(Geologija, Geofizika) Vodič kroz ledena doba - dokazi

Predgovor “Vodiču”

Ovaj rad se bavi astronomskim faktorima uslovljavanja klimatskih epoha. Ledena doba ili epohe glacijacije kao više-milenijumske epohe tokom kojih su veliki delovi kopna bili pod stalnim ledenim pokrivačima se proučavaju iz perspektive astronomije. Da bi došli do odgovora o poreklu ledenih doba, neophodno je predstaviti lestvicu vremena i poređati fizičke činioce koji uslovljavaju klimatske promenene.

Rad je strukturno organizovan na skali vremena polazeći od najskorijeg perioda od nekoliko vekova. U prvom delu rada je obrađena tema ciklusa Sunčevih aktivnosti. Analizirajući nadalje koliko je osunčavanje promenljivo u skladu sa ciklusom pega na Suncu dobijamo da je promena prosečne temperature veoma mala. Klima reaguje veoma osetljivo na promene osunčavanja.

Ledena doba na srednjim skalama vremena - u poslednjih 780.000 godina, su proučavali čuveni umovi kao što su Milanković, Imbri, Berže. Tema je obrađena ukratko istoriografski po uzoru na radove Imbrija i akademika Nikole Pantića.

Ledena doba tokom Pleistocena (od pre 1,8 miliona godina do pre 10.000 godina) i nešto šire u periodu od otprilike pre 5,5 miliona godina do danas su najviše proučavane klimatske promene u astronomskim radovima. Počev od teorije Milutina Milankovića do danas su se pojavile stotine radova koji modeliraju Sunčev sistem i još više radova iz oblasti klimatologije koji traže odgovor kako se klimatski sistem ponaša pod dejstvom promene rastojanja Zemlje do Sunca, trajanja obdanice, ili ugla pod kojim padaju Sunčevi zraci. Zadatak ovog dela „Problema ledenih doba“ je procena uzročno-posledične veze ekscentriciteta Zemljine orbite, precesije i nagiba Zemljine ose sa osunčavanjem.

Tokom poslednjih 5,5 miliona godina istorije Zemlje, klimom vladaju dva tipa ciklusa promene prosečne temperature od 41.000 godina i 100.000 godina. Pri analizi ledenih doba nemoguće je na prvi pogled izvesti zaključak o njihovom poreklu, tim pre što se cikličnost sa karakterističnom periodom od 100.000 godina pojavila odjednom u geološkoj istoriji pre oko milion godina, i takođe zato što se u dalekoj prošlosti klima menjala bitno drugačije.

U potrazi za odgovorom bilo je neophodno potražiti više mogućih objašnjenja kroz dva odabrana, bitno različita naučna rada.

Prvi naučni rad (Mulera i Mekdonalda) se tiče promene inklinacije orbitalne ravni Zemlje u odnosu na invarijantnu ravan Sunčevog sistema sa periodom od 100.000 godina. Oscilacija inklinacije daje odlično poklapanje sa oscilacijom temperature tokom najskorijih ledenih doba (do otprilike milion godina unazad). Odgovarajuće fizičko objašnjenje mehanizma delovanja promene inklinacije ravni na klimu je predstavljeno hipotetički, jer u tom pogledu nisu dovršena istraživanja.

Drugi veliki naučni rad (Pitera Hujbersa) objašnjava prelaz između etape dominantnog ciklusa od 41.000 i etape sa dominacijom ciklusa od 100.000 godina kao spontani prelaz u osetljivom, nelinearnom haotičnom klimatskom sistemu.

Astronomsko istraživanje ledenih doba ne bi bilo kompletno bez pitanja o uticaju Mesečeve gravitacije na klimu. Mesečev nodalni ciklus (ciklus pomeranja čvornih tačaka putanje Meseca) je uvršten u rad kao jedan od faktora glacijacije na Arktiku, prema autoru Indeštatu.

Sa studijom ledenih doba tokom više stotina miliona godina (prema sintezi autora Džeralda Marša) se završava “Vodič za kroz ledena doba”.

Uvod

Pojam

Ledeno doba je bilo koji hladan period (klimatski) u istoriji planete (geološki period) tokom kojeg su kontinente prekrivali ledeni pokrivači tokom cele godine. Tokom ledenog doba se smanjuje prosečna temperatura i šire se ledeni pokrivači. Danas su stalni ledeni pokrivači koncentrisani tokom cele godine samo na polarnim kapama i kao planinski glečeri. U toku poslednjih nekoliko miliona godina, veliki delovi površine Amerike, Evrope i Azije bi periodično bili pokriveni ledom. Sam izraz „ledeno doba“ se u popularnoj kulturi ponekad upotrebljava za Pleistocen (od pre 1,8 miliona godina do pre 10.000 godina).

Hladni periodi se nazivaju glacijali, a topli periodi interglacijali. Period u kome živimo je interglacijal koji traje oko 11.400 godina [1, 23].

Poreklo i istorijat otkrića

Znanje o ledenim dobima je poteklo verovatno iz narodnih predanja: pećinski crteži sa neobičnim vrstama, biljke koje na neki način nisu pripadale klimatskoj oblasti kakva se danas nalazi na primer, u Evropi. Prvi geografi istraživači su preneli priče u narodu o mestima, geografskim širinama u drevno vreme do kojih su dosezali stalni kopneni ledeni pokrivači - glečeri.

Saznanje o ledenim dobima je živelo među stanovnicima u alpskim oblastima Evrope. Džon i Ketrin Imbri izveštavaju kako se o ovome pisalo u ranom 19. veku u Švajcarskoj i Nemačkoj kao o zapažanju izvesnog gorštaka Žana Pjera Perodena [1]. Ovaj je preneo zapažanje dokle se prostirao glečer Grimsel jednom od istraživača, Žanu de Šarpentjeu (Jean de Charpentier). Šarpentje je sakupljao dokaze od 1825-1833. godine. Inženjer Ignac Venec (Ignatz Venetz) i Šarpentje su 1835. godine ubedili Luja Agasiz (Louis Agassiz) u svoju teoriju. Agasiz je objavio teoriju ledenih doba 1840. godine, pod naslovom “Étude sur les glaciers” (Studija o Glečerima). Ono što su ovi pioniri proučavali su glacijacije tokom poslednjih nekoliko stotina hiljada godina.

U početku je bilo teško pojmiti u prostoru i vremenu prave dimenzije ovih pojava, kao što su glečeri koji pokrivaju veći deo Evrope. Stare mitove je trebalo opovrgnuti i dati budućnosti nove mogućnosti putem pisanja nove istorije daleke prošlosti, jezikom geoloških ili geo-fizičkih svedočanstava. Ledena doba su izazivala kontraverze i obrte još podosta godina. Luj Agasiz je na čuvenom izlaganju svojih hipoteza u Nojšatelu doneo ledena doba naučnoj javnosti [23].

Dokazi postojanja ledenih doba

Dokazi postojanja ledenih doba su se sakupljali više decenija. Glavne grupe dokaza su geološkog, hemijskog i paleontološkog porekla.

Geološki dokazi postojanja ledenih doba podrazumevaju razne oblike izmene reljefa, stena, ogrebotine na stenama, glacijalne morene, izdubljene doline, terase na obalama reka i drugo. Uzastopne glacijacije teže da ponište dokaze iz prethodnih perioda tako da je formiranje geološkog dokaznog materijala potrajalo dugo vremena. Geološka svedočanstva se protežu daleko u prošlost.

