|
|
|
Milankovitch-cycli beschrijven de collectieve effecten van veranderingen in de bewegingen van de aarde op het klimaat gedurende duizenden jaren.
De term werd bedacht en genoemd naar de Servische geofysicus en astronoom Milutin Milanković. In de jaren twintig stelde hij de hypothese op dat variaties in excentriciteit, axiale kanteling en precessie samen resulteerden in cyclische variaties in de intra-jaarlijkse en breedtegraadverdeling van zonnestraling op het aardoppervlak, en dat deze orbitale forcering de klimaatpatronen van de aarde sterk beïnvloedde. |
| |
 |
| De Milanković-parameters |
|
|
 |
| De Milanković-parameters |
|
|
 |
| De Milanković-parameters |
|
| |
| Bewegingen van de aarde |
| |
| De rotatie van de aarde om haar as en de omwenteling rond de zon evolueren in de loop van de tijd door gravitationele interacties met andere lichamen in het zonnestelsel. De variaties zijn complex, maar een paar cycli zijn dominant. |
| |
| De baan van de aarde varieert van bijna cirkelvormig tot licht elliptisch (de excentriciteit varieert). Als de baan langer is, is er meer variatie in de afstand tussen de aarde en de zon en in de hoeveelheid zonnestraling, op verschillende tijdstippen in het jaar. Bovendien verandert de rotatiekanteling van de aarde (de obliquiteit) licht. Een grotere kanteling maakt de seizoenen extremer. Ten slotte verandert de richting in de vaste sterren waarnaar de aardas wijst (axiale precessie), terwijl de elliptische baan van de aarde rond de zon roteert (apsideprecessie). Het gecombineerde effect van precessie met excentriciteit is dat de nabijheid van de zon optreedt tijdens verschillende astronomische seizoenen. |
| |
| Milankovitch bestudeerde veranderingen in deze bewegingen van de aarde, die de hoeveelheid en locatie van zonnestraling die de aarde bereikt, veranderen. Dit staat bekend als zonneforcering (een voorbeeld van stralingsforcering). Milankovitch benadrukte de veranderingen die op 65° noorderbreedte werden ervaren vanwege de grote hoeveelheid land op die breedtegraad. Landmassa's veranderen sneller van temperatuur dan oceanen, vanwege de vermenging van oppervlakte- en diep water en het feit dat de bodem een lagere volumetrische warmtecapaciteit heeft dan water. |
| |
| Orbitale excentriciteit |
| De baan van de aarde benadert een ellips. Excentriciteit meet de afwijking van deze ellips van circulariteit. De vorm van de baan van de aarde varieert tussen bijna cirkelvormig (theoretisch kan de excentriciteit nul bereiken) en licht elliptisch (de hoogste excentriciteit was 0,0679 in de laatste 250 miljoen jaar).Het geometrische of logaritmische gemiddelde is 0,0019. Het grootste deel van deze variaties treedt op met een periode van 405.000 jaar (excentriciteitsvariatie van ±0,012). Andere componenten hebben cycli van 95.000 jaar en 124.000 jaar (met een slagperiode van 400.000 jaar). Ze combineren losjes tot een cyclus van 100.000 jaar (variatie van -0,03 tot +0,02). De huidige excentriciteit is 0,0167 en neemt af. |
| |
| De excentriciteit varieert voornamelijk door de zwaartekracht van Jupiter en Saturnus. De semi-grote as van de orbitale ellips blijft echter onveranderd. Volgens de perturbatietheorie, die de evolutie van de baan berekent, is de semi-grote as invariant. De omlooptijd (de lengte van een siderisch jaar) is ook invariant, omdat deze volgens de derde wet van Kepler wordt bepaald door de semi-grote as. Variaties op langere termijn worden veroorzaakt door interacties waarbij de perihelia en knopen van de planeten Mercurius, Venus, Aarde, Mars en Jupiter betrokken zijn. |
De halve lange as is een
constante.
