Milankoviç döngüsü

Milankovitch (Milankoviç) teorisi, 1. Dünya Savaşındaki gözaltı sürecinde Sırp jeofizikçi ve gök bilimci Milutin Milankoviçin Dünyanın hareketlerindeki değişikliklerin iklim üzerindeki kolektif etkilerini açıklamaya çalıştığı bir kuramıdır. Milankovitch; Yerkürenin devinimi, eksen eğikliği ve eksen kaymasındaki değişimlerin yörüngesel baskı ile birlikte Yeryüzündeki iklim oluşumlarını belirlemiş olduğunu matematiksel olarak teorize etmiştir.
Dünya ekseni yaklaşık olarak her 26.000 yılda tam bir dairelik devinim (presesyon) gerçekleştirir. Aynı zamanda eliptik yörünge daha düşük hızda döner. Söz konusu iki devinimin toplam etkisiyle mevsimler ve yörünge arasında 21.000 yıllık bir süre oluşumuna neden olmaktadır. Ek olarak, Yeryüzünün ekseni ve yörüngesinin düzlemi (eğiklik) arasındaki açı 41.000 yıllık bir döngü boyunca 22.1 ile 24.5 dereceleri arasında gidip gelmektedir. Şu anda 23.44 derecelerinde bulunmakta ve giderek düşmektedir.
Joseph Adhemar, James Croll ve diğer gök bilimciler tarafından 19. yüzyılda benzer kuramlar öne sürülmüştür. Fakat hangi dönemlerin önem arz ettiği konusunda somut verilerin olmayışı nedeniyle bu kuramlara ilişkin geçerliliğin doğrulanması zor olmuştur. Hays, Imbrie ve Shackleton tarafından hazırlanan özgün çalışmalar (Science dergisindeki Yerküre Yörüngesindeki Değişiklikler: Buz Devirlerinin Öncüleri, 1976) ve derin okyanus çukurları araştırmalarından sonra söz konusu kuram şu anki halini almıştır.
Dünyanın Hareketleri
Dünya kendi ekseni ve Güneş etrafındaki dönüşü sırasında, karşılıklı çekimsel etkileşimler nedeniyle bazı yarı dönemsel değişiklikler meydana gelmektedir. Eğrilerin çok miktarda sinüzoidal bileşene sahip olmasına rağmen, bu bileşenlerden çok azı baskın özelliktedir Milankovitch, Yeryüzü hareketlerindeki eksen eğikliği ve devinimindeki değişiklikleri incelemiştir. Söz konusu hareketteki bu tarz değişiklikler ve yönelimler Yeryüzüne ulaşan güneş ışınımının (radyasyonunun) miktarını ve yerini değiştirmektedir. Bu da güneş kuvveti (bir ışınımsal baskı örneği)olarak bilinmektedir. Kuzey Kutup bölgesinin yakınındaki (yaklaşık 65 Kuzey enlemi) değişiklikler çok büyük bir karayı kapsadığından ötürü büyük bir önem teşkil etmektedir. Yüzey ve derinlik sularının karışması ve katı kütlelerin spesifik ısısının sıvılardan genellikle daha düşük olmasından dolayı, buradaki kara kütleleri daha yüksek bir ısı kapasitesine sahip olan okyanuslara kıyasla ısı değişimine daha hızlı bir şekilde tepki verir.
Yörünge Dışmerkezliği
Dünyanın yörüngesi elipstir. Eğiklik bu elips şekle ilişkin dairesel sapmanın ölçülmesi ile belirlenir. Yeryüzünün yörünge şekli 0.028lik eğiklik derecesi ile dairesel (0.005lik düşük eğiklik derecesi) ve hafif eliptik (0.058lik yüksek eğiklik derecesi) şekil arasında zamanla değişiklik göstermektedir. Bu değişikliklerin ana bileşeni 413.000 yıllık bir süre içerisinde ortaya çıkar (±0.012lik eğiklik değişimi). Diğer bileşenler ise 95.000 ile 125.000 yıl arasında değişiklik göstererek gün yüzüne çıkar (400.000 yıllık ısı dönemi) ve genel hatlarıyla 100.000 yıllık bir döngü içerisinde bir araya gelir (değişiklik −0.03 ile +0.02 arasında). Şu anki eğiklik 0.017dir.
