Кіріспе

Миланкович циклдері – Жердің қозғалыстағы өзгерістерінің мыңдаған жылдар бойы климатқа тигізетін әсерлерінің жиынтығын сипаттайды. Бұл термин серб геофизигі және астрономы Милутин Миланковичтің есімімен аталады. 1920 жылдары ол эксцентриситет, осьтік бұрылыс және прецессияның ауытқуларының Жер бетіндегі күн сәулесінің жылдық және ендік бойынша таралуындағы циклдық өзгерістерге алып келетінін, ал бұл орбиталық күш Жердің климаттық үлгілеріне күшті әсер етеді деген гипотезаны ұсынды.

Жер қозғалысы

Жердің өз осінің айналуы және Күнді айналуы Күн жүйесіндегі басқа денелермен гравитациялық өзара әсерлесудің салдарынан уақыт өте келе өзгеріп отырады. Бұл өзгерістер күрделі, бірақ бірнеше циклдер басым. Жердің орбитасы дерлік дөңгелек пен біраз эллипстік аралығында өзгереді (оның эксцентриктігі өзгеріп тұрады). Орбита созылғанда, Жер мен Күн арасындағы қашықтық пен жылдың әртүрлі кезеңдеріндегі күн сәулесінің мөлшері көбірек өзгеріске ұшырайды. Сонымен қатар, Жердің айналу осінің бұрышы (көлбеулігі) аздап өзгереді. Көлбеулік бұрыш үлкен болса, маусымдардың айқындығы артады. Сонымен қатар, Жер осі көрсеткен бекітілген жұлдыздардың бағыты өзгереді (аксиалды прецессия), ал Жердің Күнді айналатын эллипстік орбитасы да айналады (апсидалық прецессия). Прецессия мен эксцентриктіктің біріккен әсерінен Күнге жақын қашықтықта болу әртүрлі астрономиялық маусымдарда кездеседі. Миланкович Жердің осы қозғалыстарындағы өзгерістерді зерттеді, олар Жерге жететін күн сәулесінің мөлшері мен орнын өзгертеді. Бұл күн күші деп аталады (радиациялық күштің бір мысалы). Миланкович 65° солтүстік ендіктегі өзгерістерге ерекше назар бөлді, себебі осы ендікте құрлықтың көп бөлігі орналасқан. Құрлық массалары мұхиттарға қарағанда температураны жылдам өзгертеді, себебі беткі және терең сулар араласады және топырақтың суға қарағанда көлемдік жылу сыйымдылығы төмен болады.

Орбиталық эксцентрицитет

Жердің орбитасы эллипс пішіндес келеді. Эксцентриситет – бұл эллипстің дөңгелектен алшақтығын көрсететін шама. Жердің орбитасының пішіні дерлік дөңгелек (теориялық тұрғыдан эксцентриситет нөлге жуықтауы мүмкін) және шамалы эллипстік (соңғы 250 миллион жылдағы ең жоғары эксцентриситет 0,0679 болды) аралығында өзгеріп отырады. Оның геометриялық немесе логарифмдік орташасы 0,0019-ға тең. Бұл өзгерістердің басты бөлігі 405 000 жылдық циклмен жүзеге асады (эксцентриситет ±0,012 өзгереді). Басқа циклдар 95 000 және 124 000 жылға созылады. Күнге ең жақын нүктедегі (перигелий) сәулеленудің Күннен ең алыс нүктедегі (афелий) сәулеленумен салыстырғандағы өсуі эксцентриситеттің төрт есесінен сәл артық. Жердің қазіргі орбиталық эксцентриситеті үшін келіп түсетін күн сәулесі шамамен 6,8%-ға өзгереді, ал Күннен қашықтық қазіргі уақытта тек 3,4%-қа ғана өзгереді. Перигелий қазіргі уақытта 3 қаңтарға, ал афелий 4 шілдеге сәйкес келеді. Орбита ең эксцентриктік болғанда, перигелийдегі күн сәулесінің мөлшері афелийдегіден шамамен 23%-ға көп болады. Дегенмен, Жердің эксцентриситеті өте кішкентай (кем дегенде, қазіргі уақытта), сондықтан күн сәулеленуінің өзгеруі маусымдық климаттың өзгеруіне үлкен әсер етпейді, одан гөрі осьтік бұрылыс және тіпті солтүстік жарты шардың ірі құрлықтарын жылытудың оңайдығы маңыздырақ.

