Ciclos de Milankovitch

Ciclos de Milankovitch son el efecto colectivo de los cambios en la Tierra movimientos 's sobre su clima, el nombre de Serbia, ingeniero civil y matemático Milutin Milanković. La excentricidad, inclinación axial, y precesión de la órbita de la Tierra varía en varios patrones, resultando en 100.000 años la edad de hielo ciclos de la Glaciación del Cuaternario en los últimos millones de años. El eje de la Tierra completa un ciclo completo de la precesión aproximadamente cada 26.000 años. Al mismo tiempo, la órbita elíptica gira, más lentamente, dando lugar a un ciclo de 21.000 años entre las estaciones y la órbita. Además, el ángulo entre el eje de rotación de la Tierra y la normal al plano de su órbita se mueve de 21,5 grados a 24,5 grados y de nuevo en un ciclo de 41.000 años. Actualmente, este ángulo es de 23,44 grados y está disminuyendo.

La teoría de Milankovitch del cambio climático no está perfectamente elaborado; en particular, la mayor respuesta observada es en la escala de tiempo de 100.000 años, pero el forzamiento es aparentemente pequeño a esta escala, en lo que respecta a las edades de hielo . Diversas evaluaciones (de dióxido de carbono , o de la dinámica del manto de hielo) se invocan para explicar esta discrepancia.

Teorías Milankovitch similares fueron avanzadas por Joseph Adhemar, James Croll, Milutin Milanković y otros, pero la verificación fue difícil debido a la ausencia de evidencia fiable de fecha y dudas sobre exactamente qué periodos fueron importantes. No fue hasta la llegada de los núcleos de la profundidad del océano y un documento seminal de Hays, Imbrie y Shackleton, "Las variaciones en la órbita de la Tierra: los marcapasos de la Edad de Hielo", en Ciencia, 1976, surgió la teoría de alcanzar su estado actual.

Los movimientos de la Tierra

A medida que la Tierra gira alrededor de su eje y orbita alrededor del Sol, se producen algunas variaciones cuasi-periódicas. Aunque las curvas tienen un gran número de componentes sinusoidales, unos pocos componentes son dominantes. Milankovitch estudió los cambios en la excentricidad, oblicuidad y la precesión de los movimientos de la Tierra. Tales cambios en el movimiento y orientación cambian la cantidad y la ubicación de la radiación solar que llega a la Tierra. Esto se conoce como forzamiento solar (un ejemplo de el forzamiento radiativo). Cambios cerca de la zona del Polo Norte son considerados importantes debido a la gran cantidad de tierra, que reacciona a estos cambios más rápidamente que los océanos hacen.

Forma orbital (excentricidad)

Órbita circular, sin excentricidad.

Órbita con 0,5 excentricidad.

La órbita de la Tierra es una elipse. La excentricidad es una medida de la salida de esta elipse de circularidad. La forma de la órbita de la Tierra varía de ser casi circular (baja excentricidad de 0.005) para ser ligeramente elíptica (alta excentricidad de 0,058) y tiene una excentricidad media de 0,028. El componente principal de estas variaciones se produce en un período de 413.000 años (variación de la excentricidad de ± 0,012). Un número de otros términos varían entre 95.000 y 136.000 años, y poco se combinan en un ciclo de 100.000 años (variación de -0,03 a 0,02). La presente excentricidad es 0.017.

Si la Tierra fuera el único planeta que orbita nuestro Sol, la excentricidad de su órbita no variaría en el tiempo. Excentricidad de la Tierra varía principalmente debido a las interacciones con los campos gravitacionales de Júpiter y Saturno. Como la excentricidad de la órbita evoluciona, la semi-eje mayor de la elipse orbital se mantiene sin cambios. Desde la perspectiva de la teoría de la perturbación utilizada en mecánica celeste para calcular la evolución de la órbita, el semieje mayor es un invariante adiabática. De acuerdo con la tercera ley de Kepler el período de la órbita está determinada por el semieje mayor. De ello se deduce que el período orbital de la Tierra, la longitud de una año sideral, también se mantiene sin cambios como la órbita evoluciona.

