Chu kỳ Milankovitch

Chu kỳ Milankovitch là tên gọi cho hiệu ứng tổ hợp của các thay đổi trong chuyển động của Trái Đất lên khí hậu của nó. Độ lệch tâm, độ nghiêng trục và tuế sai của quỹ đạo Trái Đất biến đổi theo một số mô hình, tạo ra các chu kỳ 100.000 năm của thời kỳ băng hà trong sự đóng băng thuộc kỷ Đệ tứ thuộc vài triệu năm gần đây. Trục tự quay của Trái Đất hoàn thành một chu kỳ tuế sai trong khoảng 26.000 năm. Cùng thời gian đó, quỹ đạo elíp cũng tự quay (chậm hơn), dẫn đến chu kỳ 22.000 năm của các điểm phân. Ngoài ra độ nghiêng của trục Trái Đất tương đối so với Mặt Trời cũng dao động trong khoảng 21,5 đến 24,5 ° và hoàn thành một chu kỳ sau 41.000 năm. Hiện nay, trục Trái Đất nghiêng khoảng 23,5 ° so với đường trực giao của mặt phẳng quỹ đạo.
Học thuyết Milankovitch về thay đổi khí hậu làm việc không hoàn hảo: về chi tiết cụ thể thì các thay đổi lớn nhất là nằm ở thang thời gian 100.000 năm nhưng ảnh hưởng là tương đối nhỏ ở thang thời gian này - xem thời kỳ băng hà để có thêm thông tin. Các hiện tượng khác (từ hiệu ứng của CO₂ hay từ động lực học các lớp băng) được viện dẫn để giải thích sai khác này.
Các học thuyết tương tự của Milankovitch được Joseph Adhemar, James Croll, Milutin Milankovic và một số nhà khoa học khác đưa ra, nhưng sự kiểm chứng rất khó khăn vì sự thiếu vắng các chứng cứ thời gian tin cậy được hay sự nghi ngờ là các thời kỳ nào là quan trọng một cách chính xác. Người ta vẫn chưa thể nghiên cứu được các biến đổi trong lòng đại dương và bài báo phôi thai của Hayes, Imbrie và Shackleton "Các biến đổi trong quỹ đạo Trái Đất: người hướng dẫn của thời kỳ băng hà" trong tạp chí "Science" năm 1976, đã làm cho học thuyết đạt đến trạng thái hiện tại của nó.

Các chuyển động của Trái Đất

Do Trái Đất tự quay xung quanh trục của nó và quay quanh Mặt Trời trên quỹ đạo, một vài biến thiên chu kỳ đã diễn ra. Mặc dù các đường cong có một lượng lớn các thành phần có dạng hình sin, nhưng rất ít thành phần là chủ yếu. Milankovitch nghiên cứu các thay đổi trong độ lệch tâm, độ nghiêng và tuế sai trong các chuyển động của Trái Đất. Các thay đổi như vậy trong chuyển động và định hướng làm thay đổi lượng và khu vực nhận bức xạ từ Mặt Trời. Các thay đổi trong các khu vực gần cực bắc được coi là quan trọng vì một lượng lớn đất đai có phản ứng với các thay đổi như vậy nhanh hơn nhiều so với các đại dương.

Hình dạng quỹ đạo

Độ lệch tâm hay hình dạng của quỹ đạo của Trái Đất, dao động từ gần như tròn (độ lệch tâm nhỏ, khoảng 0,005) tới hình elíp vừa phải (độ lệch tâm lớn, khoảng 0,058) và có độ lệch tâm trung bình là 0,028. Thành phần chính của các biến đổi này diễn ra với chu kỳ 413.000 năm (độ biến thiên của độ lệch tâm là ±0,012). Các thành phần khác dao động trong khoảng 95.000 và 136.000 năm và chúng có liên hệ lỏng lẻo trong chu kỳ 100.000 năm (các biến thiên từ -0,03 tới +0,02). Độ lệch tâm hiện tại là 0,017.
Hiện tại, chênh lệch của điểm gần Mặt Trời nhất (điểm cận nhật) và điểm xa nhất (điểm viễn nhật) chỉ là 3,4% (5,1 triệu km). Chênh lệch này có nghĩa là khoảng 6,8% trong chênh lệch của bức xạ Mặt Trời tới Trái Đất. Điểm cận nhật hiện tại diễn ra khoảng ngày 3 tháng 1, trong khi điểm viễn nhật vào khoảng ngày 4 tháng 7. Khi quỹ đạo là elíp nhiều hơn, lượng bức xạ Mặt Trời ở điểm cận nhật sẽ có thể lớn hơn tới 23% so với điểm viễn nhật.

