Ciclos de milankovitch

ciclos de Milankovitch describen los efectos colectivos de los cambios en los movimientos de la Tierra sobre su clima durante miles de años. El término fue acuñado y nombrado en honor al geofísico y astrónomo serbio Milutin Milanković. En la década de 1920, planteó la hipótesis de que las variaciones en la excentricidad, la inclinación axial y la precesión se combinaban para dar lugar a variaciones cíclicas en la distribución intraanual y latitudinal de la radiación solar en la superficie de la Tierra, y que este forzamiento orbital influía fuertemente en la Los patrones climáticos de la Tierra.

Movimientos de tierra

La rotación de la Tierra alrededor de su eje y la revolución alrededor del Sol evolucionan con el tiempo debido a interacciones gravitacionales con otros cuerpos del Sistema Solar. Las variaciones son complejas, pero predominan algunos ciclos.

Órbita circular, sin excentricidad

Orbit con 0,5 excentricidad, exagerada para ilustrar; la órbita de la Tierra es sólo ligeramente excéntrica

La órbita de la Tierra varía entre casi circular y ligeramente elíptica (su excentricidad varía). Cuando la órbita es más alargada, hay más variación en la distancia entre la Tierra y el Sol, y en la cantidad de radiación solar, en diferentes épocas del año. Además, la inclinación rotacional de la Tierra (su oblicuidad) cambia ligeramente. Una mayor inclinación hace que las estaciones sean más extremas. Finalmente, la dirección en las estrellas fijas a las que apunta el eje de la Tierra cambia (precesión axial), mientras que la órbita elíptica de la Tierra alrededor del Sol gira (precesión absidal). El efecto combinado de la precesión con la excentricidad es que la proximidad al Sol ocurre durante diferentes estaciones astronómicas.

Milankovitch estudió los cambios en estos movimientos de la Tierra, que alteran la cantidad y la ubicación de la radiación solar que llega a la Tierra. Esto se conoce como forzamiento solar (un ejemplo de forzamiento radiativo). Milankovitch destacó los cambios experimentados a los 65° norte debido a la gran cantidad de tierra en esa latitud. Las masas de tierra cambian de temperatura más rápidamente que los océanos, debido a la mezcla de agua superficial y profunda y al hecho de que el suelo tiene una capacidad calorífica volumétrica menor que el agua.

Excentricidad orbital

La órbita de la Tierra se aproxima a una elipse. La excentricidad mide la desviación de esta elipse de la circularidad. La forma de la órbita de la Tierra varía entre casi circular (en teoría, la excentricidad puede llegar a cero) y ligeramente elíptica (la excentricidad más alta fue de 0,0679 en los últimos 250 millones de años). Su media geométrica o logarítmica es 0,0019. El componente principal de estas variaciones ocurre en un período de 405.000 años (variación de excentricidad de ±0,012). Otros componentes tienen ciclos de 95.000 y 124.000 años (con un período de latido de 400.000 años). Se combinan libremente en un ciclo de 100.000 años (variación de −0,03 a +0,02). La excentricidad actual es 0,0167 y está disminuyendo.

La excentricidad varía principalmente debido a la atracción gravitacional de Júpiter y Saturno. El semieje mayor de la elipse orbital, sin embargo, permanece sin cambios; Según la teoría de la perturbación, que calcula la evolución de la órbita, el semieje mayor es invariante. El período orbital (la duración de un año sidéreo) también es invariante porque, según la tercera ley de Kepler, está determinado por el semieje mayor. Las variaciones a más largo plazo son causadas por interacciones que involucran el perihelio y los nodos de los planetas Mercurio, Venus, la Tierra, Marte y Júpiter.

Efecto sobre la temperatura

The semi-major axis is a constant. Therefore, when Earth 's orbit becomes more eccentric, the semi-minor axis shortens. This increases the magnitude of seasonal changes.