Actualmente la diferencia entre el enfoque más cercano al Sol ( perihelio) y la distancia más lejana ( afelio) es sólo el 3,4% (5,1 millones km). Esta diferencia equivale a un cambio del 6,8% en la radiación solar entrante. Perihelio actualmente produce alrededor 03 de enero, mientras que el afelio es de alrededor de 4 de julio Cuando la órbita es en su forma más elíptica, la cantidad de radiación solar en el perihelio es de aproximadamente 23% mayor que en el afelio. Esta diferencia es aproximadamente 4 veces el valor de la excentricidad.

Mecánica orbital requieren que la longitud de las estaciones sea proporcional a las áreas de los cuadrantes de temporada, así que cuando la excentricidad es extremo, las estaciones en el lado más alejado de la órbita pueden ser sustancialmente mayor duración. Cuando el otoño y el invierno se producen en su máximo acercamiento, como es el caso actualmente en el hemisferio norte, la tierra se mueve a su velocidad máxima y, por tanto, el otoño y el invierno son ligeramente más corta que la primavera y el verano. Por lo tanto, el verano en el hemisferio norte es 4,66 días más largo que el invierno y la primavera es de 2,9 días más que el otoño.

Inclinación axial (oblicuidad)

22,1-24,5 ° gama de oblicuidad de la Tierra.

El ángulo de inclinación del eje de la Tierra ( oblicuidad) varía con respecto al plano de la órbita de la Tierra. Estos lentos 2,4 ° variaciones oblicuidad son más o menos periódica, teniendo aproximadamente 41.000 años para cambiar entre una inclinación de 22,1 ° y 24,5 ° y viceversa. Cuando aumenta la oblicuidad, la amplitud del ciclo estacional en incrementos de insolación, con veranos en ambos hemisferios reciben más flujo radiativo desde el Sol, y los inviernos menos flujo radiativo. Como resultado, se supone que los inviernos se vuelven más frío y veranos más cálidos.

Pero estos cambios de signo opuesto en el verano y el invierno no son de la misma magnitud. La media anual de insolación aumentos en latitudes altas con el aumento de la oblicuidad, mientras que las latitudes más bajas experimentan una reducción de la insolación. Veranos más frescos son sospechosos de favorecer el inicio de una era de hielo por la fusión de menos de hielo del invierno anterior y la nieve. Así que se puede argumentar que la menor oblicuidad favorece edades de hielo, tanto por la reducción media de la insolación en latitudes altas, así como la reducción adicional de la insolación de verano.

Actualmente, la Tierra está inclinada en 23,44 grados de su plano orbital, más o menos a mitad de camino entre sus valores extremos. La inclinación se encuentra en la fase de descenso de su ciclo, y alcanzará su valor mínimo alrededor del año 10.000 AD .

La precesión (bamboleo)

Movimiento de precesión.

La precesión es el cambio en la dirección del eje de la Tierra de la rotación relativa a las estrellas fijas, con un período de alrededor de 26.000 años. Este movimiento giroscópico es debido a las fuerzas de marea ejercidas por el sol y la luna sobre la Tierra sólida, asociado con el hecho de que la Tierra no es una esfera perfecta, pero tiene una protuberancia ecuatorial. El sol y la luna contribuyen más o menos por igual a este efecto. Además, el propio movimiento de precesión elipse orbital en el espacio (precesión anomalistic), principalmente como resultado de las interacciones con Júpiter y Saturno. Esta precesión orbital es en el sentido opuesto al movimiento giroscópico del eje de rotación, acortando el período de la precesión de los equinoccios con respecto a la perihelio de 26.000 a 21.000 años.

