Milutin Milankovitch. Η πλέον έγκυρη, σήμερα, θεωρία των κυκλικών αλλαγών του κλίματος σαν αποτέλεσμα της περιοδικής εναλλαγής των παραμέτρων της Γήινης τροχιάς (Κύκλοι του Milankovitch)

Milutin Milankovitch (1879-1958)

by Steve Graham

Το άρθρο δημοσιεύτηκε στο site της NASA στις 24 Μαρτίου του 2000

Η μετάφραση στην παρούσα αναδημοσίευση έγινε από το blog "για την κοινωνική αριστερά"

Ο Σέρβος αστροφυσικός Milutin Milankovitch (Μιλουτίν Μιλάνκοβιτς) είναι πιο γνωστός για την ανάπτυξη μιας από τις σημαντικότερες θεωρίες που συνδυάζουν τις κινήσεις της γης και τη μακροπρόθεσμη αλλαγή του κλίματος. Γεννημένος το 1879 στο αγροτικό χωριό Dalj (Ντάλι) (τότε τμήμα της Αυστροουγγρικής Αυτοκρατορίας, που σήμερα βρίσκεται στην Κροατία), ο Milankovitch σπούδασε στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Βιέννης και αποφοίτησε το 1904 με διδακτορικό στις τεχνολογικές επιστήμες. Μετά από ένα σύντομο διάστημα ως κύριος μηχανικός σε μια κατασκευαστική εταιρεία, αποδέχθηκε μια θέση καθηγητή στα εφαρμοσμένα μαθηματικά στο Πανεπιστήμιο του Βελιγραδίου το 1909 - θέση που κατείχε για το υπόλοιπο της ζωής του.

Ο Milankovitch (Μιλάνκοβιτς) αφιέρωσε την καριέρα του στην ανάπτυξη μιας μαθηματικής θεωρίας του κλίματος με βάση τις εποχιακές και του γεωγραφικού πλάτους παραλλαγές της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται η Γη. Τώρα γνωστή ως Θεωρία Milankovitch (Μιλάνκοβιτς), διατυπώνει πως καθώς η Γη ταξιδεύει στο διάστημα γύρω από τον ήλιο, κυκλικές παραλλαγές σε τρία στοιχεία γεωμετρίας της Γης - Ήλιου συνδυάζονται ώστε να παράξουν μεταβολές στην ποσότητα ηλιακής ενέργειας που φτάνει στη Γη:

1. Παραλλαγές στην τροχιακή εκκεντρότητα (eccentricity) της Γης - το σχήμα της τροχιάς γύρω από τον ήλιο.
2. Αλλαγές στην λόξωση (ή λόξευση) της εκλειπτικής^[1] (obliquity) - αλλαγές στη γωνία που κάνει ο άξονας της Γης με το επίπεδο της τροχιάς της Γης (εκλειπτική).
3. Μετάπτωση^[2] (Precession) - η αλλαγή στην κατεύθυνση του άξονα περιστροφής της γης, δηλαδή, ο άξονας περιστροφής συμπεριφέρεται σαν να περιελίσσεται προς τα κάτω. ως εκ τούτου, σχηματίζει έναν κύκλο στην ουράνια σφαίρα σε μια δεδομένη περίοδο.

Μαζί, οι περίοδοι αυτών των τροχιακών κινήσεων έχουν γίνει γνωστές ως κύκλοι Milankovitch.

---

[1] http://49lyk-athin.att.sch.gr/KINHSEIS_GHS.htm

[2] http://49lyk-athin.att.sch.gr/KINHSEIS_GHS.htm

Τροχιακές παραλλαγές 

Οι αλλαγές στην τροχιακή εκκεντρότητα επηρεάζουν την απόσταση Γης - Ηλίου. Επί του παρόντος, υπάρχει μια διαφορά μόλις του 3% (5 εκατομμύρια χιλιόμετρα) μεταξύ της πλησιέστερης προσέγγισης (περιήλιο - perihelion), η οποία συμβαίνει την ή περίπου την 3η Ιανουαρίου και της μέγιστης απομάκρυνσης (αφήλιο - aphelion), η οποία συμβαίνει την ή περίπου την 4η Ιουλίου. 

Αυτή η διαφορά στην απόσταση ανέρχεται περίπου σε 6% αύξηση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας (insolation, ηλιακή έκθεση ή ηλιασμός) από τον Ιούλιο έως τον Ιανουάριο. 

Το σχήμα της τροχιάς της Γης αλλάζει από ελλειπτική (υψηλή εκκεντρότητα) σε σχεδόν κυκλική (χαμηλή εκκεντρότητα) σε ένα κύκλο που διαρκεί μεταξύ 90.000 και 100.000 ετών. 

Όταν η τροχιά είναι εξαιρετικά ελλειπτική, η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που γίνεται δεκτή στο περιήλιο θα είναι της τάξης του 20 έως 30% μεγαλύτερη εκείνης κατά το αφήλιο, με αποτέλεσμα ένα σημαντικά διαφορετικό κλίμα από αυτό που βιώνουμε σήμερα.

