Cycles de Milankovitch

Cycles de Milankovitch sont l'effet collectif des changements dans la Terre mouvements s 'sur son climat, nommé d'après serbe ingénieur civil et mathématicien Milutin Milankovic. Le excentricité, inclinaison de l'axe, et précession de l'orbite de la Terre varient en plusieurs modèles, entraînant 100 000 années- âge de glace cycles de la Glaciation quaternaire au cours des derniers millions d'années. L'axe de la Terre effectue un cycle complet de la précession environ tous les 26.000 ans. Dans le même temps, l'orbite elliptique tourne, plus lentement, ce qui conduit à un cycle 21 000 ans entre les saisons et l'orbite. En outre, l'angle entre l'axe de rotation de la Terre et la normale au plan de ses mouvements orbitaux de 21,5 degrés à 24,5 degrés et retour sur un cycle de 41 000 ans. Actuellement, cet angle est de 23,44 degrés et est en baisse.

La théorie de Milankovitch du changement climatique ne est pas parfaitement élaboré; en particulier, la plus grande réponse observée est à l'échelle de temps 100 000 ans, mais le forçage est apparemment petite à cette échelle, en ce qui concerne les périodes glaciaires . Diverses évaluations (de dioxyde de carbone , ou de la dynamique des nappes de glace) sont invoquées pour expliquer cet écart.

Théories Milankovitch-comme ont été avancées par Joseph Adhémar, James Croll, Milutin Milankovic et d'autres, mais la vérification a été difficile en raison de l'absence de preuves et des doutes quant à fiable daté exactement quelles périodes étaient importantes. Pas jusqu'à l'avènement de noyaux océan profond et un papier séminal par Hays, Imbrie et Shackleton, "variations de l'orbite de la Terre: Pacemaker des périodes glaciaires", dans Science, 1976, ne la théorie atteindre son état actuel.

Les mouvements de la Terre

Comme la Terre tourne autour de son axe et des orbites autour du Soleil, plusieurs variations quasi-périodiques se produisent. Bien que les courbes ont un grand nombre de composantes sinusoïdales, quelques composants sont dominants. Milankovitch a étudié les changements dans l'excentricité, obliquité et la précession des mouvements de la Terre. Ces changements dans le mouvement et l'orientation changent la quantité et l'emplacement de rayonnement solaire atteignant la Terre. Ceci est connu comme le forçage solaire (un exemple de forçage radiatif). Changements près de la zone polaire nord sont considérés comme importants en raison de la grande quantité de terres, qui réagit à ces changements plus rapidement que les océans font.

Forme orbitale (excentricité)

Orbite circulaire, aucune excentricité.

Orbit avec 0,5 excentricité.

L'orbite de la Terre est une ellipse. Le l'excentricité est une mesure de l'écart de circularité de cette ellipse. La forme de l'orbite de la Terre varie d'être presque circulaire (faible excentricité de 0,005) à être légèrement elliptique (haute excentricité de 0,058) et a une excentricité moyenne de 0,028. Le composant majeur de ces variations se produit sur une période de 413.000 années (excentricité variation de ± 0,012). Un certain nombre d'autres conditions varient entre 95000 et 136000 années, et de combiner de manière lâche dans un cycle 100 000 ans (variation de -0,03 à 0,02). La présente excentricité est 0,017.

Si la Terre était la seule planète en orbite autour de notre Soleil, l'excentricité de son orbite ne varient dans le temps. L'excentricité de la Terre varie principalement due aux interactions avec les champs gravitationnels de Jupiter et de Saturne. Comme l'excentricité de l'orbite évolue, le demi-grand axe de l'ellipse orbitale demeure inchangée. Du point de vue de la théorie des perturbations utilisé en mécanique céleste pour calculer l'évolution de l'orbite, le demi-grand axe est un invariant adiabatique. Selon la troisième loi de Kepler de la période de l'orbite est déterminé par le demi-grand axe. Il se ensuit que la période orbitale de la Terre, la longueur d'un année sidérale, reste également inchangé l'orbite évolue.

