Milankovićin jaksot

Milankovićin jaksot

Jääkaudella pohjoisen kesälämpötila pieneni, ja talvilämpötila kohosi. Varsinkin keskileveysasteiden talvet olivat kosteita ja leutoja, mutta pohjoisen talvet kylmiä. Kesät olivat viileitä ja saattoivat olla pitkiäkin. Ilmasto oli vyöhykkeisempi kuin nyt, eli napojen ja päiväntasaajan väliset lämpötilaerot nykyistä suurempia. Tämä voimisti keskileveysasteilta kosteutta pohjoiseen kuljettavia ilma- ja merivirtoja. Päiväntasaajan lähiseudun lämpötila saattoi jopa nousta.
Tutkijoiden mukaan lähinnä vain pohjoiselle pallonpuoliskolle tulevalla auringon säteilyn muutoksella on merkitystä, koska noin 50-70 leveysasteilla on enemmän mantereita kuin etelässä vastaavilla leveysasteilla. Näin pohjoiselle pallonpuoliskolle pystyy syntymään laajoja mannerjäätiköitä. Eteläisellä pallonpuoliskolla oleva Antarktiksen manner on pienempi ja aina jäässä, eikä ole näin ollen niin altis Milankovicin jaksoille. Toisaalta pohjoisella pallonpuoliskolla on termohaliinikiertoon vaikuttava Golfvirta, Siperian suuret joet ja ikiroutaan kätkeytynyt kasvihuonekaasu metaani jotka ovat alttiita Milankovicin jaksoille. Eteläisellä pallonpuoliskolla tapahtuu vain pieniä merijäiden muutoksia Milankovicin jaksojen muuttuessa.
Milankovićin teorian mukaan kylmää oli varsinkin silloin, kun pohjoiselle 65. leveysasteelle kesällä tuleva Auringon säteily pieneni. Auringon kesäsäteily pohjoisessa pienenee muun muassa, jos Maan akseli on vähän pystympänä. Kun Maan akseli oli pystympänä kuin nyt eli vähemmän kallellaan, oli kylmä kesä ja leuto talvi. Silloin leveysasteiden väliset lämpötilaerot olivat suuret. Vuodenaikojen erot olivat pienet.

Maan radan eksentrisyyden vaihtelu

Nykyisin Maan radan kohtalaisen suuri soikeus aiheuttaa sen, että Maan ollessa Aurinkoa lähimmillään siihen osuu säteilyä 6,5 % enemmän kuin Maan ollessa kauimpana. Soikeuden aiheuttama muutos on suurin korkeilla leveyksillä.

Maan akselin kallistuman vaihtelu

Maan akselin kallistuma vaihtelee laskujen mukaan noin 41 000 vuoden jaksoissa välillä 0.005-0.0607 muiden taivaankappaleiden aiheuttamien vetovoimahäiriöiden takia. Lisäksi on olemassa pidempiä, noin 410 000, 120 000, 100 000 ja 95 000 vuoden jaksoja.

Prekessio, periheliliike ja ilmastoprekessio

Myös Maan akseli kiertyy vaappuvan hyrrän tavoin 25 700 vuoden jaksoissa. Tätä Maan akselin suunnan vaihtelua sanotaan prekessioksi. Tämän vuoksi Maa ei ole samana vuodenaikana aina samassa asemassa Aurinkoon nähden. Kun lisäksi Maan radan periheli siirtyy, mutta eri pituisessa jaksossa, tämä yhdessä prekession kanssa saa aikaan, ettei Maa myöskään ole perihelissä eli lähimpänä Aurinkoa samana vuodenaikana. Perihelikiertymän pääjakso on noin 134000 vuotta. Prekession ja perihelikiertymän yhteisvaikutuksena syntyy 19 000-23 000 vuoden mittainen ilmastoprekessio, joka on keskimäärin 21 700 vuotta. Tämän jakson eri vaiheista riippuu, kummalla pallonpuoliskolla on kesä ja kummalla talvi, kun Maa on lähinnä aurinkoa. Ilmastoon vaikuttaakin eniten juuri tämä 23 000 vuoden ilmastoprekessiojakso.
Nykyään Maan radan aurinkoa lähin piste on siirtymässä pohjoisen pallonpuoliskon kevättä päin, akseli oikenemassa pystyyn ja radan soikeus hitaasti pienenemässä. Ilmastoprekessio aiheuttaa nyt lauhaa talvea ja toisinaan viileätä kesää, mutta akselin kallistuma on melko suuri ja kesät yleensä lämpimiä.