Αριστερά: Η εκκεντρότητα της τροχιάς της Γης αλλάζει αργά με την πάροδο του χρόνου από σχεδόν μηδέν σε 0,07. 

Καθώς η τροχιά γίνεται περισσότερο έκκεντρη (ωοειδής), η διαφορά μεταξύ της απόστασης από τον Ήλιο στη Γη στο περιήλιο (πλησιέστερη προσέγγιση) και το αφήλιο (μέγιστη απομάκρυνση) γίνεται όλο και μεγαλύτερη. 

Σημειώστε ότι ο Ήλιος δεν βρίσκεται στο κέντρο της ελλειπτικής τροχιάς της Γης, αλλά σε ένα από τα εστιακά σημεία.

Σημείωση: Η εκκεντρότητα της τροχιάς που εμφανίζεται στην κάτω εικόνα είναι ένα εξαιρετικά υπερβολικό 0,5. 

Ακόμη και η μέγιστη εκκεντρότητα της τροχιάς της Γης -0,07- θα ήταν αδύνατο να εμφανιστεί στην ανάλυση μιας ιστοσελίδας. 

Παρόλα αυτά, με την τρέχουσα εκκεντρότητα του .017, η Γη είναι 5 εκατομμύρια χιλιόμετρα πιο κοντά στον Ήλιο στο περιήλιο παρά στο αφήλιο.

(Εικόνες από τον Robert Simmon, NASA GSFC) 

Λόξωση (ή Λόξευση) της εκλειπτικής (Obliquity, αλλαγή στην αξονική κλίση)

Καθώς αυξάνεται η αξονική κλίση, η εποχι(α)κή αντίθεση αυξάνεται ώστε οι χειμώνες να είναι ψυχρότεροι και τα καλοκαίρια θερμότερα και στα δύο ημισφαίρια. Σήμερα, ο άξονας της Γης έχει κλίση 23,5 μοίρες από το επίπεδο της τροχιάς του (λόξωση, εκλειπτική) γύρω από τον ήλιο. 

Αλλά αυτή η κλίση αλλάζει. Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου με μέσο όρο περίπου 40.000 χρόνια, η κλίση του άξονα κυμαίνεται μεταξύ 22,1 και 24,5 μοίρες. Επειδή αυτή η κλίση αλλάζει, οι εποχές όπως τις ξέρουμε μπορούν να γίνουν υπερβολικές. 

Περισσότερη κλίση σημαίνει πιο δύσκολες εποχές - θερμότερα καλοκαίρια και ψυχρότεροι χειμώνες. Λιγότερη κλίση σημαίνει λιγότερο δριμείες εποχές - δροσερότερα καλοκαίρια και ηπιότεροι χειμώνες. 

Είναι τα δροσερά καλοκαίρια που πιστεύεται ότι επιτρέπουν στο χιόνι και τον πάγο να διαρκέσουν από έτος σε έτος σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, και τελικά να μεγαλώσουν σε ογκώδη στρώματα πάγου. 

Υπάρχουν επίσης θετικές αναδράσεις στο κλιματικό σύστημα, επειδή μια Γη που καλύπτεται με περισσότερο χιόνι αντανακλά περισσότερη ενέργεια του ήλιου στο διάστημα, προκαλώντας πρόσθετο δροσισμό.

Αριστερά: Η αλλαγή στην κλίση του άξονα της γης (λόξωση, obliquity ) επηρεάζει την έκταση της εποχιακής αλλαγής.

Σε μεγαλύτερες κλίσεις οι εποχές είναι πιο ακραίες και σε χαμηλότερες κλίσεις είναι πιο ήπιες.

Η τρέχουσα αξονική κλίση είναι 23,5 °. 

Εικόνα από τον Robert Simmon, NASA GSFC) 

Μετάπτωση 

Οι μεταβολές στην αξονική μετάπτωση μεταβάλλουν τις ημερομηνίες του περιηλίου και του αφηλίου και επομένως αυξάνουν την εποχι(α)κή αντίθεση στο ένα ημισφαίριο και μειώνουν την εποχική αντίθεση στο άλλο ημισφαίριο

Αριστερά: Μετάπτωση - η αλλαγή στον προσανατολισμό του άξονα περιστροφής της Γης

[αυτό μπορεί να φανεί σαφέστερα σε μια κίνηση (μικρή (290 kB QuickTime) ή μεγάλη (1.2 MB QuickTime)] - μεταβάλλει τον προσανατολισμό της Γης σε σχέση με το περιήλιο και το αφήλιο. 

Εάν ένα ημισφαίριο είναι στραμμένο προς τον ήλιο στο περιήλιο, αυτό το ημισφαίριο θα δείχνει μακριά στο αφήλιο και η διαφορά στις εποχές θα είναι πιο ακραία. 

Αυτή η εποχιακή επίδραση αντιστρέφεται για το αντίθετο ημισφαίριο. Επί του παρόντος, το βόρειο καλοκαίρι συμβαίνει κοντά στο αφήλιο. 

