Milankovičiaus ciklai

Milankovičiaus ciklai per praėjusius 800 000 metų ir jų prognozė ateinantiems 800 000 metų (ε - Žemės ašies polinkio kampas; e - ekscentricitetas; ϖ - perihelio ilguma; esin(ϖ) - precesijos indeksas; ${\overline {Q}}^{\mathrm {day} }$ - vidutinė paros insoliacija ties viršutine atmosferos riba vasaros saulėgrįžos metu ties 65° šiaurės platuma; Benthic forams - foraminiferos; Vostok ice core - Antarktidos ledo gręžinio Vostok stotyje duomenys; vertikali pilka linija žymi dabartines sąlygas)

Milankovičiaus ciklai – teorija, skirta apibūdinti Žemės orbitinių parametrų bendram poveikiui planetos klimatui. Teoriją sukūrė serbų geofizikas ir astronomas Milutinas Milankovičius, kuris matematiškai įvertino Žemės orbitos ekscentriciteto, ašies polinkio kampo svyravimo, bei precesijos įtaką Žemės klimato sistemai.

Panašias astronomines teorijos nuo XIX a. vystė ir Joseph Adhemar, James Croll bei kiti, tačiau trūko patikimų įrodymų, galinčių jas pagrįsti. Be to, buvo neaišku kurie Žemės orbitinių parametrų periodai turi didžiausią energinę įtaką. Milankovičiaus teorija galutinai buvo patvirtinta 1976 m., kai žurnale „Science“ pasirodė Hays, Imbrie ir Shackleton pagal vandenyno dugno nuosėdų mėginius atlikta studija „Žemės orbitinių parametrų svyravimai: ledynmečių iniciatoriai“.

Orbitinis Žemės judėjimas

Dėl gravitacijos jėgų Saulės sistemoje, Žemei sukantis apie savo ašį bei Saulę, planetos orbitiniai parametrai kinta pagal iš dalies periodinius arba kvazi-periodinius dėsningumus. Milankovičius tyrė Žemės orbitos ekcentriciteto, sukimosi ašies polinkio kampo ir precesijos kaitą. Šių parametrų svyravimai keičia planetos judėjimo trajektoriją ir orientaciją Saulės atžvilgiu, todėl pasikeičia ir planetos gaunamas Saulės spinduliuotės kiekis.

Orbitos forma (ekscentricitetas)

Apskrita orbita, ekscentricitetas lygus 0.		Elipsinė orbita, kai ekscentricitetas lygus 0,5.

Žemės orbita aplink Saulę yra elipsės formos. Ekscentricitetas (e) – tai parametras, apibūdinantis orbitos elipsiškumą, t. y. skirtumą nuo apskritimo formos. Žemės orbita svyruoja nuo artimos apskritimui (e = 0,000055) iki šiek tiek elipsiškos (e = 0,0679). Ekcentriciteto svyravimas susideda iš kelių nevienodos trukmės ciklų: didžiausias pokytis (e ±0,012) įvyksta kas 413 000 metų, o mažesni svyravimai įvyksta kas 95 000 metų ir 125 000 metų. Sudėjus visas ekcentriciteto kitimo dedamąsias gaunamas 100 000 metų trukmės Žemės ekscentriciteto ciklas (e kinta nuo -0,03 iki +0,02). Šiuo metu Žemės ekscentricitetas lygus 0,017 ir toliau mažėja, t. y. planetos orbita artėja prie apskritimo formos. Žemės ekscentriciteto kaitai didžiausią įtaką turi Jupiterio ir Saturno gravitaciniai laukai.

Ekcentriciteto svyravimai sukelia sezoninius Žemę pasiekiančios Saulės spinduliuotės kiekio pokyčius, todėl pasikeičia astronominių sezonų (pavasario, vasaros, rudens ir žiemos) kontrastingumas bei trukmė. Vis dėlto, remiantis Antruoju Keplerio dėsniu, bendras metinis Saulės spinduliuotės kiekis beveik nekinta.

Dėl Žemės orbitos elipsiškumo kinta planetos nuotolis nuo Saulės. Šiuo metu artimiausiame Saulei orbitos taške (perihelyje) Žemės gaunamas Saulės spinduliuotės kiekis yra 6,8 % didesnis nei planetai esant toliausiai nuo Saulės (afelyje). Dabartinėmis sąlygomis perihelyje Žemė atsiduria sausio 3 d., o afelyje – liepos 4 d. (perihelyje atstumas iki Saulės yra 5,1 mln. km mažesnis nei afelyje). Žemės orbitai pasiekus maksimalų elipsiškumą, perihelyje gaunamas Saulės spinduliuotės kiekis būna iki 23 % didesnis nei afelyje.

