Milankovićevi ciklusi

Milankovićeva teorija opisuje efekte ukupnih promjena u zemaljskim kretanjima klime, nazvana je po srbijanskom geofizičaru i astronomu Milutinu Milankoviću, koji je na njoj radio (kao ratni zarobljenik) u Prvom svjetskom ratu.

Milanković je matematički razvio teoriju da varijacije u ekscentričnosti orbite, nagnutost ekliptike i dužine perihela određuju klimatske modele na Zemlji putem orbitalne konstelacije pomenutih faktora.^[1]

Zemljina osa kompletira jedan puni ciklus precesije otprilike svakih 26.000 godina. U isto vrijeme, eliptična orbita rotira sporije. Kombinirani efekat dvije precesije dovodi do perioda od 21.000 godina između astronomskih doba i orbite. Pored toga, ugao između Zemljine rotacijske osi i normalno ravane orbite oscilira između 22,1 i 24,5 stupnjeva u ciklusima os 41.000 godina. To je trenutno 23,44 stepeni i opada. Glavna komponenta ove varijacije javlja se ciklus ekscentričnosti orbite od 413.000 ± 0.012 godina. Niz drugih termina variraju između komponenti 95.000 i 125.000 godina (s ritmom perioda od 400.000 godina) a neprecizno se kombinuju u 100.000-godišnjem ciklusu (varijacije -0.03 do +0.02). Ova ekscentričnost je 0.017 i opada.

U 19. stoljeću su uznapredovale i druge slične astronomske teorije. Joseph Adhemar, James Croll i drugi su razradili svoje modele, ali verifikacija je teška zbog nepostojanja pouzdano datiranih dokaza i sumnje u tačnost važnih razdoblja. Ne sve do bušenja dubokih okeanskih jezgri i izvornih radova Jamesa Haysa, John Imbrieja i Nicholasa Shackletona, uključujući i sadašnje stanje.^[2]

Rotacija Zemlje oko vlastite osi i njena revolucija oko Sunca uzrokuje nekoliko kvaziperiodičnih varijacija. Iako krivulje koje opisuju ta gibanja i promjene koje se s njima dovode u vezup sadrže nekoliko sinusoidnih komponenti, suštinski dominira samo nekoliko komponenti^[3]. Milanković je proučavao promjene u precesiji, ekscentričnosti Orbite i nagnutosti Zemljine ekliptike. Te promjene u kretanju i orijentaciji dovode do promjena u insolaciji (osunčenju) Zemljine kore. Poseban značaj poznavanja tih promjena u sjevernoj polarnoj oblasti naglašava pojava da kopno na njih reagira brže od okeana.

Zemljina orbita nije savršeni krug, nego je u obliku elipsaelipse, a ekscentričnost je njeno odstupanja od kružne putanja i ima svoje mjere. Oblik ove orbite se mijenja se od blisko kružnog (uz malu ekscentričnost do oko 0,005) do blago eliptične (ekscentričnost oko 0,058), tako da je prosjek ekscentričnosti 0,028. Glavna komponenta tih promjena dešava se u periodu od 413.000 godina (varijacija ekscentričnosti ±0,012), tj. toliko je dug ciklus njenih promjena do povratka u određeni početni položaj. Periodi varijacija brojnih drugih determinanti kreću se između 95.000 i 125.000 godina, pri čemu je ciklus maksimalnog učinka konstelecije tih komponenti oko 400.000 godina. Trenutna ekscentričnost iznosi 0,017 i opada.

Ako bi Zemlja bila jedina planeta u Sunčevom sistemu, ekscentričnost orbite se ne bi mijenjala u protoku vremena. Do varijacija ekscentričnosti zemljine orbite dolazi uglavnom zbog gravitacijskog djelovanja velikih planeta, Jupitera i Saturna. Saglasno evoluciji ekscentričnosti, polu-glavna os orbitne elipse se ne mijenja. Prema perturbacijske teorije, koja se u nebeskoj mehanici upotrebljava za pračun orbitne evolucije, glavna poluos je adijabatski nepromijenjiva. Prema Trećem Keplerovom zakonu, cikličnost orbite određuje glavna poluos, iz čega slijedi da period revolucije, tj. dužina siderične godine, ostaje također nepromijenjen tokom evolucije orbite. Međutim, povećanje ekscentričnosti skraćuje malu poluos, što direktno pojačava sezonske varijacije.^[4]. Ipak, pritom se prosječna insolaciija mijenja tek blago, u skladu s Drugim Keplerovim zakonom.