Eğer Dünya Güneş etrafında dönen tek gezegen olsaydı, yörünge eğikliğinde bir milyon yılı aşkın bir sürede bile gözle görülür bir şekilde değişiklik yaşanmazdı. Dünyanın eğikliği birincil olarak Jüpiter ve Satürn gezegenlerinin çekimsel alanları ile olan karşılıklı etkileşimleri nedeniyle değişiklik göstermektedir. Yörünge eğikliği oluştukça, yörüngesel elipsin x ekseni değişiklik göstermemektedir. Yörünge değişimini hesaplamak için astronomi mekaniğinde kullanılan pertürbasyon teorisine göre, x ekseni adyabatik değişmezdir. Keplerin 3. kuramına göre, yörünge süresi x ekseni ile belirlenir ve yörünge gelişip değiştikçe yıldız yılının süresi olan Dünyanın yörüngesel süresinde bir değişiklik yaşanmamaktadır. X ekseni eğiklik derecesinin artışı ile düşüş gösterdikçe, mevsimsel değişiklikler de bir taraftan artış göstermektedir. Keplerin ikinci kuramına göre gezegenin ortalama güneş ışın yayımı, az miktardaki eğiklik nedeniyle pek fazla değişim göstermemektedir.
Aynı ortalama ışın yayımı ortalama ısı sıcaklıkları ile örtüşmemektedir (Stefan-Boltzmann kuramına göre bunun nedeni söz konusu eğriliktir). 20C lik ışın yayımı ve % ± 50lik simetrik değişikliği için (mevsim değişikliklerinde örneğin), ortalama 16 Clik (örneğin sapma −4 C) asimetrik ısı değişimi ve gün boyunca gerçekleşen ışın yayımı değişikliği için −113 Clik ortalama ısı derecesi elde edilir (sıfır termal kapasite için).
Güneşe en yakın bir mesafede var olan (günberi) ışın yayımındaki bağıl artış, en uzaktaki (günötesi) ışı yayımına kıyasla eğiklikten neredeyse 4 kat daha fazladır. Şu anki yörünge eğikliğine ilişkin olarak bu miktar, ışın yayımında yaklaşık %6.8lik bir değişime tekabül ederken, günberi ile günötesi arasındaki mevcut değişiklik sadece %3.4tür (5.1 milyon km.). Günberisi şu anda yaklaşık olarak 3 Ocakta gerçekleşirken, günötesi 4 Temmuz civarındadır. Yörünge en eliptik halini aldığında, günberisindeki ışın yayımı oranı günötesinden %23 daha fazla olacaktır.
Yörünge mekaniği mevsim sürelerinin bölgelerde yaşanan 4 tip mevsim süresine oranlanmasını istemektedir, çünkü eğiklik çok fazla artış gösterdiğinde, Dünyanın yörünge hareketi daha düzensiz olup mevsim süreleri değişiklik gösterir. Sonbahar ve kış mevsimleri Güneşe en yakın konumda gerçekleştiğinde, Yerküre maksimum hızda hareket eder ve dolayısıyla sonbahar ve kış mevsimleri ilkbahar ve yaz mevsimlerinden bir miktar daha kısa geçer. Böylelikle kuzey yarımküredeki yaz mevsimi kıştan 4.66 gün, sonbahardan 2.9 gün daha uzun geçer. Bununla birlikte Yerkürenin yörünge düzlemi İlkbahar Ekinoksuna dair apsidal devinim nedeniyle dünyanın düzensiz hareketi tarafından etkilenen mevsim sürelerini değiştirmektedir. Yerkürenin apsideleri ekinokslarla aynı eksene geldiğinde, İlkbahar ve Yaz süreleri (bir arada) Sonbahar ve Kış süreleri ile eşitlenir, gündönümleri ile aynı eksene geldiklerinde ise ya İlkbahar-Yaz ya da Sonbahar-Kış mevsimleri en uzun dönemlerle yaşanır. Eğiklik derecesindeki artış günötesine yakın olarak harcanan zamanı uzatır, günberisine yakın olan zamanı ise kısaltır.