Hemijski nalazi se uglavnom sastoje u promenama odnosa izotopa u sedimentnim stenama, sedimentima sa dna okeana i za skorašnja ledena doba, iz sedimentnih ledenih “jezgara” ili vertikalnih šipki izvučenih sa polarnih oblasti pod stalnim ledenim pokrivačem.

Hemijski sastav je katkad teško izučavati zbog toga što biomasa utiče na kontinuitet taloženja izotopa. Najkvalitetnija ledena sedimentna jezgra daju promene temperature tokom nekoliko stotina hiljada godina. Uopšteno, kvalitet uzorka se opisuje debljinom sloja po konstantnom periodu vremena taloženja, gde je deblji sloj bolji sloj. Činioci kvaliteta su ravnomerno taloženje i mogućnost da se datiranje vertikalnih slojeva obavi nezavisno, bez podešavanja vremenske skale na osnovu teorija ledenih doba koje se inače proveravaju (na primer astronomske teorije). Sedimentna jezgra su posebno obrađena tema u narednom poglavlju.

Paleontološka svedočanstva se sastoje iz promena geografske raspodele fosila. Tokom glacijalnog perioda organizmi prethodno adaptirani na hladnu klimu preživljavaju i migriraju prema ekvatoru. Organizmi adaptirani na toplu klimu izumiru. Teškoća u ovom postupku paleontološkog istraživanja je to da su potrebni uzorci (sedimentna jezgra) koji pokrivaju duge vremenske periode, koji potiču sa više geografskih širina, a da pri tome postoji izvesna korelacija među njima. Vrste prastarih organizama koji postoje u kontinuitetu više miliona godina su subjekti ispitivanja, uz uslov da se može odrediti njihovo ponašanje prlikom promene temperature.

Svi kombinovani zahtevi da se ledena doba dokumentuju pouzdano su smanjili broj idealnih uzoraka, rezultirajući u suženom periodu vremena od nekoliko miliona godina u prošlost. Uzorci ovog perioda su najčešće predmet provere astronomskih hipoteza o ledenim dobima, kao u ovom radu [23].

O ledenim dobima u prošlosti Zemlje

Ledena doba su zemaljska pojava koja obuhvata promene prosečne višegodišnje temperature, zapremine stalnih ledenih pokrivača, kretanja vazdušnih i okeanskih struja, i sastava atmosfere u klimatskom sistemu. U svrhu pojednostavljenja, ledena doba se opisuju najčešće prosečnom temperaturom klime, zapreminom leda u ledenim pokrivačima i koncentracijom ugljen-dioksida u atmosferi.

U bliskoj prošlosti su postojala četiri velika ledena doba. Osim tokom tih perioda, Zemlja je pretežno bila bez velikih ledenih pokrivača. Huronsko ledeno doba se desilo između 2.700 miliona godina i 2.300 miliona godina u prošlosti – u Proterozoiku. Najekstremnije ledeno doba se desilo pre 850 do 630 miliona godina (Kriogensko doba). Postoje hipoteze koje tvrde da je tokom Kriogenskog perioda svetski okean bio zaleđen. Ovo razdoblje se završilo naglo povratkom vodene pare u atmosferu. Pre 580 miliona godina došlo je do nagle evolucije i širenja života na Zemlji.

Umerenije Andsko-saharsko ledeno doba je trajalo od pre 460 do 430 miliona godina (Ordovicijum, Silur). Pre 350 do 260 miliona godina tokom Karbona i Perma polarne kape su se periodično širile (Karu ledeno doba).

Zemlja je u proseku tokom većeg dela svog postojanja bila toplija nego danas. Sadašnje veliko ledeno doba je započelo pre 40 miliona godina sa rastom ledenog pokrivača na Antarktiku. Pojačalo se tokom kasnog Pliocena, pre oko 3 miliona godina kada su se ledeni pokrivači raširili na severnoj hemisferi. Ledeno doba se zatim nastavilo tokom Pleistocena. Od tada su se dešavali ciklusi glacijacija okarakterisani sa periodama reda veličine 40.000 i 100.000 godina. Poslednji glacijal se okončao pre približno 10.000 godina.

Manja ledena doba su podeljena i imenovana prema geografskim oblastima gde su otkrivana i vremenima kada su se zbivala. Ris i Vurm (Riss, Würm) se na primer, vezuju za alpsku oblast i epohe od pre 180.000 do 130.000 godina, i od 70.000 do 10.000 godina u prošlosti. Ovaj poslednji period je u Severnoj Americi poznat kao Viskonsinska glacijacija. Tokom ovih doba led bi se delimično povlačio ili napredovao, brišući tragove prethodne glacijacije.

Tokom jednog ledenog doba postoje glacijalni periodi, suvi i hladni, sa nižom nadmorskom visinom na kojoj se javljaju planinski glečeri. Očekuje se da sadašnji interglacijal ili topli period poznat pod imenom Holocen, potraje još 50.000 godina (Berger, Loutre). Prethodni interglacijal je trajao oko 28.000 godina [23].

Uzroci ledenih doba

Uzrok ledenih doba se traži kroz multidisciplinarne studije. Jedna grana koja se tiče ovog diplomskog rada je astronomija. Najjednostavniji odgovor na to šta je uzrok ledenim dobima potiče od izvora energije na Zemlji, a to je od Sunca.

Osunčavanje je definisano kao energija zračenja sa Sunca koja pada na određenu horizontalnu površinu na Zemlji u jedinici vremena. Osunčavanje zavisi od: (1) solarne konstante kao količine dolazne energije na jediničnoj površini na vrhu atmosfere, na koju Sunčevi zraci padaju pod normalnim uglom u jedinici vremena (tj. fluksa energije); od (2) razdaljine do Sunca, od (3) promena na Suncu (pege), od (4) visine Sunca (ugla) nad horizontom, (5) procenta upadnog zračenja koje se vrati sa vrha atmosfere nazad u svemir, (6) procenta apsorbovanog zračenja u atmosferi, i (7) procenta odbijenog zračenja sa površine Zemlje (albedo). Osunčavanje se kao i solarna konstanta, najčešće izražava u vatima po kvadratnom metru. Vrednost solarne konstante je procenjena na 1368 W/m2. Na srednjim geografskim širinama prosečna letnja vrednost osunčavanja je 340 W/m2, dok kada je oblačno, iznosi samo 120 W/m2 [54].

Promene osunčavanja su glavni astronomski faktor klimatkih promena (ili “forsiranja klimatskih promena”). Pojam forsiranja (forcing) potiče iz numeričkih metoda rešavanja diferencijalnih jednačina promena neke fizičke veličine u vremenu. Svaki novi, nehomogeni član sa desne strane bi nazivali forsiranjem, ili dopunskim uticajem promene fizičke veličine i sistema. Promene neke fizičke veličine se mogu nazvati “variranje”. Istraživači teže da nazivaju sve mehanizme koji mogu da objasne efekte tih promena “forsiranje”. U ovom radu se na primer, “forsiranje osunčavanja” shvata jednostavno kao faktor koji utiče na promenu prosečne temperature na Zemlji. “Forsiranje” naglašava da postoji fizički proces koji utiče na klimu.

Sjaj Sunca se tokom više milijardi godina povećavao. Takođe, tokom više milijardi godina pomeranje kontinenata, vulkanska aktivnost i promene reljefa i okeana su učinili ceo problem ledenih doba složenijim. Ledena doba u dalekoj prošlosti su znatno drugačija nego ona u bliskoj prošlosti. Zato je u ovom istraživanju problem ledenih doba u dalekoj prošlosti obrađen kao poseban problem na velikim razmerama vremena. Na takvim razmerama, glavni astronomski faktor promene klime je promena sjaja Sunca.

