Κύκλοι Milankovitch: Η αστρονομική θεωρία της κλιματικής αλλαγής

Κύκλοι Milankovitch
4 εποχές σε μία εικόνα. Πηγή: https://www.diaforetiko.gr/

 

Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει έντονη ανησυχία από τους επιστήμονες (και δικαίως) για τους ανθρωπογενείς παράγοντες που συμβάλλουν στην υπερθέρμανση του πλανήτη, μέσω της ενίσχυσης του φαινομένου του θερμοκηπίου, και στην κλιματική αλλαγή. Γίνονται σημαντικές προσπάθειες για τη μείωση των εκπομπών των θερμοκηπικών αερίων στην ατμόσφαιρα (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο κλπ.) από την υπερβολική χρήση των ορυκτών καυσίμων στη βιομηχανία και στην παραγωγή ενέργειας. Στο παρόν άρθρο δε θα ασχοληθούμε με αυτούς τους ανθρωπογενείς παράγοντες, αλλά θα μελετήσουμε την κλιματική αλλαγή από τη σκοπιά αστρονομικών παραγόντων! Η θεωρία του Milankovitch ή Κύκλοι Milankovitch περιγράφουν τις συλλογικές επιπτώσεις των αλλαγών στις κινήσεις της Γης στο κλίμα της για χιλιάδες χρόνια. Ας πάρουμε όμως τα πράγματα από την αρχή.

Εισαγωγή

Γνωρίζουμε ότι οι εποχές προκαλούνται από την κλίση του άξονα περιστροφής της Γης, η κλίση των 23,45ο του άξονα ως προς την κάθετο στο επίπεδο της γήινης τροχιάς γύρω από τον Ήλιο.  Εκλειπτική ονομάζεται το επίπεδο πάνω στο οποίο διαγράφεται η τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο. Η κλίση αυτή λοιπόν, ονομάζεται λόξωση της εκλειπτικής. Αν ο άξονας ήταν κάθετος στο επίπεδο της τροχιάς (μηδενική κλίση), τότε δε θα υπήρχαν εποχές.

Κύκλοι Milankovitch
Σχήμα 1: Κινήσεις της Γης, εποχές, ηλιοστάσια και ισημερίες. Πηγή: https://science.fandom.com/

Συγχρόνως ξέρουμε ότι ο άξονας της Γης δείχνει σήμερα προς τον Πολικό Αστέρα και ότι η Γη είναι περίπου 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τον ήλιο. Αυτά όμως τα γεγονότα δεν είναι απόλυτα ή σταθερά. Η αλληλεπίδραση μεταξύ της Γης και του Ήλιου, που είναι γνωστή ως τροχιακή παράλλαξη, αλλάζει τη διεύθυνση του άξονα, τις αποστάσεις ανάμεσα στη Γη και στον Ήλιο από την αρχή της ιστορίας του πλανήτη μας, εδώ και 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια. Μαζί όμως αλλάζει και το κλίμα της Γης.

Ο Σέρβος αστρονόμος και αστροφυσικός Milutin Milankovitch (1879-1958) αφιέρωσε τη σταδιοδρομία του στην ανάπτυξη μιας μαθηματικής θεωρίας για το κλίμα. Βασίστηκε δε, στις εποχιακές καθώς και στις μεταβολές της ηλιακής ακτινοβολίας που πέφτει στη Γη ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος ενός τόπου. Η εργασία του ήταν μια προσπάθεια για την εξήγηση των Εποχών του Πάγου και την έχτισε πάνω σε προηγούμενες αστρονομικές θεωρίες για την μεταβολή του κλίματος, από τους Joseph Adhemar και James Croll τον 19ο αιώνα.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΑΚΟΜΑ

Οι Κύκλοι Milankovitch αναφέρουν ότι καθώς η Γη κινείται στο διάστημα γύρω από τον Ήλιο, συνδυάζονται οι περιοδικές μεταβολές τριών στοιχείων της γεωμετρίας Γης-Ηλίου για να δημιουργήσουν περιοδικές μεταβολές στο ποσό της ηλικής ενέργειας που φτάνει στη Γη:

  1. Μεταβολή στην εκκεντρότητα της γήινης τροχιάς, τη μορφή της τροχιάς γύρω από τον Ήλιο.
  2. Αλλαγές στη λόγωση της εκλειπτικής. Δηλαδή αλλαγές στη γωνία που σχηματίζει ο γήινος άξονας με το επίπεδο της γήινης τροχιάς.
  3. Μετάπτωση των ισημεριών. Με άλλα λόγια η μεταβολή στην κατεύθυνση του γήινου άξονα της περιστροφής.

