Cicles de Milanković

Milutin Milanković , creador de la teoria astronòmica dels cicles orbitals

Els cicles de Milanković són els efectes col·lectius de les variacions cícliques dels paràmetres orbitals de la Terra sobre el seu clima . Porten el nom de l’ enginyer civil i matemàtic serbi Milutin Milanković .

L' excentricitat orbital , la inclinació axial i la precessió de l' òrbita de la Terra varien periòdicament i donen lloc, quan els seus efectes estan en fase, a les glaciacions ^[1] cada 100.000 anys durant l' era glacial quaternària . L' eix de la Terra completa un cicle de precessió cada 26.000 anys i l'òrbita el·líptica gira un cicle cada 22.000 anys . A més, l'angle entre l' eix terrestre i el normal del pla orbital varia cíclicament entre 22,5 ° i 24,5 °, amb un període de 41.000 anys .

La teoria de Milanković sobre el canvi climàtic, però, encara no s'ha perfeccionat; en particular, la resposta climàtica més gran es refereix a una escala de temps de 400.000 anys , però els efectes sobre aquests períodes, pel que fa a les glaciacions, són aparentment lleus i no concorden amb les previsions. Per justificar aquesta discrepància, diversos fenòmens s'anomenen en qüestió, en relació amb el diòxid de carboni present en l'aire o a la dinàmica de la inlandsis .

Joseph Adhemar , James Croll i altres han avançat teories similars, però la verificació experimental es fa difícil per la manca d’evidències fiables de datació, així com per la perplexitat sobre quins períodes s’han de considerar a les enquestes. Tanmateix, la teoria no hauria assolit el seu estat actual, excepte gràcies a la investigació sobre sediments oceànics per mitjà de carenatges de Jim Hays , John Imbrie i Nicholas Shackleton, que van publicar els seus resultats a Science el 1976 ^[2] .

Moviments de terra

A més dels moviments de rotació i revolució , el moviment de la Terra està subjecte a algunes variacions pseudo-periòdiques. Tot i que els gràfics resultants s’originen a partir d’un gran nombre de sinusoides , alguns components són evidentment dominants. Milanković va estudiar les variacions d’excentricitat, obliqüitat i precessió en els moviments de la terra. Alguns canvis en el moviment i l'orientació modifiquen la quantitat de radiació solar que arriba a la Terra, així com la seva distribució a la superfície terrestre. Aquest fenomen s’anomena forçament solar o forçament solar (un tipus de forçament radiatiu ). Les variacions a les zones properes a la zona polar nord es consideren importants a causa de la gran extensió de terra, que reacciona més ràpidament que els oceans a les variacions de la radiació solar.

Geometria de l'òrbita

Orrbita circular, sense excentricitat

Bitrbita amb excentricitat 0,5

L’òrbita terrestre és una el·lipse . L’excentricitat orbital és una mesura de la forma el·líptica respecte d’una òrbita circular . La forma de l'òrbita terrestre varia des de gairebé circular (baixa excentricitat: 0,005) fins a bastant el·líptica (alta excentricitat: 0,058) i té una excentricitat mitjana de 0,028. El component més gran d’aquestes variacions (± 0,012) té un període de 413.000 anys . Altres components varien amb períodes de 95.000 i 136.000 anys , combinant-se aproximadament entre -0,03 i +0,02 amb un cicle de 100.000 anys . L’excentricitat actual és de 0,017.

Si la Terra fos l’únic planeta que orbita al voltant del Sol , l’excentricitat de l’òrbita amb el pas del temps no variaria. La principal causa de la variació és, de fet, la interacció amb els camps gravitatoris de Júpiter i Saturn , els dos planetes més massius del sistema solar . Tanmateix, l’ eix semi-major de l’el·lipse orbital es manté inalterat a mesura que varia l’excentricitat. Des del punt de vista de la teoria de la pertorbació utilitzada en la mecànica celeste per predir l’evolució de l’òrbita, l’eix semimajor és un invariant adiabàtic . Segons la tercera llei de Kepler , el període de l'òrbita està determinat per l'eix semi-major, per tant l'any anomalístic, és a dir, el període orbital de la Terra (que és lleugerament més llarg que l' any sideral a causa de la precessió anomalística ), també és invariant a mesura que canvia l’òrbita.

Amb l’excentricitat actual, la diferència entre les distàncies Terra-Sol al periheli (el punt de l’òrbita més propera al sol) i a l’ afeli (el punt de l’òrbita més allunyada del sol) és del 3,4% (5,1 milions de quilòmetres ). Aquesta diferència provoca un augment del 6,8% de la radiació solar que arriba a la Terra. Actualment, el periheli es produeix cap al 3 de gener, mentre que l’afeli cap al 4 de juliol. Quan l’òrbita té la màxima excentricitat, la quantitat de radiació solar al periheli és aproximadament un 23% més gran que a l’afeli. La diferència és aproximadament 4 vegades el valor de l’excentricitat.

