Kliimat kujundavad astronoomilised tegurid

Maal on toimunud olulised kliimamuutused väga laias skaalal, ulatudes aastakümnetest miljardite aastateni. Kliima kujuneb paljude looduskomponentide koosmõjul ja see on väga keeruline protsess, kus iga tegur võib tavapärastele seaduspärasustele oma nüansi lisada. Siin käsitleme päikese-, atmosfääri- ja astronoomilisi tegureid, mis võisid mängida rolli mõnes kliimalises varieeruvuses.
Astronoomilised tegurid.
Astronoomilised tegurid on Maa-välised tegurid, mille olemasolust ja mõjust on inimene olnud alati teadlik: aastaaegade muutumine ja sellega seotud Päikese erinev kõrgus, öö ja päeva vahetumine on kõigile ilmselgelt näha. Astronoomiliste tegurite mõju on perioodiline ehk tsükliline.
Solaarne muutlikkus.
Päikesest saadav energia juhib Maa kliimat. Globaalseid kliimamuutusi võivad põhjustada muutused, mis mõjutavad planeedile jõudva päikesekiirguse hulka ja mida nimetatakse insolatsiooniks ning mis muudavad päikesevalguse jaotust selle pinnal. Igas minutis võtab Maa välisatmosfäär umbes kaks kalorit energiat ruutsentimeetri pindala kohta, väärtus, mida tuntakse päikesekonstandi nime all. Vaatamata nimele, varieerub päikesekonstant aja jooksul.
Peaaegu kõigi Päikesesüsteemi evolutsioonimudelite järgi on Päikesesüsteemi algusest, 4,6 miljardit aastat tagasi, Päikese heledus aja jooksul pidevalt kasvanud. Värskeimad arvutused näitavad, et Päikese toodangu murdosa suurenemine kogu perioodi jooksul on umbes 25–30 protsenti (Newman ja Rood, 1977; R. Strothers, tsiteerituna Canuto ja Hsieh, 1978). Heleduse variatsioon on põhimõtteliselt seotud Päikese keskmise molekulmassi muutumisega, mis kaasneb vesiniku muundamisega heeliumiks. Seega, kui me nõustume, et vesiniku sulandumine heeliumiks on olnud Päikese väljundi allikas peaaegu kogu ajaloo vältel, on keeruline vältida väljundi ajalisi muutusi. Siiski on üks täiendav tegur, mida tuleb kaaluda enne, kui leppida kokku ülaltoodud pikaajalistes päikesetoodangu muutuses. Need muutused toimuvad nii pika aja jooksul, et universum ise on nende vahel oluliselt varieerunud.Päikese aktiivsusega käivad kaasas ka sagedased magnettormid, mis on eriti mõjusad põhja laiuskraadidel, sh Eestis.
Kui ükski teine tegur ei varieeruks, tähendaks mineviku madalam päikesevõimsus seda, et Maa temperatuur oleks järk-järgult edasi liikudes järk-järgult madalam. Päikese heleduse areng kujutab paradoksi ka Marsi jaoks. Teatud tüüpi kanalid, mis asuvad selle planeedi pinnal, näivad olevat varem olnud voolava veega nikerdatud, ehkki nüüd on need kuivad. Kuid kuna need maastikud tekkisid mitu miljardit aastat tagasi, on päikeseenergia pikaajaliste muutuste tõttu oodata külmemat ja mitte soojemat kliimat.
Milankovići tsüklid.
Serbia astrofüüsik Milutin Milanković on kõige tuntum maakera liikumist ja pikaajalist kliimamuutust käsitleva teooria väljatöötaja. Milankovići teooria on pikaajalise kliimamuutuse seletus. Ta ehitas oma teooria üles varasemate tööde eeskujul, mida tegid J. A. Adhemar ja James Croll. Milankovići tsüklid selgitavad, kuidas planeedi kliimamuutuse eest orbitaalsed variatsioonid vastutavad. Ta väitis, et kui mõned tsükliliste variatsioonide osad on kombineeritud ja esinevad samal ajal, siis nad vastutavad peamiste muutuste eest Maa kliimas (isegi jääaegades). Milanković hindas kliima kõikumisi viimase 450 000 aasta jooksul ja kirjeldas külma ja sooja perioodi. Kuigi ta tegi oma tööd 20. sajandi esimesel poolel, ei suudetud Milankovići tulemusi tõestada enne 1970. aastaid.
Milanković, olles matemaatik, võttis Crolli töö ette ja asus välja töötama kliimamuutuste matemaatilise teooria. Milanković väidab, et päikesekiirgus ei ole piisavalt võimas planeedi kliima muutmiseks. Kuid muutused Maa orbiidil võivad olla. Milankovići teooria kohaselt põhineb see kolmel põhiparameetril, mis muudavad planeedi tõlkimise ja rotatsiooni liikumist:
Ekstentrilisus.