Eğiklikteki değişiklikler anomal yıl süresini ya da Yerkürenin yörüngesi boyunca gerçekleştirdiği ortalama hareketini kendi başlarına değiştirmezler çünkü her ikisi de x ekseninin fonksiyonları arasında yer alır.
Eksen Eğikliği
Yerkürenin eksen eğikliği (eğimi) açısı yörüngesinin düzlemine ilişkin olarak değişiklik gösterir. 2.4lik bu küçük eğim değişiklikleri 22.1 ve 24.5 lik eksen değişiklikleri arasında yer alması için yaklaşık olarak 41.000 yıl periyodik olarak devam etmesi gerekir. Eğim artıkça, güneşlenmedeki mevsimsel döngü genliği artar, bu dayazları her iki yarım kürenin Güneşten daha fazla ışınım akısı almasına, kışlarda ise daha az ışınım akısı almasına neden olur.
Bununla birlikte yaz ve kış mevsimlerindeki ters işaret değişiklikleri Yerkürenin her yerinde aynı büyüklükte gerçekleşmemektedir. Yüksek enlem derecesinde ortalama yıllık güneşlenme süresi eğim ile birlikte artış gösterir, enlem derecesi düşük olan yerler ise güneşlenme süresinde bir düşüş yaşar. Serin geçen yazlar ve daha az kar erimeleri buz çağına girileceğinin bir göstergesi olabilir. Gezegenin neredeyse bütün karı ve buzu yüksek enlemlerde yer aldığından, daha düşük eğim derecesinin iki nedenden dolayı buz çağına geçişi tetiklediği görüşü tartışılmaktadır, bunlar: toplam yaz güneşlenme süresindeki azalış ve yüksek enlem derecesindeki ortalama güneşlenme süresindeki ek düşüş.
Daha fazla eksen eğikliği olaylarını incelemek için bilgisayar programlarından faydalanan bilim insanları, yüksek dereceli eğimlerdeki sert iklimlerin özellikle Yerkürede mevcut olan ileri yaşam düzeylerini tehdit edeceği sonucuna varmışlardır. Ayrıca söz konusu Yüksek dereceli eğimlerin bir gezegeni tamamıyla verimsiz hala getiremeyeceğini fakat bugünkü hassas ve kolay etkilenebilecek bir özelliğe sahip olan toprağa dayalı yaşamımız için koşulları daha da zorlaştırabileceğini belirtmişlerdir.
Şu anda Yerküre yörüngesel düzleminde 23.44'lik bir eksen eğikliğinde olup aşağı yukarı en uç değerlerinin ortasında bir değerde yer almaktadır. Bu eğiklik Yerkürenin döngüsünde yaşanan düşüş evresi içerisinde yer alır ve yaklaşık olarak MS 11.800de minimum değerine ulaşacaktır; maksimum değerine ulaştığı en son tarih ise M. Ö. 8.700dir. Bu durum kış aylarını daha sıcak ve yazları daha soğuk yaparak genel serinleme eğilimi ile birlikte buz çağına geçişi gerçekleştirmektedir, bununla birlikte 20. yüzyıl sıcaklık ölçüm kayıtlarına göre, Yerküre sıcaklıklarında yaşanan ani artışın ve peşinden gelen buzul erimelerinin sonucunda, bilim camiası son zamanlarda gerçekleşen değişikliklerin nedenleri olarak sera gazı salınımlarını öne sürmüştür.
Eksen Devinimi
26.000 yıllık durağan yıldızlara ilişkin olarak söz konusu devinim Dünyanın eksen hareketi yönünde yer almaktadır. Bu jiroskopik hareket, Güneş ve Ayın kutuplardan basık olan Yerküre üzerinde uyguladığı gel-git kuvvetleri nedeniyle oluşmaktadır. Güneş ve Ay bu etkiye aşağı yukarı eşit derecede katkıda bulunur.
Eksen günberisindeki Güneşe doğru yöneldikçe, iki yarımküreden birisinde mevsimler daha ılık geçerken, diğer yarım kürede yaşanan mevsimler arasında ise daha büyük farklılaşmalar ortaya çıkar. Yaz mevsiminde günberisinde yer alan bir yarım küre güneş ışınımında bir artış yaşar, bununla birlikte Kış mevsiminde günötesinde yer alan aynı yarım küre daha soğuk bir kış geçirir. Diğer yarım küre ise nispeten daha sıcak bir kış ve daha serin bir yaz mevsimi geçirecektir.
