Milanković-syklusene

Milanković-syklusene er de forandringene i Jordens strålingsbalanse som skyldes at relativt små endringer i Jordens bevegelse omkring Solen forandrer innstrålingen av sollys. Disse små, sykliske variasjonene korrelerer godt med variasjonene i Jordens klima gjennom tertiærtiden og er en sannsynlig forklaring på svingningene i klima i denne perioden. Fenomenet har fått sitt navn etter den serbiske ingeniøren, astrofysikeren og matematikeren Milutin Milanković (1879–1958) som gjorde mye forskning på området, selv om selve grunnidéen stammer fra andre forskere på 1800-tallet. Jordens bane rundt Solen forandres i tre ulike sykluser med baneparametrene eksentrisitet, aksehelning og presesjon, det vil si hvor elliptisk banen er, hvor mye jordaksen heller og i hvilken retning jordaksen heller. Disse parametrene har alle en variasjon med tiden som opptrer med regelbundne sykluser. I tillegg er det slik at Jorden tar imot ulike mengder sollys ved ulike tidspunkter i løpet av året og på ulike steder, noe som kan utløse istider og varmeperioder. 
Teorien om Milanković-syklusene er ikke helt problemfri ettersom modellen iblant forutser feil styrke på forandringene, men disse avvikene kan trolig forklares med at vi ikke fullstendig forstår ulike forsterkende tilbakekoblingsprosesser, som f.eks. nivået av karbondioksid i luften eller drastiske hendelser i Jordens atmosfære. Endringen av jordas strålingsbalanse siste ca 100 år som følge av doblet konsentrasjon av karbondioksid er trolig større enn variasjonene som følge av Milanković-syklusene.

Aksehelning

Aksehelningen, eller oblikvitet som det også kalles, er vinkelen mellom Jordens rotasjonsakse og en linje som står vinkelrett på jordbanens plan. En stor aksehelning innebærer mer ekstreme årstider, mens vi uten noen aksehelning (aksehelning på 0°) ikke ville ha hatt noen årstider i det hele tatt. For tiden har Jorden en aksehelning på rundt 23,5°, men den varierer mellom 22,1° og 24,5°. Vi har altså en aksehelning ganske nær gjennomsnittet idag. I tidsperioder med stor aksehelning er somrene varmere og vintrene kaldere enn de er nå. Ved en mindre aksehelning inntreffer på samme måte mildere vintre og kjølige somre. Det er de nevnte kjølige somrene som mest sannsynlig lar store mengder landis akkumuleres ved store høyder (som i Norge og Sverige). Aksehelningen varierer med en periode på rundt 40 000 år.

Presesjon

Jordaksens presesjon innebærer at punktet på himmelen hvor jordens akse peker, sakte roterer rundt i en sirkel. Et lignende fenomen kan observeres på et lite gyroskop (en snurrebass). For jordens del er dreiningen så langsom at en hel omdreining tar ca. 26.000 år å fullføre. Nå peker jordaksen omtrent mot Polarstjernen, men om ca. 12.000 år, vil den i stedet peke på et punkt nær stjernen Vega. Etter ytterligere 14.000 år, vil jordens akse igjen peke på Polarstjernen. 
Også jordens elliptiske bane rundt solen gjennomgår en slags presesjon - ellipsen endrer gradvis retning og fullfører en full rotasjon i løpet av ca. 112.000 år.
Begge presesjonsbevegelsene betyr at tidspunktet for perihel og aphel forskyves noe fra år til år. Nettoresultatet er at disse datoene gjennomgår en syklus med en periode på ca. 21.000 år. Foreløpig kommer jorda nærmest solen i sin bane når det er vinter på den nordlige halvkule, mens den maksimale avstanden til solen nås om sommeren. På den sørlige halvkule er det motsatt, noe som betyr at årstidene i våre dager har en tendens til å være mer ekstreme på den sørlige halvkule enn på den nordlige. Om ca. 10.000 år når jorden i stedet perihelion når det er sommer i nord og vinter i sør. Da vil den nordlige halvkule som få større forskjeller mellom sommer- og vinterklima, mens den sørlige får mindre.

Tidligere teorier

Den sveitsiske glasiologen Louis Agassiz var den første som pågående argumenterte for eksistensen av en istid selv om andre tidligere hadde spekulert i lignende baner. Det gikk ikke lenge før Joseph-Alphonse Adhémar i 1842 publiserte sin modell i boken Revolutions de la Mer som han mente forklarte Agassizs klimaforandringer bare fra Jordens presesjon.
Beregningene som Adhémar gjorde forutså at Jorden skulle variere mellom istider på nordlige halvkule og istider på sørlige halvkule. Han tenkte seg at det nå var istid på sørlige halvkule og at det var derfor at Antarktis nå var dekket av is. For 20 000 år siden skulle det motsatte ha skjedd, med en istid på nordlige halvkule og temmelig varmt på Antarktis, noe som skulle vise seg å være feilaktig. I år 1875 fulgte James Croll i sin bok Climate and time in their geological relations opp Adhémars beregninger. Croll hevdet at presesjonen var meget viktig, men innså at disse forandringene var ganske svake og ikke direkte kunne forklares med de klimaforandringene som man anså hadde forekommet. Derfor forsøkte han å finne noen forterkende effekt, først og fremst i havet, men han lyktes bare delvis.