Pojave koje menjaju kosmičku klimu svemirskog okruženja Zemlje su kosmička prašina i kosmički zraci. Kretanje oko centra galaksije Mlečni put na velikim razmerama prostora i vremena može da ima uticaja na klimu na Zemlji. Drugi uzročnici promena klime su sastav atmosfere, tla, geohemijske reakcije, vulkanizam, kretanje tektonskih poloča, udari malih nebeskih tela, izgled Sunčevog sistema itd.

Tokom poslednjih 5,5 miliona godina sjaj Sunca je približno konstantan. U toku ovog perioda, glavni astronomski uzrok ledenih doba je periodična promena orbitalnih karakteristika Zemlje. Sa druge strane, veruje se da je opšte uzev važniji faktor haotična priroda klimatskog sistema. Više osobina ciklusa ledenih doba ostaje nerazjašnjeno.

U poslednjih nekoliko vekova je primećeno da se ciklus pega na Suncu (“Sunčev ciklus aktivnosti”) podudara sa promenama prosečne temperature. Najizraženiji primer je “malo ledeno doba” – pojam uveden za zahlađenje koje je trajalo od 1645. do 1715. godine nove ere u Evropi. Promene osunčavanja zbog promena Zemljine orbite tokom nekoliko vekova su zanemarive. Osunčavanje se pak menja u skladu sa ciklusom pega. Ove promene mogu da objasne varijacije temperature unutar jednog ledenog doba.

Uticaj plimskih talasa Meseca dovodi do pomeranja okeana i kopna, usled čega se može pronaći udeo plimskih talasa u klimi.

Elementi klimatskog sistema koji deluju kao pojačivači ledenih doba ubrajaju se u faktore pozitivne povratne sprege. Drugi unutrašnji elementi ili procesi, pojave, koje deluju na slabljenje ili slabiju izraženost ledenih doba se ubrajaju u faktore negativne povratne sprege.

Koncentracije gasova staklene bašte rastu sa povlačenjem ledenih pokrivača, i padaju sa nadolaženjem leda. Uzrok i posledicu je teško ustanoviti. Ugljen-dioksid je direktno povezan sa ledenim dobima. Rast i pad koncentracije ugljen-dioksida u atmosferi se odlično podudara sa rastom i padom prosečne temperature kroz epohe ledenih doba. Kao gas staklene bašte, ponaša se kao faktor negativne povratne sprege koji povišava temperaturu. Geohemijske reakcije tla sa ugljen-dioksidom i procesi u vezi sa živim organizmima mogu da pretvore ugljen-dioksid u faktor pozitivne povratne sprege iznad određene koncentracije, pri čemu dolazi do ravnoteže u proizvodnji i uklanjanju ugljen-dioksida i pada koncentracije u atmosferi.

Sneg i led povišuju albedo Zemlje, čime Zemlja odbija više, a apsorbuje manje energije Sunčevog zračenja. Okeani apsorbuju i transportuju energiju bolje. Odnos albeda okeana i leda je 20% na prema 80%. Smanjenje površine šume takođe povećava albedo.

Stepen isparavanja je veći nad okeanom bez ledenog pokrivača. Odavde se mogu formirati padavine koje će formirati sneg i led nad polarnim oblastima.

Okeanske struje menjaju tok za vreme ledenog doba i energija se transportuje na neku drugu geografsku širinu ili posve novu oblast na planeti [23].

Činioci koji učestvuju u radu klimatskog sistema su često nelinearni. Uzroci ledenih doba složeni ili nepoznati, ostaju kontraverzno pitanje. Ostali uzroci uključuju transport energije vetrovima i okeanskim strujama, oluje na Suncu, komete. Pošto je model klime najsloženiji ikad izgrađivan model u nauci, i uopšte zbog obima svi ti činioci su zanemareni u prilog jednostavnog astronomskog izlaganja [55].

Opisujuću periodičnost promena temperature ili klimatskih epoha, u tekstu nalazimo izraze “ciklusi”, “periodi”, “periode” u godinama ili “frekvencije” jednom po određenom broju godina.

1. Dokaz postojanja ledenih doba zapisan
u sedimentnim jezgrima

Sedimentna jezgra (“cores”) su potencijalno glavni izvor preciznih informacija o ciklusima ledenih doba. Vađenje uzoraka leda sa polarnih kapa, i dugih, vertikalnih šipki sa dna okeana je otvorilo put utvrđivanju klimatskih epoha na Zemlji.

Najvažnija jezgra su poreklom iz večitog leda, sa Arktika ili Antarktika u kojima se meri hemijski sastav i odnosi izotopa. Uzorci tla kao što je zemljište lesnih zaravni takođe oslikavaju klimatske epohe, i mnogo što šta drugo vezano za biološku sedimentaciju, hemijske, nuklearne reakcije, itd. Za pronalaženje geomagnetnih reverzija se upotrebljavaju uzorci stena, akumulacija stalagmita u pećinama. Uopšteno rečeno, sedimentna jezgra već na prvi pogled golim okom poseduju slojevitost u vidu promene boje, prozirnosti, gustine i slično. Slojevitost je izraz promena tokom milenijuma.

Dubine sa kojih se uzimaju jezgra su određene pristupačnošću. Sama jezgra su merena metrima - za ledena jezgra obično se vadi 4-6 metara u komadu koji se seče na šipke od po jednog metra za skladištenje. Sa dna okeana ili mora (dubokomorska jezgra) se dobijaju uzorci do 10-15 metara dubine. Sa lesnih zaravni na kopnu dobijaju se uzorci sa više od 100 metara dubine. Nekoliko metara ledenog jezgra predstavlja više stotina hiljada godina. Najstarije ledeno jezgro ikada dobijeno je 3.600 metara, odnosno od sadašnjeg vremena, pa do otprilike milion godina unazad. Sa druge strane, 160 metara dugačko jezgro iz lesa može da predstavlja više od 2 miliona godina.

1.1 Ledena jezgra i ciklus izotopa kiseonika

Kiseonik ima 3 izotopa koji se pojavljuju u prirodi: [sup]16[/sup]O, [sup]17[/sup]O, [sup]18[/sup]O. Najprisutniji je [sup]16[/sup]O, a zatim slede [sup]18[/sup]O i [sup]17[/sup]O. Izotopska analiza uzima u razmatranje odnos samo [sup]18[/sup]O i [sup]16[/sup]O u uzorku. Kada se izračuna odnos masa ovih izotopa u uzorku, pronalazi se činilac za praćenje klime u prošlosti.

Naime, [sup]18[/sup]O prisutan u molekulu vode čini ceo molekul masivnijim za razliku mase 2 neutrona. Potrebno je više energije da bi voda H[sub]2[/sub][sup]18[/sup]O isparavala. Takođe, ovaj molekul oslobađa više energije kada se kondenzuje iz pare. Dodatno, H[sub]2[/sub][sup]16[/sup]O se lakše prima kao para iz atmosfere na površinu vode. Usled ovih osobina vodena para koja prva ispari je sa lakšim izotopom, dok tečnost koja ostane je sa težim izotopom. Nakon kondenzacije, lakši molekuli su pretežno u stanju pare, a kondenzuju se teži molekuli vodene pare. Kada vetrovi na Zemlji duvaju i odnose vodenu paru iz toplijeg u hladniji region, para se kondenzuje u padavine iznad hladnije oblasti. U klimatskom sistemu dolazi do destilacije molekula vode H[sub]2[/sub][sup]18[/sup]O i H[sub]2[/sub][sup]16[/sup]O, nakon čega padavine sadrže manji odnos H[sub]2[/sub][sup]18[/sup]O / H[sub]2[/sub][sup]16[/sup]O ako je temperatura niža. Drugi faktori menjaju tok ovog procesa, na primer ako na veoma niskim temperaturama para pređe u kristale leda odmah.