Radan kaltvevuuden vaihtelu

Maan radan kaltevuuden vaihtelu aiheuttanee myös ilmastomuutoksia.

Eri jaksojen yhteisvaikutus

Jääkauden jälkeistä ilmaston vaihtelua selittää osaltaan Maan akselin suunnan yms. aiheuttamat insolaatiomuutokset. Noin 18 000 vuotta sitten kylmällä jääkaudella pohjoinen pallonpuolisko sai kesän ja talven insolaatioiden erot olivat pieniä. Mutta jääkauden päättyessä, noin 10 000 vuotta sitten kolmen talvikuukauden insolaatio oli 8 % pienempi kuin nyt pohjoisella pallonpuoliskolla, ja vastaavasti eteläisen pallonpuoliskon insolaatio oli pienempi. Tällöin oli lämpimät kesät ja kylmät talvet.
Näin ollen Maan akselikallistuma, akselin suunta ja radan soikeus vaihtelevat ilmastoa muuttelevalla pitkäjaksoisella tavalla.
23 000 vuoden ilmastoprekessio muuttaa Auringon kesäsäteilyä niin, että välillä päiväntasaaja saa enemmän säteilyä, kun pohjoisessa puolestaan on lyhyt kylmä kesä.
Nykyisin on esitetty ajatus myös siitä, että myös Maan radan, ei akselin, kaltevuuden vaihtelu vaikuttaisi Maan ilmastoon.
Jos Maan rata on hyvin soikea, maa saa Auringosta säteilyä juuri pohjoisen kesällä normaalia vähemmän, mikä alentaa pohjoisen pallonpuoliskon lämpötilaa.
Radan suuri soikeus vahvistaa vuodenaikojen vaihtelua, varsinkin jos maapallo on kauimpana Auringosta talvella. Jos Maa on lähimpänä Aurinkoa pohjoisen kesällä ja Maan rata soikea, kesä on kuuma ja lyhyt, lumi ei ehdi sulaa. Talvi on silloin pitkä ja kylmä.
Eri kaltevuus- ja ratatekijät pystyvät muuttamaan pohjoiselle pallonpuoliskolle tulevaa Auringon säteilyä 12 % eli 40 W/m^2.
Niinpä jääkausi on kylmimmillään silloin, kun Maan akseli on melko pystyssä, Maan rata soikea ja Maa kaukana Auringosta pohjoisen kesän alussa.
Jääkauden lopussa noin 11 000 vuotta sitten Maa oli lähellä Aurinkoa pohjoisen kesällä.
Nimenomaan pohjoisella pallonpuoliskolla tapahtuvat Auringon säteilyn muutokset ovat jääkauden kannalta merkitseviä, koska vain sinne pystyy syntymään laajoja mannerjäätiköitä. Eteläinen mannerjäätikkökiintiö on täysi, koska Etelämanner on niin pieni.
Teoreettisesti laskien korkeiden leveysasteiden lämpötiloihin vaikuttaa eniten akselikallistuman vaihtelu, päiväntasaajalla ja keskileveysasteilla vaikuttaa enemmän prekessio.
Kesäkuukauden insolaatioiden arvioihin vaikuttaa sekin arvioidaanko koko vuosipuoliskon insolaatiota vai tietyn kesäkuukauden insolaatiota. Eri kesäkuukausien insolaatiomaksimit sattuvat eri aikoihin. Elokuun insolaatiomaksimi laahaa hieman alle 20000 vuotta kesäkuun insolaatiomaksimia jäljessä.
Viime jääkauden huippukaudella ja noin 70 000 vuoden takaisella suurella jääkaudella nimenomaan 60.-80. leveysasteille kesällä tuleva auringon säteily laski, kun alle 60. leveysasteelle tuleva säteily pysyi melkein samana.
Tutkijat ovat Milankovićin jälkeen etsiskelleet tietokoneella eri leveysasteiden säteilykäyristä sopivaa keskiarvoa, jolla koetetaan ennustaa Maan lämpötilakehitystä. Käyrä pohjautuu eri leveysasteille eri Milankovićin jaksojen vaiheissa saapuvaan auringon säteilyyn. Tutkijat arvelevat, että muun muassa kesällä 65. leveysasteelle saapuva Auringon säteily määrää jääkauden olemassaolon. Eräs tietokoneella laadittu malli Milankovićin jaksojen vaikutukselle Maan pinnalle tulevaan säteilyyn tuottaa ACLIN-käyrän, joka jossain määrin kuvaa ilmaston jäätiköitymisalttiutta.
Jäätiköt seuraavat ACLIN-käyrää jopa ehkä noin 6 000-10 000 vuoden viiveellä riippuen jäätikön koosta.