La mecànica orbital implica que la durada de les estacions és proporcional a les àrees dels quadrants estacionals. En conseqüència, quan l’excentricitat és màxima, les estacions que es produeixen al costat de l’òrbita més allunyada del Sol poden ser significativament més llargues. Quan cauen la tardor i l’ hivern a mesura que la Terra està més a prop del sol, com passa actualment a l’ hemisferi nord , es mou a la seva velocitat màxima, de manera que aquestes dues estacions són una mica més curtes que la primavera i l’ estiu . Actualment, a l’hemisferi nord, l’estiu fa 4,66 dies més que l’hivern, mentre que la primavera és 2,9 dies més que la tardor. ^[3]

Inclinació axial

El mateix tema en detall: Inclinació axial .

Rang de variació de la inclinació de l'eix: 22,1-24,5º

La inclinació axial (inclinació de l' eix terrestre respecte a la perpendicular al pla de l' òrbita ) està subjecta a oscil·lacions en un camp de 2,4º d'amplitud. Les variacions de la inclinació són aproximadament periòdiques, amb un període aproximat de 40.000 anys . A mesura que augmenta la obliqüitat, augmenta l’amplitud del cicle d’ insolació estacional, amb un augment del flux radiatiu als estius dels dos hemisferis i una disminució respectiva dels hiverns. Com a resultat, els estius són més càlids i els hiverns més freds.

Tot i això, aquestes dues variacions de signe contrari no tenen la mateixa entitat. La insolació mitjana anual augmenta a latituds elevades amb l’obligatorietat creixent, mentre que a latituds més baixes la insolació disminueix. Es suposa que els estius més freds afavoreixen l’aparició d’una era glacial, ja que es fonen relativament menys del gel i la neu que resten de l’hivern anterior. Els hiverns més càlids, en canvi, permeten una major nevada i, per tant, un augment de les masses de gel. La combinació d'aquests dos efectes condueix a la hipòtesi que, per tant, una menor obliqüitat afavoreix el començament d'una era glacial.

Actualment, l'eix de la Terra està inclinat en 23,44º respecte a la perpendicular al pla orbital, aproximadament al mig entre els extrems del rang de variació.

Precessió

Mateix tema en detall: Precessió dels equinoccis .

Moviment de precessió.

La precessió dels equinoccis és el canvi en la direcció de l'eix de la Terra mesurat respecte a les estrelles fixes en els períodes en què periheli i es produeixen afeli . La Terra passa per un cicle de precessió complet en uns 21.000 anys . Hi ha dos efectes que contribueixen a determinar aquest període de temps: primer, el mateix eix terrestre gira al voltant d’una línia perpendicular al pla orbital, amb un període d’uns 26.000 anys . Aquest moviment giroscòpic és causat per les forces de marea exercides, amb efectes gairebé equivalents, pel Sol i la Lluna a la terra i s’associa al fet que la Terra no és una esfera perfecta, sinó que té una protuberància a l’ equador ; a més, l’ el·lipse orbital està subjecta a precessió, principalment a causa d’interaccions amb Júpiter i Saturn . La precessió orbital es produeix en sentit contrari al moviment giroscòpic de l’eix de rotació, escurçant el període de precessió dels equinoccis, respecte al periheli, de 26.000 a 21.000 anys .

Quan l'eix s'orienta a apuntar cap al Sol al periheli, un hemisferi tindrà una diferència climàtica més gran entre les estacions, mentre que l'altre tindrà estacions mútuament més suaus. L’hemisferi on cau el periheli a l’estiu rebrà una bona quantitat de l’increment corresponent de la radiació solar, però, en conseqüència, estarà a l’afeli durant la temporada d’hivern, tenint així un hivern més fred. L’altre hemisferi tindrà un hivern relativament més càlid i un estiu més fresc.

Quan l’eix terrestre s’alinea de manera que els equinoccis caiguin prop de l’afeli i el periheli, els dos hemisferis presentaran diferències climàtiques similars entre les estacions.

Actualment, la transició al periheli es produeix durant l'estiu de l' hemisferi sud , que a l'afeli durant l'hivern. El contrari és cert per a l’ hemisferi nord . Per tant, l’hemisferi sud tendeix a tenir estacions més extremes que l’hemisferi nord, sent tots els altres factors iguals.

