Οι κύκλοι του Milankovitch - Οι τέσσερις εποχές και η τροχιά της Γης

Άρθρο, Μάρτιος 2004

Όλοι έχουμε μάθει ότι οι εποχές προκαλούνται από την κλίση του άξονα περιστροφής της Γης - η κλίση των 23.4° του άξονα ως την κάθετο στο επίπεδο της γήινης τροχιάς γύρω από τον ήλιο. Αν ο άξονας ήταν κάθετος στο επίπεδο της τροχιάς τότε δεν θα υπήρχαν εποχές. 

Συγχρόνως ξέρουμε ότι ο άξονας της Γης δείχνει σήμερα προς το 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.

Η Γη φθάνει στο περιήλιο της - το σημείο που είναι πιο κοντά στον ήλιο - στις 4 Ιανουαρίου, κάπου δύο εβδομάδες μετά από το ηλιοστάσιο 21 Δεκεμβρίου. Κατά συνέπεια ο χειμώνας αρχίζει στο Βόρειο ημισφαίριο την εποχή που η Γη είναι πλησιέστερα στον ήλιο.

Είναι σημαντικό αυτό; Υπάρχει κανένας λόγος που οι ημερομηνίες του ηλιοστασίου και του περιηλίου είναι τόσο κοντά;

Αποδεικνύεται όμως ότι αυτή η σχεδόν χρονική σύμπτωση των δύο γεγονότων (περιήλιο και ηλιοστάσιο) είναι μια σύμπτωση της εποχής που ζούμε. Η ημερομηνία του περιηλίου δεν παραμένει σταθερή, αλλά κατά τη διάρκεια πολύ μεγάλων χρονικών περιόδων, παλινδρομεί αργά μέσα στο χρόνο. Για παράδειγμα, την εποχή του αστρονόμου Ιππάρχου (2ος αιώνας π.Χ.) το περίγειο εμφανιζόταν κατά την φθινοπωρινή ισημερία.

Υπάρχουν όμως αρκετά στοιχεία που δείχνουν ότι αυτή η μακροπρόθεσμη αλλαγή στην ημερομηνία που συμβαίνει το περιήλιο επηρεάζει το γήινο κλίμα.

Αστρονομική θεωρία της κλιματικής αλλαγής

Οι αλλαγές στην "κλίση" της Γης μπορούν να αλλάξουν το έντονο των εποχών - περισσότερη "κλίση" σημαίνει βαρύτερες εποχές - θερμότερα καλοκαίρια και πιο ψυχροί χειμώνες. Μικρότερη "κλίση" σημαίνει πιο δροσερά καλοκαίρια και ηπιότεροι χειμώνες. Αλλά και η αλλαγή στην εκκεντρότητα της τροχιάς της Γης καθώς και η αλλαγή στην κλίση της εκλειπτικής συνεισφέρουν στο φαινόμενο της μεταβολής του κλίματος.

Η αστρονομική θεωρία της κλιματικής αλλαγής ή θεωρία του Σέρβου αστρονόμου και αστροφυσικού Milankovitch είναι μια εξήγηση για αλλαγές στις εποχές, που οδηγούνται από τις αλλαγές στην τροχιά της Γης γύρω από τον ήλιο.

Ο Milutin Milankovitch, ο οποίος υπολόγισε τις αργές αλλαγές στη γήινη τροχιά μετά από προσεκτικές μετρήσεις της θέσης των αστεριών και μέσω εξισώσεων με τη χρήση της βαρυτικής έλξης άλλων πλανητών και άστρων.

Βρήκε δε ότι η Γη "ταλαντεύεται" στην τροχιά της. Η γήινη "κλίση" είναι αυτό που προκαλεί τις εποχές, και οι αλλαγές στην κλίση της γήινης μεταβάλει την ένταση των εποχών. Οι εποχές μπορούν επίσης να τονιστούν ή να τροποποιηθούν από την εκκεντρότητα της τροχιάς  γύρω από τον ήλιο καθώς και την επίδραση μετάπτωσης, τη θέση των ηλιοστασίων στην ετήσια τροχιά.

Η ζωή και το έργο του Milutin Milankovitch (1879-1958)

Ο Σέρβος αστροφυσικός Milutin Milankovitch είναι πολύ γνωστός για την ανάπτυξη μιας από τις σημαντικότερες θεωρίες που αφορούν τις γήινες κινήσεις και τις μακροπρόθεσμες κλιματικές αλλαγές εξ' αιτίας τους. Γεννημένος στη Σερβία, ο Milankovitch σπούδασε στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Βιέννης. Αφού ασχολήθηκε για λίγο σαν μηχανικός, αποδέχθηκε μια θέση στην έδρα εφαρμοσμένων μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο Βελιγραδίου το 1909 -- μια θέση που κράτησε μέχρι το υπόλοιπο της ζωής του.

Ο Milankovitch 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 πλάτος ενός τόπου.

Η εργασία του Milankovitch 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.