Ongelmia ja selityksiä

Monet eteläisiltä leveyksiltä löydetyt muinaista ilmastotietoa sisältävät näytteet eivät sovi Milankovicin jaksoihin, jotka on laskettu pohjoisilta levyksiltä. Tunnetuin esimerkki näistä on Yhdysvaltain Nevadan Devil's Holen näytesarja DH-11, jonka kerrostumat on ajoitettu hyvin ja josta mitatut ilmastonvaihtelut eivät lainkaan sopineet Specmap-ryhmän esittämiin Milankovic-käyriin. Mutta 1990-luvulla John Schaffer esitti ajatuksen, jonka mukaan Devil's Holen ilmastoon vaikuttavat käyrät on katsottava tropiikista ja subtropiikista, eikä 65. pohjoiselta leveydeltä niin kuin Specmap Aclin-käyrässä.
Schafferin mukaan Nevandan ilmastomuutoksiin vaikuttaa Milankovicin jaksoista lähinnä sateita muuttavan talven 20 N keskipäivän säteilyn ja kesän lämpötilaa ja haihtumista muuttavan 33 N keskipäivän auringon säteilyn muutokset. Niinpä Devil's Holen alue kuivui, kun kesällä aurinko paistoi enemmän, ja talvella vähemmän.

Muutokset ajan mukana

Milankovićin jaksojen pituus vaihtelee jonkin verran vuosituhansien kuluessa. Ne ovat myös pidentyneet kymmenien miljoonien vuosien kuluessa. Nämä jaksot vaikuttavat eri tavalla eri leveysasteilla. Eri aikakausina eri pituiset jaksot ovat olleet määräävässä asemassa, ikään kuin jaksojen virittyminen olisi vaihdellut.
Jopa dinosaurusten valtakauden mesotsooisen maailmankauden kerrostumista on löydetty merkkejä Milankovićin jaksoista.
Nisäkkäiden valtakaudella kenotsooisella maailmankaudella ilmasto on viilennyt tasaisesti. Tämä on nostanut Milankovićin jaksot vahvasti mukaan kuvaan.

Jaksojen ilmaantuminen selvinä näkyviin

Kenotsooisella maailmankaudella Milankovićin jaksot ilmestyivät selvinä näkyviin noin 3,1 miljoonaa vuotta sitten plioseenin lopuilla ja jääkaudet noin 2,75 miljoonaa vuotta sitten. Panamankannaksen sulkeutuminen muutti silloin Pohjois-Atlantin merivirtoja. Vain hieman myöhemmin alkoi näkyä DO-tapahtumia, häiriöitä termohaliinikierrossa.

Noin 2,75—0,8 miljoonaa vuotta sitten merkittävin maan ilmastoon vaikuttava jaksollisuus oli akselikallistumasta johtuva noin 41000 vuoden jakso, ja jääkaudet nykyisiä lyhempiä ja lämpimämpiä. eikä prekessiosta johtuva 23 000 vuoden jakso, joka muuttaa enemmän 65 leveysasteelel tulevaa Auringon kesäsäteilyä.

