Milankovićin syklit: Maan kiertoradan ja akselin vaikutus ilmastoon

Tutustu Milankovićin sykleihin: miten Maan radan ja akselin muutokset ohjaavat jääkausia ja ilmaston pitkän aikavälin vaihtelua — selkeä katsaus tieteeseen ja vaikutuksiin.

Milankovitsin syklit ovat pieniä, hitaita mutta säännöllisiä muutoksia Maan kiertoradassa Auringon ympäri ja Maan akselin kallistuksessa.

Dynamiikka on monimutkaista. Muutokset vaikuttavat "auringonvaloon" (maapallon osiin osuva auringonvalo). Tämä johtaa ilmaston vaihteluun maapallolla noin 21 000, 41 000, 100 000 ja 400 000 vuoden välein. Koko tätä alaa tutkitaan edelleen aktiivisesti.

Sovelletun matematiikan avulla Milanković ennusti, että Maan kiertoradan eksentrisyyden, aksiaalisen kallistuksen ja prekession vaihtelut aiheuttavat maapallon ilmastomalleja.

Samanlaisia tähtitieteellisiä teorioita olivat esittäneet 1800-luvulla Joseph Adhemar, James Croll ja muut. Aluksi ei kuitenkaan ollut luotettavia päivättyjä todisteita. Kysymys ratkaistiin vasta, kun syvänmeren ydinkerrostumista otettiin näytteitä ja Science-lehdessä julkaistiin artikkeli vuonna 1976.

Miten syklit vaikuttavat ilmastoon?

Milankovićin syklit eivät muuta Auringon kokonaisenergiaa merkittävästi, vaan muuttavat sitä, miten ja milloin energia jakaantuu maapallon pinnalle. Tärkein vaikutus on vuodenaikaisten ja leveysasteiden välisen auringonvalon jakautumisen muuttuminen — erityisesti napaseutujen kesäsäteilyn vaihtelu vaikuttaa mannerjäätiköiden kasvuun tai sulamiseen.

• Eksentrisyys (Maan radan soikeus): vaihtelee helmi- ja miljoonien vuosien aikaskaaloilla, pääsykliä noin 100 000 vuotta ja pidempi 400 000 vuoden komponentti. Eksentrisyyden muutokset säätävät kuinka eroavat Auringon etäisyydet perihelissä ja aphelissä ovat, ja siten vaikuttavat kausittaiseen säteilyn voimakkuuteen.
• Aksiaalinen kallistus eli obliquity: Maan akselin kallistuskulma vaihtelee noin 22,1° ja 24,5° välillä, pääsykli noin 41 000 vuotta. Suurempi kallistus lisää vuodenaikaista vaihtelua ja vahvistaa kesien lämpenemistä napa-alueilla, mikä voi johtaa jäätiköiden sulamiseen.
• Prekessio: Maan akselin kehräyksen ja radan kiertymisen yhdistetty vaikutus, joka muuttaa vuodenaikojen ajoittumista suhteessa Maan etäisyyteen Auringosta. Prekession pääsykli on noin 21 000 vuotta ja se muuttaa etenkin etelä- ja pohjoispuolen vuodenkierron kausivaihteluiden voimakkuutta.

Ilmastovaikutusten mekanismit ja palautteet

Orbitaalinen muuttelu käynnistää muutoksia, mutta laajempia ilmaston siirtymiä selittävät mieluummin vahvistavat ja vaimentavat palautteet. Tärkeitä mekanismeja ovat:

• Napajäätiköiden pinta-alan muutokset ja albedon (= heijastavuuden) muutos: enemmän jäätä heijastaa enemmän auringonvaloa ja jäähdyttää ilmastoa edelleen.
• Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden vaihtelu: jääkausien aikana CO2 yleensä laskee, mikä vahvistaa jäätymistä; interglasiaalien aikana CO2 nousee ja lämmittää.
• Merenkierto ja lämpötilan muutokset: lämpötilan ja jääpeitteen muutokset vaikuttavat merivirtoihin, jotka puolestaan muuttavat alueellista ilmakehää.

