Milanković-cykler

Wikipedia

Milanković-cykler är en benämning på den samlade effekten av ändringar som jordens rörelser i banan får på klimatet. Fenomenet har fått sitt namn från den serbiske civilingenjören, astrofysikern och matematikern Milutin Milanković (1879–1958) som gjorde mycket forskning på området, även om själva grundidén härstammar från 1800-talet. De olika banparametrarna excentricitet, axellutning och precession har alla en variation med tiden som uppträder med regelbundna cykler. Detta får till följd att jorden tar emot olika mängder av solljus vid olika tider på året och på olika platser, något som kan utlösa istider och perioder av värme.

Teorin om Milanković-cykler är inte helt problemfri då modellen ibland tycks förutse fel styrka på förändringarna, men dessa avvikelser kan troligen förklaras med att vi inte fullständigt förstår olika återkopplingsprocesser såsom nivån av koldioxid i luften eller drastiska händelser i jordens atmosfär.

[redigera] Jordens rörelser i banan

Jordens bana runt solen kan tyckas konstant, men det har länge varit känt att det finns små skillnader från år till år. Dessa skillnader beror på att solen och jorden inte är de enda objekten i solsystemet. Jorden utsätts ständigt för gravitationella dragkrafter även från de övriga planeterna, framförallt från Venus och Jupiter, liksom vår egen måne. Alla dessa krafter tillsammans orsakar tre viktiga effekter på jordens bana:

1. Variationer av excentricitet - Skillnader i jordbanans form.
2. Variationer av axellutning - Skillnader i vinkeln av jordens axel mot en vertikal linje som är vinkelrät mot jordbanans plan.
3. Precession - Skillnader i riktningen av jordens rotationsaxel.

[redigera] Excentricitet

Cirkulär bana, ingen excentricitet. Bana med en excentricitet på 0,5.

Jordens bana är inte en perfekt cirkel utan är precis som de andra planeternas banor svagt ellipsformad. Excentricitet är ett mått på hur mycket formen på banan avviker från en perfekt cirkel. Eftersom jordens bana runt solen är en ellips betyder det att jorden är närmare solen vid vissa tider på året än andra. För närvarande är excentriciteten ca 0,017 (där 0,0 är en perfekt cirkel och 1,0 är en parabelbana) vilket betyder att avståndet mellan solen och jorden varierar med 3 % under året. Den här skillnaden ger upphov till en 6 % stor skillnad i insolation (inkommande solstrålning) mellan perihelion, när jorden är som närmast, och aphelion, när jorden är som längst bort.

Jordens excentricitet varierar mellan nästan 0 och ungefär 0,05. När excentriciteten är hög är mängden insolation vid perihelion hela 20–30% högre än vid aphelion. Något som resulterar i drastiskt skilda klimatvariationer från det vi är vana vid idag. Dessa variationer har en period på omkring 90 000–100 000 år. Det finns även en längre period på drygt 400 000 år.

[redigera] Axellutning

Jordens axellutning varierar mellan 22,1° och 24,5°.

Axellutningen, eller oblikvitet som det också kallas, är vinkeln mellan jordens rotationsaxel och en linje vinkelrät mot jordbanans plan. En stor axellutning innebär mer extrema årstider medan vi utan någon axellutning inte skulle ha några årstider alls. För närvarande har jorden en axellutning på ungefär 23,5°, men den varierar mellan 22,1° och 24,5°. Vi har alltså en ganska normal axellutning för tillfället. Vid en hög axellutning skulle somrarna vara varmare och vintrarna kallare än de är nu. På samma sätt skulle vi vid en lägre axellutning se mildare vintrar och kyligare somrar. Det är de kyliga somrarna som misstänks tillåta att stora ismassor år efter år byggs upp vid höga latituder (som Sverige) till stora istider. Axellutningen varierar med en period på ungefär 40 000 år.

[redigera] Precession

Jordaxelns precession.

Jordaxelns precession innebär att den riktning som jordaxeln pekar långsamt roterar runt i en cirkel. Motsvarande fenomen kan observeras med små leksaksgyroskop. Effekten blir att datumen för perihelion och aphelion ändras, något som är viktigare än det kan låta. För tillfället är det t.ex. norra halvklotet som har sin sommar under aphelion och sin vinter under perihelion. På södra halvklotet gäller det omvända och detta får till följd att årstiderna tenderar vara mer extrema på södra halvklotet än det norra. Precessionen varierar med en period på ungefär 20 000 år och om ungefär 12 000 år kommer denna rörelse ha gjort så att norra halvklotet upplever midsommar i december och midvinter i juni.

[redigera] Tidiga teorier

Den Schweiziske glaciologen Louis Agassiz var den första som enträget argumenterade^[1] för existensen av en istid även om andra tidigare hade spekulerat i liknande banor. Det dröjde inte länge förrän Joseph Alphonse Adhemar 1842 publicerade sin modell i boken "Revolutions de la Mer"^[2] som han menade förklarade Agassiz klimatförändringar endast från jordens precession.

