Milankovićevi ciklusi - standard za astronomsko objašnjenje ledenih doba

U početku je Milankovićevo delo važilo za nečitljivo, sa brojnim izazovima suočava se i danas, ali je uprkos svemu ostalo je standard za astronomsko objašnjenje ledenih doba. Evo šta treba da znate o Milankovićevoj teoriji.

Prve hipoteze o ledenim dobima pojavile su se sredinom devetnaestog veka. Naučnici su posmatrali glečere i posledice koje posmatra njihovo topljenje.

Džejms Krol je tokom 1864-1875. objavljivao radove za koje se smatra da predstavljaju prvu ozbiljnu astronomsku teoriju ledenih doba, tako što je uključio promenu precesije i ekscentriciteta orbite Zemlje u razmatranje. Krol je radio sa astronomskim proračunima Leverijea za proteklih 100.000 godina. Ipak, podaci koje daje Krolova teorija se nisu poklopili sa vremenima ledenih doba poznatim u to vreme.

Milutin Milanković (1879-1958) je na astronomskoj teoriji radio 30 godina. On je u svojim proračunima (u vreme Prvog svetskog rata) krenuo od pretpostavki da klima zavisi od količine Sunčevog zračenja koju primaju različiti delovi Zemljine lopte, i da ova veličina zračenja zavisi od rastojanja do Sunca i položaja Zemlje u prostoru (uključujući nagib ose). Upotrebivši matematičke proračune orbitalnih parametara Ludvika Pilgrima datih za proteklih milion godina, Milanković je utvrdio 3 osnovna elementa koji se periodično menjaju kroz istoriju.

Promene ovih elemenata on dovodi u vezu sa promenom klime. To su:

1. periodična promena položaja Zemljine ose – precesije za ciklus od 22.000 godina

2. periodična promena eksentriciteta orbite od 105.000 godina

3. periodična promena nagiba ekliptike od 41.000 godina

Da bi obradio ceo projekat objašnjenja ledenih doba morao je da napiše kvalitetnu teorijsku – nebesku mehaniku po Njutnovim zakonima za proizvoljna tela, odnosno za Sunčev sistem. Veći deo "Kanona osunčavanja" sačinjava zapravo model Sunčevog sistema, izvođenja i skraćivanja načina računanja. Izdvajamo nekoliko koraka koji se pominju u biografijama. Obradio je "račun poremećaja" ili perturbacija drugih tela Sunčevog sistema koji utiču na kretanje Zemlje, tačnije odnos Sunca, Zemlje i Jupitera. Uvodeći komponente za računanje rotacije Zemlje, precesije i nutacije ose morao je da obradi problem pokretne mase na Zemlji ("telurski sistem"), kao što su Zemljina kora i okean. Uspeo je da pojednostavi opis procesa pomeranja polova.

Upotrebio je osnovne modele atmosfere, bilansa energije atmosfere i provođenja toplote kroz zemlju, zanemarujući turbulenciju i kompleksnosti klimatskog sistema.

Zbog pojednostavljivanja, albedo Zemlje je uzeo kao konstantu. Milanković kaže da je problem nelinearne prirode, te da se sa više prisutnih ledenih površina povećava odbijanje Sunčevog svetla, a sa manje ledenih pokrivača povećava apsorpcija.

Milanković računa osunčavanje upotrebljavajući solarnu konstantu i integrišući obdanice u određenim intervalima. Da bi obavio ovaj računski zadatak, a i druge zadatke do tada, bila su neophodna pojednostavljivanja računskog procesa, integrala i razvijanje u približne oblike. Primenom mehaničkih računskih mašina je ostvario numeričke rezultate o osunčavanju u toku više desetina hiljada godina, pa zatim i do 650 000 godina unazad.

Milanković je podrobno ispitao istoriju otkrića ledenih doba i sve argumente i nalaze. S punom nadom da njegova teorija neće naći na prepreke, izneo je numerička izračunavanja proseka osunčavanja i grafike krivih koje su postale poznate kao krive osunčavanja. Krive su bile izračunate za 3 geografske širine (55°, 60°, 65°), u prvi mah.