Odnos 18O / 16O obezbeđuje zapis o temperaturi vode u prošlosti. Voda 10[sup]o[/sup]C do 15[sup]o[/sup]C hladnija u proseku nego danas predstavlja glacijaciju. Padavine i glacijalni led sadrže nizak procenat [sup]18[/sup]O. Pošto se [sup]16[/sup]O čuva u ledu, sadržaj [sup]18[/sup]O u okeanskoj vodi je visok. Voda do razlike temperature od 5[sup]o[/sup]C u odnosu na danas predstavlja interglacijalnu vodu (voda koja pripada interglacijalnoj epohi, između ledenih doba). Grafik promena temperature vode tokom Pleistocena prikazuje klimatske epohe – koje nazivamo ledena doba.

Proporcija koncentracija dva izotopa se označava sa δ [sup]18[/sup]O (u promilima) = 10[sup]3[/sup][(R[sub]uzorak[/sub]/R[sub]standard[/sub])-1], gde je R[sub]x[/sub] = ( [sup]18[/sup]O)/( [sup]16[/sup]O) [25].

Slojevitost prisutna u sedimentnim ledenim jezgrima vezano za izotopski sastav se naziva “marinskim izotopskim stupnjevima“ u stručnoj literaturi (marine isotopic stages). Izotopski stupnjevi se direktno odnose na zapis o nekadašnjim temperaturama. Za tehničku definiciju pogledati [52].

Mikroorganizmi u dubokomorskim (benthic) sedimentnim jezgrima (cores) na razne načine svedoče o klimatskim epohama, uključujući svojom sposobnošću razmnožavanja, evolucije i sl. Mi nećemo proučavati detalje biologije i drugih studija, osim da spomenemo da kalcijum-karbonat u ljušturama mikroorganizama na istovetan način beleži temperature. Kalcijum-karbonat (CaCO[sub]3[/sub]) nastaje od ugljen-dioksida koji donosi dva atoma kiseonika, i vode koja donosi jedan atom kiseonika. Kiseonik poreklom iz vode se pojavljuje u obliku dva prethodno spomenuta izotopa. Organizmi koji su živeli u određenoj epohi ostavljaju za sobom podatak o tadašnjem sastavu vode pohranjen u kalcijum-karbonatu njihovih ljuštura. Kada se organizmi razmnožavaju i umiru, njihove ljušture se talože na dno okeana. Idealno, brzina taloženja je konstantna i onda se dubinska skala može interpretirati kao vremenska (starosna) skala. Ravnomerno taloženje nije očekivana pojava jer se stepen razmnožavanja organizama obično menja zbog temperature vode i okeanskih struja, migracija i slično. Statističke metode teže da usaglase takve razlike u zapisu i formiraju starosnu skalu [18].

Na slici 1.1 je grafik marinskih izotopskih stupnjeva u dubokomorskom jezgru, zajedno sa ekvivalentom skalom promena temperature.



Dominantni ciklusi klime tokom 5,5 miliona godina su od 100.000 godina (ky = kilo year, hiljade godina) i 41.000 godina [28].

2. Prve hipoteze o ledenim dobima

Agasizova teorija o ledenim dobima iz 1840. godine je bila zasnovana na posmatranju glečera po najpre. Glečeri bi ostavljali nanose sa sobom, deformisali reljef, a različite žive vrste bi se pojavljivale ili nestajale na južnim granicama. Odavde je krenulo paralelno traganje za dokazima o glacijaciji za koje je trebalo napraviti karte kopna, okeana, prikupiti sedimente, obaviti datiranje uzoraka, i naći uzroke klimatskih promena.

Žozef Alfons Ademar (Joseph Aphonse Adhemar) je 1842. napisao prvu hipotezu ledenih doba koja je bila zasnovana na varijacijama Zemljine putanje oko Sunca - precesiji ravnodnevičnih tačaka, čime bi se kako je očekivao, menjala količina upadnog Sunčevog zračenja tokom vekova.

Astronomske radove sa rešavanjem problema Sunčevog sistema su začeli Mairan, Lagranž i Laplas sa ciljem da pronađu položaje i kretanja tela u sistemu. Ademarova ideja većinom nepotpuna, je upotrebljavala astronomski podatak o položaju Zemlje u odnosu na Sunce, ali nije dala pravilne rezultate.

Džejms Krol (James Croll) je tokom 1864-1875. objavljivao radove za koje smatramo da predstavljaju prvu ozbiljnu astronomsku teoriju ledenih doba, tako što je uključio promenu precesije i ekscentriciteta orbite Zemlje u razmatranje. Krol je radio sa astronomskim proračunima Leverijea za proteklih 100.000 godina. Ipak, podaci koje daje Krolova teorija se nisu poklopili sa vremenima ledenih doba poznatim u to vreme [1].

2.1 Milutin Milanković

Uskoro se pojavio Milutin Milanković (1879-1958) koji je radio na astronomskoj teoriji 30 godina. Milanković je u svojim proračunima (u vreme Prvog svetskog rata) krenuo od pretpostavki da klima zavisi od količine Sunčevog zračenja koju primaju različiti delovi Zemljine lopte, i da ova veličina zračenja zavisi od rastojanja do Sunca i položaja Zemlje u prostoru (uključujući nagib ose). Upotrebivši matematičke proračune orbitalnih parametara Ludvika Pilgrima (Ludwig Pilgrim) datih za proteklih milion godina, Milanković je utvrdio 3 osnovna elementa koji se periodično menjaju kroz istoriju. Promene ovih elemenata on dovodi u vezu sa promenom klime. To su:

1. periodična promena položaja Zemljine ose – precesije za ciklus od 22.000 godina
2. periodična promena eksentriciteta orbite od 105.000 godina
3. periodična promena nagiba ekliptike od 41.000 godina

Da bi obradio ceo projekat objašnjenja ledenih doba morao je da napiše kvalitetnu teorijsku – nebesku mehaniku po Njutnovim zakonima za proizvoljna tela, odnosno za Sunčev sistem. Veći deo “Kanona osunčavanja” sačinjava zapravo model Sunčevog sistema, izvođenja i skraćivanja načina računanja. Izdvajamo nekoliko koraka koji se pominju u biografijama. Obradio je “račun poremećaja” ili perturbacija drugih tela Sunčevog sistema koji utiču na kretanje Zemlje, tačnije odnos Sunca, Zemlje i Jupitera. Uvodeći komponente za računanje rotacije Zemlje, precesije i nutacije ose morao je da obradi problem pokretne mase na Zemlji („telurski sistem”), kao što su Zemljina kora i okean. Uspeo je da pojednostavi opis procesa pomeranja polova.

Upotrebio je osnovne modele atmosfere, bilansa energije atmosfere i provođenja toplote kroz zemlju, zanemarujući turbulenciju i kompleksnosti klimatskog sistema.

Zbog pojednostavljivanja, albedo Zemlje je uzeo kao konstantu. Milanković kaže da je problem nelinearne prirode, te da se sa više prisutnih ledenih površina povećava odbijanje Sunčevog svetla, a sa manje ledenih pokrivača povećava apsorpcija.

Milanković računa osunčavanje upotrebljavajući solarnu konstantu i integrišući obdanice u određenim intervalima. Da bi obavio ovaj računski zadatak, a i druge zadatke do tada, bila su neophodna pojednostavljivanja računskog procesa, integrala i razvijanje u približne oblike. Primenom mehaničkih računskih mašina je ostvario numeričke rezultate o osunčavanju u toku više desetina hiljada godina, pa zatim i do 650 000 godina unazad.