Маусымдардың ұзақтығына әсері

+ Маусымдық ұзақтығыЖылСолтүстік жарты шарОңтүстік жарты шарДата (UTC)Маусымдық ұзақтығы2005 Қысқы күн тоқырауыЖазғы күн тоқырауы21 желтоқсан 2005 18:3588.99 күн2006 Көктемгі теңдікКүзгі теңдік20 наурыз 2006 18:2692.75 күн2006 Жазғы күн тоқырауыҚысқы күн тоқырауы21 маусым 2006 12:2693.65 күн2006 Күзгі теңдікКөктемгі теңдік23 қыркүйек 2006 4:0389.85 күн2006 Қысқы күн тоқырауыЖазғы күн тоқырауы22 желтоқсан 2006 0:2288.99 күн2007 Көктемгі теңдікКүзгі теңдік21 наурыз 2007 0:0792.75 күн2007 Жазғы күн тоқырауыҚысқы күн тоқырауы21 маусым 2007 18:0693.66 күн2007 Күзгі теңдікКөктемгі теңдік23 қыркүйек 2007 9:5189.85 күн2007 Қысқы күн тоқырауыЖазғы күн тоқырауы22 желтоқсан 2007 06:08

Маусымдар – Жер орбитасының төрттен бірі, екі күн тоқырауы және екі теңдікпен белгіленеді. Кеплердің екінші заңына сәйкес, орбитадағы дене бірдей уақыт ішінде бірдей ауданды қамтиды; оның орбиталық жылдамдығы перигелийде ең жоғары, ал афелийде ең төмен болады. Жер перигелийге жақын аз уақыт, ал афелийге жақын көп уақыт өткізеді. Осының салдарынан маусымдардың ұзақтығы әртүрлі болады. Қазіргі кездегі еңіс төмендеу тенденциясы, өзінен, жеңіл маусымдарға (жылы қыс және суық жаз) және жалпы салқындауға ықпал етеді. Апсидальды прецессия эклиптика жазықтығында жүреді және эклиптикаға қатысты Жер орбитасының бағытын өзгертеді. Бұл негізінен Юпитер мен Сатурнның өзара әрекеттесуінің нәтижесінде болады. Күннің пішініне және Меркурий үшін жақсы белгілі жалпы салыстырмалылық теориясының әсері де аз үлес қосады. Апсидальды прецессия 25 700 жылдық осьтік прецессия циклымен (жоғарыда қараңыз) бірігіп, Жер перигелийге жететін жылдың орнын өзгертеді. Апсидальды прецессия осы кезеңді қазіргі уақытта шамамен 21 000 жылға дейін қысқартады. 1965 жылғы салыстырмалы түрде ескі дереккөз бойынша, соңғы 300 000 жылдағы орташа мән 23 000 жылды құрады, ал ауытқуы 20 800 мен 29 000 жыл аралығында болды.

Теориялық шектеулер

Жер бетінен алынған материалдар өткен климаттың айналымдарын анықтау үшін зерттелді. Антарктика мұздықтарының ішіндегі тұтқынға алынған ауа көпіршіктерінің әртүрлі оттегі изотоптарының арақатынасы, мұз пайда болған кездегі жаһандық температураның сенімді көрсеткіші болып табылады. Осы деректерді зерттеу нәтижесінде, мұз ядроларында тіркелген климаттық өзгерістер Миланкович гипотезасы бойынша, Солтүстік жарты шардың күн сәулесінің өзгеруімен байланысты екені анықталды. Осыған ұқсас астрономиялық гипотезаларды 19 ғасырда Джозеф Адхемар, Джеймс Кролл және басқалар да ұсынған. Теңіз түбінің терең қабаттары мен көлдердің тереңдігін талдау, сондай-ақ Хейс, Имбри және Шеклтонның маңызды зерттемесі физикалық дәлелдер арқылы қосымша растауды қамтамасыз етеді. Аризонада бұрғыланған 518,16 метрлік тау жынысы ядросындағы климаттық жазбалар Жердің эксцентриситетімен үйлесетін үлгіні көрсетіп, Жаңа Англияда бұрғыланған ядролар да осы үлгіні 215 миллион жылға дейін растайды.