Inclinació orbital

La inclinació orbital de la Terra mesurada respecte a un pla de referència (per exemple, el pla equatorial del Sol) està subjecta a oscil·lacions periòdiques. No obstant això, Milanković no va estudiar aquest moviment tridimensional.

Investigadors més recents van notar aquesta variació i van observar que l'òrbita es mou en relació amb les òrbites dels altres planetes. El pla invariable , el pla que representa el moment angular del sistema solar , és aproximadament equivalent al pla orbital de Júpiter . La inclinació de l'òrbita terrestre respecte al pla invariant oscil·la amb un període de 100.000 anys , gairebé coincidint amb el cicle de les glaciacions.

S'ha especulat que hi ha un disc de pols i altres residus al pla invariant, que afecta el clima de la Terra de diverses maneres. Actualment, la Terra travessa aquest pla al voltant del 9 de gener i del 9 de juliol, quan hi ha un augment dels meteors detectats pel radar i dels núvols noctilucents relacionats amb ells. ^{[4] [5]}

Problemes

Atès que s’ha observat que les periodicitats del canvi climàtic coincideixen amb els períodes de moviment orbital, aquestes teories són àmpliament recolzades. No obstant això, hi ha algunes discrepàncies entre les prediccions i les observacions experimentals .

Problema de 100.000 anys

El mateix tema en detall: problema de cent mil anys .

El problema de 100.000 anys és que les variacions en l’excentricitat orbital tenen un impacte significativament menor sobre el forçament solar que la precessió i la inclinació axial i, com a conseqüència, s’hauria de produir els efectes mínims. Tot i això, les observacions mostren que durant els darrers milions d’anys, el senyal climàtic més gran és el cicle de 100.000 anys. A més, tot i ser una escala de temps relativament gran, alguns han argumentat que la durada del període és insuficient per establir una relació estadísticament significativa entre els canvis climàtics i d'excentricitat. ^{[6] No obstant això,} alguns models poden reproduir cicles de 100.000 anys com a resultat d'interaccions no lineals entre lleugeres variacions en l'òrbita de la Terra i oscil·lacions internes del sistema climàtic. ^{[7] [8]}

Problema de 400.000 anys

El problema de 400.000 anys és que les variacions en l’excentricitat es caracteritzen per un cicle de 400.000 anys de magnitud considerable. Aquest cicle només està present en registres climàtics anteriors als darrers milions d’anys. Com que les variacions de més de 100.000 anys tenen un efecte tan gran, també s’esperarien variacions de més de 400.000 anys. Aquesta discrepància també es coneix com el problema de l’etapa 11 , ja que el període interglacial de l’isòtop marí no és l’ etapa 11. el cicle d’excentricitat de l’any va tenir un impacte significatiu sobre el clima. L’absència relativa d’aquesta periodicitat als registres d’isòtops marins pot ser causada, almenys en part, pels temps de resposta dels components implicats en el sistema climàtic, en particular el cicle del carboni .

Problema de la fase 5

El problema de l' etapa 5 es refereix al període del penúltim període interglacial (a l'etapa 5 dels isòtops marins ) que sembla haver començat 10 mil anys abans que el forçament solar que se suposa que va ser la causa. També s’anomena problema de causalitat .

Efectes excessius en relació amb les causes

Se suposa que els efectes de les variacions dels moviments terrestres són causats per variacions en la intensitat de la radiació solar distribuïda per les diverses parts del planeta. Les observacions revelen que la resposta climàtica és molt més intensa que les variacions calculades. Se suposa que diverses característiques internes dels sistemes climàtics són sensibles a les variacions d’ insolació , provocant respostes d’ amplificació ( retroalimentació positiva ) i atenuació ( retroalimentació negativa ).

Problema de pic únic

El problema del pic màxim es refereix al fet que l’excentricitat té variacions ben definides a les dues freqüències de 95 i 125 mil anys. Un registre suficientment llarg i fiable de canvis climàtics hauria de ser capaç de determinar ambdues freqüències, però alguns investigadors interpreten els registres climàtics dels darrers milions d’anys produint una única periodicitat màxima de 100.000 anys a partir de l’ espectre . Es pot discutir si la qualitat de les dades existents és suficient o no per determinar ambdues freqüències en els darrers milions d’anys.

El problema de la transició

El problema de la transició fa referència a la variació de les freqüències del canvi climàtic que data d’un milió d’anys enrere. Fa un a tres milions d’anys, el canvi climàtic va seguir una variació dominant que coincidia amb el cicle de 41.000 anys d’inclinació axial. Des de fa un milió d’anys, la variació coincideix amb el cicle de 100.000 anys de l’ oscil·lació de l’excentricitat orbital.

