Cykle orbitalne Milankovićia

Trzy cykle orbitalne Ziemi – precesja, nachylenie osi i mimośród – odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu długoterminowych zmian klimatu, w tym cykli glacjalno-interglacjalnych. Ich odkrycie przez Milutina Milankovićia w latach 30.–40. XX wieku pozwoliło zrozumieć, w jaki sposób promieniowanie słoneczne oraz interakcje z gazami cieplarnianymi sterują ociepleniami i zlodowaceniami na naszej planecie. Dziś jednak naturalne rytmy orbitalne zostały znacząco zakłócone przez działalność człowieka.

Ziemia w kosmosie cały czas obraca się i wiruje. Jej oś powoli kiwa się, zataczając stożek w przestrzeni, i w cyklu trwającym prawie 26 tysięcy lat decyduje, kiedy lato czy zima przyjdą na północną półkulę. Jej nachylenie zmienia się co 41 tysięcy lat, pochylając lub prostując planetę w stosunku do orbity. Następnie, kierując ją promieniami Słońca na lodowce i oceany, i sprawiając, że topnieją lub przyrastają. Orbita, choć wydaje się stała, wcale taka nie jest. Co 400 tysięcy lat zmienia kształt od eliptycznego do prawie kołowego. I w ten sposób zapowiada nadejście epok lodowych (glacjałów) i ociepleń (interglacjałów). Klasyczne obserwacje potwierdzające te cykle, m.in. analiza spektralna rdzeni oceanicznych Haysa, Imbrie i Shackletona (1976), wykazały z niezwykłą precyzją obecność sygnałów 23-, 41- i 100-tysięcznych. Był to przełom w paleoklimatologii.

W tym wielkim globalnym naturalnym eksperymencie udział biorą też oceany i gazy cieplarniane. Wzmacniają lub łagodzą efekty kosmicznego rytmu. I choć od tysiącleci Ziemia podążała tymi naturalnymi ścieżkami, człowiek dziś poważnie zakłócił jej rytm. Emisje gazów cieplarnianych, do których przyczynia się od ponad dwóch stuleci, przyspieszają ocieplenie i hamują co najmniej na 50 tysięcy lat nadejście kolejnej epoki lodowcowej.

Słowo wstępne na temat orbitalnych cykli Milankovićia

Twórcą trzech cykli orbitalnych był w latach 30-40 XX w. serbski matematyk, astronom i geofizyk Milutin Milanković (Milutin Milanković, 1941). Odkrycie ich miało niebagatelne znaczenie w poznawaniu mechanizmu sterującego naszym klimatem ziemskim. Dzięki nim również poznano dokładniej naturę cykli glacjalno-interglacjalnych oraz niebagatelne znaczenie gazów cieplarnianych odgrywających zasadniczą rolę w systemie klimatycznym Ziemi.

Współczesne rekonstrukcje globalne – takie jak słynny LR04 stack (Lisiecki & Raymo, 2005) – potwierdzają ścisłe dopasowanie zapisów δ¹⁸O do zmian orbitalnych.

W okresach zlodowaceń dwutlenek węgla był masowo pochłaniany w chłodnych wodach oceanów gdzie bardzo łatwo się rozpuszczał zmniejszając jeszcze bardziej swój udział w ocieplaniu Ziemi. Gdy jednak następowały okresy czasowe topnienia lądolodów oraz lodu morskiego w Arktyce i w Antarktyce, dwutlenek węgla z powrotem masowo trafiał do atmosfery, coraz silniej ją podgrzewając (George H. Denton et al., 2010) (Jeremy D. Shakun et al., 2012). Wynik ten jest spójny z wcześniejszymi analizami orbitalno-klimatycznymi Johna Imbrie & Johna Z. Imbrie (1979).

Precesja, czyli wykonywanie przez oś Ziemi ruchu po powierzchni bocznej stożka o wierzchołku w środku Ziemi w cyklu trwającym 25 700 lat

Ziemia jest obecnie optymalnie najbliżej Słońca zimą, a najdalej latem. Przesilenie zimowe jest 21 grudnia, a przesilenie letnie 22 czerwca. Skoro rok platoniczny trwa 25 700 tysięcy lat, łatwo wyciągnąć wnioski, że około 12 850 lat temu, kiedy zbliżał się schyłek plejstocenu i epoki glacjalnej wurm, było zupełnie na odwrót. Ziemia była najbliżej Słońca latem, a najdalej zimą. Podobnie będzie od dziś za kolejne około 12 850 lat.

