако некоторые исследователи говорят, что записи не показывают этих пиков, а показывают только один цикл в 100000 лет.
Глубоководные образцы керна показывают, что межледниковый интервал известен as морской изотопный этап 5 начался 130 000 лет назад. Это за 10 000 лет до солнечного воздействия, которое предсказывает гипотеза Миланковича. (Это также известно как проблема причинно-следственной связи, потому что эффект предшествует предполагаемой причине.)
420 000 лет по данным ледовых кернов с Восток, Антарктида исследовательской станции, с более поздним временем слева Физические свидетельства показывают, что изменение климата Земли намного более экстремально, чем изменение интенсивности солнечного излучения, рассчитываемое по мере изменения орбиты Земли. Если орбитальное воздействие вызывает изменение климата, наука должна объяснить, почему наблюдаемый эффект усиливается вне линейной зависимости от теоретической причины.
Некоторые климатические системы демонстрируют усиление (положительная обратная связь ), а другие - демпфирующие реакции (отрицательная обратная связь ). В качестве иллюстрации, если бы во время ледникового периода северные массивы суши были покрыты круглогодичным льдом, солнечная энергия отражалась бы, противодействуя возможному эффекту потепления от орбитального воздействия и продлевая ледниковый период.
Текущее наклонение орбиты Земли составляет 1,57 ° (см. выше). В настоящее время Земля движется через неизменную плоскость около 9 января и 9 июля. В это время наблюдается увеличение числа метеоров и серебристых облаков. Если это происходит из-за того, что в неизменной плоскости находится диск из пыли и обломков, тогда, когда наклонение орбиты Земли около 0 ° и она движется сквозь эту пыль, материалы могут аккрецироваться в атмосферу. Этот процесс может объяснить узость 100000-летнего климатического цикла.
Прошлая и будущая среднесуточная инсоляция на верхних слоях атмосферы в день летнего солнцестояния при температуре 65 ° Северная широта. Зеленая кривая имеет эксцентриситет e, гипотетически установленный на 0. Красная кривая использует фактическое (прогнозируемое) значение e. Синяя точка - текущие условия в 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, с помощью которого орбитальное воздействие влияние климата не однозначно; и неорбитальные эффекты могут иметь значение (например, воздействие человека на окружающую среду в основном увеличивает парниковые газы, что приводит к потеплению климата).
Часто цитируемая орбитальная модель 1980 г., созданная 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 ° северной широты в течение следующих 25000 лет. Орбита Земли станет менее эксцентричной примерно в следующие 100 000 лет, поэтому изменения в этой инсоляции будут зависеть от изменений наклона и не должны уменьшаться настолько, чтобы допустить новый ледниковый период в следующие 50 000 лет.
Другие тела в Солнечной системе претерпевают орбитальные колебания, подобные циклам Миланковича. Любые геологические эффекты не будут столь выражены, как изменение климата на Земле, но могут вызвать движение элементов в твердом состоянии.
Марс не имеет 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.
спутник Сатурна Титан имеет цикл около 60 000 лет, который может изменить местоположение метановых озер. Спутник Нептуна Тритон имеет разновидность, похожую на луну Титана, из-за которой твердые азотные отложения могут перемещаться в долгосрочных масштабах.
Ученые Используя компьютерные модели для изучения экстремальных осевых наклонов, мы 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, существуют 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.
СМИ, связанные с циклами Миланковича на Wikimedia Commons
циклы Миланковича в Wikibooks