Yerküre aynı eksene gelip günötesi ve Günberisinin de ekinokslara yakın olarak gerçekleşmesi durumunda, Kuzey ve Güney Yarımküreler mevsimlerinde benzer farklılıklar yaşayacaktır.
Şu anda, günberisi güney yarımkürenin yaz mevsimi sırasında gerçekleşirken, günötesi ise kış mevsiminde gerçekleşir. Böylelikle güney yarım kürenin mevsimleri bir ölçüde kuzey yarımkürenin mevsimlerine nazaran daha sert geçer, yalnız diğer faktörler aynı kalır.
Eksen dönmesi
Yörünge elipsi, Jüpiter ve Satürn ile karşılıklı etkileşimleri sonucunda kendi başına uzayda devinme hareketi içerisindedir. Ayrıca Güneşin basıklığı ve Merküre dair iyi bilinen Genel İzafiyet gibi unsurlar da burada etkilidir. Toplam yörüngesel devinim, 25,771.5 ile 21,636 yılları arasındaki günberilerine ilişkin ekinoksların devinim süresini kısaltarak eksen yönünün jiroskopik hareketi mantığı ile aynı doğrultuda işlemektedir. Eksen dönmesi, ekliktik düzlem içerisinde gerçekleşir ve Eliptike ilişkin Yerküre yörüngesinin yönünü değiştirir.
Ayrıca eksen sapmasındaki değişiklikler ile birlikte, mevsim sürelerinde de bir değişikliğe yol açar.
Yörünge eğikliği
Yerkürenin yörünge eğikliği şu anki yörüngesine göre yukarıya ve aşağıya doğru yönelim göstermektedir. Milankovitch bu üç boyutlu hareketi incelememiştir. Söz konusu hareket ekliptik gerileme ya da gezegen devinmesi (presesyonu) olarak bilinmektedir.
Pek çok yeni nesil araştırmacıya göre bu yönelme ve yörüngenin diğer gezegenlerin yörüngelerine göre de hareket ettiği konusu üzerinde durmuştur. Güneş Sisteminin açısal momentumunu gösteren değişmez düzlem yaklaşık olarak Jüpiterin yörüngesel düzlemidir. Yerkürenin yörünge eğikliği yaklaşık 70.000 yıllık bir döngü ile birlikte şu anki yörüngesine göre yukarıya ve aşağıya doğru yönelim göstermektedir. Yerkürenin yörünge eğikliği değişmeyen düzleme göre 100.000 yıllık bir döngüye sahiptir. Bu da 100.000 yıllık bir eksen sapmasıyla önemli ölçüde benzerlik göstermektedir. Söz konusu 100.000 yıllık döngü, 100.000 yıllık buz devri oluşumları ile yakın bir uyum içerisindedir.
Bir toz diskinin ve kalıntının değişmeyen düzlem içerisinde oluştuğu ve bunun da çeşitli yollarla Yerkürenin iklimini etkilemekte olduğu ileri sürülmüştür. Yerküre radar detektörlü meteorlarda ve meteorla ilgili gece bulutlarında bir artışın yaşandığı 9 Ocak ve 9 Temmuz tarihlerinde söz konusu düzlem boyunca hareket etmektedir.
Buz içerisinde sıkışan hava kabarcıklarındaki oksijen-nitrojen oranlarını kullanan Antarktika buz çekirdeklerinin kronolojisine ilişkin bir çalışma sonucuna göre buz çekirdeklerinde bulunan iklimsel tepki, Milankovitch hipotezi (Kawamura ve arkadaşları, Doğa, 23 Ağustos 2007, cilt 448, syf 912-917) tarafından öne sürüldüğü gibi kuzey yarımküredeki güneşlenme ile harekete geçirilmiştir. Bu da Mikankovitch hipotezinin geçerliliğini kanıtlar nitelikte olup 100.000 yıllık döngünün yörünge eğikliği teorisi ile uyuşmadığını göstermektedir.