Co to oznacza?! No właśnie. Jest to bardzo skomplikowane, gdyż na ten jeden z cykli orbitalnych, zwany precesją, dookoła naszej gwiazdy Słońca, nakładają się jeszcze dwa dodatkowe cykle orbitalne: nutacja i mimośród. Należy o tym pamiętać, że normalnie okrążenie Ziemi wokół Słońca trwa 365 dni lub co 4 lata 366 dni. Dlatego, że w miesiącu lutym co 4 lata mamy 29 dni, a nie 28. Zanim powiemy sobie o dwóch wspomnianych cyklach, krótkie wyjaśnienie, o co chodzi z tą precesją?! Otóż przez 25 771,5 lat oś obrotu Ziemi obraca się wokół pewnego kierunku w przestrzeni kosmicznej zakreślając powierzchnię boczną stożka o wierzchołku w środku Ziemi. Jest to w pewnym sensie obracanie się osi Ziemi, niczym żyroskop lub bąk dziecięcy, na niebie wokół 12 znaków zodiakalnych (tyle ile jest miesięcy w roku). I prawdopodobnie każdy taki zodiakalny czas trwa około 2147 lat. Obecnie od co najmniej 2 czy 3 tysięcy lat Ziemia jest najbliżej Gwiazdy Polarnej (Polaris). Około 3000 lat p.n.e. gwiazda Thuban w konstelacji Draco była na miejscu dzisiejszej gwiazdy Polarnej. Za około 3200 lat gwiazda Gamma Cephei w konstelacji Cefeusza zastąpi dzisiejszą Polaris na niebie północnym, która po raz kolejny stanie się najbardziej jasno świecącą gwiazdą na półkuli północnej za około 27 800 lat (James D. Hays & John Imbrie & Nicholas J. Shackleton, 1976) (John Imbrie & Katherine Palmer Imbrie, 1979).

Nachylenie osi Ziemi względem płaszczyzny orbity Ziemi w cyklu trwającym 41 tysięcy lat

Kolejny cykl – nachylenie osi Ziemi jest bardzo skomplikowany, bo też decyduje on o tym, kiedy Ziemia bardziej ociepla się, a kiedy ochładza. A trwa on, tam i z powrotem – 41 tysięcy lat. W holocenie najwięcej promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi zaczęło opadać około 9 tysięcy lat temu. Arktyka w porze letniej była wówczas coraz silniej zwrócona ku Słońcu. Lądolody: Laurentyński z Ameryki Północnej, Skandynawski z Europy i Tajmyrski z syberyjskiej Azji już zaczęły wycofywać się na północ w kierunku bieguna północnego.

Dzięki znacznie zmniejszonemu albedo, czyli pochłanianiu tychże promieni słonecznych przez odsłaniany Ocean Arktyczny, Około 9,8 tysięcy lat temu Słońce mocno podgrzewało Ziemię pod wpływem wymuszenia orbitalnego. Był to okres tzw. optimum holoceńskiego. Panował wówczas bardzo ciepły okres atlantycki. 9 tysięcy lat temu maksymalny kąt nachylenia osi planety wynosił około 24,5 stopnia. I od tamtej pory powoli przez tysiąclecia spada cały czas do dzisiaj.

W obecnych czasach nie osiągnął jeszcze połowy spadkowej. Wynosi 23,4 stopnia. Dopiero za nie całe 12 tysięcy lat nachylenie osi Ziemi będzie najniższe. Wyniesie wówczas 22,1 stopnia. I z powrotem wtedy ono będzie wzrastać. Aż za około 21 tysięcy lat osiągnie swoje maksimum i z powrotem zacznie spadać. I tak dalej, i tak dalej.

Ten trend spadkowy często korelował się w normalnych cyklach, gdy kończył się przedostatni interglacjał eem 115 tysięcy lat temu (trwał on przez 15 tysięcy lat), i zaczynał się kolejny glacjał wurm, który trwał do około 11,7 tysięcy lat temu. Niestety my ten proces na długo zaburzyliśmy poprzez antropogeniczne emisje gazów cieplarnianych do atmosfery i oceanów. Dlatego też kolejnej epoki lodowcowej na bardzo długie tysiąclecia nie będzie.

Współczesne obliczenia orbitalne (André Berger, 1978; André Berger & Maria-France Loutre 1991) pozwalają rekonstruować zmiany insolacji w cyklu 41-tysięcznym z bardzo dużą dokładnością, co jednoznacznie potwierdza kluczową rolę nachylenia osi w sterowaniu intensywnością sezonów i dynamiką lądolodów.

Mimośród (ekscentryczność), czyli proces niewielkich wahań odbywających się czterokrotnie w okresie około 400 tysięcy lat

Ostatni cykl Milankovicia jest bardzo słabo zbadany. Jest to mimośród lub ekscentryczność. Polega on na wydłużaniu się i kurczeniu orbity naszej planety co około 400 tysięcy lat. Jest to proces niewielkich wahań odbywających się cztery razy w tymże okresie czasu. Zrozumienie jego jest mocno skomplikowane. Gdyż kiedy orbita Ziemi miała kształt bardziej eliptyczny zwiastowało to w przeszłości plejstoceńskiej nadejściem kolejnego interglacjału, czyli ocieplenia i wycofywania się lądolodów z Ameryki Północnej, Europy i Azji. A kiedy robiła się bardziej kołowata świadczyło to o zbliżającym się glacjale, czyli ochłodzeniu zwiastującym pokrycie Ameryki Północnej, Europy i Syberii w Azji rozległymi lądolodami. Ale i tak do końca nie jest to jasne. Dlatego chociażby, że glacjały i interglacjały trwały różnie czasowo. Ale 400 tysięcy lat nie trwał żaden okres przed nadejściem kolejnego glacjału czy interglacjału.