Nelinearnosti Stefan-Boltzmannovog zakona, uvjetuje da jednaka srednja insolacija ne odgovara prosjeku odgovarajućih temperatura. Tako se, za iradijaciju kojoj odgovara temperatura sezonskih promjena od 20 °C (i asimetrična varijacija ±50°)^[5], dobija asimetrična varijacija odgovarajućih temperatura s prosjekom 16 °C (dakle, odstupanje je -4 °C), a za dnevnu varijaciju iste iradijacije, pod pretpostavkom da je toplinski kapacitet 0 J kg⁻¹ K⁻¹, dobije prosječna temperatura od -113 °C.

Današnja razlika između udaljenosti Zemlje od Sunca u afelu i perihelu je 5,1 milijuna km (3,4%), što odgovara varijaciji insolacije u iznosu od 6,8%. Trenutno se Zemlja nalazi u perihelu 3. januara, dok se u afelu nalazi na poziciji 4. jula pa je ekscentričnost orbite u fazi opadanja. Pri najvećoj eliptičnosti orbite, insolacija u perihelu je oko 23% veća nego u afelu.

Orbitna mehanika podrazumijeva da je trajanje sezona proporcionalno površinama sezonskih kvadranata. Prema tome, pri ekstremnoj ekscentričnosti, sezone na daljoj strani orbite su znatno duže. U godinama kada jesen i zima nastupaju u doba kad je Zemlja na bližem dijelu orbite (što je aktuelno slučaj na Sjevernoj hemisferi), Zemlja se tada kreće najvećom brzinom, tako da su jesen i zima u zbiru nešto kraće od proljetno-ljetnog razdoblja. Tako je ljeto na Sjevernoj hemisferi duže za 4,66 dana od zime, a proljeće je 2,9 dana duže od jeseni.

• Primjer kolebanja termina godišnjih sezona

Trajanje sezone^[6]

Godina	Sjeverna hemisfera	Južna hemisfera	Datum: GMT	Trajanje sezone
2005.	Zimski solsticij	Ljetni solsticij	21. Decembar 18:35	88.99 dana
2006.	Proljetni ekvinocij	Autumn equinox	20. Mart 18:26	92.75 dana
2006.	Ljetni solsticij	Zimski solsticij	21, Juni 12:26	93.65 dana
2006.	Jesenji ekvinocij	Proljetni ekvinocij	23. Septembar 4:03	89.85 dana
2006.	Zimski solsticij	Ljetni solsticij	22. Decembar 0:22	88.99 dana
2007.	Proljetni ekvinocij	Jesenji ekvinocy	21. Mart 0:07	92.75 dana
2007.	Ljetni solsticij	Zimski solsticij	21. Juni 18:06	93.66 dana
2007.	Jesenji ekvinocij	Prokjetni ekvinocij	23. Septembar 9:51	89.85 dana
2007.	Zimski solsticij	Ljetni solsticij	22. Decembar 06:08

Ugao nagiba Zemljine osi u odnosu na orbitnu ravninu oscilira od 22,1° do 24,5° (tj. amplituda je 2,4°) približno periodično varira, u ciklusima od oko 41.000 godina. S povećanjem nagiba rastu i amplitude sezonskih ciklusa insolacije. Drugim riječima, u doba velikih nagiba Zemljine osi, na obje hemisfere, ljeti primamo veći iznoss insolacija , a zimi je tok zračenja manji. Ipak, iznosi tih promjena u insolaciji nije jednak za ljeto i za zimu. Godišnja prosječna insolacija se povećava na većim geografskim širinama, dok na manjim širinama dolazi do smanjenja insolacije. Pretpostavlja se da hladnija ljeta pospješuju dolazak ledenog doba zbog smanjenja taljenja snijega i leda. Zato se može reći da je za ledeno doba povoljniji manji nagib osi, i to iz dva razloga:

• smanjenja srednje insolacije na većim geografskim širinama i
• dodatnog smanjenja insolacije tokom ljeta.