| |
| Effect op temperatuur |
| De halve lange as is een constante. Daarom wordt de halve korte as korter wanneer de baan van de aarde excentrischer wordt. Dit vergroot de omvang van seizoensveranderingen. De relatieve toename van de zonnestraling bij de dichtstbijzijnde nadering tot de zon (perihelium) vergeleken met de straling op de verste afstand (aphelium) is iets groter dan vier keer de excentriciteit. Voor de huidige excentriciteit van de baan van de aarde varieert de binnenkomende zonnestraling met ongeveer 6,8%, terwijl de afstand tot de zon momenteel slechts met 3,4% varieert (5,1 miljoen km of 3,2 miljoen mijl of 0,034 au). |
| |
| Het perihelium vindt momenteel plaats rond 3 januari, terwijl het aphelium rond 4 juli is. Wanneer de baan het meest excentrisch is, zal de hoeveelheid zonnestraling bij het perihelium ongeveer 23% meer zijn dan bij het aphelium. De excentriciteit van de aarde is echter zo klein (althans op dit moment) dat de variatie in zonnestraling een kleine factor is in de seizoensgebonden klimaatvariatie, vergeleken met de axiale kanteling en zelfs vergeleken met het relatieve gemak waarmee de grotere landmassa's van het noordelijk halfrond kunnen worden opgewarmd. |
| |
| Effect op de lengte van de seizoenen |
| De seizoenen zijn kwadranten van de baan van de aarde, gemarkeerd door de twee zonnewendes en de twee equinoxen. De tweede wet van Kepler stelt dat een lichaam in een baan gelijke gebieden aflegt over gelijke tijden; zijn baansnelheid is het hoogst rond het perihelium en het laagst rond het aphelium. De aarde brengt minder tijd door in de buurt van het perihelium en meer tijd in de buurt van het aphelium. Dit betekent dat de lengtes van de seizoenen variëren. Het perihelium vindt momenteel plaats rond 3 januari, dus de grotere snelheid van de aarde verkort de winter en herfst op het noordelijk halfrond, en de zomer en lente op het zuidelijk halfrond. |
| |
| De zomer op het noordelijk halfrond is 4,66 dagen langer dan de winter, en de lente is 2,9 dagen langer dan de herfst. Op het zuidelijk halfrond is dit het omgekeerde, 4,66 dagen langer dan de zomer, en de herfst is 2,9 dagen langer dan de lente. Grotere excentriciteit vergroot de variatie in de baansnelheid van de aarde. Momenteel wordt de baan van de aarde echter minder excentrisch (meer bijna cirkelvormig). Hierdoor zullen de seizoenen in de nabije toekomst meer op elkaar lijken in lengte. |
| |
| Axiale kanteling |
De hoek van de axiale kanteling van de aarde ten opzichte van het baanvlak (de helling van de ecliptica) varieert tussen 22,1° en 24,5°, gedurende een cyclus van ongeveer 41.000 jaar. De huidige kanteling is 23,44°, ongeveer halverwege de extreme waarden. De kanteling bereikte voor het laatst zijn maximum
in 8.700 v.Chr., wat overeenkomt met het begin van het Holoceen, het huidige geologische tijdperk.
Het bevindt zich nu in de afnemende fase van zijn cyclus en zal zijn minimum bereiken rond het jaar 11.800 n.Chr. Een grotere kanteling vergroot de amplitude van de seizoenscyclus in zonnestraling,
wat zorgt voor meer zonnestraling in de zomer op elk halfrond en minder in de winter. Deze effecten
zijn echter niet overal op het aardoppervlak uniform. Een grotere kanteling vergroot de totale jaarlijkse zonnestraling op hogere breedtegraden en vermindert de totale straling dichter bij de evenaar. |
| |
| De huidige trend van afnemende helling zal op zichzelf mildere seizoenen (warmere winters en koudere zomers) bevorderen, evenals een algehele afkoelende trend. Omdat het grootste deel van de sneeuw en het ijs van de planeet zich op hoge breedtegraden bevindt, kan een afnemende helling het einde van een interglaciale periode en het begin van een glaciale periode bevorderen om twee redenen: 1) er is minder algehele zomerzoninstraling, en 2) er is minder zonnestraling op hogere breedtegraden (waardoor minder sneeuw en ijs van de vorige winter smelt). |
| |
| Axiale precessie |
Axiale precessie is de trend in de richting van de rotatieas van de aarde ten opzichte van de vaste sterren, met een periode van ongeveer 25.700 jaar. Ook bekend als de precessie van de equinoxen,
betekent deze beweging dat Polaris uiteindelijk niet langer de ster van de noordpool zal zijn.