Και οι τρεις περιόδοι αυτών των τροχιακών κινήσεων μαζί, είναι γνωστές ως Κύκλοι Milankovitch. Πάμε να αναλύσουμε την κάθε μία ξεχωριστά.

Μεταβολές στην εκκεντρότητα

Η εκκεντρότητα είναι η αλλαγή στη μορφή της γήινης τροχιάς γύρω από τον Ήλιο. Η μορφή της τροχιάς της Γης παρουσιάζει μια περιοδικότητα ανάμεσα σε μια ελλειπτική τροχιά υψηλής εκκεντρότητας, μέχρι μια σχεδόν κυκλικής (χαμηλή εκκεντρότητα). Η περίοδος της μεταβολής αυτής της τροχιάς είναι περίπου 90.000-100.000 ετών.  Όταν η τροχιά είναι ιδιαίτερα ελλειπτική, το ποσό της ηλιακή ενέργειας ανά μονάδα επιφανείας που λαμβάνεται στο περιήλιο είναι 20 έως 30% μεγαλύτερη από ό,τι στο αφήλιο. Συνέπεια αυτού είναι να υπάρχει ένα ουσιαστικά διαφορετικό κλίμα από αυτό που έχουμε σήμερα.

Αυτήν την περίοδο, η τροχιά του πλανήτη μας είναι σχεδόν ένας τέλειος κύκλος. Υπάρχει μόνο μια διαφορά 3% (5 εκατομμύρια χιλιόμετρα) στην απόσταση μεταξύ της εποχής που είμαστε πιο κοντά στον ήλιο (περιήλιο) και την εποχή που είμαστε πιο μακριά από τον ήλιο (αφήλιο). Το περιήλιο εμφανίζεται στις 3 Ιανουαρίου και σε εκείνο το σημείο, η Γη είναι 147 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τον ήλιο. Στο αφήλιο, κάθε 4 Ιουλίου, η Γη είναι 152 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τον ήλιο. Αυτή η διαφορά στην απόσταση προκαλεί μια αύξηση περίπου 6% στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία από τον Ιούλιο μέχρι τον Ιανουάριο. Επίσης, ότι ο ήλιος δεν είναι στο κέντρο της έλλειψης αλλά στο ένα από τα δύο εστιακά σημεία.

Κύκλοι Milankovitch
Σχήμα 2: Ελλειπτική τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο (διακεκομμένη γραμμή) και κυκλική τροχιά (συνεχής γραμμή). Πηγή: https://www.researchgate.net/

Μπορεί η σημερινή διαφορά των 4,8 εκατομμυρίων km στην απόσταση αυτή να μην αλλάζει πολύ την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνει η Γη, όμως την εποχή που η διαφορά μεταξύ περιηλίου και αφηλίου θα είναι στο 30%, θα τροποποιούσε σε σημαντικό βαθμό το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που θα έφτανε στη Γη. Θα έκανε έτσι, πιο ζεστή την εποχή που η Γη θα βρισκόταν στη περιήλιο.