El aumento relativo de la irradiación solar en la máxima aproximación al Sol (perihelio) en comparación con la irradiación en la mayor distancia (afelio) es ligeramente mayor que cuatro veces la excentricidad. Para la excentricidad orbital actual de la Tierra, la radiación solar entrante varía aproximadamente un 6,8%, mientras que la distancia al Sol actualmente varía sólo un 3,4% (5,1 millones km o 3,2 millones mi o 0,034 au).

El perihelio actualmente ocurre alrededor del 3 de enero, mientras que el afelio ocurre alrededor del 4 de julio. Cuando la órbita es más excéntrica, la cantidad de radiación solar en el perihelio será aproximadamente un 23% mayor que en el afelio. Sin embargo, la excentricidad de la Tierra es tan pequeña (al menos en la actualidad) que la variación en la irradiación solar es un factor menor en la variación climática estacional, en comparación con la inclinación axial e incluso en comparación con la relativa facilidad de calentar las masas de tierra más grandes. del hemisferio norte.

Efecto sobre la duración de las estaciones

Las estaciones son cuadrantes de la órbita de la Tierra, marcados por los dos solsticios y los dos equinoccios. La segunda ley de Kepler establece que un cuerpo en órbita traza áreas iguales en tiempos iguales; su velocidad orbital es más alta alrededor del perihelio y más baja alrededor del afelio. La Tierra pasa menos tiempo cerca del perihelio y más tiempo cerca del afelio. Esto significa que la duración de las estaciones varía. Actualmente, el perihelio ocurre alrededor del 3 de enero, por lo que la mayor velocidad de la Tierra acorta el invierno y el otoño en el hemisferio norte. El verano en el hemisferio norte es 4,66 días más largo que el invierno y la primavera es 2,9 días más que el otoño. Una mayor excentricidad aumenta la variación en la velocidad orbital de la Tierra. Sin embargo, actualmente la órbita de la Tierra se está volviendo menos excéntrica (más casi circular). Esto hará que las temporadas en el futuro inmediato sean más similares en duración.

Inclinación axial (oblicuidad)

El ángulo de inclinación axial de la Tierra con respecto al plano orbital (la oblicuidad de la eclíptica) varía entre 22,1° y 24,5°, a lo largo de un ciclo de unos 41.000 años. La inclinación actual es de 23,44°, aproximadamente a medio camino entre sus valores extremos. La inclinación alcanzó su máximo por última vez en el año 8.700 a.C. Ahora se encuentra en la fase decreciente de su ciclo y alcanzará su mínimo alrededor del año 11.800 d.C. Una mayor inclinación aumenta la amplitud del ciclo estacional de la insolación, proporcionando más radiación solar en el verano de cada hemisferio y menos en el invierno. Sin embargo, estos efectos no son uniformes en toda la superficie de la Tierra. Una mayor inclinación aumenta la radiación solar anual total en latitudes más altas y disminuye el total más cerca del ecuador.

La tendencia actual de inclinación decreciente, por sí sola, promoverá estaciones más suaves (inviernos más cálidos y veranos más fríos), así como una tendencia general al enfriamiento. Debido a que la mayor parte de la nieve y el hielo del planeta se encuentran en latitudes elevadas, una inclinación decreciente puede favorecer la terminación de un período interglacial y el inicio de un período glacial por dos razones: 1) hay menos insolación general de verano, y 2) hay menos insolación en latitudes más altas (lo que derrite menos nieve y hielo del invierno anterior).

Precesión axial

La precesión axial es la tendencia en la dirección del eje de rotación de la Tierra con respecto a las estrellas fijas, con un período de unos 25.700 años. También conocido como la precesión de los equinoccios, este movimiento significa que eventualmente Polaris ya no será la estrella del polo norte. Esta precesión es causada por las fuerzas de marea que ejercen el Sol y la Luna sobre la Tierra en rotación; ambos contribuyen aproximadamente por igual a este efecto.