Milanković je podrobno ispitao istoriju otkrića ledenih doba i sve argumente i nalaze. S punom nadom da njegova teorija neće naći na prepreke, izneo je numerička izračunavanja proseka osunčavanja i grafike krivih koje su postale poznate kao krive osunčavanja. Krive su bile izračunate za 3 geografske širine (55°, 60°, 65°), u prvi mah.

Milanković je pridao značaj krivi osunčavanja na 65°N geografske širine u toku leta. Pretpostavio je da se osunčavanje postiže najveći efekat na glacijaciju ako se izmeni nivo zračenja u toku leta. U toku hladnog leta se ne otopi sav sneg iz prethodne zime. Led se lakše topi nego li akumulira, usled čega postoji trend naglog topljenja (deglacijacije), ali spore glacijacije. Savet za pretpostavku o letu, Milanković je dobio od matematičara Kepena.

Krive osunčavanja prikazuju periodične promene pod imenom Milankovićevi ciklusi, koji su postali de-facto standard za astronomsko objašnjenje ledenih doba. Krive su objavljivane u člancima od 1923-1938. godine koje danas nalazimo objedinjene u delu pod naslovom „Kanon osunčavanja Zemlje” iz 1941. godine [11, 48].

Spisak značajnijih dela:

· Milankovitch, M. (1920). Theorie Mathematique des Phenomenes Thermiques produits par la Radiation Solaire. Gauthier-Villars Paris.

· Milankovitch, M. (1930). Mathematische Klimalehre und Astronomische Theorie der Klimaschwankungen, Handbuch der Klimalogie Band 1. Teil A Borntrager Berlin.

· Milankovitch, M. (1941). Kanon der Erdbestrahlungen und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem. Belgrade [28].

Rezultati iz Kanona su poređeni sa rezultatima iz geologije tokom decenija koje su usledile. Prva istraživanja su se zasnivala većim delom na krupnim elementima pejzaža, granicama glečera, nanosima koje su ostavljali glečeri, objašnjavanju terasa. Drugi veliki talas istraživanja se zasnivao na nalazima sedimenata – na njihovim fizičkim, hemijskim, biološkim konstituentima. Treći talas bila je upotreba izotopske tehnike koja se usavršava i danas. Četvrti veliki talas je bilo otkriće vremenske skale zasnovane na novootkrivenim geomagnetnim reverzijama. Ključ za tumačenje sedimenata koji sadrže svedočanstva o ledenim dobima su bili izučavanje izotopa, te astronomska i astrofizička istraživanja [1].

“Kanon Osunčavanja” je iz prve bilo “slabo poznato i nečitljivo delo” koje je ponajviše osporavano pred kraj života Milutina Milankovića. Ipak, 1976. godine je teorija dobila savremeni izgled i renome sa radom Hejsa, Imbrija i Šekltona “Varijacije u Zemljinoj orbiti: tempaš ledenih doba”. (James D. Heys, John Imbrie, Nicolas Sheckleton) [11].

2.2 Potvrde Milankovićevih ciklusa

Milankovićevi ciklusi se u nekoj meri reflektuju u klimatskim ciklusima. Astronomska teorija ledenih doba nailazi na dokaze u geologiji, biologiji i drugim studijama. Konačnu potvrdu dobija sa CLIMAP projektom (Climate Mapping, Analysis and Prediction) koji je izvođen od 1971-1976. godine [1, 28]. Metode koje su rađene su:

- izotopsko proučavanje ljuštura foraminiferske vrste Globigerina bulloides
- statistička analiza zastupljenosti radiolarijskih asocijacija
- zastupljenost radiolarijske vrste Cyclocladophora dovisiana koja je osetljiva na klimatske promene
- zastupljenost kokolitske vrste Pseudoemiliania lacunosa i radiolarije Stylatractus universus

Čuveni učesnici projekta su bili Imbri, Šeklton i Hejs (John Imbrie, Nicolas Sheckleton, J. D. Hays) [11]. Milankovićeva teorija je bila idejno tačna. Broker, Denk, Njuvartles i Mezolela (Brocker, Dank, Newertheles, Mesollela) i drugi su sačinili prvu opšte prihvaćenu ispravku uvrstivši da je osunčavanje na geografskoj širini od 65° najvažniji astronomski faktor uticaja na klimu.

Projekat CLIMAP je izneo neke malo drugačije podatke o ledenim dobima, ali je praktično potvrdio koncepte Milankovićeve teorije:

- klima za poslednjih 500.000 godina varira periodično u ciklusima od 23.000, 42.000, i oko 100.000 godina. Ovi ciklusi odgovaraju periodima varijacije Zemljine orbite, a utiču na klimatske promene intenzitetom 10%, 25%, 50%
- klimatska komponenta ciklusa od 42.000 godina odgovara promenama nagiba Zemljine ose
- klimatska komponenta ciklusa od 23.000 godina odgovara promenama precesije
- dominantna klimatska komponenta od oko 100.000 godina odgovara ekscentricitetu Zemljine putanje [11]

Projekat CLIMAP je nasledio COHMAP (Cooperative Holocene Mapping Project). Projekat SPECMAP daje standardnu hronologiju ledenih doba (klimatskih epoha). Kod nekih uzoraka, dubinska skala je pretvorena u starosnu skalu pomoću očekivanja gde treba da se javljaju zahlađenja na osnovu Milankovićevih ciklusa.

Dominantni ciklusi klime u poslednjih nekoliko stotina hiljada godina su bili poznati Milankoviću. Među klimatskim glacijacijama i deglacijacijama se najčešće izdvaja perioda od 100.000 godina, dok ostale periode uključuju 1.500, 22.000, i 41.000 godina. Upotrebivši krivu osunčavanja Zemlje na geografskoj širini 65oN uporedio je maksimume i minimume, faze i frekvencije osunčavanja sa promenama temperature dobijenim iz uzoraka.



Slika 2.1 Na ovoj kolekciji grafika je predstavljeno 420 000 godina istorije klime zebeleženo u ledu. Uzorak je uzet na Antarktiku, u stanici Vostok (jezero Vostok na Južnom polu). U antarktičkoj šipci leda su analizirani ugljen-dioksid (ppmv, parts per million by volume, milioniti delovi zapremine) – gornja kriva plave boje, metan (ppbv, parts per billion by volume, milijarditi delovi zapremine) – kriva u sredini, zelene boje, izotopi kiseonika (promili) – kriva tamno narandžaste boje. Kriva crvene boje označava temperaturnu razliku (stepen Celzijusa). Na dnu slike, poslednja kriva predstavlja promenu osunčavanja na 65oN geografske širine dato u jedinicama W/m2. Vremenska skala na horizontalnoj osi pokazuje unazad (hiljade godina) [19].

Primetimo (slika 2.1) veoma dobro poklapanje promena ugljen-dioksida i metana u atmosferi sa temperaturom (glacijalima i interglacijalima). Precizna merenja veličine globalnog leda u ledenim pokrivačima (glacial ice) se zasnivaju najčešće na dubinskim, sedimentnim jezgrima sa dna okeana, ili iz arktičkog, antarktičkog leda (ice cores), u kojima se klimatske promene beleže odnosom izotopa kiseonika 16 i 18, prisustvom ugljen-dioksida, metana, i na dalje prisustvom prašine, ostataka živih bića (fosila), itd.