Milankovićs teori

Etter Crolls publikasjon skulle drøye frem til 1916 da en serbisk matematiker, Milutin Milanković, bestemte seg for å prøve å forklare klimasyklusene. Han lagde først grundige matematiske modeller, der han tok hensyn til samtlige tre effekter og Jordens bevegelse i banen og variasjonen av solinnstråling, og i 1920 publiserte han mye av dette. 
Ved hjelp av Milankovićs beregninger forsøkte den russisk-tyske forskeren Wladimir Köppen og den tyske forskeren Alfred Wegener med støtte fra Milanković å forklare istidene ved at man antok at det ikke var de kalde vintrene som utløste istider, men snarere de kjølige somrene. De skrev en bok om det hele, Die Klimate der geologischen Vorzeit, noe som støttet Milankovićs teori om sykliske istider. 
Inspirert av Köppen og Wegeners fremgang forsøkte Milanković senere selv å samsvare sine modeller om solinnstråling med istidens oppbygning og tilbaketrekning. For å lykkes med dette antok han at visse breddegrader er viktigere enn andre og valgte 65° (omkring samme breddegrad som Luleå) som bakgrunn for sine beregninger. Grunnen til at det var akkurat denne breddegraden som ble valgt av Milanković er at det er i dette området man antok at istidene begynte med tilvekst av store ismasser. Modellen ble publisert i 1941, og her forutså han klimasykluser på 23 000 og 41 000 år, men mangel på data over tidligere klima førte til at også Milankovićs idéer mer eller mindre ble glemt i senere tid.

Nyere teorier

I begynnelsen av 1950-årene hadde borekjerner blitt hentet opp fra havbunnen. Disse viste spor etter kraftige og sykliske klimaforandringer. Men de viste en syklus på 100 000 år i stedet for de kortere syklusene som Milanković hadde foreslått. Dermed var interessen for Milankovićs modell fortsatt lav. Det var ikke før i 1976 at modellen hans kom i lyset når Hays m.fl. presenterte utførlige data fra borekjerner som lå i dyphavssedimenter. Disse dataene viste at Milankovićs teorier faktisk stemte overrens med hva man så. Bortsett fra den tydelige 100 000 årssyklusen fantes mindre sykluser med en periode på 23 000 år og 41 000 år. Milanković hadde hatt rett. Istidene og de varme periodenes gjennomslag kunne knyttes sammen med forandringer i Jordens baneparametre. 
Rett etter Hays banebrytende publikasjon fulgte en enorm strøm av artikler som tok for seg fenomenet, f.eks. Bergers artikler fra 1977 og 1978, Pollards artikkel fra 1978 og Imbrie-brødrenes artikkel fra 1980. Disse videreutviklet stadig modellen og lyktes i ettertid med å forklare tidligere istider. Fra 1980-årenes begynnelse kunne man ved hjelp av datamaskiner lage mye mer komplekse modeller som også inkluderte bieffekter i atmosfæren og havet.

Vedvarende problem

Enkelte problemer finnes fortsatt med modellen. Man har f.eks. vanskeligheter med å forklare hvorfor 100 000 årssyklusen er den kraftigste, observerbare effekten når de kraftigste variasjonene følger andre frekvenser. Blant annet påpekte Wunsch i 2004 at man sammenlignet med en altfor kort tidsperiode og at man tok for raske beslutninger rundt 100 000 årssyklusens avhengighet av baneparametrene. Han påpeker at denne syklusen ikke var like dominerende for mer enn 1 million år siden. Andre (f.eks. Gildor og Tziperman i 2000 mener at 100 000 årssyklusen er avhengig av forandringer i banen, men i enda større grad av havisens utbredelse. For mer enn 1 million år siden var klimaet varmere og havisen ikke like utbredt, men etter dette sank gjennomsnittstemperaturen over lang tid og syklusene gikk over fra å domineres av 41 000 årssyklusen til 100 000 årssyklusen når havisen kom frem.
Også andre problemer eksisterer, men de fleste forskere på området er sikre om at Milanković-syklusene er viktige for klimaforandringer, problemer ligger mer eller mindre i at tilbakekoblingsprosessene som aktiveres ved ulike temperaturer er mer kompliserte og kraftigere enn man først antok og mye vanskeligere å ta hensyn til i modeller. Dette bør lede til viss uro angående utslipp av drivhusgasser fordi effekten ofte tenkes å være mye større enn årsaken. Med andre ord skulle også en mindre endring i temperaturen i atmosfæren kunne aktivere ulike effekter som drastisk endrer klimaet over svært kort tid.

Fremtiden

Unntatt effektene forårsaket av mennesker kan man lage modellene over hvordan klimaet kommer til å se ut i fremtiden ved hjelp av Milanković-syklusene. Men ettersom så stor usikkerhet finnes i fortiden, må man også regne med stor usikkerhet knyttet til forutsigelser om fremtidens temperaturer. Imbrie-brødrene antok i 1980 at f.eks. den avkjølingen som vi har sett i de siste 6 000 årene kommer til fortsette i 23 000 år til og lede oss inn i en ny istid. Berger og Loutre på den andre siden mente i 2002 at den nåværende interglaciære varme perioden trolig kommer til å fortsette i minst 50 000 år til fordi de ikke ser noen større forskjeller i solinnstråling i denne perioden. De mener også at vi i tillegg til de menneskeskapte effektene sannsynligvis kommer til å se en oppvarming i denne perioden med avsmelting av isen på Grønland samt store deler av isen på Antarktis.