Todisteet ja tutkimuksen kehitys

Milankovićin teoreettinen työ odotti pitkään empiiristä vahvistusta. 1970-luvulla syvämerestä porattujen kerrostumien ja niiden oksidimäärä-profiilien (esimerkiksi hapen isotooppisuhteet) analyysi osoitti rytmityksen, joka vastasi odotettuja astronomisia periodeja. Tätä työtä popularisoi ja vahvisti muun muassa vuoden 1976 Science-lehden artikkeli.

Myöhemmät tutkimukset ovat yhdistäneet merikerrokset, jääkairanäytteet ja maannäytteet osoittaen, että useimmat viimeisimmistä jääkaus–interglasiaalisyklin vaihteluista korreloivat orbitalisten mallien kanssa. Kuitenkin kokonaistulkinta edellyttää palautteiden ja sisäisten ilmastomekanismien huomioimista (esim. hiilidioksidin rooli).

Rajoitukset ja avoimet kysymykset

• 100 000 vuoden ongelma: Viimeaikaisten jääkaus–interglasiaalien vuorottelu seuraa voimakkaasti ~100 000 vuoden sykliä, vaikka eksentrisyyden aiheuttama suora säteilymuutos on verrattain pieni. Tämä viittaa siihen, että sisäiset ilmastopalautteet vahvistavat orbitalista signaalia.
• Orbitallinen pakote selittää pitkän aikaskaalan rytmit, mutta yksityiskohdat ja nopeammat muutokset vaativat ihmisen ja luonnon vuorovaikutuksen sekä muiden tekijöiden (esim. vulkanismi, merivirtojen hidas vaihtelu) huomioon ottamista.

Nykyinen merkitys

Vaikka Milankovićin syklit vaikuttavat maapallon ilmastoon suurilla, pitkän aikavälin aikaskaaloilla, niiden nykyinen vaikutus on hyvin hidasta. Nykyinen orbitalinen kehitys ei selitä 1900–, 2000-luvun nopeaa lämpenemistä: ihmisen aikaansaamat kasvihuonekaasupäästöt ovat paljon voimakkaampi ja nopeampi pakote nykyaikaisen ilmastonmuutoksen taustalla.

Yhteenveto: Milankovićin syklit selittävät osa maapallon pitkän aikavälin ilmastonvaihteluista ja erityisesti jääkausien toistumista. Ne toimivat yhdessä ilmaston sisäisten palautteiden (esim. albedo, CO2) kanssa, ja niiden ymmärtäminen on tärkeää paleoklimaattisten muutosten tulkitsemiseksi. Tutkimus jatkuu, ja erityisesti syvempien mekanismien ja palautteiden kvantifiointi on aktiivinen tutkimusalue.

Jaksot

kiertoradan muoto (eksentrisyys)

Maan kiertorata on ellipsi. Eksentrisyys mittaa ellipsin poikkeamaa ympyränmuotoisuudesta. Maan kiertoradan muoto vaihtelee ajallisesti lähes ympyränmuotoisen ja lievästi elliptisen välillä.

Aksiaalinen kallistus (vinous)

Maan aksiaalisen kallistuksen kulma vaihtelee ekliptisen tason suhteen, koska muiden planeettojen aiheuttamat häiriöt siirtävät Maan kiertorataa.

Kun vinous kasvaa, kesät saavat molemmilla pallonpuoliskoilla enemmän lämpöä ja valoa auringosta ja talvet vähemmän. Sitä vastoin kun vinous pienenee, kesät saavat vähemmän auringonvaloa ja talvet enemmän. Nämä hitaat 2,4 asteen vinoutuman vaihtelut ovat suunnilleen jaksottaisia. Niissä kestää noin 41 000 vuotta siirtyä 22,1°:n ja 24,5°:n kallistuksen välillä ja takaisin.

Aksiaalinen prekessio

Prekessio on maapallon akselin heilahtelu. Tämä gyroskooppinen liike johtuu vuorovesivoimista, joita aurinko ja kuu kohdistavat kiinteään maapalloon, joka on pallon sijasta pallon muotoinen pallomainen sferoidi. Aurinko ja Kuu vaikuttavat tähän vaikutukseen suunnilleen yhtä paljon. Sen kesto on noin 26 000 vuotta.