Sorunlar
Periyodik olarak gözlemlenen iklimlerin yörünge dönemleri ile kusursuz uyumu nedeniyle, yörünge teorisi büyük ölçüde destek görmüştür. Bununla birlikte söz konusu teoriyi yapılan gözlemlerle birlikte geçerli kılma konusunda bazı sıkıntılar yaşanmaktadır.
100,000-yıllık sorun
100.000 yıllık problem, eksen sapmasındaki değişikliklerin güneş kuvveti (baskısı) üzerinde gerilemeye ya da eğikliğe nazaran çok daha az bir etkiye sahip olması ve dolayısıyla en zayıf etkileri oluşturabileceği şeklindeki varsayım üzerine temellenmiştir. Teorideki güneş kuvveti (baskısı) bu kadar az iken buz devirlerine ilişkin gözlemlenen en büyük tepki 100.000 yıllık bir zaman diliminde yer almaktadır. Bununla birlikte, yapılan gözlemler geçen 1 milyon yıl boyunca, en güçlü iklim işareti olarak 100.000 yıllık döngüyü göstermektedir. Bunun yanında, 100.000 yıllık bu büyük döngüye rağmen, iklim kayıtlarının süresi iklim ve eksen kayması değişiklikleri arasında istatistiksel bir ilişki kurmak için yetersiz olduğu da bazı kesimler tarafından öne sürülmektedir. Görüşlerdeki bu farklılığa yönelik olarak çeşitli açıklamalar (frekans modülasyonu da dahil) yapılıp geri dönütler (karbon dioksit, kozmik ışınlar, ya da buz tabakası dinamiklerinden örnekler) alınmıştır. Bazı modeller Yerkürenin yörüngesi ve iklim sisteminin iç salınımlarındaki küçük değişiklikler arasında doğrusal olmayan etkileşimlerin bir sonucu olarak 100.000 yıllık döngüler oluşturmaktadır.
Aşama 5 sorunu
Aşama 5 problemi güneş kuvvetinden (baskısı) 10 bin yıl önce başlamış olduğu gözüken sondan bir önceki interglasiyel (deniz izotop aşaması 5teki) süresine işaret etmektedir.
Etki nedenin önüne geçmek
Söz konusu etkilerin, yerkürenin çeşitli bölümlerindeki güneş ışımasının (radyasyonunun) şiddetindeki değişikliklerden kaynaklandığına inanılmaktadır. Yapılan gözlemler gösteriyor ki iklim hareketi hesaplanan değişikliklerden çok daha şiddetli bir etki göstermektedir. İklim sistemlerinin çeşitli iç karakteristik özelliklerinin, güneşlenmedeki değişikliklere duyarlı olduğuna, güneşlenmeyi daha da artırdığına (olumlu özellik) ve tepkileri azalttığına (negatif özellik) inanılmaktadır.
Bölünmüş ana sorun
Bölünmüş ana sorun eksen sapmasının 95,000 ve 125,000 dönemlerindeki değişiklikleri iyi bir şekilde sonuca bağladığı gerçeği üzerine temellenmektedir. Yeterince uzun ve zamanlaması iyi yapılmış iklim değişikliği kaydı her iki frekansı da çözüme kavuşturabilmelidir, fakat bazı araştırmacılar milyon yıllar öncesindeki iklim kayıtlarını 100,000 yıllık periyottaki tek bir tayfsal (spektral) zirveyi gösterecek şekilde yorumlamaktadır. Eldeki verilerin geçen milyon yıllar boyunca yer alan frekansları sonuca kavuşturma konusunda yeterli olup olamayacağı tartışma konusudur.
Geçiş sorunu
Geçiş problemi, 1 milyon yıl önceki iklim değişiklikleri frekansında yer alan geçiş üzerine odaklanmaktadır. 1-3 milyon yıldan beri iklim, eğiklik içerisindeki 41,000 yıllık bir döngü ile karşı karşıya kalacak şekilde baskın bir modda seyrede gelmiştir. 1 milyon yıl sonra, bu durum eksen sapması ile eşleşen 100,000 yıllık bir değişikliğe geçiş sağlamıştır, ki bunun nedeni henüz açıklanamamıştır.