Beräkningarna som Adhemar gjorde förutspådde att jorden skulle variera mellan istider på norra halvklotet och istider på södra halvklotet. Han tänkte sig att det nu var istid på södra halvklotet och att det var därför som Antarktis var täckt av is. För 20 000 år sedan skulle det omvända ha gällt med en istid på norra halvklotet och tämligen varmt på Antarktis, något som skulle visa sig vara felaktigt. År 1875 följde James Croll i sin bok "Climate and time in their geological relations"^[3] upp Adhemars beräkningar. Croll hävdade att precessionen var mycket viktig men insåg att även excentriciteten och kanske också axellutningen kunde ge en effekt. Han insåg även att dessa förändringar var ganska svaga och inte direkt kunde förklara de klimatförändringar som man ansåg hade förekommit. Därför försökte han hitta någon förstärkande effekt, främst i havet, men lyckades bara delvis.

[redigera] Milanković teori

Variationer av de tre banparametrarna under de senaste 200 000 åren samt 100 000 år in i framtiden.

Efter Crolls publikation skulle det dröja ända till 1916 innan en serbisk matematiker, Milanković, bestämde sig för att försöka förklara klimatcyklerna. Han gjorde först grundliga matematiska modeller, där han tog hänsyn till samtliga tre effekter, över jordens rörelser i banan och variationen av insolation och publicerade mycket av detta 1920^[4]. Med hjälp av Milanković beräkningar försökte den rysk-tyske forskaren Wladimir Köppen och den tyske forskaren Alfred Wegener med stöd av Milanković förklara istiderna där man ansåg att det inte var de kalla vintrarna som utlöste istider utan snarare kyliga somrar. De skrev en bok om det hela, "Die Klimate der geologischen Vorzeit"^[5], vilken gav stöd till Milanković teori om cykliska istider.

Inspirerad av Köppen och Wegeners framgångar försökte Milanković sedan själv korrelera sina modeller av insolation med istidernas uppträdande och tillbakadragande. För att lyckas med detta antog han att vissa latituder är viktigare än andra och valde 65° (ungefär samma latitud som Luleå) som grund för sina beräkningar. Anledningen till att just denna latitud valdes är att det är i detta område som istiderna antas starta med tillväxt av stora ismassor. Modellen publicerades 1941^[6] där han förutspådde klimatcykler på 23 000 och 41 000 år, men brist på data över tidigare klimat ledde till att även Milanković idéer mer eller mindre lades åt sidan och glömdes bort.

[redigera] Sena teorier

Med början på 1950-talet hade borrkärnor tagits upp från havsbottnen där man mycket riktigt noterade spår efter kraftiga och cykliska klimatförändringar. Men de visade en 100 000 års-cykel istället för de kortare cykler som Milanković hade föreslagit. Intresset var därför fortsatt lågt för Milanković modell. Det var inte förrän 1976 som modellen åter hamnade i ljuset när Hays et al. ^[7] presenterade utförliga data från borrkärnor tagna i djuphavssediment som visade att Milanković teorier faktiskt verkade stämma överens med vad man såg. Förutom den tydliga 100 000 årscykeln fanns mindre cykler med en period på 23 000 år och 41 000 år. Milanković hade haft rätt. Istiderna och de varma periodernas genomslag kunde paras ihop med förändringar av jordens banparametrar.

Graf som visar variationer av de tre banparametrarna samt klimatet. Gråa zoner är interglaciära (varma) perioder. Tidsskalan är i ka, tusen år.

Strax efter Hays landbrytande publikation följde en stor ström artiklar som behandlade fenomenet, t.ex. Berger 1977^[8] och 1978^[9], Pollard 1978^[10] samt Imbrie och Imbrie 1980^[11]. Dessa vidareutvecklade stadigt modellen och lyckades efterhand allt bättre med att förklara tidigare istider. Från 1980-talets början kunde man med hjälp av datorer göra mycket mer avancerade modeller som även inkluderar bieffekter i atmosfären och haven.

[redigera] Kvarvarande problem

Vissa problem återstår fortfarande med modellen. Man har t.ex. svårt att förklara varför 100 000 års-cykeln är den till synes kraftigaste effekten när de kraftigaste variationerna följer andra frekvenser. Det har föreslagits av t.ex. Wunsch 2004^[12] att man har jämfört med för kort tidsperiod och att man dragit för snabba slutsatser gällande 100 000 års-cykelns beroende av banparametrar. Man påpekar att för tidigare än 1 miljon år sedan var denna cykel inte alls lika dominerande. Andra (t.ex. Gildor och Tziperman 2000^[13]) menar att att 100 000 års-cykeln är beroende av förändringar i banan men kraftigt förstärkt av havsisens utbredelse. För tidigare än 1 miljon år sedan var klimatet varmare och havsisen inte lika utbredd, men efter detta sjönk genomsnittstemperaturen över lång tid och cyklerna övergick från att domineras av 41 000 års-cykeln till 100 000 års-cykeln när havsisen aktiverades.