Kun akseli osoittaa kohti Aurinkoa, toisella napapiirillä vuodenaikojen väliset erot ovat suuremmat, kun taas toisella napapiirillä vuodenajat ovat leudommat. Periheliossa kesällä oleva pallonpuolisko saa suuren osan auringon säteilyn vastaavasta lisääntymisestä, mutta afeliossa talvella olevalla pallonpuoliskolla on kylmempi talvi. Toisella pallonpuoliskolla on suhteellisesti lämpimämpi talvi ja viileämpi kesä.

Apsidaaliprecessio

Aurinkoa kiertävät planeetat kiertävät elliptisiä (soikeita) kiertoratoja, jotka pyörivät vähitellen ajan myötä (apsidiprekessio).

Lisäksi itse kiertoradan ellipsi prekessoituu avaruudessa, mikä johtuu pääasiassa vuorovaikutuksesta Jupiterin ja Saturnuksen kanssa. Tämä lyhentää päiväntasausten prekessiota 25 771,5 vuodesta ~21 636 vuoteen.

Kiertoradan kaltevuus

Maapallon radan kaltevuus vaihtelee ylös ja alas suhteessa nykyiseen kiertorataan noin 70 000 vuoden jakson ajan. Milankovitch ei tutkinut tätä kolmiulotteista liikettä. Tämä liike tunnetaan nimellä "ekliptikan prekessio" tai "planetaarinen prekessio".

Tutkijat havaitsivat tämän ajautumisen ja myös sen, että rata liikkuu suhteessa muiden planeettojen ratoihin. Muuttumaton taso, taso, joka edustaa Aurinkokunnan kulmamomenttia, on suunnilleen Jupiterin kiertoradan taso. Maapallon radan kaltevuudella on 100 000 vuoden sykli muuttumattomaan tasoon nähden. Tämä on hyvin samanlainen kuin 100 000 vuoden eksentrisyysjakso. Tämä 100 000 vuoden sykli vastaa läheisesti jääkausien 100 000 vuoden kaavaa.

On ehdotettu, että tasossa on pöly- ja muu roskakiekko, joka vaikuttaa maapallon ilmastoon. Maa liikkuu tämän tason läpi tammikuun 9. päivän ja heinäkuun 9. päivän tienoilla, jolloin tutkalla havaitut meteorit ja meteoreihin liittyvät yöpilvet lisääntyvät.

Etelämantereen jääydintä koskevassa tutkimuksessa, jossa käytettiin jäähän jääneiden ilmakuplien happi-typpi-suhteita, pääteltiin, että jääydinten osoittama ilmastovaste johtui pohjoisen pallonpuoliskon auringonpaisteesta, kuten Milankovitch-hypoteesissa esitetään. Tämä on Milankovitsin hypoteesin lisävahvistus suhteellisen uudella menetelmällä. Se ei ole sopusoinnussa 100 000 vuoden sykliä koskevan "kaltevuus"-teorian kanssa.

Apsidiprecession vaikutukset vuodenaikoihin


Näyttää apsidiprecession. Useimmilla Aurinkokunnan kiertoradoilla on paljon pienempi eksentrisyys, joten ne ovat lähes ympyränmuotoisia.

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mikä on Milankovichin sykli?

Kysymys: Kuinka monta ilmaston sykliä maapallolla johtuu Milankovichin sykleistä?

K: Kuka ennusti, että Maan kiertoradan eksentrisyyden, aksiaalisen kallistuksen ja prekession vaihtelut aiheuttavat maapallon ilmastomalleja?

K: Milloin Milankovićin syklejä koskevat tähtitieteelliset teoriat esitettiin ensimmäisen kerran?

K: Mikä oli Milankovitsin syklien ongelma vuoteen 1976 asti?

K: Milloin todisteet Milankovichin sykleistä maapallon ilmastomalleissa saatiin ratkaistua?

K: Onko Milankovitsin syklien tutkimusala edelleen aktiivisen tutkimuksen kohteena?

Hae kirjaimella