Ciclos de Milankovitch

Ciclos de Milankovitch são o efeito coletivo de mudanças na Terra movimentos 's em cima do seu clima, em homenagem sérvio engenheiro civil e matemático Milutin Milankovic. O excentricidade, inclinação axial, e precessão da órbita da Terra variar em vários padrões, resultando em 100.000 anos- idade do gelo ciclos do Glaciação do Quaternário ao longo dos últimos milhões de anos. O eixo da Terra completa um ciclo completo de precessão aproximadamente a cada 26 mil anos. Ao mesmo tempo, a órbita elíptica gira, mais lentamente, levando a um ciclo de 21.000 anos entre as estações do ano e a órbita. Além disso, o ângulo entre o eixo de rotação da Terra e a normal ao plano da órbita seus movimentos de 21,5 graus a 24,5 graus e de volta novamente num ciclo de 41.000 anos. Atualmente, este ângulo é 23,44 graus e está diminuindo.

A teoria de Milankovitch da mudança climática não está perfeitamente funcionou; em particular, a maior resposta observada é a escala de tempo de 100.000 anos, mas a força é aparentemente pequeno nessa escala, no que diz respeito às idades de gelo . Vários feedbacks (a partir de dióxido de carbono , ou de dinâmica das camadas de gelo) são invocadas para explicar esta discrepância.

Milankovitch teorias semelhantes foram avançados por Joseph Adhemar, James Croll, Milutin Milankovic e outros, mas verificação foi difícil devido à falta de provas de forma confiável datada e dúvidas quanto à exatamente quais os períodos foram importantes. Não até o advento de núcleos fundo do oceano e um papel seminal por Hays, Imbrie e Shackleton, "Variações na órbita da Terra: Pacemaker da Idade do Gelo", em Ciência de 1976, surgiu a teoria de alcançar seu estado atual.

Movimentos da Terra

Conforme a Terra gira em torno do seu eixo e órbitas em torno do Sol, diversas variações quase-periódicos ocorrer. Embora as curvas têm um grande número de componentes sinusoidais, alguns componentes são dominantes. Milankovitch estudou mudanças na excentricidade, obliqüidade e precessão dos movimentos da Terra. Tais mudanças no movimento e orientação alterar a quantidade e localização de radiação solar que atinge a Terra. Isto é conhecido como a energia solar forçando (um exemplo de forçamento radiativo). Alterações perto da área polar norte são considerados importantes devido à grande quantidade de terra, que reage a essas mudanças mais rapidamente do que os oceanos fazer.

Forma Orbital (excentricidade)

Órbita circular, sem excentricidade.

Orbit com 0,5 excentricidade.

A órbita da Terra é uma elipse. O excentricidade é uma medida da partida desta elipse da circularidade. A forma da órbita da Terra varia de ser quase circular (baixa excentricidade de 0,005) a ser levemente elíptica (alta excentricidade de 0,058) e tem uma excentricidade média de 0,028. O principal componente destas variações ocorre num período de 413 mil anos (variação da excentricidade ± 0,012). Uma série de outros termos variam entre 95 mil e 136 mil anos, e vagamente se combinam em um ciclo de 100.000 anos (variação de -0,03 para 0,02). O presente excentricidade é 0,017.

Se a Terra fosse o único planeta que orbita nosso Sol, a excentricidade da sua órbita não variam no tempo. Excentricidade da Terra varia principalmente devido às interações com os campos gravitacionais de Júpiter e Saturno. À medida que a excentricidade da órbita evolui, o semi-eixo maior da elipse orbital permanece inalterada. Do ponto de vista da teoria de perturbação usado em mecânica celeste para calcular a evolução da órbita, o semi-eixo maior é uma invariante adiabático. De acordo com a terceira lei de Kepler o período da órbita é determinada pelo semi-eixo maior. Segue-se que o período orbital da Terra, o comprimento de um ano sideral, também permanece inalterado como a órbita evolui.

Atualmente, a diferença entre a abordagem mais próximo do Sol ( periélio) e maior distância ( afélio) é de apenas 3,4% (5,1 milhões km). Esta diferença é equivalente a cerca de uma mudança de 6,8% da radiação solar incidente. Perihelion atualmente ocorre em torno de 03 de janeiro, enquanto o afélio é de cerca de Julho 4. Quando a órbita é a sua mais elíptica, a quantidade de radiação solar no periélio é de cerca de 23% maior do que no afélio. Esta diferença é de aproximadamente quatro vezes o valor da excentricidade.

Mecânica orbital exigem que o comprimento das estações ser proporcionais às áreas de quadrantes sazonais, de modo que quando a excentricidade é extremo, as estações do ano no lado mais distante da órbita podem ser substancialmente mais longa duração. Quando o outono e inverno ocorrer em maior aproximação, como é o caso actualmente no hemisfério norte, a terra está se movendo na sua velocidade máxima e, portanto, o outono eo inverno são ligeiramente mais curto do que a primavera eo verão. Assim, o verão no hemisfério norte é 4,66 dias mais longo do que o inverno ea primavera é de 2,9 dias a mais do que no outono.