Deze precessie wordt veroorzaakt door de getijdenkrachten die de zon en de maan uitoefenen op de roterende aarde; beide dragen ongeveer evenveel bij aan dit effect. |
| |
| Momenteel vindt het perihelium plaats tijdens de zomer op het zuidelijk halfrond. Dit betekent dat de zonnestraling als gevolg van zowel de axiale kanteling die het zuidelijk halfrond naar de zon toe laat hellen, als de nabijheid van de aarde tot de zon, maximaal zal zijn tijdens de zuidelijke zomer en minimaal tijdens de zuidelijke winter. Deze effecten op de verwarming zijn dus additief, wat betekent dat de seizoensgebonden variatie in de bestraling van het zuidelijk halfrond extremer is. Op het noordelijk halfrond bereiken deze twee factoren hun maximum op tegengestelde tijdstippen van het jaar: het noorden is naar de zon gekanteld wanneer de aarde het verst van de zon is. De twee effecten werken in tegengestelde richtingen, wat resulteert in minder extreme variaties in zonnestraling. |
| |
| Over ongeveer 10.000 jaar zal de noordpool naar de zon gekanteld zijn wanneer de aarde zich in het perihelium bevindt. Axiale kanteling en orbitale excentriciteit zullen beide bijdragen aan hun maximale toename in zonnestraling tijdens de zomer op het noordelijk halfrond. Axiale precessie zal een extremere variatie in bestraling van het noordelijk halfrond en minder extreme variatie in het zuiden bevorderen. Wanneer de aardas zo is uitgelijnd dat aphelium en perihelium zich voordoen nabij de equinoxen, zal de axiale kanteling niet uitgelijnd zijn met of tegen de excentriciteit. |
| |
| Apsidale precessie |
De orbitale ellips zelf precesseert in de ruimte, op een onregelmatige manier, en voltooit een volledige cyclus in ongeveer 112.000 jaar ten opzichte van de vaste sterren.`Apsidale precessie vindt plaats in het vlak van de ecliptica en verandert de oriëntatie van de baan van de aarde ten opzichte van de ecliptica.
Dit gebeurt voornamelijk als gevolg van interacties met Jupiter en Saturnus. Kleinere bijdragen worden
ook geleverd door de afplatting van de zon en door de effecten van de algemene relativiteitstheorie die goed bekend zijn voor Mercurius. |
| |
| Apsidale precessie combineert met de 25.700-jarige cyclus van axiale precessie om de positie te variëren in het jaar dat de aarde het perihelium bereikt. Apsidale precessie verkort deze periode tot ongeveer 21.000 jaar, op dit moment. Volgens een relatief oude bron (1965) was de gemiddelde waarde over de laatste 300.000 jaar 23.000 jaar, variërend tussen 20.800 en 29.000 jaar. |
| |
| Naarmate de oriëntatie van de baan van de aarde verandert, zal elk seizoen geleidelijk eerder in het jaar beginnen. Precessie betekent dat de niet-uniforme beweging van de aarde (zie rechts) verschillende seizoenen zal beïnvloeden. De winter zal bijvoorbeeld in een ander deel van de baan zijn. Wanneer de apsiden van de aarde (extremen van afstand tot de zon) zijn uitgelijnd met de equinoxen, zal de lengte van de lente en de zomer samen gelijk zijn aan die van de herfst en de winter. Wanneer ze zijn uitgelijnd met de zonnewendes, zal het verschil in de lengte van deze seizoenen het grootst zijn |
| |
| Orbitale helling |
De helling van de baan van de aarde beweegt op en neer ten opzichte van de huidige baan. Deze driedimensionale beweging staat bekend als "precessie van de ecliptica" of "planetaire precessie".
De huidige helling van de aarde ten opzichte van het onveranderlijke vlak (het vlak dat het impulsmoment van het zonnestelsel vertegenwoordigt, ongeveer het baanvlak van Jupiter) is 1,57°. |
| |
Milankovitch heeft planetaire precessie niet bestudeerd. Het werd pas recenter ontdekt en gemeten,
ten opzichte van de baan van de aarde, met een periode van ongeveer 70.000 jaar. Wanneer het echter onafhankelijk van de baan van de aarde wordt gemeten, maar ten opzichte van het onveranderlijke vlak, heeft precessie een periode van ongeveer 100.000 jaar. Deze periode lijkt erg op de excentriciteitsperiode van 100.000 jaar. Beide periodes komen nauw overeen met het patroon van 100.000 jaar durende gletsjergebeurtenissen. |
|
|
 |
22,1–24,5° bereik van de
obliquiteit van de aarde |
 |
| Axiale precessiebeweging. |
 |
Planeten die om de zon draaien,
volgen elliptische (ovale) banen
die geleidelijk roteren in de tijd
(apsisprecessie). De excentriciteit van
deze ellips, evenals de snelheid van
de precessie, worden overdreven
voor visualisatie. |
 |
| Effecten van precessie op de seizoenen (gebruikmakend van de termen van het noordelijk halfrond) |
|
| Materialen die van de aarde zijn gehaald, zijn bestudeerd om de cycli van het klimaat in het verleden af te leiden. Antarctische ijskernen bevatten ingesloten luchtbellen waarvan de verhoudingen van verschillende zuurstofisotopen een betrouwbare proxy vormen voor de wereldwijde temperaturen rond de tijd dat het ijs werd gevormd. Onderzoek van deze gegevens concludeerde dat de klimaatreactie die in de ijskernen werd gedocumenteerd, werd aangestuurd door de instraling van het noordelijk halfrond, zoals voorgesteld door de Milankovitch-hypothese. |
| |
Analyse van diepe oceaankernen en van de diepten van meren, en een baanbrekend artikel van Hays, Imbrie en Shackleton bieden aanvullende validatie door fysiek bewijs. Klimaatgegevens uit
een 520 meter lange kern van gesteente die in Arizona is geboord, laten een patroon zien dat synchroon loopt met de excentriciteit van de aarde, en kernen die in New England zijn geboord, komen hiermee overeen en gaan 215 miljoen jaar |
| |
| 100.000-jarig probleem |
Van alle orbitale cycli geloofde Milankovitch dat obliquiteit het grootste effect op het klimaat had,
en dat dit gebeurde door de zomerzoninstraling op noordelijke breedtegraden te variëren.