Ipak se pokazalo da značajne klimatske promjene nisu korelirane s ekstremima nagibima osi. Današnji nagib Zemljine osi iznosi 23,44°, pa smo otprilike u sredini ciklusa, i to u opadajućoj fazi. Minimalni nagib Zemlja će dostići za oko 8.000 godina.

Precesija je promjena smjera Zemljine osi u odnosu na zvijezde stajačice. Periodičnost tog kretanja je u ciklusima koji traju oko 26.000 godina. Takva žiroskopska kretanje izazivaju plimne sile Sunca i Mjeseca, otprilike pod jednakih uticaja. Pri orijentaciji osi tako da je u perihelu usmjerena prema Suncu, na jednoj hemisferi su sezonske razlike izraženije, dok će na drugoj hemisferi godišnja doba biti blaža. Zbog toga će hemisfera u perihelu, na ljetnoj poziciji, primati više sunčevog zračenja. Na istoj hemisferi će, za vrijeme prolaska kroz afel, biti zima pa su zato na toj hemisferi i zime hladnije. Suprotna će hemisfera će tada imati relativno hladnija ljeta i toplije zime. Kada je nagib Zemljine osi takav da kroz afel i perihel prolaz oko ekvinocija, sezonski kontrasti će biti približno jednaki za obje hemisfere. Danas kroz perihel naša planeta na Južnoj hemisferi prolazi tokom ljeta (3. januara), a kroz afel , Sjeverna hemisfera prolazi za vrijeme ljeta (4. jula). Zato su godišnja doba na južnoj hemisferi nešto ekstremnija nego na sjevernoj, naravno pod pretpostavkom da su sve ostale determinantne jednake.

Elipsa Orbite rotira u prostoru, u odnosu na zvijezde stajačice, što se označava kao apsidna precesija. To kretanje je uglavnom posljeica uticaja velikih planeta, Jupitera i Saturna. Zbog ovog kretanja, period precesije ekvinocija, u odnosu na perihel, je skraćen s 25.771,5 na ~21.636 godina.

Inklinacija Zemljine orbite također oscilira u odnosu na moment ugla Sunčevog sustava , u ciklusima otprilike 70.000 godina, što nazivamo planetarnom precesijom ili precesijom ekliptike. Iako ga Milanković nije proučavao, kasnije se pokazalo da je to kretanje, dobro korelirano s pojavljivanjemi sukcesijom ledenih doba , čija je periodičnost slična ciklusima oscilacija ekscentričnosti orbite. Objašnjenje ovog fnomena se traži u činjenici da se disk međuplanetarne prašine nalazi u nepromjenjivoj ravni, koja otprilike odgovara ravnini orbite Jupitera. Kroz tu ravninu Zemlja prolazi između 9. Januar i 9. jula, kad je vidljivo i povećanu učestalost radarskih meteora i s time povezanih astronomskih pojava.^[7] Istraživanje hronologije Antarktičkog leda, određivanjem omjera kisika i dušika u zarobljenim mjehurićima zraka, daje direktan uvid u lokalnu insolaciju. Ostvareni rezultati pokazuju da je klimatski odgovor određen insolacijom sjeverne hemisfere, što je pretpostavljeno na temelju teorije Milankovićevih ciklusa. Ta podrška Milankovićevoj teoriji, relativno novom metodom ipak nije konzistentna s "inklinacijskom teorijom" ciklusa od oko 100.000 godina.

Na Milankovićevim proračunima pomenutih astronomskih ciklusa, uspostavljena je teorijska rekonstrukcija odgovarajućih astronornskih fenornena i njihovih mogućih veza sa prirodom stvarnih klimatskih promjena tokom geološke prošlosti. Po tome je ovaj metod datiranja poznat pod nazivom astronomski, glaciološki, klirnatološki itd. metod.

Raniji astronomski proračuni apsolutne geohronologije polaze od teorijskih konstanti za prosječnu dužinu karakterističnih perioda u:

• (1) nagnutosti Zemljine ekliptike (42.000 godina),
• (2) ekscentričnosti Orbite (92.000 godina) i
• (3) longitude perihela (21.000 godina).