Milankovićev rad je bio deterministički, ali je on uviđao probleme nelinearnosti i nepredvidivosti. Novi modeli Sunčevog sistema se zasnivaju na složenijim teorijama kao što su Opšta teorija gravitacije i teorija haosa [32]. Simulirani planetarni sistem je osetljiv na početne uslove. Klimatski sistem je sa svoje strane, takođe – bogat nelinearnim, haotičnim i stohastičkim pojavama. Rešavanje problema ledenih doba se nosi sa orgomnom složenošću kao što su osunčavanja na pojedinačnim geografskim širinama tokom više miliona godina i faktorima povratne sprege koji evoluiraju od situacije do situacije. “Kanon” je pružio uzor kako se problem ledenih doba može obraditi sa astronomskog stanovišta.

Idući dublje u ledena jezgra, svaki od marinskih izotopskih stupnjeva je postavljao novo pitanje – izazov za Milankovićevu teoriju.

Uzroci i posledice ponekad menjaju mesto. Interglacijalni period u kome živimo je počeo naglo pre 10.000 godina, i to nekih 10.000 godina pre nego što je osunčavanje postalo intenzivnije.

Iznenadna promena klime je veliki izazov paleoklimatologije. Do pre jedan milion godina dominantan ciklus je bio 100.000-godišnji ciklus klime (slika 1.1). Ali, pre toga, od jedan do tri miliona godina je dominantan ciklus bio 41.000 godina. Povezivanje varijacija u ekscentricitetu sa ovim ne daje dobre rezultate. Promene ekscentriciteta su premalo izražene da bi promene u osunčavanju otuda objasnile ledena doba. Frekvencije se ne poklapaju. Klimatski zapis je suviše kratak da bi se donela konačna procena. Otuda promene ekscentriciteta ne objašnjavaju ovu cikličnost.

Variranje ekscentriciteta ima energetski najizraženiju periodu od 400.000 godina, ali klimatski zapisi pokazuju tragove promena sa tom periodom, jedino u okviru geoloških nalaza starijih od milion godina.

Misterija ledenih doba je složena i sadržajna. Sam klimatski sistem beleži brojne pojave, uticaje od ovozemaljskih do galaktičkih. Danas su nam na raspolaganju bolji uzorci i bolji modeli za proučavanje odnosa osunčavanja i ledenih doba. Milankovićevi ciklusi verovatno ne započinju niti zaustavljaju ledena doba, čak ni u najekstremnijem slučaju. Ovi ciklusi su daleko uređeniji i učestaliji nego ledena doba, ali se njihov signal nalazi zabeležen unutar promena glacijala i interglacijala [28].

Obzirom da postoji već obilje podataka u tekstu iznad, nekoliko dana neće biti dodavano ništa, U nastavku sledi:

3. Sunce i njegova energija

3.1 Solarno zračenje, solarna konstanta, solarna energetika
3.2 Transmisija zračenja kroz atmosferu, albedo i temperatura Zemlje

4. Aktivnost Sunca

4.1 Sunčeve pege, magnetno polje i ciklusi aktivnosti
4.2 Kosmički zraci i stvaranje izotopa
4.3 Malo ledeno doba

5. Zemlja i njene orbitalne karakteristike

5.1 Sunčev sistem
5.2 Orbitalni parametri
5.3 Ekscentricitet i kako utiče na osunčavanje
5.4 Precesija Zemljine ose
5.5 Nagib ose
5.6 Precesija ravnodnevičnih tačaka
5.7 Godišnja doba
5.8 Nutacija. Plimski talasi i „Mesečevi ciklusi klime“
5.9 Orbitalna inklinacija

4. Aktivnost Sunca

Fizika Sunca i fizika sistema Zemlja-Sunce su primarni predmet interesovanja za astronome prilikom proučavanja problema ledenih doba, jer Sunce zagreva Zemlju.

Zračenje Sunca je promenljivo. Na prvom mestu, uzrok je Sunčev ciklus pega koji se proučava već nekoliko vekova direktno i usled koga varira solarna konstanta. Postoji mogućnost da se dođe do rekonstrukcije podataka o prošlim solarnim ciklusima putem merenja izotopskog sastava u sedimentima u ledu, u pećinama, itd.

4.1 Sunčeve pege, magnetno polje i ciklusi aktivnosti

Promene na Suncu je prvi primetio Galileo Galilej koji je uočio postojanje pega. Posle tog razdoblja postoji zapis o promenama broja pega. Detaljno praćenje pega traje 250 godina.

U toku solarnog ciklusa aktivnosti od 21 godine razlikujemo upola kraći ciklus pojavljivanja i nestajanja pega od 10,5 do 11 godina. Sunčeve pege su vrtložne tvorevine niže temperature od prosečne okolne temperature, poput udubljenja pri površini Sunca, sa izraženim magnetnim poljima. U periodu intenziviranja pega se javljaju erupcije materije sa zračenjem u X-spektru, UV-spektru i pojačava se Sunčev vetar (tok čestica izbačenih sa Sunca).

Poznato je da su pege obično 10.000 km prečnika, a vremena trajanja od nekoliko dana do nekoliko meseci. Temperatura pega je niža za oko 1.500 K od okolne površine. Magnetno polje pege (određeno pomoću merenja Zemanovog efekta) je 0,45 T (na primer, polje Zemlje je 0,03 mT).

Pege se javljaju u parovima na širinama od 40o odakle se zatim pomeraju ka ekvatoru Sunca. Grupe pega koje pripadaju sledećem ciklusu se pojavljuju dok još uvek ima grupa iz prethodnog ciklusa na ekvatoru. Pege novog ciklusa imaju obrnute magnetne polove, kao i grupe pega na različitim hemisferama. Potrebna su dva ciklusa pega da bi se orijentacija magnetnog polja grupa pega ponovila, čineći tako jedan kompletan ciklus aktivnosti Sunca (svake 21-22 godine).

U toku istorije je bilo više perioda smanjenja aktivnosti Sunca - u pogledu broja pega koje se manifestuju: Maunderov minimum u 17. veku i Spörerov minimum u 15. veku su najistaknutiji.

4.2 Kosmički zraci i stvaranje izotopa

Magnetno polje Zemlje kanališe čestice Sunčevog vetra i sa druge strane, naelektrisane čestice galaktičkih kosmičkih zraka [3]. Sunčev vetar stiže u najvećem procentu na polove, izazivajući pojavu polarne svetlosti [21].

“Kosmičke zrake“ čine visokoenergetski (10[SUP]20[/SUP] eV) protoni (90%), alfa (9%) i beta čestice (1%). Po ulasku u atmosferu kosmički zraci interaguju sa jezgrima atoma posle čega dolazi do pojave sekundarnih kosmičkih zraka koji su u stvari rezultat interakcija ili nuklearnih reakcija. To mogu biti na primer, neutroni ili elektroni, i druge čestice. Pojedina jezgra atoma prolaze kroz raznovrsne sudare i transformacije:

[SUP]14[/SUP]N + n → [SUP]14[/SUP]C + p

[SUP]16[/SUP]O + n → [SUP]7[/SUP]Be + [SUP]10[/SUP]Be

U prvom primeru u atmosferi nastaje izotop ugljenika čija se koncentracija održavala na oko 70 tona tokom poslednjih 100.000 godina, sve do 1950-tih godina kada su počele nuklearne probe na Zemlji. Ugljenik je bitan za datiranje fosila. U drugom primeru nastaje Berilijum 10, pogodan za praćenje Sunčevih ciklusa u prošlosti. Delovanje kosmičkih zraka omogućava konstantnu proizvodnja više izotopa u okruženju na Zemlji, uključujući i kiseonik 18 koji je bitan za praćenje paleotemperature.