Daarom leidde hij een periode van 41.000 jaar af voor ijstijden.Later onderzoek heeft echter aangetoond dat ijstijdcycli van de Quartaire ijstijd gedurende de laatste miljoen jaar een periode van 100.000 jaar hebben gehad, wat overeenkomt met de excentriciteitscyclus. Er zijn verschillende verklaringen voor deze discrepantie voorgesteld, waaronder frequentiemodulatie of verschillende feedback (van koolstofdioxide of dynamiek van de ijskap). Sommige modellen
kunnen de cycli van 100.000 jaar reproduceren als gevolg van niet-lineaire interacties tussen kleine veranderingen in de baan van de aarde en interne oscillaties van het klimaatsysteem. In het bijzonder werd het mechanisme van de stochastische resonantie oorspronkelijk voorgesteld om deze interactie te beschrijven. |
| |
Jung-Eun Lee van Brown University stelt voor dat precessie de hoeveelheid energie die de aarde absorbeert verandert, omdat het grotere vermogen van het zuidelijk halfrond om zee-ijs te laten groeien meer energie van de aarde weg reflecteert. Bovendien zegt Lee: "Precessie is alleen van belang als de excentriciteit groot is. Daarom zien we een sterker tempo van 100.000 jaar dan een tempo van 21.000 jaar. Anderen hebben betoogd dat de lengte van het klimaatrecord
onvoldoende is om een statistisch significante relatie tussen klimaat- en excentriciteitsvariaties
vast te stellen. |
| |
| Overgangsveranderingen |
| Van 1 tot 3 miljoen jaar geleden kwamen klimaatcycli overeen met de 41.000-jarige cyclus in obliquiteit. Na een miljoen jaar geleden vond de Mid-Pleistoceen Overgang (MPT) plaats met een omschakeling naar de 100.000-jarige cyclus die overeenkomt met excentriciteit. Het overgangsprobleem verwijst naar de noodzaak om uit te leggen wat er een miljoen jaar geleden veranderde.cDe MPT kan nu worden gereproduceerd in numerieke simulaties die een dalende trend in koolstofdioxide en door gletsjers geïnduceerde verwijdering van regoliet omvatten. |
| |
| Niet-gesynchroniseerde fase vijf observatie |
| Diepzee kernmonsters tonen aan dat het interglaciale interval bekend als mariene isotopenfase 5 130.000 jaar geleden begon. Dit is 10.000 jaar voor de zonneforcering die de Milankovitch-hypothese voorspelt. (Dit staat ook bekend als het causaliteitsprobleem omdat het effect voorafgaat aan de veronderstelde oorzaak. |
|
|
 |
Tabernaswoestijn, Spanje: cycli kunnen
worden waargenomen in de kleuring en
weerstand van verschillende sedimentlagen |
 |
Variaties van cyclustijden, curven bepaald
uit oceaansedimenten. |
 |
420.000 jaar aan ijskerngegevens van het
onderzoeksstation Vostok in Antarctica,
met links de recentere data. |
|
| |
| Huidige en toekomstige omstandigheden |
| |
en
Omdat orbitale variaties voorspelbaar zijn, kan elk model dat orbitale variaties relateert aan klimaat worden doorgevoerd om toekomstig klimaat te voorspellen, met twee kanttekeningen: het mechanisme waarmee orbitale forcering het klimaat beïnvloedt is niet definitief; en niet-orbitale effecten kunnen belangrijk zijn (bijvoorbeeld, de menselijke impact op het milieu verhoogt voornamelijk de hoeveelheid broeikasgassen, wat resulteert in
een warmer klimaat. |
| |
| en vaak aangehaald orbitaal model uit 1980 van Imbrie voorspelde "de lange termijn afkoelingstrend die ongeveer 6000 jaar geleden begon, zal de komende 23.000 jaar aanhouden." |
|
|
 |
Verleden en toekomstige schattingen van de dagelijkse gemiddelde
zonnestraling bovenin de atmosfeer op de dag van de zomerzonnewende,