Na osnovu tih elenienata moguće je, između ostalog, matematički rekonstruirati minula i prognozirati buduća kolebanja u intenzitetu insoliranosti Zemljine atmosfere. Proračune ovih promjena na geografskim širinama 55°, 60° i 65°, tokom posljednjeg miliona godina, klimatolozi dovode u vezu sa sukcesijorn i dinamikoin pleistocenskih (inter)gia-cijacija u tom području. Ovi materijalizirani klimatski orijentiri pormenutih astronomskih fenomena, međutim, u lìteraturi se ponekad primarno objašnjavaju kao posljedice djelovanja nekih drugih šinilaca (razvoj geomorfoloških prilika u polarnirn područjima, promjene u koncentraciji atmosferskog CO₂, na primjer). Zbog toga, rezultate primjene klimatološkog (glaciološkog) metoda datiranja paleoantropologija i prahistorija još uvijek često prihvataju kao pokazatelje relativne geohronologije. Ipak, polazeći od logične pretpostavke da je kolebanje intenziteta insolacije (i u kompleksu sa ostalim rnogućim klimatskim faktorirna) moglo da bude jedan od izrazito djelotvornih deterrninatora pojave glečera i glacijalne aktivnosti, postaje nedvojbeno da astronomsko-klimatološko apsolutno datiranje pleistocenskih naslaga i nalaza (i pored svih ograničenja) ima izuzetan i samosvojni i komplernentarni značaj. Kada je riječ o Sjevernoj hemisferi, u sukcesiji krupnih klimatskih promjena tokom kvartara, općprihvaćena literatura obično razlikuje četiri velika ledena (oledbe, glacijacije) i tri međuledena (međuoledbe, interglacijacije) doba.

Istovremeno, Južna hemisfera je bila zahvaćena odgovarajućim brojem pluvijalnih (kišnih) i interpluvijalnih (međukišnih, sušnih) perioda. Pouzdano je, naime, dokazano da je, nakon (najmanje) 100 miliona godina blage klime, tokom proteklih milion godina Sjeverna hemisfera doživje1a devet velikih glacijalnih udara, koji se (na osnovu karakterističnog hronološkog grupiranja) svrstavaju u ćetiri pomenute pleistocenske oledbe. Prva tri ledena doba su imala po dva, a četvrto — tri jača zahlaðenja (stadijala), razdvojena kratkotrajnim razdobljima slabljenja glacijalne aktivnosti (interstadijalima). Prema sasvim grubim kriterijumima, u srednjoevropskim prilikama, glacijacijom se označava onaj period u kome se današnja granica "vjeóitog snijega i leda" na vertikalnom profilu (oko 3.000 m nad razinom mora) spuštala za oko 600 m; na podruëju bivše Jugoslavije, međutim, ta granica se pomjerala čak i za 1.800 m. Prosječna temperatura je bila niža za oko 10-12 C°, a razina mora — za preko 100 m. Četiri velike srednjoevropske oledbe, svoje tipične odraze su imale u području gornjeg dijela Dunavskog sliva; oznake

• (I) Günz,
• (II) Mindel
• (III) Riss i
• (IV) Würm,

dobile su po abecednom slijedu desnih pritoka Dunava. Tri manje (pret)pleistocenske hladne pulsacije, koje su se javile oko 500 hiljada godina prije Günza, označavaju se zajedničkim irnenom − Dunav.^[1][8]

Procjenjuje se da je posljednja velika glacijacija (Würm) završena prije oko 8-12 hiljada godina. Izrazito naglašene klimatske promjene koje su se dešavale tokom kvartara (za vrijerne interglacijacija u Evropi je vladala suptropska klima, na primjer) imale su ogromne posljedice i u strukturi i u distribuciji živog svijeta. Mnogi biljni i životinjski oblici nestaju sa lica naše planete, a ljudski preci i srodnici preživ1javaju zahvaljujući bitnim specifičnostima svog adaptivnog tipa, prije svega umnim sposobnostima, proizvodnji oruđa za obezbjeđivanje egzistencijalnih potreha i društvenom načinu ivota; meðu značajnijim pretpostavkaina ljudskog opstanka bila su svakako i otkrića vatre i odjeće, sigurnijih skloništa i obitavališta itd.

• Geohronologija
• Apsolutna geohronologija

• Is an Ice Age Coming? (PBS Spice Time - Zvanični kanal)
• Ice Age – Milankovitch Cycles – National Geographic Channel
• Sajt o Milutinu Milankoviću