Prema poreklu kosmički zraci uglavnom dolaze iz naše galaksije, ili iz supernovih, neutronskih zvezda i aktivnih galaktičkih jezgara. Sunčev vetar se u ovim studijama naziva solarnim kosmičkim zracima.

Prema putanji se ne prepoznaje poreklo ovih čestica jer galaktičko, solarno i Zemljino magnetno polje usmeravaju čestice kosmičkih zraka na spiralne putanje. Sa energijama iznad 10[SUP]14[/SUP] eV uglavnom sve čestice potiču od aktivnih galaktičkih jezgara. Iznad 10[SUP]10[/SUP] eV sve čestice pogađaju Zemlju ravnomerno iz svih pravaca, vođeni spiralnim putanjama zbog galaktičkog magnetnog polja. Za niže energije pravci čestica su vođeni magnetnim poljem Zemlje [3].

Sunčevo magnetno polje pruža zaštitu za Zemlju od galaktičkih kosmičkih zraka. Kosmički zraci se delom odbijaju magnetnim poljem, tako da proizvodnja izotopa na Zemlji varira u skladu sa zaštitnim poljem.

Tokom Sunčevog ciklusa aktivnosti se menja magnetno polje Sunca, pa se zato menja i fluks kosmičkih zraka na Zemlji. Svedočanstvo o Sunčevoj aktivnosti na skali od više vekova ili više desetina vekova zabeleženo je u više izotopa, od kojih izdvajamo izotope [SUP]14[/SUP]C i [SUP]10[/SUP]Be (ugljenik i berilijum).

U 21. veku tehnički je moguće naći dugoročna svedočanstva o prošlim Sunčevim ciklusima putem raznih izotopa koji se generišu putem delovanja kosmičkih zraka. Nastale izotope uranijuma i torijuma na primer, istraživači su proučavali u pećinama na kopnu, a druge kao kiseonik, ugljenik i berilijum u uzorcima (dugim vertikalnim jezgrima) leda [9]. Ostali izotopi koji prolaze kroz transformaciju pod dejstvom kosmičkih zraka su: ³H, [SUP]7[/SUP]Be, [SUP]10[/SUP]Be, [SUP]11[/SUP]C,[SUP] 14[/SUP]C, [SUP]18[/SUP]F, [SUP]22[/SUP]Na, [SUP]24[/SUP]Na, [SUP]28[/SUP]Mg, [SUP]31[/SUP]Si, [SUP]32[/SUP]Si, [SUP]32[/SUP]P,[SUP] 34[/SUP]mCl, [SUP]35[/SUP]S, [SUP]36[/SUP]Cl, [SUP]37[/SUP]Ar, [SUP]38[/SUP]Cl, [SUP]39[/SUP]Ar, [SUP]39[/SUP]Cl, [SUP]41[/SUP]Ar, [SUP]81[/SUP]Kr [24, 33].

Na kosmičke zrake se sumnja da imaju sposobnost da izazovu kondenzaciju vodenih kapi u atmosferi (Henrik Svensmark [28]), ali su čestice aerosola u atmosferi koje nastaju među sekundarnim kosmičkim zracima premalih dimenzija u odnosu na uobičajene aerosolne čestice nukleacije na kojima se kondenzuju oblaci. Uticaj kosmičkih zraka na klimu je diskutabilan [17], ali je svedočanstvo o kosmičkim zracima na Zemlji važno za opšte saznanje o prošlosti koje dobijamo iz uzoraka.

4.3 Malo ledeno doba
Maunderov minimum je period od 1645. do 1715. godine nove ere kada je broj pega bio veoma mali. Tokom 30 godina je izbrojano 50 pega umesto uobičajenih 40.000 do 50.000. U to vreme na severnoj hemisferi Zemlje je zabeležen period niske temperature ili “malo ledeno doba”. Sunčevi ciklusi se povezuju sa fluktuacijama zračenja Sunca, odnosno pojava pega dovodi do male promene sjaja i solarne konstante.
Rekonstruisana globalna vrednost solarne konstante se dobija na osnovu izotopa 10Be i 14C u ledenom jezgru sa Južnog pola [7]. Između Srednjevekovnog maksimuma u 12. veku i Maunderovog minimuma u 17-18. veku, sjaj Sunca se promenio 0,5% [14]. Za vreme Maunderovog minimuma TSI (“TSI”=Total Solar Irradiance, “ukupna ozračenost” ili globalno srednja solarna konstanta predstavlja gustinu fluksa Sunčevog zračenja) je bila manja za 0,25% u odnosu na prosek iz 1950. godine nove ere od 1367 W/m2, odnosno oko 4 W/m2 manja [7].
Pronalaženje fizičkog opravdanja za klimatske promene podstaknute malim promenama solarne konstante je teži deo problema. Precizna veza između ovih promena (pega na Suncu) i klime je nepoznata. Procenjuje se da postoji vremenski obrazac koji povezuje ove periode, ali promene u količini toplotne energije saopštene Zemlji nisu dovoljne da ponude pouzdano objašnjenje.
Sve krive (slika 4.1) pokazuju slične promene, ali je grupa autora koja je pre više godina objavila rezultat sa crvenom krivom, popravila rezultat na ono što vidimo datom krivom crne boje (sredina). Na vertikalnoj osi naneto je globalno osunčavanje (Total Solar Irradiance) [14].
IPCC (Intergovernmental Panel for Climate Change) su objavili najpreciznije poznate podatke o promeni ukupne osunčanosti (postoje izveštaji za 2001. i za 2007. godinu) – slika 4.1. Ovaj izveštaj pokušava da nadomesti nedoumice i pokaže da uzročno-posledična veza mora da postoji između klime i ciklusa solarne aktivnosti. Prema IPCC izveštaju iz 2001. godine solarna konstanta se promenila za 1,75 W/m2 u odnosu na referentni nivo iz 1850. godine (period posle malog ledenog doba). Novi izveštaj iz 2007. godine je promenio ovaj broj (“za faktor skaliranja 0,27”) [14].
Utvrđeno je kako se promena vrednosti solarne konstante odnosi na temperaturu. U sistemu bez povratne sprege očekuje se promena temperature ekvilibrijuma od 0,053 oC. Empirijski je nađeno da je razlika temperature Maunderovog minimuma 0,4 oC. Klima je dakle, veoma osetljiva na male promene osunčavanja [14].

sto se niko ne zanima za ovu temu a lepa tema

umrimuski:

sto se niko ne zanima za ovu temu a lepa tema

Kliknite za proširenje...

Nemam pojma...

Elem, tema je kakva takva, nekog ce mozda i znaimti, vecinu nece, a pogotovo nece zlovoljne kreacioniste koji ne volu da se zadubljuju u u nauku. Inace tekst je u originalu diplomski rad. Potpisacu autora sa istim zadovoljstvom sa kojim sam citao i proucavao tekst.

Da li to znaci da mi, ako sam dobro razumeo, zivimo u "ledeno doba" i to u periodu interglacijacije? Periodi glacijacije i interglacijacije su u okviru ledenog doba ili se termin "period glacijacije" koristi kao sinonim za ledeno doba?

Konacno se neko i javio... Taman sam pomislio da je ovo blog...

euro3:

Da li to znaci da mi, ako sam dobro razumeo, zivimo u "ledeno doba" i to u periodu interglacijacije? Periodi glacijacije i interglacijacije su u okviru ledenog doba ili se termin "period glacijacije" koristi kao sinonim za ledeno doba?

Kliknite za proširenje...

Ne glacijacija je termin koji znaci smrzavanje. Dakle da, sinonim za ledeno doba. A mi zivimo u periodu izmedju dva ledena doba.

umrimuski:

sto se niko ne zanima za ovu temu a lepa tema

Kliknite za proširenje...