100 000 жылдық мәселе

Миланкович орбиталық циклдердің ішінде ең үлкен әсерін қисықтыққа тигізеді деп есептеді, және ол бұл әсерді солтүстік ендіктеріндегі жазғы күн сәулесінің мөлшерін өзгерту арқылы жүзеге асырады деп санады. Сондықтан ол мұз дәуірінің 41000 жылдық мерзімін анықтады. Алайда, кейінгі зерттеулер көрсеткендей, соңғы миллион жылдағы төртінші мұздық дәуірдің мұздық циклдары 100000 жылдық мерзімде жүрді, бұл эксцентрицитет циклымен сәйкес келеді. Бұл қарама-қайшылықты түсіндіру үшін әртүрлі нұсқаулар ұсынылды, соның ішінде жиілік модуляциясы немесе әртүрлі кері байланыстар (көмірқышқыл газынан немесе мұздықтардың динамикасынан). Кейбір модельдер Жер орбитасының шағын өзгерістері мен климат жүйесінің ішкі тербелістері арасындағы сызықты емес өзара әрекеттесу нәтижесінде 100000 жылдық циклдарды қайта жасай алады. Атап айтқанда, осы өзара әрекеттесуді сипаттау үшін бастапқыда стохастикалық резонанс механизмі ұсынылды. Браун университетінің қызметкері Юнг Ын Ли прецессия Жердің сіңіретін энергия мөлшерін өзгертеді деп санайды, себебі оңтүстік жарты шарда теңіз мұзының өсу мүмкіндігі Жерден шағылысқан энергияны көбірек арттырады. Сонымен қатар, Ли былай дейді: "Прецессия эксцентрицитет жоғары болғанда ғана маңызды. Сондықтан біз 21000 жылдық мерзімге қарағанда 100000 жылдық мерзімнің күштірек екенін көріп отырмыз". Басқалар климаттық жазбаның ұзақтығы климат пен эксцентрицитет өзгерулері арасындағы статистикалық маңызды байланысты белгілеу үшін жеткіліксіз деп мәлімдеді.

Өтпелі өзгерістер

1–3 миллион жыл бұрын климаттық циклдар 41 мың жылдық циклмен сәйкес келді. Бір миллион жыл өткен соң, Орта плейстоцен ауысуы (MPT) орын алып, экцентриситетке сәйкес келетін 100 мың жылдық циклға өтті. Ауысу мәселесі миллион жыл бұрын не өзгергенін түсіндіру қажеттігімен байланысты. Қазіргі таңда көмірқышқыл газының азаю тенденциясын және мұздықтардың реголитті алып тастауын қамтитын сандық модельдеулерде MPT-ні қайта жаңғыртуға болады.

Бөлінбеген ең жоғарғы ауытқулардың түсіндірілуі

Тіпті соңғы миллион жылдағы жақсы сақталған климат жазбалары да эксцентрицитет қисығының пішінімен толық сәйкес келмейді. Эксцентрицитет 95 000 және 125 000 жылдық циклдардан тұрады. Дегенмен, кейбір зерттеушілер бұл жазбаларда осы шыңдардың көрінбейтінін, тек 100 000 жылдық бір циклдің ғана байқалатынын айтады. Алайда, екі эксцентрицитет компонентінің аражігі 500 миллион жылдық скандинавиялық алюминий тақтасынан алынған бұрғылау өзегінде кем дегенде бір рет анық көрінеді.

Бесінші кезеңдегі синхронды емес бақылау

Терең теңіздерде алынған түйіршік сынамалары мұздық аралық кезең, яғни 5-ші теңіз изотоптық сатысының 130 000 жыл бұрын басталғанын көрсетеді. Бұл Миланкович гипотезасы болжаған күннің әсерінен 10 000 жыл ертерек. (Бұл себеп-салдар мәселесі деп те аталады, себебі нәтиже болжамдалыған себептен бұрын пайда болады.)