Ekscentricitetas taip pat lemia astronominių sezonų trukmę, nes Žemės judėjimo greitis aplink Saulę didėja, jai artėjant prie Saulės. Dėl šios priežasties šiuo metu Šiaurės pusrutulyje vasara trunka 4,66 dienomis ilgiau nei žiema, o pavasaris 2,9 dienomis ilgesnis nei ruduo. Nors Šiaurės pusrutulyje vasara ilgesnė, tačiau dėl didesnio nuotolio iki Saulės gaunama mažiau Saulės spinduliuotės, todėl vasaros šiame pusrutulyje būna vėsesnės, o žiemos šiltesnės. Sezonas, kurio metu Žemė bus arčiausiai Saulės priklauso nuo precesijos.

Žemės ašies polinkio kampas

Žemės ašis svyruoja 22.1–24.5° intervale.

Žemės sukimosi ašies polinkio kampas yra pagrindinė priežastis, dėl kurios Žemėje susidaro vasaros ir žiemos sezonai. Tame planetos pusrutulyje, kuris atgręžtas į Saulę, būna vasara, o priešingame – žiema. Polinkio kampui didėjant, pusrutulis, kuriame būna vasara, gauna daugiau Saulės spinduliuotės, o žiemą atvirkščiai. Metinis Saulės spinduliuotės kiekis dėl ašies polinkio nesikeičia, todėl didėjant šiam kampui, auga metinė kiekvieno pusrutulio (šiaurės ir pietų) gaunamos Saulės spinduliuotės amplitudė, t. y. didėja sezoniniai kontrastai.

Polinkio kampas į orbitos plokštumą (arba kampas tarp statmens į orbitos plokštumą ir sukimosi ašies) kinta 2,4° ribose (nuo 22,1° iki 24,5°). Šis ciklas trunka apytiksliai 41 000 metų. Šiuo metu Žemės ašies polinkio kampas sudaro 23,44° ir toliau mažėja, o minimalią reikšmę (22,1°) pasieks maždaug 11 800 metais. Mažėjant polinkio kampui, žiemos turėtų tapti šiltesnės, o vasaros vėsesnės. Bendras poveikis Žemės klimatui bus vėsinantis.

Žemės ašies precesija

Žemės precesija.

Precesija – tai lėtas Žemės ašies sukimasis apie statmenį į orbitos plokštumą. Šis sukimasis vyksta dėl Saulės ir Mėnulio sukeltos potvynių–atoslūgių bangos trinties su Žemės sferoidu. Precesijos ciklas trunka maždaug 26 000 metų.

Precesijos poveikis klimatui pasireiškia tik kartu su ekscentricitetu. Kuo ekscentricitetas didesnis, tuo ryškesni susidaro sezoniniai Saulės spinduliuotės skirtumai. Pavyzdžiui, šiuo metu Žemė perihelį (artimiausią tašką Saulei) pasiekia, kai Šiaurės pusrutulyje būna žiema, todėl šis pusrutulis gauna daugiau Saulės spinduliuotės ir žiemos tampa šiltesnės. Kita vertus, kai Šiaurės pusrutulyje būna vasara, Žemė pasiekia afelį (tolimiausią tašką nuo Saulės), todėl sumažėja Saulės spinduliuotės kiekis ir vasaros tampa vėsesnės. Kai Žemė afelį ir perihelį pasiekia vykstant lygiadieniams, tiek Šiaurės, tiek Pietų pusrutuliai gauna panašų Saulės spinduliuotės kiekį ir vasaros–žiemos kontrastingumas abiejuose pusrutuliuose tampa panašus.

Vykstant paskutiniam apledėjimui (prieš 20 000–22 000 metų), Žemė perihelį taip pat pasiekdavo, kai Šiaurės pusrutulyje būdavo vasara. Vėsesnėmis vasaromis nespėdavo ištirpti per žiemą susidaręs ledas ir tai buvo viena iš šio apledėjimo susidarymo priežasčių. Šiuo metu data, kai Žemė pasiekia afelį ir perihelį artėja prie lygiadienių datos, todėl sezoniniai kontrastai abiejuose pusrutuliuose turėtų mažėti.