Inclinação axial (obliquidade)

22,1-24,5 ° gama de obliquidade da Terra.

O ângulo de inclinação do eixo da Terra ( obliquidade) varia no que diz respeito ao plano da órbita da terra. Estes lentos 2,4 ° variações obliquidade são aproximadamente periódica, tendo aproximadamente 41.000 anos para alternar entre uma inclinação de 22,1 ° e 24,5 ° e de volta. Quando aumenta a obliquidade, a amplitude do ciclo sazonal de insolação em aumentos, com verões em ambos os hemisférios recebem fluxo mais radiativa do Sol, e os invernos menos fluxo radiativo. Como resultado, presume-se que os invernos mais frios e verões se tornar mais quente.

Mas essas mudanças de sinal oposto no verão e no inverno não são da mesma magnitude. A média anual de insolação aumenta em altas latitudes com o aumento da obliqüidade, enquanto latitudes mais baixas experimentam uma redução da insolação. Verões mais frescos são suspeitos de encorajar o início de uma era do gelo derretendo menos de gelo e neve do inverno anterior. Por isso, pode-se argumentar que inferior obliquidade favorece eras glaciais tanto por causa da redução da insolação média em latitudes altas, bem como a redução adicional no insolação de verão.

Atualmente, a Terra é inclinada em 23,44 graus de seu plano orbital, aproximadamente a meio caminho entre os seus valores extremos. A inclinação está na fase de diminuição do seu ciclo, e atingirá o seu valor mínimo em torno do ano 10.000 AD .

Precessão (oscilação)

Movimento de precessão.

Precessão é a mudança na direcção do eixo de rotação da terra em relação às estrelas fixas, com um período de cerca de 26.000 anos. Este movimento giroscópico é devido às forças gravitacionais exercidas pelo Sol e da Lua sobre a Terra sólida, associada ao fato de que a Terra não é uma esfera perfeita, mas tem uma protuberância equatorial. O sol ea lua contribuir de forma aproximadamente igual a este efeito. Além disso, a própria elipse orbital precesses no espaço (precessão anomalistic), principalmente como resultado de interações com Júpiter e Saturno. Esta precessão orbital é, no sentido oposto ao movimento giroscópica do eixo de rotação, encurtando o período de precessão dos equinócios com respeito ao perihelio de 26.000 a 21.000 anos.

Quando o eixo está alinhado para que ele aponta para o Sol durante o periélio, um hemisfério polar terá uma maior diferença entre as estações do ano, enquanto o outro hemisfério terá estações mais amenas. O hemisfério que é no verão no periélio receberá a maior parte do aumento correspondente na radiação solar, mas que mesmo hemisfério estará no inverno no afélio e ter um inverno mais frio. O outro hemisfério terá um inverno relativamente mais quente e mais frio do verão.

Quando o eixo da Terra está alinhado de tal forma que afélio e periélio ocorrem próximas aos equinócios, a Hemisférios Norte e Sul terá contrastes semelhantes nas estações.

Actualmente periélio ocorre durante o verão do Hemisfério Sul, e afélio é atingido durante o inverno austral. Assim, as estações do hemisfério sul são um pouco mais extrema do que as estações do Hemisfério Norte, quando outros fatores são iguais.

Inclinação orbital

O inclinação da órbita da terra deriva para cima e para baixo em relação à sua órbita presente com um ciclo que tem um período de cerca de 70.000 anos. Milankovitch não estudou esse movimento tridimensional.

Pesquisadores mais recentes observou esta deriva e que a órbita também se move em relação às órbitas dos outros planetas. O plano invariável, o plano que representa o momento angular do sistema solar, é aproximadamente o plano orbital de Júpiter . A inclinação da órbita da Terra tem um ciclo de 100.000 anos em relação ao plano invariável. Este ciclo de 100.000 anos se aproxima do padrão de idades de gelo de 100.000 anos.

Foi proposto que um disco de poeira e outros detritos está no plano invariável, e isso afeta o clima da Terra através de vários meios possíveis. A Terra atualmente se move através deste plano em torno de 09 de janeiro e 09 de julho, quando há um aumento na detectados por radar meteoritos e meteoro-relacionada nuvens noctilucentes.

Um estudo da cronologia de núcleos de gelo da Antártida usando oxigênio para rácios de nitrogênio em bolhas de ar presas no gelo, que parecem responder diretamente à insolação local, concluiu que a resposta climática documentado nos núcleos de gelo foi impulsionado pelo Hemisfério Norte insolação como proposto pela hipótese de Milankovitch (Kawamura et al, Nature, 23 de agosto de 2007, vol 448, p912-917). Esta é uma validação adicional da hipótese de Milankovitch por um relativamente novo método, e é incompatível com a teoria da "inclinação" do ciclo de 100.000 anos.