Vaikutus Maan ilmastosysteemiin

Milankovićin teoriasta puhuttaessa on usein ihmetelty sitä, miten niin pienet muutokset Auringon säteilyssä voivat aiheuttaa niin suuria muutoksia maan ilmastossa. Maan radan soikeuden jaksoista johtuvat 100 000 vuoden aikana tapahtuvat auringon säteilyn muutokset ovat maan pinnalla vain tuhannesosan luokkaa. Kaikki Milankovicin jaksot muuttavat Maan keskilämpötilaa suoraan korkeintaan 0,2 C.
Useimmiten tämän katsotaan johtuvan Maan ilmaston suuresta herkkyydestä Auringon säteilylle tietyissä tapauksissa. Tällöin maapallon monimutkainen ilmastosysteemi on jostain syystä hyvin herkkä auringon säteilyn muutoksille. Mutkikkaan mantereista, kasvipeitteestä, meristä, ilmakehästä ja jäätiköistä koostuvan ilmastosysteemin sisällä on monenlaisia kytkentöjä, joiden takia Maan ilmasto ei reagoi auringon säteilyn muutoksiin suhteessa 1:1. Kasvillisuus, meri ja niin edelleen reagoivat erilaisin viivein insolaatiomuutoksiin. Lisäksi jäätiköt reagoivat maan kaltevuuden ja akselin suunnan muutoksiin ajoitusten mukaan tuhansien vuosien viiveellä. Jäätikön reagointi akselikallistuman muutokseen on 10 000 vuotta ja prekessioon 6 000 vuotta. 
Kynnysarvot näyttävät olevan merkittäviä. Monesti ollaan sitä mieltä, että Milankovićin jaksot pystyvät ohjaamaan muutoksille herkkää termohaliinikiertoa. Termohaliinikierron voimakkuuden vaihtelut toimisivat silloin Milankovićin jaksoja tehostavana vahvistimena. Pohjois-Atlantin ympäristöä lämmittävä Golf-virtahan on osa termohaliinikiertoa.
Jäätiköityminen vähentää ilmakehän hiilidioksidia, jolloin kasvihuoneilmiö heikkenee ja Maa kylmenee. Tämä synnyttää "hiilidioksidi-palautekytkennän".
Tutkijoiden mielestä merien kerrostuminen muuttui jossain tertiäärikauden vaiheessa niin, että kun aiemmin vedet lämpenivät kesällä vain vähän, niin nyt ne lämpenivät paljon kesällä ja jäähtyivät paljon talvella. Tällöin syksyllä oli lämmintä merivettä, josta haihtui kosteutta. Samaan aikaan maa oli jo viilentynyt, jolloin sade tuli lumena alas.
Muita kylmenemistä kiihdyttäviä tekijöitä ovat jäätiköiden, merijään ja lumen määrän kasvu, merenpinnan alenemisen ja kasvipeitteen muutoksen aiheuttama albedon eli säteilynheijastuskyvyn kasvu. Suurten jäätiköiden massa luo viiveitä vuodenaikojen muuttumiseen ja mahdollisesti omia värähtelyjaksoja ilmastoon. Suuret jäätiköt sulavat hitaasti. Toisaalta suuri jäätikkö voi painaa maankuorta kasaan niin, että maalämmön vaikutus lisääntyy ja sulattaa jään äkistikin.
Kostea talvi lisää meriveden makeutta, makea vesi jäätyy helpommin ja syntyy enemmän Maata jäähdyttävää merijäätä. Maan säteilynheijastusta eli albedoa kasvattaa myös kuivumisen ja muiden muutosten aiheuttama tuulisuuden kasvu, joka nostaa ilmaan auringon säteilyä heijastavaa pölyä. Ilmaston kylmeneminen vähentää myös kasvihuonekaasujen hiilidioksidin, metaanin ja vesihöyryn määriä, mm. koska muuttaa biologista hapen tuottajien ja kuluttajien tasapainoa. Termohaliinikierron hidastuminen vähentää myös hiilidioksidia, koska hidas kierto sitoo enemmän hiilidioksidia kuin nopea.