Podnebne spremembe na Zemlji 2 – Milankovićevi cikli

Nazaj

Poglej/poslušaj na

Ko govorimo o gibanju Zemlje, ponavadi pomislimo na dve periodični gibanji – naš planet kroži okoli Sonca, hkrati se pa vrti okoli lastne osi. Obdobju, v katerem Zemlja obkroži našo zvezdo, rečemo leto, medtem ko en Zemljin obrat traja en dan. Vendar to ni vse. Naš planet ima še druga gibanja, ki med širšo javnostjo niso poznana, ki imajo veliko daljše periode in zelo pomemben vpliv na vreme na Zemlji, saj povzročijo pojave, kot so ledene dobe.

Štiri taka periodična gibanja je odkril Milutin Milanković (1879-1958), srbski in hrvaški geofizik ter astronom, eno pa je bilo odkrito pozneje. Kljub temu vsem petim pravimo Milankovićevi cikli. Gre za periodične spremembe Zemljine tirnice okoli Sonca ter naklona njene osi vrtenja, ki so povezana z nekaterimi klimatskimi spremembami na našem planetu. Ti cikli se nanašajo pa se na spremembe

1. oblike Zemljine orbite, konkretno njene ekscentričnosti,
2. naklona Zemljine osi glede na ravnino ekliptike,
3. smeri osi vrtenja Zemlje glede na zvezde (osna precesija),
4. orientacije Zemljine tirnice (apsidalna precesija) ter
5. naklona Zemljine orbite.

Pa pojdimo po vrsti ter razčlenimo vsak Milankovićev cikel po vrsti.

1. Ekscentričnost Zemljine tirnice

Že Kepler je odkril, da planeti na svoji poti okoli Sonca potujejo po sklenjenih krivuljah, ki jim rečemo elipse. En način, kako opišemo elipso je, da izmerimo njeno dolžino in širino. Polovični dolžini in širini elipse rečemo dolga in kratka polos elipse. Iz teh vrednosti lahko izračunamo še en parameter, ki nam pove, kako „podolgovata“ je elipsa. Pravimo mu ekscentričnost. Če je ekscentričnost enaka 0, elipsa postane krožnica. Večja kot je ekscentričnost, bolj podolgovata je elipsa, pri čemer je vrednost ekscentričnosti vedno manjša od 1.

Elipsa, ki jo opisuje Zemljina tirnica okoli Sonca ima trenutno ekscentričnost 0,017, kar pomeni, da se oddaljenost Zemlje od Sonca tekom leta nekoliko spreminja. Zemlja se Soncu najbolj približa okoli 3. januarja in tej točki na orbiti pravimo perihelij ali prisončje. Okrog 4. julija se Zemlja nahaja na največji oddaljenosti od Sonca, pri čemer pravimo, da se Zemlja nahaja v apoheliju ali odsončju. Razlika med najmanjšo in največjo razdaljo znaša 5,1 milijona kilometrov. Ker je v odsončju Zemlja 3,4 odstotka dlje od Sonca, kot v prisončju, to pomeni, da je v januarju gostota energije s Sonca, ki doseže Zemljo, 6,8 odstotka večja kot v juliju. To pa je tudi razlog, zakaj so na severni polobli v povprečju poletja nekoliko hladnejša, zime pa toplejše v primerjavi z južno poloblo.

Še ena posledica ekscentričnosti Zemljine tirnice je, da se hitrost potovanja Zemlje vzdolž orbite spreminja. V periheliju je hitrost Zemlje večja kot v apoheliju, zato so poletja na severni polobli 4.66 dni daljša kot zime, pomladi pa si za 2.9 dneva daljše od jeseni.

Ekscentričnost Zemljine tirnice se s časom spreminja od minimalne vrednosti 0.000055 do 0.0679, pri čemer je prisotnih več period, katerih kombinacija da kvazi periodo približno 100 tisoč let. Trenutno se ekscentričnost Zemljine orbite zmanjšuje, glavni razlog za njeno spreminjanje pa je gravitacijski privlak Jupitra in Saturna. Pri tem pa se spreminja izključno kratka polos Zemljine tirnice, medtem ko je dolga polos nespremenljiva, s tem pa, po 3. Keplerjevem zakonu, tudi dolžina orbitalne periode oz. leta.

V obdobjih, ko je ekscentričnost Zemljine tirnice največja in je njena kratka polos najkrajša, je gostota Sončevega sevanja, ki doseže Zemljo, kar 23 % večja v prisončju kot v odsončju. Kljub temu pa so znanstveniki menja, da je vpliv spremembe ekscentričnosti na letna nihanja temperature na Zemlji precej majhen.

2. Naklon Zemljine osi

Os vrtenja Zemlje je glede na ravnino ekliptike nagnjena 23.5 stopinje. Posledica te nagnjenosti so letni časi. Ko imamo poletje na severni polobli je to zato, ker je takrat Zemljina os orientirana tako, da je njena severna polovica nagnjena proti Soncu. To pomeni daljše dni in posledično toplejše obdobje na severni polobli, hkrati pa imajo na južni polobli zimo. Čez pol leta se stvar zamenja.