Problemas

Porque as periodicidades observados de ajuste clima tão bem com os períodos orbitais, a teoria orbital tem apoio esmagador. No entanto, existem várias dificuldades em conciliar a teoria com as observações.

100.000 problema anos

O problema de 100.000 anos é que as variações de excentricidade ter um impacto significativamente menor em forçar solar do que precessão ou obliquidade e, portanto, pode ser esperado para produzir os efeitos mais fracos. No entanto, as observações mostram que, durante os últimos 1000 mil anos, o sinal mais forte é o clima ciclo 100.000 anos. Além disso, apesar da relativamente grande ciclo de 100.000 anos, alguns têm argumentado que o comprimento do registro do clima são insuficientes para estabelecer uma relação estatisticamente significativa entre o clima ea excentricidade variações. Alguns modelos podem no entanto reproduzir os ciclos de 100.000 anos, como resultado de interações não-lineares entre pequenas alterações na órbita da Terra e oscilações internas do sistema climático.

Problema 400.000 anos

O problema de 400.000 anos é que as variações de excentricidade têm uma forte ciclo de 400.000 anos. Esse ciclo só está claramente presente nos registros climáticos mais velhos do que os últimos milhões de anos. Se o 100 ka variações estão tendo um efeito tão forte, os 400 variações ka pode também vir a ser aparente. Isto também é conhecido como o problema fase 11, após o interglaciário em fase isotópica marinho 11, que seria inesperado se o ciclo de 400.000 anos tem um impacto sobre o clima. A ausência relativa desta periodicidade na ficha isotópica marinho pode ser devido, pelo menos em parte, para os tempos de resposta dos componentes do sistema de climatização envolvidas - em particular, o ciclo do carbono.

Stage 5 problema

O problema etapa 5 refere-se ao momento da interglacial penúltimo (em estágio isotópico marinho 5), que parece ter começado 10.000 anos antes do solar de forçamento hipótese de ter sido causando isso. Isto é também referido como o problema causalidade.

Efeito excede causa

420.000 anos de núcleo de gelo dados de Vostok, a estação de pesquisa na Antártida.

Os efeitos destas variações são acreditados para ser principalmente devido a variações na intensidade da radiação solar sobre várias partes do mundo. As observações mostram comportamento do clima é muito mais intensa do que as variações calculadas. Várias características internas dos sistemas climáticos são acreditados para ser sensível às mudanças de insolação, causando amplificação ( feedback positivo) e as respostas de amortecimento ( feedback negativo).

O problema pico unsplit

O problema pico unsplit refere-se ao fato de que a excentricidade tem variações em ambas as freqüências ka 95 e 125 de forma limpa resolvido. Um registro suficientemente longo, bem-datados das alterações climáticas deve ser capaz de resolver as duas frequências, mas alguns pesquisadores interpretar registros dos últimos milhões de anos climáticas como mostrar apenas um único pico espectral em 100 periodicidade ka. É discutível se a qualidade dos dados existentes deveria ser suficiente para resolver ambas as freqüências ao longo dos últimos milhões de anos.

O problema de transição

O problema de transição refere-se à mudança na freqüência de variações climáticas 1 milhão de anos. De 1-3 milhões de anos, o clima teve um modo dominante correspondente ao ciclo de 41 ka na obliquidade. Depois de 1 milhão de anos, isso mudou para uma excentricidade de harmonização 100 variação ka. Não há razão para esta mudança foi estabelecida.

As condições atuais

A quantidade de radiação solar ( insolação) no Hemisfério Norte a 65 ° N parece estar relacionada à ocorrência de uma idade do gelo. Cálculos astronômicos mostram que 65 ° N insolação de verão deve aumentar gradualmente ao longo dos próximos 25 mil anos, e que não há declínios em 65 ° N verão insolação suficiente para causar uma idade do gelo são esperados nos próximos 50.000 a 100.000 anos.

Como mencionado acima, no momento periélio ocorre durante o verão do Hemisfério Sul, e afélio durante o inverno austral. Assim, as estações do hemisfério sul devem tendem a ser um pouco mais extrema do que as estações do Hemisfério Norte. A relativamente baixa excentricidade da órbita atual resulta em uma diferença de 6,8% na quantidade de radiação solar durante o verão nos dois hemisférios.

O futuro

Desde variações orbitais são previsíveis, se tem um modelo que relaciona variações orbitais ao clima, é possível executar um tal modelo para a frente a "prever" o clima futuro. Duas advertências são necessárias: que antrópicas e que o mecanismo pelo qual orbital influências climáticas forçando não é bem compreendido.

Um freqüentemente citado estudo de 1980 Imbrie e Imbrie determinou que, "Ignorando fontes antropogênicas e outras possíveis de variação atuando em freqüências mais altas do que um ciclo por 19 mil anos, este modelo prevê que a tendência de arrefecimento longo prazo, que começou há cerca de 6.000 anos atrás vai continuar para os próximos 23 mil anos. "

Os trabalhos mais recentes por Berger e Loutre sugere que o clima quente atual pode durar mais 50 mil anos.