Actuellement la différence entre l'approche plus proche du Soleil ( périhélie) et plus grande distance ( aphélie) ne est que de 3,4% (5,1 millions km). Cette différence correspond à un changement de 6,8% dans le rayonnement solaire incident. Périhélie se produit actuellement autour 3 janvier, tandis que l'aphélie est d'environ Juillet 4. Lorsque l'orbite est à son plus elliptique, la quantité de rayonnement solaire au périhélie est d'environ 23% supérieure à l'aphélie. Cette différence est d'environ quatre fois la valeur de l'excentricité.

Mécanique orbitale exigent que la longueur des saisons être proportionnelles aux surfaces des quadrants saisonniers, alors quand l'excentricité est extrême, les saisons de l'autre côté de l'orbite peut être sensiblement plus longue durée. Quand l'automne et l'hiver se approche au plus près, comme ce est le cas actuellement dans l'hémisphère nord, la terre se déplace à sa vitesse maximale et donc automne et l'hiver sont légèrement plus courte que le printemps et l'été. Ainsi, l'été dans l'hémisphère nord est 4,66 jours plus que l'hiver et le printemps est de 2,9 jours de plus que l'automne.

Inclinaison axiale (obliquité)

De 22,1 à 24,5 ° gamme de l'obliquité de la Terre.

L'angle de l'inclinaison de l'axe de la Terre ( obliquité) varie par rapport au plan de l'orbite de la Terre. Ces lentes 2,4 ° variations de obliquité sont à peu près périodique, prenant environ 41000 années pour basculer entre une inclinaison de 22,1 ° et 24,5 ° et retour. Lorsque l'obliquité augmente, l'amplitude du cycle saisonnier de l'ensoleillement augmente, avec des étés dans les deux hémisphères recevant flux radiatif plus du soleil, et les hivers moins flux radiatif. Par conséquent, on suppose que les hivers deviennent plus froid et plus chaud étés.

Mais ces changements de signe opposé à l'été et l'hiver ne sont pas du même ordre de grandeur. La moyenne annuelle d'ensoleillement augmente dans les hautes latitudes avec l'augmentation de l'obliquité, tandis que les basses latitudes subissent une réduction de l'insolation. Des étés plus frais sont soupçonnés de favoriser le début d'une ère glaciaire par fusion de moins de glace et de neige de l'hiver précédent. Ainsi, il peut être soutenu que l'obliquité inférieure favorise âges de glace à la fois en raison de la réduction d'insolation moyenne dans les hautes latitudes ainsi que la réduction supplémentaire des insolation estivale.

Actuellement la Terre est incliné à 23,44 degrés de son plan orbital, à peu près à mi-chemin entre ses valeurs extrêmes. L'inclinaison est dans la phase descendante de son cycle, et atteindra sa valeur minimale autour de l'an 10 000 AD .

Précession (oscillation)

Mouvement de précession.

La précession est le changement dans la direction de l'axe de rotation de la Terre par rapport aux étoiles fixes, avec une période d'environ 26.000 années. Ce mouvement gyroscopique est dû aux forces de marée exercées par le soleil et la lune sur la Terre solide, associée au fait que la Terre ne est pas une sphère parfaite, mais a un renflement équatorial. Le soleil et la lune contribuent à peu près également à cet effet. En outre, l'ellipse orbitale se précession dans l'espace (de précession anomalistique), principalement en raison des interactions avec Jupiter et Saturne. Cette précession orbitale est dans le sens opposé au mouvement gyroscopique de l'axe de rotation, ce qui raccourcit la période de la précession des équinoxes par rapport au périhélie de 26.000 à 21.000 ans.