Rysunek. Trzy główne zmiany orbitalne. Od lewej do prawej: Mimośród: zmiany kształtu orbity Ziemi. Nutacja: zmiany nachylenia osi Ziemi. Precesja: zmiany kierunku osi Ziemi. (źródło)

 

W każdym razie 115 tysięcy lat temu, gdy kończył się eem (interglacjał), a zaczynał się wurm (glacjał), to orbita była bardziej eliptyczna niż kiedy kończył się 12 tysięcy lat temu wurm, a zaczynał się nasz interglacjalny holocen. A dziś orbita Ziemi jest jeszcze bardziej kołowata, a mimo wszystko pohamowaliśmy inwazję kolejnej epoki lodowcowej. Pohamowaliśmy jej nadejście poprzez nasze zmasowane emisje dwutlenku węgla, metanu, podtlenku azotu i różnego rodzaju gazów przemysłowych, takich jak freony, do atmosfery (A UNEP Synthesis Report, 2015).

Ponadto, również oceany zaabsorbowały dodatkowe ilości CO₂. Dlatego te największe zbiorniki wodne na Ziemi są coraz silniej zakwaszane. Orbita Ziemi jest coraz bardziej kołowata, ale zamiast w sposób naturalny klimat się ochładzać, to on coraz intensywniej ociepla się. Właśnie tylko dzięki nam i dzięki naszej przemysłowo-konsumpcyjnej działalności.

Najdokładniejsze dostępne dziś obliczenia zmian orbity Ziemi pochodzą z pełnych numerycznych rozwiązań Laskara i współpracowników (Laskar et al., 2004). Umożliwiają one śledzenie drobnych zmian ekscentryczności na przestrzeni milionów lat, co pozwala lepiej interpretować zapis glacjałów i interglacjałów.

Referencje:

Marcin Popkiewicz, 2013 ; Mit: To ocieplenie powoduje wzrost koncentracji CO2 a nie na odwrót ; Nauka o klimacie ; http://naukaoklimacie.pl/fakty-i-mity/mit-to-ocieplenie-powoduje-wzrost-koncentracji-co2-a-nie-na-odwrot-6

Milutin Milanković, 1941 ; Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem ; Königlich Serbische Akademie [w:] Scientific Research ; https://www.scirp.org/reference/referencespapers?referenceid=354750 

James D. Hays, John Z. Imbrie & Nicholas J. Shackleton, N. J., 1976 ; Variations in the Earth’s orbit: Pacemaker of the ice ages ; Science, 194, 1121–1132 ; https://www.whoi.edu/cms/files/hays76sci_268464.pdf

Lorraine E. Lisiecki & Maureen E. Raymo, 2005 ; A Pliocene–Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records ; Paleoceanography, 20, PA1003 ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2004pa001071

George H. Denton, 2010 ; The Last Glacial Termination ; Science ; https://www.science.org/doi/10.1126/science.1184119

Jeremy D. Shakun, 2012 ; Global Warming Preceded by Increasing Carbon Dioxide Concentrations During the Last Deglaciation ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature10915

John Imbrie & John Z. Imbrie, 1979 ; Modeling the Climatic Response to Orbital Variations ; American Association for the Advancement of Science ; https://www.whoi.edu/cms/files/imbrie80sci_53864.pdf

John Imbrie & Katherine Palmer Imbrie, 1979 ; Ice Ages: Solving the Mystery ; Harvard University Press. ; https://www.hup.harvard.edu/books/9780674440753

André Berger, 1978 ; Long-term variations of daily insolation and Quaternary climatic changes ; Journal of Atmospheric Sciences, 35(12), 2362–2367 ; https://www.researchgate.net/publication/234416925_Long-Term_Variations_of_Daily_Insolation_and_Quaternary_Climatic_Changes

André Berger & Maria-France Loutre, 1991 ; Insolation values for the climate of the last 10 million years. Quaternary Science Reviews, 10, 297–317 ; https://www.scirp.org/reference/referencespapers?referenceid=3809797

A UNEP Synthesis Report, 2015 ; The Emissions Gap Report 2015 ; UNEP ; https://wesr.unep.org/media/docs/theme/13/EGR_2015_301115_lores.pdf

Jacques Laskar, J. et al., 2004). A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth. Astronomy & Astrophysics, 428, 261–285 ; https://hal.science/hal-03729629/file/aa1335.pdf