Milanković je pridao značaj krivi osunčavanja na 65°N geografske širine u toku leta. Pretpostavio je da se osunčavanje postiže najveći efekat na glacijaciju ako se izmeni nivo zračenja u toku leta. U toku hladnog leta se ne otopi sav sneg iz prethodne zime. Led se lakše topi nego li akumulira, usled čega postoji trend naglog topljenja (deglacijacije), ali spore glacijacije. Savet za pretpostavku o letu, Milanković je dobio od matematičara Kepena.

Krive osunčavanja prikazuju periodične promene pod imenom Milankovićevi ciklusi, koji su postali de-facto standard za astronomsko objašnjenje ledenih doba. Krive su objavljivane u člancima od 1923-1938. godine koje danas nalazimo objedinjene u delu pod naslovom "Kanon osunčavanja Zemlje" iz 1941. godine.

Rezultati iz Kanona su poređeni sa rezultatima iz geologije tokom decenija koje su usledile. Prva istraživanja su se zasnivala većim delom na krupnim elementima pejzaža, granicama glečera, nanosima koje su ostavljali glečeri, objašnjavanju terasa. Drugi veliki talas istraživanja se zasnivao na nalazima sedimenata – na njihovim fizičkim, hemijskim, biološkim konstituentima. Treći talas bila je upotreba izotopske tehnike koja se usavršava i danas. Četvrti veliki talas je bilo otkriće vremenske skale zasnovane na novootkrivenim geomagnetnim reverzijama. Ključ za tumačenje sedimenata koji sadrže svedočanstva o ledenim dobima su bili izučavanje izotopa, te astronomska i astrofizička istraživanja.

"Kanon Osunčavanja" je iz prve bilo "slabo poznato i nečitljivo delo" koje je ponajviše osporavano pred kraj života Milutina Milankovića. Ipak, 1976. godine je teorija dobila savremeni izgled i renome sa radom Hejsa, Imbrija i Šekltona "Varijacije u Zemljinoj orbiti: tempaš ledenih doba".

Potvrde Milankovićevih ciklusa

Milankovićevi ciklusi se u nekoj meri reflektuju u klimatskim ciklusima. Astronomska teorija ledenih doba nailazi na dokaze u geologiji, biologiji i drugim studijama. Konačnu potvrdu dobija sa CLIMAP projektom (Climate Mapping, Analysis and Prediction) koji je izvođen od 1971-1976. godine. Metode koje su rađene su:

- izotopsko proučavanje ljuštura foraminiferske vrste Globigerina bulloides

- statistička analiza zastupljenosti radiolarijskih asocijacija

- zastupljenost radiolarijske vrste Cyclocladophora dovisiana koja je osetljiva na klimatske promene

- zastupljenost kokolitske vrste Pseudoemiliania lacunosa i radiolarije Stylatractus universus

Čuveni učesnici projekta su bili Imbri, Šeklton i Hejs. Milankovićeva teorija je bila idejno tačna. Broker, Denk, Njuvartles i Mezolela i drugi su sačinili prvu opšte prihvaćenu ispravku uvrstivši da je osunčavanje na geografskoj širini od 65° najvažniji astronomski faktor uticaja na klimu.

Projekat CLIMAP je izneo neke malo drugačije podatke o ledenim dobima, ali je praktično potvrdio koncepte Milankovićeve teorije:

- klima za poslednjih 500.000 godina varira periodično u ciklusima od 23.000, 42.000, i oko 100.000 godina. Ovi ciklusi odgovaraju periodima varijacije Zemljine orbite, a utiču na klimatske promene intenzitetom 10%, 25%, 50%

- klimatska komponenta ciklusa od 42.000 godina odgovara promenama nagiba Zemljine ose

- klimatska komponenta ciklusa od 23.000 godina odgovara promenama precesije

- dominantna klimatska komponenta od oko 100.000 godina odgovara ekscentricitetu Zemljine putanje

Projekat CLIMAP je nasledio COHMAP (Cooperative Holocene Mapping Project). Projekat SPECMAP daje standardnu hronologiju ledenih doba (klimatskih epoha). Kod nekih uzoraka, dubinska skala je pretvorena u starosnu skalu pomoću očekivanja gde treba da se javljaju zahlađenja na osnovu Milankovićevih ciklusa.

Dominantni ciklusi klime u poslednjih nekoliko stotina hiljada godina su bili poznati Milankoviću. Među klimatskim glacijacijama i deglacijacijama se najčešće izdvaja perioda od 100.000 godina, dok ostale periode uključuju 1.500, 22.000, i 41.000 godina. Upotrebivši krivu osunčavanja Zemlje na geografskoj širini 65oN uporedio je maksimume i minimume, faze i frekvencije osunčavanja sa promenama temperature dobijenim iz uzoraka.