Қазіргі және болашақ жағдайлар

Орбиталық өзгерістер болжамды болғандықтан, орбиталық өзгерістерді климатпен байланыстыратын кез келген модель болашақ климатты болжау үшін екі ескертумен алға жүгірілуі мүмкін: орбиталық күштердің климатқа әсер ету механизмі толық анықталмаған; және орбиталық емес факторлар маңызды болуы мүмкін (мысалы, адамның қоршаған ортаға тигізетін әсері негізінен жылыжай газдарын арттырып, климатты жылытады). 1980 жылы Имбри жасаған, көп еске алынатын орбиталық модель "6000 жыл бұрын басталған ұзақ мерзімді суыну тенденциясы келесі 23000 жыл бойы жалғасады" деп болжады. Тағы бір зерттеу жұмысы 65° солтүстік ендікте күннің сәулеленуі шамамен 6500 жылда 460 Вт·м−2 шамасына жетеді, ал 16000 жылдың шамасында қазіргі деңгейге (450 Вт·м−2) дейін төмендейді деп көрсетеді. Жердің орбитасы келесі 100 000 жылға дейін азырақ эксцентриктік болады, сондықтан осы сәулеленудегі өзгерістер көлбеуліктің өзгеруімен анықталады және келесі 50 000 жылда жаңа мұз дәуіріне жағдай жасау үшін жеткілікті түрде төмендеуі керек емес.

Марс

1972 жылдан бері Марстың полярлық қабатталған шөгінділеріндегі ақ және қара қабаттардың қалыптасуы мен планетаның орбиталық климаттық әсерлері арасындағы байланыс іздестіріліп келеді. 2002 жылы Ласка, Левард және Мустад мұз қабаттарының сәулеленуінің тереңдікке байланысты өзгеруі, Жердегі палеоклимат өзгерістеріне ұқсас, Марстың солтүстік полюсіндегі жазғы күн сәулесінің өзгеруімен сәйкес келетінін көрсетті. Олар сондай-ақ Марстың прецессиясының шамамен 51 мың жылдық, көлбеулігінің шамамен 120 мың жылдық, ал эксцентриктігінің 95-99 мың жылдық аралықта болатын кезеңдерін анықтады. 2003 жылы Head, Mustard, Kreslavsky, Milliken және Marchant Марстың соңғы 400 мың жылдан бері мұз аралық кезеңде болғанын, ал Марстың көлбеулігі 30 градустан асқандықтан 400 мен 2100 мың жыл аралығында мұздық кезеңде болғанын болжады. Осы шектен тыс көлбеулікте күн сәулесінің әсері Марстың көлбеулік өзгерісінің үлгілі кезеңділігімен анықталады. Марстың орбиталық элементтеріне жасалған Фурье талдауы 128 мың жылдық көлбеулік кезеңін және 73 мың жылдық прецессиялық индекс кезеңін көрсетті. Марстың көлбеулігін тұрақтандыруға жеткілікті үлкен серігі жоқ, ол 10 градустан 70 градусқа дейін өзгереді. Бұл Марстың бетіндегі қазіргі бақылауларды оның өткендегі жағдайларының куәліктерімен, мысалы, полярлық мұздықтарының мөлшерімен салыстыруға түсініктеме береді.

Сыртқы Күн жүйесі

Сатурнның серігі Титан шамамен 60 000 жылдық циклға ие, бұл метан көлдерінің орналасқан жерін өзгертуі мүмкін. Нептунның серігі Тритон да Титанға ұқсас өзгеріске ие, ол оның қатты азот қорларының ұзақ мерзімде жылжуына әкелуі мүмкін.

Экзопланеталар

Компьютерлік модельдерді пайдаланатын ғалымдар экстремалды осьтік еңістерді зерттеу барысында, жоғары көлбеуліктің климаттың күрт өзгеруіне алып келуі мүмкін деген қорытындыға келді. Бұл планетаны тіршілікке жарамсыз етпесе де, әсер еткен аймақтарда құрлықтағы тіршілік үшін қиындықтар тудыруы мүмкін. Дегенмен, мұндай планеталардың көпшілігі қарапайым да, күрделі де тіршілік формаларының дамуына жағдай жасайды. Олар зерттеген еңіс Жердің тарихындағы ең экстремалды көрсеткіштерден де асып түссе де, 1,5 – 4,5 миллиард жыл өткен соң Айдың тұрақтандыру әсері төмендеп, еңіс қазіргі диапазонынан шығып, полюстер тікелей Күнге қарауы мүмкін.