Cuando el eje se alinea para que apunte hacia el Sol durante el perihelio, un hemisferio polar tendrá una mayor diferencia entre las estaciones del año, mientras que el otro hemisferio tendrá temporadas más leves. El hemisferio que es en verano en el perihelio recibirá la mayor parte del aumento correspondiente de la radiación solar, pero eso mismo hemisferio será en invierno en el afelio y tener un invierno más frío. El otro hemisferio tendrá un invierno relativamente cálido y más fresco del verano.

Cuando el eje de la Tierra está alineado de tal manera que el afelio y el perihelio se producen cerca de los equinoccios, el Hemisferio Norte y Sur tendrá contrastes similares en las estaciones.

En la actualidad el perihelio ocurre durante el verano del hemisferio sur, y el afelio se alcanza durante el invierno austral. Así, las estaciones del hemisferio sur son algo más extremo que las estaciones del hemisferio norte, cuando otros factores son iguales.

Inclinación orbital

La la inclinación de la órbita de la Tierra se desplaza arriba y abajo con relación a su órbita actual con un ciclo que tiene un período de alrededor de 70.000 años. Milankovitch no estudió este movimiento tridimensional.

Más recientes investigadores observaron esta deriva y que la órbita también se mueve en relación con las órbitas de los otros planetas. La plano invariable, el avión que representa el momento angular del sistema solar, es de aproximadamente el plano orbital de Júpiter . La inclinación de la órbita de la Tierra tiene un ciclo de 100.000 años con respecto al plano invariable. Este ciclo de 100.000 años coincide de cerca el modelo 100.000 años de las edades de hielo.

Se ha propuesto que un disco de polvo y otros residuos está en el plano invariable, y esto afecta el clima de la Tierra a través de varios medios posibles. La Tierra actualmente mueve a través de este plano alrededor 9 de enero y 09 de julio, cuando hay un aumento de la detectados por radar meteoros y meteoritos relacionada nubes noctilucentes.

Un estudio de la cronología de los núcleos de hielo de la Antártida utilizando oxígeno a proporciones de nitrógeno en las burbujas de aire atrapadas en el hielo, que parecen responder directamente a la insolación locales, llegó a la conclusión de que la respuesta climática documentado en los núcleos de hielo fue impulsado por el Hemisferio Norte insolación como se propone por la hipótesis de Milankovitch (Kawamura y otros, Nature, el 23 de agosto de 2007, vol 448, p912-917). Se trata de una validación adicional de la hipótesis de Milankovitch por un método relativamente nuevo, y es incompatible con la teoría de la "inclinación" del ciclo de 100.000 años.

Problemas

Debido a que las periodicidades observadas de ajuste clima tan bien con los períodos orbitales, la teoría orbital tiene un apoyo abrumador. Sin embargo, hay varias dificultades para conciliar la teoría con las observaciones.

Problema-100000 años

El problema 100.000 años es que las variaciones de la excentricidad tienen un impacto significativamente menor en forzar solar de precesión u oblicuidad y por lo tanto se podría esperar para producir los efectos más débiles. Sin embargo, las observaciones muestran que durante los últimos 1 millones de años, la señal climática más fuerte es el ciclo de 100.000 años. Además, a pesar del ciclo relativamente grande 100.000 años, algunos han argumentado que la longitud del registro climático es insuficiente para establecer una relación estadísticamente significativa entre el clima y las variaciones de excentricidad. Sin embargo, algunos modelos pueden reproducir los ciclos de 100.000 años, como resultado de las interacciones no lineales entre los pequeños cambios en la órbita de la Tierra y oscilaciones internas del sistema climático.