Na ovoj kolekciji grafika je predstavljeno 420 000 godina istorije klime zebeleženo u ledu. Uzorak je uzet na Antarktiku, u stanici Vostok (jezero Vostok na Južnom polu). U antarktičkoj šipci leda su analizirani ugljen-dioksid (ppmv, parts per million by volume, milioniti delovi zapremine) – gornja kriva plave boje, metan (ppbv, parts per billion by volume, milijarditi delovi zapremine) – kriva u sredini, zelene boje, izotopi kiseonika (promili) – kriva tamno narandžaste boje. Kriva crvene boje označava temperaturnu razliku (stepen Celzijusa). Na dnu slike, poslednja kriva predstavlja promenu osunčavanja na 65oN geografske širine dato u jedinicama W/m2. Vremenska skala na horizontalnoj osi pokazuje unazad (hiljade godina).

Primetimo (na slici) veoma dobro poklapanje promena ugljen-dioksida i metana u atmosferi sa temperaturom (glacijalima i interglacijalima). Precizna merenja veličine globalnog leda u ledenim pokrivačima (glacial ice) se zasnivaju najčešće na dubinskim, sedimentnim jezgrima sa dna okeana, ili iz arktičkog, antarktičkog leda (ice cores), u kojima se klimatske promene beleže odnosom izotopa kiseonika 16 i 18, prisustvom ugljen-dioksida, metana, i na dalje prisustvom prašine, ostataka živih bića (fosila), itd.

Milankovićev rad je bio deterministički, ali je on uviđao probleme nelinearnosti i nepredvidivosti. Novi modeli Sunčevog sistema se zasnivaju na složenijim teorijama kao što su Opšta teorija gravitacije i teorija haosa. Simulirani planetarni sistem je osetljiv na početne uslove. Klimatski sistem je sa svoje strane, takođe – bogat nelinearnim, haotičnim i stohastičkim pojavama. Rešavanje problema ledenih doba se nosi sa orgomnom složenošću kao što su osunčavanja na pojedinačnim geografskim širinama tokom više miliona godina i faktorima povratne sprege koji evoluiraju od situacije do situacije. "Kanon" je pružio uzor kako se problem ledenih doba može obraditi sa astronomskog stanovišta.

Idući dublje u ledena jezgra, svaki od marinskih izotopskih stupnjeva je postavljao novo pitanje – izazov za Milankovićevu teoriju.

Uzroci i posledice ponekad menjaju mesto. Interglacijalni period u kome živimo je počeo naglo pre 10.000 godina, i to nekih 10.000 godina pre nego što je osunčavanje postalo intenzivnije.

Iznenadna promena klime je veliki izazov paleoklimatologije. Do pre jedan milion godina dominantan ciklus je bio 100.000-godišnji ciklus klime. Ali, pre toga, od jedan do tri miliona godina je dominantan ciklus bio 41.000 godina. Povezivanje varijacija u ekscentricitetu sa ovim ne daje dobre rezultate. Promene ekscentriciteta su premalo izražene da bi promene u osunčavanju otuda objasnile ledena doba. Frekvencije se ne poklapaju. Klimatski zapis je suviše kratak da bi se donela konačna procena. Otuda promene ekscentriciteta ne objašnjavaju ovu cikličnost.

Variranje ekscentriciteta ima energetski najizraženiju periodu od 400.000 godina, ali klimatski zapisi pokazuju tragove promena sa tom periodom, jedino u okviru geoloških nalaza starijih od milion godina.

Misterija ledenih doba je složena i sadržajna. Sam klimatski sistem beleži brojne pojave, uticaje od ovozemaljskih do galaktičkih. Danas su nam na raspolaganju bolji uzorci i bolji modeli za proučavanje odnosa osunčavanja i ledenih doba. Milankovićevi ciklusi verovatno ne započinju niti zaustavljaju ledena doba, čak ni u najekstremnijem slučaju. Ovi ciklusi su daleko uređeniji i učestaliji nego ledena doba, ali se njihov signal nalazi zabeležen unutar promena glacijala i interglacijala.

Izvor: Astronomija (Predrag Bošković, VODIČ KROZ LEDENA DOBA)