Орбитално въздействие: Миланкович и орбиталните ледникови цикли

Орбиталното въздействие е ефектът върху климата от бавните промени в наклона на земната ос и формата на орбитата (вж. циклите на Миланкович). Тези орбитални промени променят количеството слънчева светлина, достигащо до Земята, с до 25 % в средните ширини. В този контекст терминът "форсиране" означава външен физически фактор, който влияе върху климата на Земята.

Смята се, че този механизъм е основен фактор, който определя времето на циклите на ледниковия период. Времето на миналите ледникови епохи съвпада много добре с прогнозите на теорията на Миланкович и тези ефекти могат да бъдат изчислени и напред във времето с помощта на небесна механика и климатични модели. Въпреки това амплитудата на климатичния отговор зависи от вътрешните обратни връзки в климатичната система, като промени в албедото (ледо-албедо), въглеродния цикъл и океанските циркулации.

Основни компоненти на орбиталните цикли

• Ексцентрицитет (форма на орбитата) — вариации в елиптичността на орбитата с основни периоди около 100 000 и 400 000 години; влияе на сумарното годишно количество слънчева енергия, но промените са относително малки.
• Наклон (обликва) на земната ос — колебае между приблизително 22.1° и 24.5° с период ~41 000 години; промяната на наклона променя сезонната контрастност и разпределението на инсоляцията по ширини.
• Прецесия — бавно "приплъзване" на земната ос и орбиталната елипса с периоди ~19 000–23 000 години; променя фазата на сезоните спрямо орбиталната позиция, тоест коя полукълба получава по-силно лятно осветяване.

Как орбитата влияе на климата

Ключовото нещо при орбиталното (Миланковичево) форсиране не е толкова общото количество енергия, колкото сезонното и ширинното разпределение на слънчевата радиация. Особено важно е лятната инсоляция в високите северни ширини (около 65°N): когато лятата са по-хладни, снегът и ледът могат да се натрупват през лятото и да започне постепенна ледникова експанзия. Когато лятната инсоляция се увеличи, настъпва ускорено топене и започва междуледников период.

Самото орбитално форсиране обикновено е сравнително малко по отношение на глобалната средна температура; за да възникнат големи ледникови или междуледникови промени, са необходими вътрешни обратни връзки:

• ледо-албедо обратна връзка — увеличаване на покритието с лед повишава отражателната способност и охлажда климата;
• въглеродни промени — концентрациите на CO2 и други парникови газове в атмосферата се променят в отговор на океанските и биогеохимичните процеси, усилвайки или отслабвайки първичното орбитално форсиране;
• промени в океанската циркулация и ледниковата динамика — променят топлинния и въглероден обмен между океана и атмосферата.

Роля в ледниковите цикли и "100 000-годишният проблем"

Палеоклиматичните архиви (ледени кернове, морски седименти и др.) показват ясно периодични изменения, които кореспондират с орбиталните цикли. Особено изразена е 100 000-годишната периодичност през последния милион години, която съвпада с ексцентрицитета на орбитата. Това е т.нар. "100 000-годишен проблем": ексцентрицитетът като орбитално форсиране сам по себе си е слабо, но наблюдаваният климатичен отговор при последните ледникови цикли е голям.

За да се обясни това са предложени няколко механизма:

• нелинейна реакция на големи ледникови купове, които могат да нарастват бавно, но бързо да се стопят (в резултат на вътрешни стабиности) — това обяснява характерната асиметрия: бавно зараждане на ледникови епохи и бързо възстановяване на междуледниковите условия ("sawtooth" модел);
• взаимодействие между ексцентрицитета, прецесията и облика — преминаване на комбинирани ефекти може да "пейса" циклите;
• вътрешни обратни връзки (CO2, ледо-албедо, океан) усилват малките орбитални сигнали, довеждайки до големи температурни колебания.

Ограничения, наблюдения и модели

Въпреки доброто съвпадение във времето, орбиталното форсиране не обяснява всичко. Някои особености на климата и ледниковите цикли включват:

• фазови измествания между началото на температурните промени и промяната на CO2 — ледниковите кернове показват, че CO2 често нараства след първичното затопляне, което показва, че CO2 е усилващ, а не първичен драйвер;
• локални и регионални различия — промени в инсоляцията работят по-различно в Северното и Южното полукълбо;
• непълно разбиране на точните механизми за задействане на терминации (остри междуледникови преходи) — текущите климатични модели напредват, но все още има несигурности в детайлите на ледниковата динамика и биогеохимичните отговори.

Перспективи и съвременен контекст

Моделирането на орбиталния ефект позволява да се изчисли как се очаква инсоляцията да се промени в бъдеще в резултат на небесната механика. Това помага за дългосрочни климатични прогнози относно естествените цикли. Важно е обаче да се подчертае, че съвременните човешки емисии на парникови газове са много по-мощно форсиране на климата в краткосрочен и средносрочен план от орбиталните промени. Някои изследвания дори показват, че Антропогенните емисии вероятно ще забавят или предотвратят естественото започване на следваща ледникова епоха в рамките на десетки хиляди години.

Ключови изводи:

• Орбиталните промени (цикли на Миланкович) са основен пейсмейкър на времето на ледниковите и междуледниковите епохи, чрез промяна на сезонната и ширинната инсоляция.
• Самото орбитално форсиране е относително слабо — необходима е силна вътрешна климатична обратна връзка, за да се получат големи промени в глобалния климат.
• Наблюдаваната 100 000-годишна периодичност и асиметричният "sawtooth" образец изискват комбинирани обяснения: орбитална пейсация + нелинейни отговори на ледените покривки и въглеродния цикъл.
• В съвременния свят човешкото форсиране доминира над орбиталните ефекти в обозримото бъдеще.

Търсене по буква