Även andra problem existerar men de flesta forskare på området är övertygade om att Milanković cykler är viktiga för klimatförändringar, problemen ligger förmodligen i att de återkopplingsprocesser som aktiveras vid olika temperaturer är mer komplicerade och kraftigare än man anat och mycket svåra att efterskapa i modeller. Detta bör leda till viss oro gällande utsläppen av växthusgaser då effekt ofta tycks vara mycket kraftigare än orsak. Med andra ord skulle även en mindre ändring av temperaturen i atmosfären kunna aktivera olika effekter som drastiskt ändrar klimatet över mycket kort tid.

[redigera] Framtiden

Undantaget effekter producerade av människan kan man göra modeller över hur klimatet kommer se ut i framtiden med hjälp av Milanković-cyklerna. Men eftersom så stor osäkerhet föreligger i forntiden finns givetvis även en stor osäkerhet i förutsägelser av framtida temperaturer. Imbrie och Imbrie (1980) ^[11] anser t.ex. att den avkylning vi sett de senaste 6 000 åren kommer fortsätta under 23 000 och leda oss in i en ny istid. Berger och Loutre (2002)^[14] å andra sidan anser att den nuvarande interglaciära varma perioden troligen kommer fortsätta under minst 50 000 år då de inte ser några större skillnader i insolation under denna period. De menar också att tillsammans med de mänskliga effekterna kommer vi sannolikt se en uppvärmning under denna period med avsmältning av isen på Grönland samt stora delar av den Antarktiska isen.

[redigera] Läs mer

• Klimatförändring
• Istider

[redigera] Externa länkar

• A brief introduction to ice age theories En historisk översikt av teorin om istider. (engelska)
• Glacial Cycles and Astronomical Forcing Mer detaljer om glaciärcykler. (engelska)
• Milutin Milankovitch. On the Shoulders of Giants. (engelska)

[redigera] Referenser

Booth Island, Antarktis

1. ^ Agassiz, L. ”Upon glaciers, moraines, and erratic blocks: Address delivered at the opening of the Helvetic Natural History Society at Neuchatel”. New Philosophy Journal Edinburgh. vol. 24, 1838. ss. 864-883.
2. ^ Adhemar, J.A.. (red.). (1842). Revolutions de la Mer: Deluges Periodiques. . Översättning: . Paris: Carilian-Goeury et V. Dalmont. sid. . .
3. ^ Croll, J.. (red.). (1875). Climate and time in their geological relations: A theory of secular changes of the Earth's climate. . Översättning: . New York: Appleton. sid. . .
4. ^ Milanković, M.. (red.). (1920). Théorie mathématique des phénomènes thermiques produits par la radiation solaire. . Översättning: . Paris: Académie Yougoslave des Sciences et des Arts de Zagreb/Gauthier-Villars. sid. . .
5. ^ Köppen, W. & Wegener, A.. (red.). (1924). Die Klimate der geologischen Vorzeit. . Översättning: . Berlin: Borntraeger. sid. . .
6. ^ Milanković, M. ”Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem”. Königliche Serbische Akademie. vol. 33, nr. 132 1941. ss. 633.
7. ^ Hays, J.D.; Imbrie, J.; Shackleton, N.J.; ”Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages”. Science. vol. 194, nr. 4270 1976. ss. 1121-1132.
8. ^ Berger, A. ”Support for the astronomical theory of climatic change”. Nature. vol. 269, 1977. ss. 44-45.
9. ^ Berger, A. ”Long-term variations of daily insolation and Quaternary climatic changes”. Journal of the Atmospheric Sciences. vol. 35, 1978. ss. 2362-2367.
10. ^ Pollard, D. ”An investigation of the astronomical theory of the ice ages using a simple climate-icesheet model”. Nature. vol. 272, 1978. ss. 233-235.
11. ^ [a b] Imbrie, J. & Imbrie, J.Z. ”Modeling the climatic response to orbital variations”. Science. vol. 207, 1980. ss. 943-953.
12. ^ Wunsch ”Quantitative estimate of the Milankovitch-forced contribution to observed Quaternary climate change”. Quaternary Science Reviews. vol. 23, nr. 9-10 2004. ss. 1001-1012.
13. ^ Gildor, H. & Tziperman, E. ”Sea ice as the glacial cycles' climate switch: Role of seasonal and orbital forcing”. Paleoceanography. vol. 15, nr. 6 2000. ss. 605–615.
14. ^ Berger, A. & Loutre, M.F. ”An Exceptionally Long Interglacial Ahead?”. Science. vol. 297, nr. 5585 2002. ss. 1287-1288.

[redigera] Generella källor

• Tuenter, E.. (2004). "Modeling orbital induced variations in circum-Mediterranean climate". Utrecht: Universiteit Utrecht
• Milutin Milankovitch. On the Shoulders of Giants. Hämtdatum: 14 december 2006
• Milankovitch cycles. Engelska wikipedia. Hämtdatum: 14 december 2006