Ekstsentrilisus on Maa orbiidi kuju muutumine päikese käes. Päikesele kõige lähemal asuva aja (perifeeliumi) ja aja, mil me oleme kõige kaugemal päikese käes (apsiid), vahe on umbes 3%. 95 000 aasta pikkuse tsükli jooksul on Maa orbiidi kuju ümber Päikese kord ümmargusem ja kord elliptilisem. Maa orbiidi muutused mõjuvad kliimale ja on sarnased päikese aktiivsuse kõikumistega, väikesed kõrvalekalded orbiidi positsioonis põhjustavad päikesekiirguse ümberjaotust Maa pinnal. Orbiidi muutusi peetakse viimase jääaja, jää- ja liustikevaheliste tsüklite vaheldumise peamisteks põhjusteks. Maakera orbiidi pretsessioon põhjustab väiksemaid muutusi, näiteks Sahara kõrbe piirkonna perioodiline suurenemine ja vähenemine.
Objektiivsus.
Maa kliimale mõjuvad tema enda orbiidi muutused, väikesed kõrvalekalded orbiidi positsioonis põhjustavad päikesekiirguse ümberjaotust Maa pinnal.42 000-aastase tsükli korral on maapinnal kõverad ja telje nurk päikese pöörlemiskiiruse suhtes varieerub vahemikus 22,1–24,5°. Väiksem nurk kui meie praegune 23,45° tähendab vähem hooajalisi erinevusi põhja- ja lõunapoolkeral, samas suurem nurk tähendab suuremaid sesoonseid erinevusi (st soojem suvi ja jahedam talv). Orbiidi muutusi peetakse viimase jääaja jää- ja liustikevaheliste tsüklite vaheldumise peamisteks põhjusteks. Maakera orbiidi pretsessioon põhjustab väiksemaid muutusi, näiteks Sahara kõrbe piirkonna perioodiline suurenemine ja vähenemine.
Pretsessioon.
Maa pretsessiooniperiood, mille jooksul Maa pöörlemistelg teeb tiiru ümber kujuteldava ringjoone, on ka kõige lühema kestusega – ühe tsükli kestus on kõigest 26 000 aastat. Pretsessiooni nihutab periheeli ja afeeli kuupäevi edasi iga 70 aasta jooksul ühe päeva võrra. Nii on 13 000 aasta pärast Maa Päikesele kõige lähemal juulis praeguse jaanuari asemel, muutes nii hooajalised erinevused intensiivsemaks põhjapoolkeral ning nõrgendades neid lõunapoolkeral. Hooaegade intensiivistumine tähendab külmemaid talvesid ning soojemaid suvesid, vastupidine protsess aga pehmemaid temperatuure nii suvel kui ka talvel.
Atmosfääri koostise muutused.
Selles peatükis uurime atmosfääri gaaside rolli Maa temperatuuri kontrollimisel. Peamine maakera soojusallikas on päikeseenergia, mis kandub Päikeselt Maale kiirguse kaudu ja muundub soojuseks Maa pinnal. Atmosfääri struktuur ja koostis toimivad Maa pinnatemperatuuri hoidmiseks vedela vee faasipiirides ja organismide kaitsmiseks ultraviolettkiirguse kahjustamise eest. Gaasid, nagu osoon, välisatmosfääris peegeldavad või neelavad suurt osa sissetulevast lühilainepikkusest päikesekiirgust. Suur osa Maa pinnale jõudvast päikesevalgusest kiiratakse atmosfääri pikema lainepikkuse infrapunaenergia või kuumusena. Keskmise ja madalama atmosfääri gaasid, nimelt süsinikdioksiid ja veeaur, neelavad seda infrapunakiirgust, mille tõttu atmosfääri temperatuur tõuseb, seda nähtust nimetatakse kasvuhooneefektiks. See atmosfääri lõksus olev soojus juhib atmosfääri ja okeanograafiat, hoiab ookeanid vedelad ja säilitab globaalseid kliimavöötmeid.
Maa kliimat mõjutab tugevalt päikesekiirguse atmosfääri peegeldamise, neeldumise ja edasiandmise viis. Selle päikesekiirguse sisendi tasakaalustamiseks eraldab Maa ise kosmosesse kiirgust. Osa sellest maapealsest kiirgusest on kasvuhoonegaaside poolt lõksus ja kiiratakse tagasi Maale, põhjustades kasvuhooneefektina tuntud pinna soojenemist. Nagu näeme, on maapealse kiirguse püüdmine looduslikult esinevate kasvuhoonegaaside mõjutamisse hädavajalik, et säilitada Maa pinnatemperatuur. Praegu peegeldab umbes 30% saabuvast päikeseenergiast tagasi kosmosesse, atmosfäär neelab umbes 20% ja ülejäänud 50% jõuab Maa pinnale.