Actualmente, el perihelio ocurre durante el verano del hemisferio sur. Esto significa que la radiación solar debida tanto a la inclinación axial que inclina el hemisferio sur hacia el Sol como a la proximidad de la Tierra al Sol, alcanzará un máximo durante el verano austral y un mínimo durante el invierno austral. Estos efectos sobre el calentamiento son, por tanto, aditivos, lo que significa que la variación estacional de la irradiación en el hemisferio sur es más extrema. En el hemisferio norte, estos dos factores alcanzan su máximo en épocas opuestas del año: el norte está inclinado hacia el Sol cuando la Tierra está más alejada del Sol. Los dos efectos actúan en direcciones opuestas, lo que da como resultado variaciones menos extremas de la insolación.

Dentro de unos 10.000 años, el polo norte estará inclinado hacia el Sol cuando la Tierra esté en el perihelio. La inclinación axial y la excentricidad orbital contribuirán con su máximo aumento de radiación solar durante el verano del hemisferio norte. La precesión axial promoverá una variación más extrema en la irradiación del hemisferio norte y una variación menos extrema en el sur. Cuando el eje de la Tierra está alineado de manera que el afelio y el perihelio ocurren cerca de los equinoccios, la inclinación del eje no estará alineada a favor o en contra de la excentricidad.

Precesión absidal

La propia elipse orbital precede en el espacio, de forma irregular, completando un ciclo completo en unos 112.000 años en relación con las estrellas fijas. La precesión absidal ocurre en el plano de la eclíptica y altera la orientación de la órbita de la Tierra en relación con la eclíptica. Esto sucede principalmente como resultado de interacciones con Júpiter y Saturno. También contribuyen en menor medida el achatamiento del Sol y los efectos de la relatividad general, bien conocidos en el caso de Mercurio.

La precesión absidal se combina con el ciclo de precesión axial de 25.700 años (ver arriba) para variar la posición en el año en que la Tierra alcanza el perihelio. La precesión absidal acorta este período a unos 21.000 años, en la actualidad. Según una fuente relativamente antigua (1965), el valor medio durante los últimos 300.000 años fue de 23.000 años, variando entre 20.800 y 29.000 años.

A medida que cambia la orientación de la órbita de la Tierra, cada estación comenzará gradualmente a principios de año. La precesión significa que el movimiento no uniforme de la Tierra (ver arriba) afectará las diferentes estaciones. El invierno, por ejemplo, estará en una sección diferente de la órbita. Cuando los ábsides de la Tierra (los extremos de la distancia al sol) están alineados con los equinoccios, la duración de la primavera y el verano combinados será igual a la del otoño y el invierno. Cuando estén alineados con los solsticios, la diferencia en la duración de estas estaciones será mayor.

Inclinación orbital

La inclinación de la órbita de la Tierra varía hacia arriba y hacia abajo en relación con su órbita actual. Este movimiento tridimensional se conoce como "precesión de la eclíptica" o "precesión planetaria". La inclinación actual de la Tierra con respecto al plano invariable (el plano que representa el momento angular del Sistema Solar, aproximadamente el plano orbital de Júpiter) es de 1,57°. Milankovitch no estudió la precesión planetaria. Fue descubierto más recientemente y medido, en relación con la órbita de la Tierra, tiene un período de unos 70.000 años. Sin embargo, cuando se mide independientemente de la órbita de la Tierra, pero en relación con el plano invariable, la precesión tiene un período de unos 100.000 años. Este período es muy similar al período de excentricidad de 100.000 años. Ambos períodos coinciden estrechamente con el patrón de eventos glaciales de 100.000 años.