Η θεωρία Milankovitch, αναφέρει  ότι καθώς η Γη κινείται στο διάστημα γύρω από τον ήλιο, συνδυάζονται οι περιοδικές μεταβολές τριών στοιχείων της γεωμετρίας Γης - Ήλιου,  για να δημιουργήσουν περιοδικές μεταβολές στο ποσό της ηλιακής ενέργειας που φθάνει στη Γη:

1. Μεταβολές στην εκκεντρότητα της γήινης τροχιάς -- τη μορφή της τροχιάς γύρω από τον ήλιο.

2. Αλλαγές στην λόξωση της εκλειπτικής -- αλλαγές στη γωνία που σχηματίζει ο γήινος άξονας με το επίπεδο της γήινης τροχιάς.

3. Μετάπτωση των ισημεριών -- η μεταβολή στην κατεύθυνση του γήινου άξονα της περιστροφής, δηλαδή ο άξονας της περιστροφής συμπεριφέρεται όπως ο άξονας περιστροφής μιας σβούρας, σχηματίζοντας έναν κύκλο στην ουράνια σφαίρα σε 26.000 χρόνια.

Και οι τρεις περίοδοι αυτών των τροχιακών κινήσεων μαζί, έχουν γίνει γνωστές ως κύκλοι του Milankovitch.

Μεταβολές στην εκκεντρότητα

Η εκκεντρικότητα 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 μιας σχεδόν κυκλικής (χαμηλή εκκεντρότητα). Η περίοδος της μεταβολής του σχήματος είναι  μεταξύ 90.000 και 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, με συνέπεια 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.

Σημειώστε, επίσης, ότι ο ήλιος δεν είναι στο κέντρο της έλλειψης αλλά στο ένα από τα δύο εστιακά σημεία.

Κατά τη διάρκεια ενός μεγάλου κύκλου, διάρκειας 95.000 ετών, το σχήμα της γήινης τροχιάς γύρω από τον ήλιο μεταβάλλεται ανάμεσα σε μια λεπτή έλλειψη (οβάλ) και σε έναν κύκλο. Όταν η τροχιά γύρω από τον ήλιο είναι πιο ελλειπτική, υπάρχει μια διαφορά 30% στην απόσταση μεταξύ της Γης και του ήλιου στο περιήλιο και το αφήλιο. Αν και η σημερινή διαφορά των 4,8 εκατομμυρίων km στην απόσταση αυτή δεν αλλάζει πολύ την ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που λαμβάνουμε, την εποχή που η διαφορά μεταξύ αφηλίου και περιηλίου είναι 30%, στην πράξη θα τροποποιούσε το ποσό της ηλιακής ενέργειας που θα έπεφτε στη Γη και θα έκανε έτσι πιο ζεστή την εποχή που η Γη θα βρισκόταν στο περιήλιο. 

Αλλαγές στην λόξωση της εκλειπτικής ή στην αξονική κλίση

Με μια περίοδο 42.000 ετών, η Γη ταλαντεύεται καθώς αλλάζει και η γωνία του άξονα της με το επίπεδο της εκλειπτικής (αιωνία μεταβολή της λοξότητας της εκλειπτικής), μεταβάλλεται δε μεταξύ 22.1° και 24.5°.

Η μείωση της γωνίας από την τρέχουσα τιμή των 23.45° σημαίνει λιγότερες εποχιακές διαφορές μεταξύ των βόρειων και νότιων ημισφαιρίων, ενώ μια μεγαλύτερη γωνία σημαίνει μεγαλύτερες εποχιακές διαφορές (δηλ. ένα θερμότερο καλοκαίρι και ένα πιο δροσερό χειμώνα).

Καθώς δηλαδή η κλίση του άξονα αυξάνεται οι χειμώνες είναι πιο ψυχροί και τα καλοκαίρια είναι θερμότερα και στα δύο ημισφαίρια.

Επειδή λοιπόν η κλίση αλλάζει, οι εποχές όπως τις ξέρουμε μπορούν να γίνουν πιο υπερβολικές Περισσότερη κλίση σημαίνει βαρύτερες εποχές -- θερμότερα καλοκαίρια και πιο κρύοι χειμώνες. Μικρότερη κλίση σημαίνει λιγότερο βαριές εποχές -- πιο δροσερά καλοκαίρια και ηπιότεροι χειμώνες. Τα δροσερά καλοκαίρια θεωρούνται υπεύθυνα για τη διατήρηση του χιονιού και του πάγου όλο το χρόνο στα ψηλά γεωγραφικά πλάτη, δημιουργώντας τελικά τεράστια παγόβουνα.

Υπάρχουν θετικές ανατροφοδοτήσεις στο σύστημα του κλίματος επίσης, επειδή μια Γη που καλύπτεται με περισσότερο χιόνι ανακλά περισσότερη ενέργεια του ήλιου στο διάστημα, προκαλώντας έτσι πρόσθετη ψύξη.

Μετάπτωση ισημεριών ή μεταβολή στην κατεύθυνση του γήινου άξονα της περιστροφής

Οι μεταβολές στην κατεύθυνση του άξονα της Γης  αλλάζουν τις ημερομηνίες του περιηλίου και του αφηλίου, και επομένως αυξάνουν την εποχιακή αντίθεση στο ένα ημισφαίριο και μειώνουν την εποχιακή αντίθεση στο άλλο ημισφαίριο.