Baskın faktörü belirleme
Milankovitch, kuzeydeki yüksek enlem derecelerinde düşüş gösteren yaz güneşleme süresinin buzullaşmaya yol açan baskın bir faktör olduğunu ileri sürmüştür ki bu da kendisini buzul devirlerinin yaklaşık 41,000 yıllık bir periyotta var olduğu görüşüne (hatalı olarak) yöneltmiştir.
Daha sonra yapılan araştırma gösteriyor ki, 100,000 yıllık eksen kayma döngüsü çok büyük bir önem arz etmektedir, çünkü bu döngü geçen milyon yıllar boyunca var olan Kuvaterner (4. Çağ) Buzullaşmasının 100,000 yıl süren buz devrine sebebiyet vermiştir.
Günümüze ve geleceğe dair sorunlar
Daha önce de belirtildiği gibi, şu anda günberisi güney yarımkürenin yaz mevsiminde, günötesi ise kış mevsiminde gerçekleşmektedir. Bundan ötürü güney yarımkürenin mevsimleri kuzey yarımküredeki mevsimlere kıyasla daha sert geçmelidir. Şu anki yörüngede yaşanan nispeten düşük eksen sapması, her iki yarımkürede yaşanan yaz mevsimindeki güneş ışımasının miktarında %6.8lik bir fark yaratmaktadır.
Yörüngesel değişiklikler tahmin edebilir nitelikte olduğundan dolayı, eğer kişi söz konusu değişiklikleri iklimle ilişkilendirebilecek bir modele sahipse, bu modeli gelecekteki iklimi tahmin etmek için de kullanabilir. Burada dikkat edilmesi gereken 2 durum vardır: birincisi, antropojenik etkiler değişebilir ya da yörünge üzerinde kapsamlı etkilere yol açabilir; ikincisi ise yörüngesel kuvvet (baskı) ile birlikte iklimi etkileyen mekanizma iyi bir şekilde çözümlenememiştir.
65 Kuzey enlemindeki Kuzey Yarımkürede gerçekleşen güneş ışıması miktarının bir buz devrinin başlangıcına işaret ettiği düşünülebilir. Astronomik hesaplamalara göre, 65 Kuzey enlemindeki yaz güneşlenme süresi gelecek 25,000 yıl boyunca giderek artış göstermelidir Eksen eğikliğindeki değişiklikler Kuzey Yarımkürenin güneşlenme süresindeki değişikliklere hakimiyet kuracaktır. Gelecek 50,000 yıl içerisinde 65 Kuzey enlemindeki yaz güneşlenme süresinde buzullaşma dönemine yol açabilecek herhangi bir düşüş beklenmemektedir.
Imbrie 1980deki araştırmasında şu görüşü ileri sürmüştür: Her 19,000 yılda bir gerçekleşecek döngüden daha yüksek frekanslarda harekete geçen antropojenik etkileri ve diğer olası unsurları bir kenara bırakan bu model, 6,000 yıl öncesinde başlamış olan uzun vadeli soğuma eğiliminin gelecek 23,000 yıl boyunca devam edeceğini ileri sürmektedir.
Berger ve Loutre tarafından yapılan son çalışmaya göre ise şu anki sıcak iklim 50,000 yıl daha devam edebilir.
Güneş sistemindeki diğer gezegenler
Güneş Sistemindeki diğer gezegenler, Milankovitch döngülerinde gözler önüne serilmiştir. Çoğunlukla bu döngüler Yerküre döngüleri kadar yoğun ya da karmaşık olmamasına rağmen Su ya da Nitrojen buzları veya hidrokarbon gölleri gibi devinimli katı maddelerin hareketine ilişkin olarak küresel açıdan jeolojik bir etkiye sahiptir.
Mars'taki kutup buzulları, Milankovitchin gizil döngüsüne yönelik düzensizlik nedeniyle kapladığı alan bazında değişiklik gösterir
Satürnün Ayı Titan, metan göllerin lokasyonunu değiştiren ~60,000 yıllık bir döngüye sahiptir.
Neptünün Ayı Triton, uzun zaman ölçekleri boyunca katı nitrojen kalıntılarının taşınması konusunda Titanınkisine benzer bir değişiklik göstermektedir.