Lorsque l'axe est aligné afin qu'il pointe vers le Soleil pendant périhélie, un hémisphère polaire aura une plus grande différence entre les saisons tandis que l'autre hémisphère aura saisons plus douces. L'hémisphère qui est en été au périhélie recevra une grande partie de l'augmentation correspondante du rayonnement solaire, mais ce même hémisphère sera à l'aphélie en hiver et avoir un hiver plus froid. L'autre hémisphère aura un hiver relativement chaud et l'été plus frais.

Lorsque l'axe de la Terre est alignée telle que l'aphélie et périhélie se produisent près des équinoxes, les hémisphères nord et sud aura contrastes similaires dans les saisons.

À l'heure actuelle périhélie se produit pendant l'été de l'hémisphère Sud, et l'aphélie est atteint pendant l'hiver austral. Ainsi, les saisons de l'hémisphère sud sont un peu plus extrême que les saisons de l'hémisphère Nord, lorsque d'autres facteurs sont égaux.

Inclinaison orbitale

Le inclinaison de l'orbite terrestre dérive vers le haut et vers le bas par rapport à son orbite présente avec un cycle ayant une période d'environ 70.000 ans. Milankovitch n'a pas étudié ce mouvement en trois dimensions.

Plus récents chercheurs ont noté cette dérive et que l'orbite se déplace également par rapport aux orbites des autres planètes. Le plan invariable, le plan qui représente le moment cinétique du système solaire, est d'environ le plan de l'orbite de Jupiter . L'inclinaison de l'orbite de la Terre a un cycle de 100 000 par rapport années au plan invariable. Ce cycle 100 000 ans correspond étroitement à la configuration 100 000 ans de l'âge de glace.

Il a été proposé qu'un disque de poussière et d'autres débris dans le plan est invariable, ce qui affecte le climat de la Terre à travers plusieurs moyens possibles. La Terre se déplace actuellement à travers ce plan autour 9 janvier et 9 juillet, quand il ya une augmentation de radar détecté météores et connexes Meteor- nuages nocturnes lumineux.

Une étude de la chronologie des carottes de glace de l'Antarctique à l'aide de l'oxygène à des taux d'azote dans les bulles d'air emprisonnées dans la glace, qui semblent répondre directement à l'insolation locale, a conclu que la réponse climatique documentée dans les carottes de glace a été tirée par l'hémisphère Nord ensoleillement comme l'a proposé par l'hypothèse de Milankovitch (Kawamura et al, Nature, le 23 Août 2007, vol 448, p912-917). Ce est une validation supplémentaire de l'hypothèse de Milankovitch par une méthode relativement nouvelle, et est incompatible avec la "inclinaison" la théorie du cycle 100 000 ans.

Problèmes

Parce que les périodicités observées d'ajustement climatique si bien avec les périodes orbitales, la théorie orbitale a un soutien massif. Néanmoins, il ya plusieurs difficultés à concilier la théorie avec les observations.

Problème 100000 ans

Le problème 100 000 ans, ce est que les variations d'excentricité ont un impact significativement plus faible sur le forçage solaire que la précession ou obliquité et donc pourrait se attendre à produire les effets les plus faibles. Cependant, les observations montrent que, pendant les dernières années de 1 million, le signal de température le plus fort est le cycle 100 000 ans. En outre, malgré le nombre relativement important cycle de 100 000 ans, certains ont fait valoir que la longueur de l'enregistrement climatique est insuffisante pour établir une relation statistiquement significative entre les variations climatiques et de l'excentricité. Certains modèles peuvent toutefois reproduire les cycles de 100 000 années en raison des interactions non linéaires entre de petits changements dans l'orbite de la Terre et des oscillations internes du système climatique.