Μεταβολές στη λόξωση της εκλειπτικής

Με μια περίοδο 42.000 ετών, η Γη ταλαντεύεται καθώς αλλάζει η γωνία του άξονά της με το επίπεδο της εκλειπτικής, η οποία μεταβάλλεται μεταξύ 22.1° και 24.5°. Η μείωση της γωνίας από την τρέχουσα τιμή των 23,45ο σημαίνει λιγότερες εποχιακές διαφορές μεταξύ του Βόρειου και Νότιου Ημισφαιρίου. Δηλαδή πιο δροσερά καλοκαίρια και ηπιότεροι χειμώνες. Μια μεγαλύτερη γωνία από την άλλη σημαίνει μεγαλύτερες εποχιακές διαφορές. Με άλλα λόγια, καθώς η κλίση του άξονα αυξάνεται, οι χειμώνες γίνονται ψυχρότεροι και τα καλοκαίρια θερμότερα και στα δύο Ημισφαίρια.

Κύκλοι Milankovitch
Σχήμα 3. Μεταβολές στη λόξωση της εκλειπτικής της Γης. Πηγή: https://phys.org/

Μετάπτωση ισημεριών

Οι μεταβολές στην κατεύθυνση του άξονα περιστροφής της Γης, αλλάζουν τις ημερομηνίες του περιηλίου και του αφηλίου. Επομένως, αυξάνεται η εποχιακή αντίθεση στο ένα Ημισφαίριο και μειώνεται στο άλλο. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από τις βαρυτικές ροπές που ασκούνται από το φεγγάρι και τον Ήλιο στην περιστροφή της ελαφρώς πεπλατυσμένης Γης. Σε 11.000 περίπου χρόνια από τώρα, το Βόρειο Ημισφαίριο θα έχει καλοκαίρι το Δεκέμβριο και χειμώνα τον Ιούνιο. Ο άξονα της Γης τότε, θα δείχνει στο αστέρι Βέγκα αντί του Βόρειου Πολικού Αστέρα που δείχνει σήμερα. Αυτή η εποχιακή αντιστροφή δε θα συμβεί ξαφνικά, αλλά οι εποχές θα μετατοπιστούν βαθμιαία κατά τη διάρκεια μιας περιόδου χιλιάδων ετών.

Κύκλοι Milankovitch
Σχήμα 4. Μεταβολή της κατεύθυνσης του άξονα περιστροφής της Γης (a) και εποχιακή αντιστροφή (b) & (c) μετά από 11 χιλιάδες χρόνια. Πηγή: Πηγή: https://phys.org/

Κύκλοι Milankovitch

O Milutin Milankovitch υπέθεσε ότι όταν συνδυαστούν μερικά τμήματα των κυκλικών αυτών παραλλαγών και εμφανιστούν συγχρόνως, τότε είναι υπέυθυνες για σημαντικές αλλαγές στο γήινο κλίμα. Ο συνδυασμός δηλαδή του κύκλου των 41.000 ετών της κλίσης και των κύκλων μετάπτωσης  των 22.000 ετών, συν την μικρότερη εκκεντρότητα, έχει επιπτώσεις στη σχετική ένταση του καλοκαιριού και του χειμώνα, και θεωρείται ότι μπορεί να ελέγχει την αύξηση και την υποχώρηση των παγόβουνων.

Τα δροσερά καλοκαίρια στο βόρειο ημισφαίριο, όπου υπάρχει περισσότερη στεριά, επιτρέπουν στο χιόνι και τον πάγο να μένουν και κατά τον επόμενο χειμώνα. Αυτό βοηθάει στην ανάπτυξη μεγάλων παγόβουνων για εκατοντάδες έως χιλιάδες χρόνια. Επιπλέον, υπάρχουν θετικές ανατροφοδοτήσεις στο σύστημα του κλίματος, επειδή μια Γη που καλύπτεται με περισσότερο χιόνι, ανακλά περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία πίσω στο διάστημα. Προκαλείται, έτσι, μια πρόσθετη ψύξη. Αντιθέτως, τα θερμότερα καλοκαίρια μειώνουν την έκταση των παγόβουνων τήκοντας περισσότερο πάγο από τη συσσώρευση που έγινε κατά τη διάρκεια του χειμώνα.