(Εικόνα από τον Robert Simmon, NASA GSFC)

Η Θεωρία του Μιλάνοβιτς 

Χρησιμοποιώντας αυτές τις τρεις τροχιακές παραλλαγές, ο Milankovitch κατάφερε να διατυπώσει ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο που υπολογίζει τις διαφορές γεωγραφικού πλάτους στην ηλιακή έκθεση (insolation)  και την αντίστοιχη επιφανειακή θερμοκρασία για 600.000 χρόνια πρότερα του έτους 1800. 

Στη συνέχεια προσπάθησε να συσχετίσει αυτές τις αλλαγές με την ανάπτυξη και την υποχώρηση των Εποχών των παγετώνων. 

Για να γίνει αυτό, ο Milankovitch θεώρησε ότι οι αλλαγές ακτινοβολίας σε ορισμένα γεωγραφικά πλάτη και εποχές είναι πιο σημαντικές για την ανάπτυξη και την τήξη των στρωμάτων πάγου από αυτές σε άλλες. 

Μετά από πρόταση του Γερμανού Κλιματολόγου Βλαντιμίρ Κόππεν, επέλεξε τον θερινό ηλιασμό στις 65 μοίρες Βόρειο πλάτος ως τα πιο σημαντικά γεωγραφικό πλάτος και εποχή για υπόδειγμα, θεωρώντας ότι κοντά σε αυτό το γεωγραφικό πλάτος αναπτύχθηκαν μεγάλα στρώματα πάγου και ότι τα πιο δροσερά καλοκαίρια θα μπορούσαν να ελαττώσουν τη θερινή τήξη, οδηγώντας σε ένα θετικό ετήσιο ισοζύγιο χιονιού και ανάπτυξη στρωμάτων πάγου.

Αριστερά: Αυτά τα γραφήματα δείχνουν τις υπολογισμένες τιμές για 300.000 χρόνια τροχιακής διακύμανσης. 

Η γραμμή με την ένδειξη "0" αντιπροσωπεύει το σήμερα, ενώ το "-200" δείχνει 200.000 χρόνια στο παρελθόν και το "100" δείχνει 100.000 χρόνια από τώρα. 

Ο Milankovitch παρατήρησε ότι αυτοί οι κύκλοι της τροχιακής μηχανικής αντιστοιχούν σε πολλούς δείκτες παρελθουσών κλιματικών αλλαγών, όπως οι Εποχές των Παγετώνων. 

(Από Berger and Loutre, 1991)

Όμως, για περίπου 50 χρόνια, η θεωρία του Μιλάνκοβιτς αγνοήθηκε σε μεγάλο βαθμό. Στη συνέχεια, το 1976, μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science εξέτασε πυρήνες ιζημάτων βαθέων υδάτων και διαπίστωσε ότι η θεωρία του Milankovitch αντιστοιχούσε πράγματι σε περιόδους κλιματικής αλλαγής (Hays et al., 1976). 

Συγκεκριμένα, οι συγγραφείς μπόρεσαν να εξαγάγουν την καταγραφή της θερμοκρασιακής αλλαγής έκτασης έως 450.000 χρόνων πίσω και βρήκε ότι οι μεγαλύτερες διακυμάνσεις του κλίματος συνδέονταν στενά με αλλαγές στη γεωμετρία (εκκεντρότητα, λόξωση και μετάπτωση) της τροχιάς της Γης. 

Πράγματι, οι εποχές των παγετώνων είχαν προκύψει όταν η Γη περνούσε από διαφορετικά στάδια παραλλαγής της τροχιάς.

Έκτοτε, το Συμβούλιο Εθνικής Έρευνας της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ έχει εναγκαλιστεί το υπόδειγμα του Κύκλου Milankovitch.

... οι τροχιακές παραλλαγές παραμένουν ο πιο διεξοδικά εξετασμένος μηχανισμός κλιματικής αλλαγής σε χρονολογικές κλίμακες δεκάδων χιλιάδων ετών και είναι μακράν η πιο ξεκάθαρη περίπτωση άμεσης επίδρασης της εναλλαγής του ηλιασμού (insolation, ηλιακής ακτινοβολίας) στην χαμηλότερη ατμόσφαιρα της Γης (National Research Council, 1982) .

Σύνδεσμοι και αναφορές

About.com: Milankovitch Cycles—Changes in Earth-sun Interaction

Alaska Science Forum: The Earth's Changing Orbit

J.D Hays, John Imbrie, and N.J. Shackleton, "Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages," Science, 194, no. 4270 (1976), 1121-1132.

Hays, James D., 1996: Encyclopedia of Weather and Climate, Oxford University Press, Stephen H. Schneider, ed. pp 507-508.

Lutgens, Frederick K. and Edward J. Tarbuck, 1998: The Atmosphere, Prentice-Hall, Inc., 434pp.

National Research Council, Solar Variability, Weather, and Climate, Washington, D.C.: National Academy Press, 1982, p. 7.

Πηγή: https://earthobservatory.nasa.gov/features/Milankovitch/milankovitch.php