Độ nghiêng trục tự quay

Trục tự quay của Trái Đất có dao động, với sự thay đổi nhỏ khoảng 2,4°. Tuế sai của trục tự quay này diễn ra với chu kỳ khoảng 40.000 năm. Khi độ nghiêng của trục đạt tới 24,5 °, các mùa đông trở nên lạnh hơn và mùa hè trở nên nóng hơn so với khi độ nghiêng chỉ là 22,1 °. Khi độ nghiêng nhỏ hơn thì mùa đông ấm hơn và mùa hè mát hơn.
Hiện tại độ nghiêng của trục tự quay của Trái Đất là khoảng 23,5 ° so với mặt phẳng quỹ đạo.
Các mùa hè mát hơn sẽ là dấu hiệu cho thấy thời kỳ băng hà bắt đầu vì băng đá sẽ tan ít hơn so với lượng băng và tuyết tạo ra từ mùa đông trước đó.

Định hướng trục tự quay

Tuế sai của các điểm phân là sự thay đổi trong hướng của trục tự quay của Trái Đất tương đối so với Mặt Trời ở thời điểm của điểm cận nhật và viễn nhật.
Khi trục tự quay được định hướng để nó hướng tới Mặt Trời ở điểm cận nhật, một bán cầu sẽ có sự chênh lệch lớn hơn giữa các mùa trong khi bán cầu kia sẽ có các mùa ôn hòa hơn. Bán cầu mà mùa hè ở điểm cận nhật sẽ nhận được nhiều bức xạ từ Mặt Trời hơn, nhưng chính nó sẽ có mùa đông ở điểm viễn nhật và do vậy mùa đông sẽ lạnh hơn. Bán cầu còn lại sẽ có mùa đông tương đối ấm hơn và mùa hè mát hơn.
Khi trục tự quay của Trái Đất hướng tới Mặt Trời trong mùa xuân và mùa thu, các bán cầu bắc và nam sẽ có sự tương phản tương tự trong các mùa.
Hiện tại, mùa hè ở bán cầu nam diễn ra khi Trái Đất nằm trong khoảng gần với điểm cận nhật và mùa đông khi Trái Đất ở trong khoảng của điểm viễn nhật. Vì lý do này các mùa của nam bán cầu phải có xu hướng chênh lệch ở một mức độ nào đó so với các mùa của bắc bán cầu.

Độ nghiêng quỹ đạo

Quỹ đạo Trái Đất sẽ nghiêng lên trên hay xuống dưới tương đối so với quỹ đạo hiện tại theo chu kỳ khoảng 70.000 năm. Milankovitch đã không nghiên cứu chuyển động trong không gian ba chiều này.
Các nhà nghiên cứu gần đây nhận ra chuyển động này và chuyển động tương đối của quỹ đạo Trái Đất so với các quỹ đạo của các hành tinh khác. Mặt phẳng cố định là mặt phẳng tượng trưng cho xung lượng góc của hệ Mặt Trời, là xấp xỉ với mặt phẳng quỹ đạo của Mộc Tinh. Độ nghiêng của quỹ đạo Trái Đất có chu kỳ 100.000 năm so với mặt phẳng cố định. Chu kỳ 100.000 năm này gần như phù hợp với mô hình 100.000 năm của thời kỳ băng hà.
Người ta cho rằng đĩa bụi và mảnh vỡ vũ trụ nằm trong mặt phẳng cố định này và nó có ảnh hưởng theo một số cách thức nào đó lên khí hậu Trái Đất. Hiện tại Trái Đất chuyển động ngang qua mặt phẳng này trong khoảng từ ngày 9 tháng 1 đến 9 tháng 7, khi người ta phát hiện bằng ra đa sự gia tăng của các sao băng và các đám mây thuộc tầng meso có liên quan đến hiện tượng sao băng.

Các vấn đề

Có một số khó khăn trong việc hòa nhập lý thuyết với các dữ liệu quan trắc.

Vấn đề 100 kỷ

Vấn đề 100.000 năm là các biến thiên của độ lệch tâm có ảnh hưởng nhỏ hơn đáng kể tới tác động của Mặt Trời so với tuế sai hay độ xiên và vì thế có lẽ là nó tạo ra các hiệu ứng yếu nhất. Tuy nhiên, các quan sát chỉ ra rằng trong vòng 1 triệu năm gần đây thì các thay đổi lớn nhất của khí hậu là có chu kỳ 100.000 năm. Ngoài ra, mặc dù chu kỳ 100.000 năm là tương đối lớn, một số người vẫn bác bỏ do họ cho rằng độ lớn của các ghi chép về khí hậu chưa đủ lớn để có thể thiết lập quan hệ đáng chú ý xét về mặt thống kê giữa khí hậu và độ lệch tâm.

Vấn đề 400 kỷ

Vấn đề 400.000 năm là các biến thiên của độ lệch tâm có chu kỳ 400.000 năm. Chu kỳ tương tự như vậy đã không được phát hiện trong thay đổi khí hậu. Nếu các biến thiên 100 kỷ là có hiệu ứng mạnh như vậy thì các biến thiên chu kỳ 400 kỷ cũng sẽ phải được phát hiện. Điều này còn được biết đến như là vấn đề giai đoạn 11, sau khi giai đoạn giữa các thời kỳ băng hà trong trạng thái đồng vị đại dương 11 là điều không chờ đợi nếu chu kỳ 400.000 năm có tác động lên khí hậu.