Restricciones teóricas

Se han estudiado materiales extraídos de la Tierra para inferir los ciclos del clima pasado. Los núcleos de hielo de la Antártida contienen burbujas de aire atrapadas cuyas proporciones de diferentes isótopos de oxígeno son un indicador confiable de las temperaturas globales en la época en que se formó el hielo. El estudio de estos datos concluyó que la respuesta climática documentada en los núcleos de hielo fue impulsada por la insolación del hemisferio norte, como lo propone la hipótesis de Milankovitch. Joseph Adhemar, James Croll y otros habían propuesto hipótesis astronómicas similares en el siglo XIX.

El análisis de los núcleos de las profundidades del océano y de las profundidades de los lagos, y un artículo fundamental de Hays, Imbrie y Shackleton proporcionan una validación adicional a través de evidencia física. Los registros climáticos contenidos en un núcleo de roca de 520 m (1.700 pies) perforado en Arizona muestran un patrón sincronizado con la excentricidad de la Tierra, y los núcleos perforados en Nueva Inglaterra lo coinciden, remontándose a 215 millones de años.

Edición de 100.000 años

De todos los ciclos orbitales, Milankovitch creía que la oblicuidad tenía el mayor efecto sobre el clima, y que lo hacía variando la insolación del verano en las altas latitudes del norte. Por tanto, dedujo un período de 41.000 años para las edades de hielo. Sin embargo, investigaciones posteriores han demostrado que los ciclos de la edad de hielo de la glaciación cuaternaria durante el último millón de años han tenido un período de 100.000 años, lo que coincide con el ciclo de excentricidad. Se han propuesto varias explicaciones para esta discrepancia, incluida la modulación de frecuencia o diversas retroalimentaciones (del dióxido de carbono o la dinámica de la capa de hielo). Algunos modelos pueden reproducir los ciclos de 100.000 años como resultado de interacciones no lineales entre pequeños cambios en la órbita de la Tierra y oscilaciones internas del sistema climático. En particular, el mecanismo de la resonancia estocástica fue propuesto originalmente para describir esta interacción.

Jung-Eun Lee, de la Universidad de Brown, propone que la precesión cambia la cantidad de energía que la Tierra absorbe, porque la mayor capacidad del hemisferio sur para formar hielo marino refleja más energía lejos de la Tierra. Además, dice Lee, "la precesión sólo importa cuando la excentricidad es grande". Por eso vemos un ritmo de 100.000 años más fuerte que uno de 21.000 años." Algunos otros han argumentado que la longitud del registro climático es insuficiente para establecer una relación estadísticamente significativa entre el clima y las variaciones de excentricidad.

Cambios de transición

Desde hace 1 a 3 millones de años, los ciclos climáticos coincidían en oblicuidad con el ciclo de 41.000 años. Después de hace un millón de años, se produjo la Transición del Pleistoceno Medio (MPT) con un cambio al ciclo de 100.000 años que coincidía con la excentricidad. El problema de la transición se refiere a la necesidad de explicar qué cambió hace un millón de años. El MPT ahora se puede reproducir en simulaciones numéricas que incluyen una tendencia decreciente en el dióxido de carbono y la eliminación de regolito inducida por los glaciares.

Interpretación de las variaciones máximas no divididas

Incluso los registros climáticos bien fechados del último millón de años no coinciden exactamente con la forma de la curva de excentricidad. La excentricidad tiene ciclos componentes de 95.000 y 125.000 años. Algunos investigadores, sin embargo, dicen que los registros no muestran estos picos, sino que sólo indican un ciclo único de 100.000 años. La división entre los dos componentes de la excentricidad, sin embargo, se observa al menos una vez en un núcleo de perforación del esquisto escandinavo Alum Shale de 500 millones de años de antigüedad.

Observación de la etapa cinco no sincronizada

Las muestras de núcleos de aguas profundas muestran que el intervalo interglacial conocido como etapa 5 de isótopos marinos comenzó hace 130.000 años. Esto es 10.000 años antes del forzamiento solar que predice la hipótesis de Milankovitch. (Esto también se conoce como problema de causalidad, porque el efecto precede a la supuesta causa).