Προκαλείται από τις βαρυτικές ροπές που ασκούνται από το φεγγάρι και τον ήλιο στην περιστροφή της ελαφρώς πεπλατυσμένης Γης.

Σε 12.000 χρόνια από τώρα το βόρειο ημισφαίριο θα έχει καλοκαίρι το Δεκέμβριο και χειμώνα τον Ιούνιο, επειδή ο άξονας της Γης θα δείχνει στο αστέρι Βέγα αντί του Βόρειου Πολικού Αστέρα.

Αυτή η εποχιακή αντιστροφή δεν θα συμβεί ξαφνικά αλλά οι εποχές θα μετατοπιστούν βαθμιαία κατά τη διάρκεια μιας περιόδου χιλιάδων ετών.

Η περίοδος της μετάπτωσης αυτής είναι περίπου 26.000 χρόνια και για πρώτη φορά μελετήθηκε από τον αστρονόμο Ίππαρχο το 120 π.Χ. 

Από την εποχή του Ιππάρχου πρέπει η μεταβολή να ισούται με 29 μοίρες, δεδομένου ότι κάθε χρόνο ο άξονας της Γης μετακινείται 50,26 δεύτερα ανά έτος. Άρα οι περιγραφές των αρχαίων αστρονόμων για την πορεία του ήλιου ανάμεσα στους αστερισμούς δεν ισχύουν σήμερα.

Όταν δε χτίστηκαν οι πυραμίδες, γύρω στο 2.500 π.Χ. ο Πολικός ήταν κοντά στο αστέρι Thuban (άλφα Draconis).

Κύκλοι του Milankovitch

Ο Σέρβος αστροφυσικός Milutin Milankovitch υπέθεσε ότι όταν συνδυαστούν μερικά τμήματα των κυκλικών αυτών παραλλαγών και εμφανιστούν συγχρόνως, τότε είναι υπεύθυνες για σημαντικές αλλαγές στο γήινο κλίμα (ακόμα και οι εποχές του πάγου).

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, που 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 χρόνων. 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 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.

Η θεωρία του προτείνει ότι η αρχική αιτία των Εποχών του Πάγου είναι η συνολική θερινή ακτινοβολία που πέφτει στις βόρειες περιοχές (πλησίον των 65 μοιρών), όπου στο παρελθόν έχουν σχηματιστεί μεγάλα παγόβουνα.

Οι προηγούμενες Εποχές του Πάγου συσχετίζονται αρκετά με την ηλιακή έκθεση στους 65ο βόρεια. Οι αστρονομικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι στους 65ο η θερινή ηλιακή έκθεση πρέπει να αυξηθεί βαθμιαία κατά τη διάρκεια των επόμενων 25.000 ετών, και ότι δεν αναμένεται να προκληθεί μια νέα Εποχή Πάγου στα επόμενα 100.000 έτη.

Αν και έκανε την εργασία του στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα, για περίπου 50 χρόνια η θεωρία του Milankovitch αγνοήθηκε κατά ένα μεγάλο μέρος.

Μια εργασία όμως του 1976, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science από τον Hays, εξέτασε πυρήνες ιζημάτων βαθιά στη θάλασσα και βρήκε ότι η θεωρία του Milankovich αντιστοιχούσε στις περιόδους κλιματικών αλλαγών.

Συγκεκριμένα, οι συντάκτες της εργασίας εξέτασαν το γήινο αρχείο της αλλαγής της θερμοκρασίας, για 450.000 χρόνια και βρήκαν ότι οι σημαντικές μεταβολές στο κλίμα συνδέθηκαν πολύ με τις αλλαγές στη γεωμετρία (εκκεντρότητα, λόξωση της εκλειπτικής και μετάπτωση) της γήινης τροχιάς. 

Πράγματι, οι εποχές πάγου συνέβησαν όταν η Γη προχωρούσε στα διαφορετικά στάδια της τροχιακής μεταβολής.

Μειονεκτήματα της θεωρίας του Milankovitch

Αν και οι κύκλοι του 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. 

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.

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.

Πρόσφατα στοιχεία, που δημοσιεύτηκαν το 2000, δείχνουν ότι το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να διαδραματίζει έναν κύριο ρόλο ενισχυτικό της τροχιακής επίδρασης. Εντούτοις, μερικοί ερευνητές έχουν ακόμα αμφιβολίες για τη σύζευξη μεταξύ του κύκλου του κλίματος των 100.000 ετών και των τροχιακών παραλλαγών.

Κατά συνέπεια, παραμένουν αναπάντητα πολλά ζητήματα για τις μακροπρόθεσμες παραλλαγές του κλίματος και τη σχέση τους, ενδεχομένως, με αστρονομικές αιτίες.

Αναφορά: Ιστοσελίδες NASA, About.com, NOOA, Τμήμα αστρονομίας του Αμερικανικού Ναυτικού.