Problème 400000 ans

Le problème 400 000 ans, ce est que les variations d'excentricité ont un cycle forte 400000 ans. Ce cycle ne est clairement présente dans les données climatiques de plus de un million d'années. Si le 100 ka variations ont un tel effet, les variations de 400 ka pourraient également se attendre à être apparente. Ceci est également connu comme le problème étape 11, après la interglaciaire dans stade isotopique marin 11 qui serait inattendue si le cycle 400 000 ans a un impact sur le climat. L'absence relative de cette périodicité dans l'enregistrement isotopique marin peut être dû, au moins en partie, aux temps de réponse des composants du système climatique concernés - en particulier, la cycle du carbone.

Etape 5 problème

Le problème stade 5 se réfère à la date de l'avant-dernier interglaciaire (en stade isotopique marin 5) qui semble avoir commencé 10000 années à l'avance du forçage solaire émis l'hypothèse d'avoir été la cause. Ce est ce qu'on appelle aussi le problème de la causalité.

Effet dépasse la cause

420000 années de carotte de glace de données Vostok, station de recherche en Antarctique.

Les effets de ces variations sont censées être principalement dues aux variations de l'intensité du rayonnement solaire sur diverses parties du monde. Les observations montrent comportement du climat est beaucoup plus intense que les variations calculées. Diverses caractéristiques internes des systèmes climatiques sont soupçonnés d'être sensible aux changements d'ensoleillement, ce qui provoque une amplification ( rétroaction positive) et les réponses d'amortissement ( rétroaction négative).

Le problème pic unsplit

Le problème de crête non fendue se réfère au fait que l'excentricité est à proprement variations des deux fréquences 95 et 125 ka résolu. Un dossier suffisamment longue, bien daté du changement climatique devrait être en mesure de résoudre les deux fréquences, mais certains chercheurs interpréter les données climatiques des derniers millions d'années que ne montrant qu'une seule pic spectral à 100 ka périodicité. On peut se demander si la qualité des données existantes devraient être suffisantes pour résoudre les deux fréquences au cours des derniers millions d'années.

Le problème de la transition

Le problème de la transition se réfère à la variation de la fréquence des variations climatiques ya 1 million d'années. De 1 à 3.000.000 années, le climat avait un mode dominant correspondant du cycle 41 de ka obliquité. Après il ya 1.000.000 années, cela a changé à une excentricité correspondant à 100 de variation de ka. Aucune raison de ce changement a été établi.

Les conditions actuelles

La quantité de rayonnement solaire ( insolation) dans l'hémisphère nord à 65 ° N semble être liée à l'apparition d'un âge glaciaire. Calculs astronomiques montrent que 65 ° N insolation estivale devrait augmenter progressivement au cours des prochaines 25000 années, et qu'aucune baisse de 65 ° N insolation estivale suffisante pour provoquer un âge de glace sont attendus dans les 50.000 à 100.000 prochaines années.

Comme mentionné ci-dessus, à l'heure actuelle périhélie se produit pendant l'été, et l'aphélie de l'hémisphère sud pendant l'hiver austral. Ainsi, les saisons de l'hémisphère sud devraient tendance à être un peu plus extrême que les saisons de l'hémisphère Nord. La relativement faible excentricité des résultats actuels de l'orbite à une différence de 6,8% dans la quantité de rayonnement solaire pendant l'été dans les deux hémisphères.

Le futur

Depuis variations orbitales sont prévisibles, si on a un modèle qui concerne variations orbitales au climat, il est possible de faire fonctionner un tel modèle avant de «prédire» le climat futur. Deux mises en garde sont nécessaires: que effets anthropiques et que le mécanisme par lequel influences forçant orbitale climatique ne est pas bien comprise.

Une étude 1980 souvent citée par Imbrie et Imbrie déterminé que, «Ignorer sources anthropiques et d'autres possibles de variation agissant à des fréquences supérieures à un cycle par 19000 années, ce modèle prédit que la tendance à long terme de refroidissement qui a débuté il ya quelques 6000 années se poursuivra pendant les 23.000 prochaines années. "

Des travaux plus récents par Berger et Loutre suggère que le climat chaud actuelle peut durer encore 50000 années.