Condiciones presentes y futuras

Dado que las variaciones orbitales son predecibles, cualquier modelo que relacione las variaciones orbitales con el clima puede ejecutarse para predecir el clima futuro, con dos advertencias: el mecanismo por el cual el forzamiento orbital influye en el clima no es definitivo; y los efectos no orbitales pueden ser importantes (por ejemplo, el impacto humano en el medio ambiente aumenta principalmente los gases de efecto invernadero, lo que resulta en un clima más cálido).

Un modelo orbital de Imbrie de 1980, frecuentemente citado, predijo que "la tendencia de enfriamiento a largo plazo que comenzó hace unos 6.000 años continuará durante los próximos 23.000 años". Otro trabajo sugiere que la insolación solar a 65° N alcanzará un máximo de 460 W·m⁻² en unos 6.500 años, antes de volver a disminuir a los niveles actuales (450 W·m⁻²) en alrededor de 16.000 años. La órbita de la Tierra se volverá menos excéntrica durante aproximadamente los próximos 100.000 años, por lo que los cambios en esta insolación estarán dominados por cambios en la oblicuidad, y no deberían disminuir lo suficiente como para permitir un nuevo período glacial en los próximos 50.000 años.

Otros cuerpos celestes

Marte

Desde 1972, se especulaba sobre una relación entre la formación de Marte' alternancia de capas brillantes y oscuras en los depósitos polares y el forzamiento climático orbital del planeta. En 2002, Laska, Levard y Mustard mostraron que el resplandor de la capa de hielo, en función de la profundidad, se correlaciona con las variaciones de insolación en verano en el polo norte marciano, similar a las variaciones paleoclimáticas en la Tierra. También mostraron la superficie de Marte. la precesión tuvo un período de aproximadamente 51 años, la oblicuidad tuvo un período de aproximadamente 120 años y la excentricidad tuvo un período que oscila entre 95 y 99 años. En 2003, Head, Mustard, Kreslavsky, Milliken y Marchant propusieron que Marte estuvo en un período interglacial durante los últimos 400 años, y en un período glacial entre 400 y 2100 años, debido a la influencia de Marte. oblicuidad superior a 30°. En esta oblicuidad extrema, la insolación está dominada por la periodicidad regular de las órbitas de Marte. variación de oblicuidad. Análisis de Fourier de Marte' Los elementos orbitales muestran un período de oblicuidad de 128 años y un período de índice de precesión de 73 años.

Marte no tiene luna lo suficientemente grande como para estabilizar su oblicuidad, que ha variado de 10 a 70 grados. Esto explicaría las observaciones recientes de su superficie en comparación con la evidencia de diferentes condiciones en su pasado, como la extensión de sus casquetes polares.

Sistema solar exterior

Titán, la luna de Saturno, tiene un ciclo de aproximadamente 60.000 años que podría cambiar la ubicación de los lagos de metano. Tritón, la luna de Neptuno, tiene una variación similar a la de Titán, lo que podría provocar que sus depósitos de nitrógeno sólido migren en escalas de tiempo prolongadas.

Exoplanetas

Los científicos que utilizan modelos informáticos para estudiar inclinaciones axiales extremas han llegado a la conclusión de que una alta oblicuidad podría provocar variaciones climáticas extremas y, si bien eso probablemente no haría que un planeta fuera inhabitable, podría plantear dificultades para la vida terrestre en las zonas afectadas. Sin embargo, la mayoría de estos planetas permitirían el desarrollo de formas de vida tanto simples como más complejas. Aunque la oblicuidad que estudiaron es más extrema que la que jamás experimentó la Tierra, hay escenarios dentro de 1.500 a 4.500 millones de años a partir de ahora, a medida que el efecto estabilizador de la Luna disminuya, donde la oblicuidad podría abandonar su rango actual y los polos podrían eventualmente apuntar casi directamente. al sol.