Ο Milankovitch με τη βοήθεια ενός μαθηματικού μοντέλου υπολόγισε τις διαφορές, στα διάφορα γεωγραφικά πλάτη, της ηλιακής έκθεσης ανά μονάδα επιφανείας και την αντίστοιχη θερμοκρασία επιφάνειας, κατά τη διάρκεια των τελευταίων 600.000 ετών. Προσπάθησε, έπειτα, να συσχετίσει αυτές τις αλλαγές με την αύξηση και την υποχώρηση των εποχών πάγου. Για να το πετύχει ο Milankovitch, υπέθεσε ότι οι αλλαγές στην ακτινοβολία σε μερικά γεωγραφικά πλάτη και οι εποχές είναι σημαντικότερες στην αύξηση και την διάσπαση των παγόβουνων από αυτές σε κάποιες άλλες περιοχές.

Οι Κύκλοι Milankovitch προτείνουν ότι η αρχική αιτία των Εποχών του Πάγου είναι η συνολική θερινή ακτινοβολία που πέφτει στις βόρειες περιοχές (πλησίον των 65ο), όπου στο παρελθόν έχουν σχηματιστεί μεγάλα παγόβουνα. Οι προηγούμενες Εποχές του Πάγου συσχετίζονται αρκετά με την ηλιακή έκθεση στους 65ο βόρεια. Όμως, αστρονομικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι στους 65ο η θερινή ηλιακή έκθεση αναμένεται να αυξηθεί βαθμιαία κατά τη διάρκεια των επόμενων 25.000 ετών, δηλαδή δεν πρόκειται να προκληθεί μια νέα Εποχή Πάγου στα επόμενα 100.000 έτη.

Σχήμα 5. Η Γη την εποχή των Παγετώνων. Πηγή: https://www.deviantart.com/

Μειονεκτήματα των κύκλων Milankovitch

  1. Αν και οι Κύκλοι Milankovitch εξηγούν μακροπρόθεσμες κλιματικές αλλαγές, δεν μπορούν να υπολογίσουν τις αλλαγές που γίνονται από τους ανθρώπους, οι οποίες εμφανίζονται να έχουν μια σαφώς μεγαλύτερη επίδραση από τις μεταβολές στην αλληλεπίδραση μεταξύ Γης-Ήλιου.
  2. Οι ακριβείς μηχανισμοί από τους οποίους σχετικά μέτριες μεταβολές στην κατεύθυνση της τροχιάς και των αξόνων της Γης οδηγούν σε τέτοια μεγάλα αποτελέσματα, όπως οι Εποχές του Πάγου δεν αποδεικνύονται αρκετά καλά.
  3. Μπορεί ο κύκλος του περιηλίου των 21.000 ετών και ο κύκλος της κλίσης των 41.000 ετών να παίζουν ρόλο στο κλίμα της Γης κατά το παρελθόν, αλλά ο κυρίαρχος κύκλος κλίματος φαίνεται να έχει μια περίοδο περίπου 100.000 ετών.
  4. Πρόσφατα στοιχεία δείχνουν ότι το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να διαδραματίζει έναν κύριο ρόλο ενισχυτικό της τροχιακής επίδρασης.

Πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για το άρθρο:

Διαδίκτυο
  1. Φυσική για όλους, ανακτήθηκε από http://physics4u.gr/blog/, τελευταία επίσκεψη 17/01/2021.
  2. Wikipedia, the free encyclopedia, ανακτήθηκε από https://el.wikipedia.org/, τελευταία επίσκεψη 17/01/2021.
  3. News and Articles on Science and Technology, ανακτήθηκε από https://phys.org/, τελευταία επίσκεψη 17/01/2021.
Βιβλιογραφία
  1. Σαχσαμάνογλου Χ.Σ., Μπλούτσος Α., Γενική Κλιματολογία, Θεσσαλονίκη, 1998, Εκδόσεις Ζήτη.

Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Χρήστος Γιαννακλής

Φυσικός, 22 ετών, με πτυχίο από το Πανεπιστήμιο Πατρών και μέλος του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας μέσω του μεταπτυχιακού προγράμματος 'Εφαρμοσμένη Μετεωρολογία & Φυσική Περιβάλλοντος'. Hobbies: Αθλητισμός, μουσική, κινηματογράφος.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;