Problema de 400.000 años

El problema de 400.000 años es que las variaciones de la excentricidad tienen un ciclo fuerte de 400.000 años. Ese ciclo sólo está presente claramente en los registros climáticos mayores de los últimos millones de años. Si el 100 variaciones ka están teniendo un efecto tan fuerte, también se podría esperar las variaciones ka 400 a ser evidente. Esto también se conoce como el problema etapa 11, después de la interglacial en etapa isotópica marina 11 que sería inesperado si el ciclo de 400.000 años-tiene un impacto sobre el clima. La ausencia relativa de esta periodicidad en el registro isotópico marino puede ser debido, al menos en parte, a los tiempos de respuesta de los componentes del sistema climático implicados - en particular, la ciclo del carbono.

Etapa 5 problema

El problema etapa 5 se refiere a las fechas de la penúltima interglacial (en estadio isotópico marino 5) que parece haber comenzado 10.000 años antes del forzamiento solar hipótesis de haber sido la causa. Esto también se conoce como el problema de la causalidad.

Efecto excede causa

420.000 años de núcleo de hielo datos de Vostok, estación de investigación de la Antártida.

Los efectos de estas variaciones se cree principalmente que es debido a las variaciones en la intensidad de la radiación solar en varias partes del mundo. Las observaciones muestran el comportamiento del clima es mucho más intensa que las variaciones calculadas. Varias características internas de los sistemas climáticos se cree que son sensibles a los cambios de insolación, causando amplificación ( retroalimentación positiva) y las respuestas de amortiguación ( retroalimentación negativa).

El problema pico unsplit

El problema pico de una sola pieza se refiere al hecho de que la excentricidad ha resuelto limpiamente variaciones en ambas frecuencias 95 y 125 ka. Una suficientemente largo historial, bien fechada del cambio climático debe ser capaz de resolver ambas frecuencias, pero algunos investigadores interpretar los registros climáticos de los últimos millones de años, como muestra un solo pico espectral a 100 periodicidad ka. Es discutible si la calidad de los datos existentes deberían ser suficientes para resolver ambas frecuencias durante el último millón de años.

El problema de la transición

El problema de la transición se refiere al cambio en la frecuencia de las variaciones climáticas hace 1 millón de años. A partir de 1-3 millones de años, el clima tenía un modo dominante que coincide con el ciclo de 41 ka en la oblicuidad. Después hace 1 millón de años, esto cambió a una excentricidad a juego 100 variación ka. No hay razón para este cambio ha sido establecida.

Las condiciones actuales

La cantidad de radiación solar ( insolación) en el hemisferio norte a 65 ° N parece estar relacionado con la aparición de una edad de hielo. Los cálculos astronómicos muestran que el 65 ° N insolación de verano debería aumentar gradualmente durante los próximos 25.000 años, y que no hay descensos en 65 ° N verano insolación suficiente para causar una edad de hielo se espera que en los próximos 50.000 a 100.000 años.

Como se mencionó anteriormente, en la actualidad el perihelio ocurre durante el verano del hemisferio sur, y el afelio, durante el invierno austral. Así, las estaciones del hemisferio sur deberían tienden a ser un poco más extremas que las estaciones del hemisferio norte. La relativamente baja excentricidad de los resultados actuales de la órbita en una diferencia del 6,8% en la cantidad de radiación solar durante el verano en los dos hemisferios.

El futuro

Desde las variaciones orbitales son predecibles, si uno tiene un modelo que relaciona las variaciones orbitales al clima, es posible ejecutar un modelo de este tipo hacia adelante para "predecir" el clima futuro. Dos advertencias son necesarias: que efectos antropogénicos y que el mecanismo por el cual orbital influencias forzamiento climático no se entiende bien.

Un estudio de 1980 citado a menudo por Imbrie y Imbrie determinaron que, "Haciendo caso omiso de las fuentes antropogénicas y otras posibles de variación que actúa a frecuencias superiores a un ciclo por 19.000 años, este modelo predice que la tendencia de enfriamiento a largo plazo que comenzó hace unos 6.000 años continuará durante los próximos 23.000 años. "

Más reciente trabajo de Berger y Loutre sugiere que el clima cálido actual puede durar otros 50 mil años.