Fins ara no s’ha identificat cap causa d’aquest canvi.

Estat actual

La insolació actual a l’ hemisferi nord a 65º de latitud nord sembla ser compatible amb la corresponent a una neo-glaciació . Segons càlculs astronòmics, s’espera que la insolació estival a 65 ° N augmenti gradualment durant els propers 25.000 anys i no hi haurà cap disminució suficient per provocar una edat glacial durant els propers 50.000 a 100.000 anys .

Com s'ha esmentat anteriorment, actualment el periheli cau a l'estiu de l'hemisferi sud i l'afeli a l'hivern respectiu, per tant les estacions de l'hemisferi sud haurien de ser més extremes que les de l'hemisferi nord.

L’excentricitat relativament baixa de l’òrbita actual provoca una diferència del 6,8% entre la insolació dels dos hemisferis.

Previsions

Atès que les variacions orbitals són previsibles ^[9] , a partir d’un model que relaciona les variacions amb el clima, seria possible predir l’evolució futura del sistema climàtic.

No obstant això, hi ha dos aclariments a fer: primer, el canvi climàtic es produeix durant un període limitat d’anys i, en segon lloc, atès que el mecanisme pel qual el forçament orbital afecta el clima encara no s’entén adequadament, no hi ha un model adequat que expressi els canvis climàtics com funció de les variacions orbitals.

En un estudi molt citat de J. Imbrie i JZ Imbrie, que es remunta al 1980 , es va desenvolupar una teoria segons la qual "ignorant" l'efecte antropogènic i altres possibles fonts de variacions que actuaven a freqüències superiors a un cicle cada 19.000 anys, aquesta El model prediu que el refredament a llarg termini que va començar fa uns 6.000 anys continuarà durant els propers 23.000 anys. ^[10]

Estudis més recents de Berger i Loutre semblen indicar que el clima càlid actual podria durar 50.000 anys més. ^[11]

Nota

Bibliografia

• ( EN ) JC Zachos, M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas, K. Billups. Tendències, ritmes i aberracions en el clima global 65 Ma to Present . Science , 2001, 292, 5517, 686-693. DOI : 10.1126 / science.1059412 - Publicació sobre cicles a gran escala i canvis en el clima global durant el Cenozoic .
• ( EN ) JC Zachos, NJ Shackleton, JS Revenaugh, H. Palike, BP Flower. Resposta climàtica al forçament orbital a través de la frontera oligocè-miocè . Science , 2001, 292, 5515, 274-278. DOI : 10.1126 / science.1058288 - Publicació que tracta de la influència dels cicles de Milankovitch en les variacions climàtiques de l’ Oligocè final i del Miocè inicial (fa uns 20-25 milions d’anys).
• ( EN ) Erik Tuenter. Modelització de variacions induïdes per l’orbital en el clima circummediterrani - Tesi doctoral sobre els cicles de Milankovitch, amb descripció de la influència indirecta de les variacions orbitals sobre la precipitació i altres factors climàtics. Utilitza els resultats obtinguts de dipòsits geològics i simulacions climàtiques, centrant-se en la regió mediterrània .

Articles relacionats

• Excentricitat orbital
• L'edat de gel
• Glaciació
• Inclinació axial
• Milutin Milanković
• Precessió
• Precessió dels equinoccis
• Teoria astronòmica de les glaciacions

Altres projectes

• Wikimedia Commons conté imatges o altres fitxers sobre els cicles de Milanković

Enllaços externs

• ( EN ) Milanković Band , a agu.org .
• ( EN ) Història de l'adopció de les teories de Milanković. , a muller.lbl.gov .
• ( EN ) Estudi en profunditat de la inclinació orbital i els patrons climàtics. , a muller.lbl.gov .
• Gràfic de variació d’insolació. : es noten clarament els cicles de 20.000, 50.000, 100.000 i 400.000 anys.
• ( EN ) On the Shoulders of Giants - Milutin Milankovitch - Biografia de Milanković i història dels seus descobriments.
• ( EN ) Estacions i òrbita de la Terra , a aa.usno.navy.mil . Consultat el 24 de febrer de 2007 (arxivat de l' original el 28 de febrer de 2007) .
• ( EN ) Recopilació de dades NOAA dels EUA sobre forçament climàtic , a ncdc.noaa.gov .
• ( EN ) Simulacions orbitals de Varadi, Ghil i Runnegar (2003) , a astrobiology.ucla.edu . Consultat el 23 de febrer de 2006 (arxivat de l' original el 10 de febrer de 2006) .

Portal d’Astronomia

Portal de meteorologia