Najdaljši dan na severni polobli nastopi okoli 21. junija, čemur pravimo poletni solsticij. Takrat se začne poletje. Najkrajši dan v letu na severni polobli nastopi okrog 21. decembra, kar imenujemo zimski solsticij. Ta dogodek zaznamuje uradni začetek zime. Obstajata dva datuma, ko je Zemljina os obrnjena tako, da nobena polobla ni nagnjena k Soncu. Takrat dan in noč na obeh poloblah trajata enako dolgo – 12 ur. Ta dva datuma, okoli 21. marca ter 23. septembra, zaznamujeta začetek pomladi (temu rečemo spomladansko enakonočje oz. ekvinokcij) oziroma jeseni (jesensko enakonočje oz. ekvinokcij).

Če bi os vrtenja Zemlje bila nagnjena bolj glede na ekliptiko, bi to pomenilo, da bi tekom poletja vsaka polobla prejela več sončne energije, tekom zime pa manj. Naklon osi vrtenja Zemlje se dejansko tudi spreminja. V 41.000 letih se vrednosti naklona gibljejo med 22.1° in 24.5°. Slednja, maksimalna vrednost naklona, je bila dosežena okoli leta 8700 pr. n. št. Trenutno se naklon zmanjšuje, minimalno vrednost pa bo dosegel čez 11.800 let.

Ob odsotnosti drugih dejavnikov, zmanjševanja naklona Zemljine osi pomeni milejše letne čase – hladnejša poletja ter toplejše zime.

3. Osna precesija

Če smo v prejšnjem poglavju govorili o naklonu Zemljine osi vrtenja, pa je treba omeniti tudi njeno orientacijo glede na zvezde. Zemljo lahko primerjamo z vrtavko. Dokler se slednja hitro vrti, je njena os približno pravokotna glede na tla. Če vrtavko sunemo s prstom, njena os ne bo več stala pravokotno glede na tla, hkrati pa se bo njena smer spreminjala tako, da bo os opisala dva stožca, katerih vrhova se stikata. Trenutno je Zemljina os orientirana tako, da na severni strani kaže v približno v smeri proti zvezdi Severnici v ozvezdju Malega Medveda oziroma Malega voza. Ta orientacija pa se spreminja s periodo 25.771,5 let in sicer zaradi plimskih sil, ki so posledica gravitacijskega privlaka Lune in Sonca.

Kot smo rekli, so posledica naklona Zemljine osi letni časi. Trenutno je Zemlja v periheliju, ko je na južni polobli poletje, v apoheliju pa, ko je tam zima. Tako imajo na južni strani Zemlje bolj ekstremne letne čase (toplejša poletja ter hladnejše zime), kot na severni polobli. Čez 13.000 let bo Zemljina os zavrtena za 180 stopinj glede na danes. To pomeni da bo situacija glede intenzivnosti letnih časov obrnjena – južna polobla bo takrat imela milejše letne čase v primerjavi s severno poloblo.

4. Apsidalna precesija

Tudi Zemljina tirnica precesira okoli svoje osi. Smer njene dolge osi glede na zvezde se spreminja s periodo 112.000 let. To je spet v največji meri posledica gravitacijskega privlaka Jupitra in Saturna. Apsidalna precesija skupaj z osno precesijo spreminja datum, kdaj pride Zemlja v prisončje. Če smo prej rekli, da se ta sprememba dogaja s periodo približno 26.000 let, pa apsidalna precesija zmanjša to obdobje na povprečno 23.000 let. Zaradi apsidalne precesije se letni časi začenjajo vsako leto nekoliko prej, to pa pomeni, da se zgodijo, ko je Zemlja na različnih odsekih na svoji tirnici.

5. Naklon Zemljine tirnice

Zadnja pomembna sprememba je sprememba naklona Zemljine orbite oz. ravnine ekliptike. Le-ta se spreminja s časom, temu pa rečemo precesija ekliptike ali tudi planetna precesija. Le-te ni odkril Milanković temveč se je to zgodilo mnogo pozneje. Trenuten naklon ekliptike glede na invariantno ploskev, to je ravnino, ki vsebuje težišče Osončja, hkrati pa je pravokotna glede na smer njegove vrtilne količine, znaša 1.57 stopinje, ta vrednost pa se spreminja z dobo 100.000 let.

Literatura

1. Mathematical Institute SANU, http://www.mi.sanu.ac.rs/History/milankovic.htm
2. Milankovitch Orbital Data Viewer, https://biocycle.atmos.colostate.edu/shiny/Milankovitch/
3. Geoscience, Education & Outreach, https://geoetc.com/milankovich-cycles/
4. Qurora.com, https://www.quora.com/What-is-a-milankovitch-cycle-Which-is-the-longest
5. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_inclination
6. NASA, Milankovitch (Orbital) Cycles and Their Role in Earth’s Climate, https://climate.nasa.gov/news/2948/milankovitch-orbital-cycles-and-their-role-in-earths-climate/
7. Everything Explained Today https://everything.explained.today/Milankovitch_cycles/