Opracowana w dwudziestym wieku teoria, opisująca zmiany nasłonecznienia kuli ziemskiej, tłumaczy cykliczne zmiany klimatu na naszej planecie. Ukazuje ona odpowiedzi na pytania w jaki sposób działają cykle zlodowaceń i wskazuje jakie mogą być zmiany naszego klimatu w skali tysiąca lub kilku tysięcy lat.

W dwudziestym wieku serbski geofizyk Milutin Milankovic wystosował teorię, mówiąc, że cykliczne zmiany mimośrodu orbity ziemskiej, zmiany wartości kąta nachylenia płaszczyzny równika do płaszczyzny ekliptyki oraz precesja osi obrotu mają wpływ na zmiany nasłonecznienia kuli ziemskiej, a co za tym idzie na zmiany klimatu na Ziemi. Teoria miała tłumaczyć cykliczne następowanie po sobie epok zlodowacenia i epok ciepłych. Największy przyrost lądolodu następuje kiedy zimy są dosyć ciepłe i łagodne, co łączy się z dużymi opadami śniegu, a lata chłodne, dzięki czemu nowa warstwa śniegu nie zdąży stopnieć i wyparować. Zmiany nasłonecznienia kuli ziemskiej wpływają znacząco na roczną amplitudę temperatur, a co za tym idzie również na szybkość przyrostu lądolodu.

Zmiany mimośrodu orbity ziemskiej

e=c/a

Mimośród orbity ‘e’ to iloraz odległości między jednym z ognisk i środkiem orbity ‘c’, a półosią wielką ‘a’. Im bardziej wartość mimośrodu orbity jest zbliżona do zera tym bardziej orbita jest kołowa. Ekscentryczność orbity planety wynikają z oddziaływać grawitacyjnych między Ziemią, Jowiszem i Słońcem.  Nasłonecznienie kuli ziemskiej jest zależne jej odległości od Słońca. Ziemia jest najmocniej nasłoneczniona w położeniu najbliższym Słońcu, peryhelium, a najsłabiej w położeniu najdalszym, aphelium. Im bardziej orbita jest kołowa, a co za tym idzie mniejsze są różnice odległości między aphelium i peryhelium, mniejsze są różnice nasłonecznienia i różnice temperatur między aphelium i peryhelium.

Ekscentryczność orbity

Wartości mimośrodu orbity Ziemi waha się między 0.058 a 0.005. Cykl takich zmian trwa ok. 95 tys. lat. Obecnie wartość mimośrodu orbity ziemskiej wynosi e=0.0167. Ta wartość będzie stopniowo maleć, więc orbita będzie się stawała coraz bardziej kołowa, a klimat coraz bardziej łagodny. Powinno to znaleźć swoje odzwierciedlenie w szybszym przyroście pokrywy lodowej za kołem podbiegunowym.

Nutacja

Nutacja jest to zmiana wartości kąta pomiędzy osią obrotu ziemi i biegunem ekliptyki (płaszczyzną równika i płaszczyzną ekliptyki). Te zmiany są spowodowane grawitacyjnymi oddziaływaniami między Ziemia i Księżycem. Im mocniej ziemia jest nachylona do płaszczyzny ekliptyki tym większe są różnice termiczne między skrajnymi porami roku, spowodowane różnicami nasłonecznienia obszarów ziemi. Szczególnie odczuwalne jest to na kole okołobiegunowym, którego zasięg jest w stopniach wynosi 90° – kąt nutacji.

Dla ziemi wartość tego kąta waha się pomiędzy 22,1° a 24,5°, a okres tych zmian to około 41 tys. lat. Obecnie kąt pomiędzy osią obrotu i biegunem ekliptyki to 23° 26′, tak jak w przypadku zmian mimośrodu obserwujemy tendencje malejącą. Zatem różnica temperatur skrajnych pór roku będzie malała, a zasięg koła podbiegunowego będzie większy.

Precesja osi ziemskiej

Precesja to zjawisko związane z ruchem obrotowym bryły sztywnej. Oś obrotu bryły sztywnej zakreśla w przestrzeni powierzchnie boczną stożka, w stronę przeciwną do ruchu obrotowego samej bryły. Taki ruch planety powoduje przesunięcie się punktów przesileń i równonocy. Wiąże się to z oddaleniem punktów przesileń od punktów aphelium i peryhelium. Jeśli koło-podbiegunowe najmocniej nasłonecznione jest punkcie (czas przesilenia letniego), w którym Ziemia znajduje się w peryhelium, a najsłabiej w punkcie (czas przesilenia zimowego), w którym Ziemia znajduje się w aphelium, amplituda roczna temperatur jest wysoka a klimat skrajny.

Obecnie przesilenia zimowe i letnie są stosunkowo blisko punktów odpowiednio peryhelium i aphelium. Co za tym idzie lato na półkuli północnej przypada na okres gdy Ziemia jest daleko od Słońca, a zima, gdy Ziemia jest blisko od Słońca. Zatem efekty związane z odległością Ziemi od Słońca i jej nasłonecznieniem na półkuli północnej znoszą się. Im bardziej punkty przesileń i apo- i peryhelium są oddalone od siebie, tym mniejsze są różnice termiczne między porami roku, a klimat łagodniejszy. Całkowity cykl precesyjny ziemi trwa około 21 tys. lat, oś ziemi obraca się o 1° w ciągu 72 lat.

Precesja i Nutacja osi obrotu Ziemi

Złożenie ruchów i zmiany klimatu

Cykle Milankovicia pokrywają się ze sobą, ze względu na zależność pomiędzy okresami poszczególnych ruchów. Okres każdego kolejnego cyklu stanowi około połowę okresu dłuższego cyklu. Na poniższym wykresie przedstawiono zależności pomiędzy wszystkimi cyklami i zmianami nasłonecznienia Ziemi. Przestawiono również zmiany średniej rocznej temperatury powietrza na Ziemi w okresie ostatniego miliona lat. Na szaro zostały zaznaczone interglacjały, czyli epoki ciepłe, bez zlodowaceń.

Wykres przedstawiający wpływ cykli Milankowicia na zmiany nasłonecznienia i temperatury.Lee, 2010

Wpływ Cykli Milankovicia na zmiany temperatury na ziemi

Obecnie ziemia znajduje się w interglacjale, który trwa już 12 tys. lat. Jest to czas powyżej średniej, która wynosi 10 tys. lat. W makro skali czasowej czeka nas kolejna epoka zlodowaceń, a więc kolejna epoka zimna może wystąpić za paręset lub tysiąc lat.

Źródła:

W. Feluch: Cykliczne Przyczyny Zagrożeń Gwałtownymi Zmianami Klimatu. SGSP., A. Hrynowska: Przyczyny i mechanizmy zmian klimatu w plejstocenie. Przegląd geologiczny, vol. 64 ,nr 1, 2016., A. Odrzywołek: Podstawy astronomii i astrofizyki. Zakład Teorii Względności i Astrofizyki, Instytut Fizyki UJ, Kraków 2015., L. Oster: Astronomia współczesna. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1986.

Autor

Krystyna Syty