op 65° noorderbreedte. De groene curve is met excentriciteit e is hypothetisch
ingesteld op 0. De rode curve gebruikt de werkelijke (voorspelde) waarde van
e; de blauwe stip geeft de huidige omstandigheden aan (2000 CE). |
|
| |
| Een ander werk suggereert dat de zonnestraling op 65° N een piek van 460 W·m−2 zal bereiken in ongeveer 6500 jaar, voordat deze weer zal afnemen tot het huidige niveau (450 W·m−2 in ongeveer 16.000 jaar. De baan van de aarde zal de komende 100.000 jaar minder excentrisch worden, zodat veranderingen in de instraling van de zon gedomineerd zullen worden door veranderingen in de obliquiteit, en niet genoeg zullen afnemen om een nieuwe ijstijd in de komende 50.000 jaar mogelijk te maken |
| |
| |
| Mars |
Sinds 1972 wordt er gespeculeerd over een verband tussen de vorming van de afwisselende lichte en donkere lagen van Mars in de gelaagde polaire afzettingen en de invloed van het orbitale klimaat op de planeet. In 2002 lieten Laska, Levard en Mustard zien dat de straling van de ijslaag,
als functie van de diepte, correleert met de variaties in de zonnestraling in de zomer op de noordpool van Mars, vergelijkbaar met de variaties in het paleoklimatologische klimaat op aarde. Ze lieten ook zien dat de precessie van Mars een periode had van ongeveer 51.000 jaar, de obliquiteit een periode van ongeveer 120.000 jaar en de excentriciteit een periode tussen 95 en 99.000 jaar. In 2003 stelden Head, Mustard, Kreslavsky, Milliken en Marchant voor dat Mars zich de afgelopen 400.000 jaar in een interglaciale periode bevond en in een glaciale periode tussen 400 en 2100.000 jaar, vanwege de obliquiteit van Mars die meer dan 30° bedroeg. Bij deze extreme obliquiteit wordt de instraling gedomineerd door de regelmatige periodiciteit van de obliquiteitsvariatie van Mars. Fourieranalyse van de baanelementen van Mars laat een obliquiteitsperiode zien van 128.000 jaar en een precessie-indexperiode van 73.000 jaar. |
| |
| Mars heeft geen maan die groot genoeg is om zijn obliquiteit te stabiliseren, die varieerde van 10 tot 70 graden. Dit zou recente observaties van zijn oppervlak verklaren in vergelijking met bewijs van verschillende omstandigheden in zijn verleden, zoals de omvang van zijn poolkappen |
| |
| Buitenste zonnestelsel |
De maan Titan van Saturnus heeft een cyclus van ongeveer 60.000 jaar die de locatie van de methaanmeren zou kunnen veranderen. De maan Triton van Neptunus heeft een variatie die vergelijkbaar is met die van Titan, wat ertoe zou kunnen leiden dat zijn vaste stikstofafzettingen over
lange tijdschalen migreren. |
| |
| Exoplaneten |
Wetenschappers die computermodellen gebruiken om extreme axiale kantelingen te bestuderen, hebben geconcludeerd dat een hoge obliquiteit extreme klimaatvariaties kan veroorzaken, en hoewel dat een planeet waarschijnlijk niet onbewoonbaar zou maken, zou het wel eens problemen kunnen opleveren voor leven op het land in de getroffen gebieden. De meeste van dergelijke planeten zouden desondanks de ontwikkeling van
zowel eenvoudige als complexere levensvormen mogelijk maken. Hoewel de obliquiteit die ze bestudeerden extremer is dan de aarde ooit heeft meegemaakt, zijn er scenario's over 1,5 tot 4,5 miljard jaar, wanneer het stabiliserende effect van de maan afneemt, waarbij de obliquiteit zijn huidige bereik zou kunnen verlaten en de polen uiteindelijk bijna direct naar de zon zouden kunnen wijzen. |
| |
|
|
|
|
|
|