Vấn đề giai đoạn 5

Vấn đề giai đoạn 5 chỉ tới khoảng thời gian của giai đoạn cuối trong khoảng thời gian giữa hai thời kỳ băng hà (trong giai đoạn đồng vị đại dương 5) mà dường như xuất hiện 10 nghìn năm trước khi tác động của Mặt Trời được giả thuyết hóa là sinh ra nó. Vấn đề này còn được nhắc tới như là vấn đề nhân quả.

Hiệu ứng trội hơn nguyên nhân

Các hiệu ứng của các biến thiên này chủ yếu được coi là do các biến thiên trong cường độ chiếu xạ mặt trời lên các phần khác nhau của địa cầu. Các quan sát chỉ ra rằng thay đổi của khí hậu là mạnh hơn nhiều so với các biến đổi được tính toán. Một số các đặc trưng bên trong của hệ thống khí hậu được coi là nhạy cảm với các thay đổi của sự chiếu sáng, sinh ra sự khuếch đại các phản ứng có hiệu ứng dương và triệt tiêu các phản ứng có hiệu ứng âm.

Vấn đề không chia đỉnh

Vấn đề không chia đỉnh chỉ tới một thực tế là độ lệch tâm có các biến thiên chia tách được theo hai chu kỳ 95 và 125 kỷ. Các dữ liệu đủ lớn và chính xác về thay đổi khí hậu cần phải có khả năng tách bạch ra theo cả hai chu kỳ, nhưng cho tới nay mọi ghi chép về khí hậu chỉ ra duy nhất 1 chu kỳ đơn theo 100 kỷ. Nó là điểm gây tranh cãi là chất lượng của các dữ liệu hiện có đã đủ đảm bảo để chia tách cả hai chu kỳ hay chưa.

Vấn đề chuyển tiếp

Vấn đề chuyển tiếp chỉ tới sự thay đổi trong tần số của các biến thiên khí hậu 1 triệu năm trước. Từ 1-3 triệu năm trước, khí hậu có mô hình chủ đạo phù hợp với chu kỳ 41 kỷ của độ xiên. Sau 1 triệu năm trước, nó thay đổi thành chu kỳ 100 kỷ phù hợp với độ lệch tâm. Không có lý do nào được đưa ra cho sự thay đổi này.

Các trạng thái hiện tại

Lượng bức xạ mặt trời ở bắc bán cầu tại vĩ độ 65° bắc được coi như là có liên quan tới sự diễn ra của thời kỳ băng hà. Các tính toán thiên văn chỉ ra rằng bức xạ mùa hè ở 65° bắc phải tăng dần lên trong 25.000 năm tiếp theo và không có bức xạ mùa hè nào ở 65° bắc giảm đủ mạnh để sinh ra thời kỳ băng hà trong vòng 50.000 - 100.000 năm tiếp theo.
Hiện tại mùa hè ở nam bán cầu diễn ra khi Trái Đất nằm gần điểm cận nhật và mùa đông diễn ra khi Trái Đất nằm gần điểm viễn nhật. Vì thế sự chênh lệch giữa các mùa ở nam bán cầu ở một mức độ nào đó là rõ ràng hơn so với bắc bán cầu. Độ lệch tâm tương đối nhỏ của quỹ đạo hiện tại sinh ra khoảng 6,8% chênh lệch trong lượng bức xạ từ mặt trời trong mùa hè của hai bán cầu.

Tương lai

Các biến thiên quỹ đạo là dự đoán trước được, do vậy nếu có một mô hình chỉ ra được mối liên hệ giữa các biến thiên quỹ đạo và khí hậu, thì ta có thể cho chạy mô hình này để "dự báo" khí hậu trong tương lai. Có hai điểm cần lưu ý: thứ nhất, các hiệu ứng nhân tạo (như sự ấm toàn cầu) có thể sinh ra những ảnh hưởng lớn, ít nhất là ngắn hạn; và thứ hai là cơ chế mà sự thay đổi trong quỹ đạo ảnh hưởng tới khí hậu vẫn chưa được hiểu rõ, vẫn chưa có một mô hình đủ phù hợp chứng minh mối liên quan giữa khí hậu và các thay đổi quỹ đạo này.
Nghiên cứu năm 1980 của Imbrie thông thường được trích dẫn và Imbrie đã xác định rằng "Bỏ qua các nguồn nhân tạo và các nguồn có thể khác của các biến thiên có ảnh hưởng ở tần số cao hơn một chu kỳ 19.000 năm, mô hình này dự báo rằng sự nguội dài hạn có xu hướng bắt đầu diễn ra cách đây khoảng 6.000 năm trước và sẽ còn tiếp tục trong vòng 23.000 năm tiếp theo."
Những công trình gần đây của Berger và Loutre cho rằng khí hậu ấm hiện tại có thể kéo dài trong 50.000 năm nữa.