Nemam vremena da citam ali cim nadjem vremena procitacu kolegin tekst... A i smeta mi svetlo sa racunara zamara mi jako oci... ove stvari me dosta interesuju...

Paganko:

Ne glacijacija je termin koji znaci smrzavanje. Dakle da, sinonim za ledeno doba. A mi zivimo u periodu izmedju dva ledena doba.

Kliknite za proširenje...

koliko sam shvatila u jednom ranijem izlaganju mi zivimo u toplom periodu velikog ledenog doba?

Čitam i uživam, a ovaj komentar dajem samo kao podršku autoru da nastavi.

Prati još po neko.

5. Zemlja i njene orbitalne karakteristike


Da bismo ustanovili kako se kreću tela u Sunčevom sistemu potrebno je izgraditi dinamički model Sunčevog sistema [32]. Kada se model upotrebi da prikaže položaj Zemlje u odnosu na Sunce u bilo kom trenutku u prošlosti, možemo da dođemo do toga kako se menjalo osunčavanje.


5.1 Sunčev sistem


Sunčev sistem je planetarni sistem sa jednom matičnom zvezdom. Položaji i kretanja planeta su rezultat delovanja gravitacione interakcije između tela u sistemu i kinetičke energije očuvane od vremena nastanka sistema. Među drugim uzrocima kretanja ubrajamo raspade, sudare nebeskih tela i slično.
Astrometrijska merenja iz veštačkih satelita saopštavaju nam podatke o sadašnjem položaju i sopstvenom kretanju planeta i drugih objekata Sunčevog sistema. Pomoću tih podataka, savremene simulacije Sunčevog sistema na veoma dugim skalama vremena (desetine miliona godina) upotrebljavaju Opštu teoriju relativnosti. Sunčev sistem je haotičan. Pouzdanost modela je do 50 miliona godina unazad [32, 29, 17].
Proces rešavanja Njutnovih jednačina kretanja je računski manje zahtevan od rešavanja Ajnštajnovih jednačina u Opštoj teoriji. Rešavanje Keplerove jednačine za položaje planeta daje tačne rezultate za periode od nekoliko hiljada godina.

5.2 Orbitalni parametri


Da bismo razumeli astronomska kretanja napravimo osvrt na Keplerove i Njutnove zakone. Sila koja vlada među velikim makroskopskim telima u svemiru i određuje evoluciju svemira je gravitacija. Mi se nalazimo u jednom gravitacionom podsistemu i to je Sunčev planetarni sistem. Sila gravitacije je proporcionalna proizvodu masa u sistemu, a obratno proporcionalna kvadratu rastojanja. Višestruki sistemi se sastoje od više tela koja se kreću po zakrivljenim putanjama, konusnim presecima oko zajedničkog lokalnog baricentra u fokusu elipse (ili drugog konusnog preseka, kao što je hiperbola po kojoj se kreću pojedine komete). Centar Sunčevog sistema je zajednički baricentar ili sasvim približno Sunce koje je u jednom fokusu elipse. Po elipsama se kreću planete (slika 5.1).
Zemlja kruži oko baricentra (centra mase) Sunčevog sistema koji se u svakodnevnom radu i govoru dobro aproksimira sa samim Suncem. Orbitalni period potreban Zemlji da napravi pun krug oko Sunca u odnosu na udaljene nepokretne zvezde je jedna siderička godina (iznosi 365,256363051 dana). Anomalistička godina teži da prati uzastopne prolaze kroz perihel na orbiti, bez obzira na relativan položaj orbite u odnosu na nepokretne zvezde (iznosi 365,259635864 dana).
a – velika poluosa, (dužina specifična za datu elipsu)
e – ekscentricitet, (broj koji potpuno definiše konusni presek, odnosno orbitu koja je na ovoj slici elipsa)
i (ili ι, I) – inklinacija, (ugao, nagib ravni orbite u odnosu na sadašnju ravan ekliptike ili ravan ekvatora Sunca, ili invarijantnu ravan celog Sunčevog sistema)
Ω – longituda uzlaznog čvora, (ugao u odnosu na tačku prolećne ravnodnevice)
ω – argument perihela, (ugao, “položajni ugao”)
τ – vreme perihela, (vreme kada je telo u perihelu).
Keplerovi zakoni planetarnih kretanja su povezani sa Njutnovim zakonom gravitacije. Strogo rečeno, Keplerovi zakoni predstavljaju rešenje jednačina kretanja za dva tela. Prvi zakon govori o osobinama orbite (konusni preseci predstavljaju moguće putanje tela u gravitacionom polju). Drugi zakon tvrdi da je brzina kretanja na elipsi promenljiva tako da radijusvektor od Sunca do planete prebriše jednake površine u jednakim vremenskim intervalima. Treći zakon glasi da su kvadrati orbitalnih perioda planeta direktno proporcionalni kubovima velikih poluosa planeta. Kepler je konačno formulisao geometrijski sistem i izveo Keplerovu jednačinu po kojoj se dobija položaj svake planete u svakom trenutku. U toku dugih perioda vremena gravitacioni uticaji drugih planeta menjaju orbitalne karakteristike planete Zemlje, o kojoj je ovde reč. Zapravo, orbitalni parametri svih planeta evoluiraju.
Ravan koju definiše krug Zemljinog ekvatora preseca nebesku sferu i ocrtava liniju koju zovemo nebeski ekvator. Linija po kojoj se na nebeskoj sferi prividno kreće Sunce u toku godine zovemo ekliptika. Presek ta dva velika kruga, nebeskog ekvatora i ekliptike definiše tačke ravnodnevice (ravnodnevice = ekvinocijuma ili ekvinocija). Tačka prolećne ravnodnevice (tzv. gama tačka) se nalazi na jednom preseku nebeskog ekvatora i ekliptike. Na drugom preseku je tačka jesenje ravnodnevice. Nagib ose rotacije Zemlje je isti taj ugao pod kojim se ravni ekvatora i ekliptike seku. Gama tačku nalazimo na orbiti tamo gde je položaj Zemlje u trenutku prolećne ravnodnevice.

Poznavanje ravnodnevičnih tačaka je od velike važnosti u astronomiji zato što se deoba orbitalne elipse na četiri podjednaka sektora od 90o vrši u odnosu na ravnodnevične tačke. Kada se deoba izvrši, svaki sektor predstavlja period jednog godišnjeg doba u kome Zemlja boravi na svom godišnjem putu oko Sunca. Tropska godina se definiše kao vreme koje prođe između dva prolaska Sunca kroz tačku prolećne ravnodnevice i ima najveći praktični značaj: za poznavanje godišnjih doba i kalendara. Tropska godina traje 365,24218967 dana. Sa tropskom godinom se mere svi periodi o kojima je reč u tekstu. Poznavanjem položaja ravnodnevičnih tačaka se omogućava pravljenje kalendara za svakodnevnu upotrebu, koji omogućava poznavanje ciklusa godišnjih doba i praćenje tropske godine.
Količina energije sa Sunca koja stiže na Zemlju sa astronomskog stanovišta zavisi od (1) kvadrata rastojanja do Sunca koje se menja u toku godine periodično i koje dugoročno zavisi od datog ekscentriciteta, zatim (2) od sinusa visine (a, altitude) Sunca nad horizontom sin(a), (3) debljine sloja atmosfere kroz koji prodiru Sunčevi zraci usled čega dolazi do ekstinkcije zračenja proporcionalno sa (4) i konačno od trajanja obdanice na datoj geografskoj širini [2].
Osunčavanje (intenzitet osunčavanja) u određenom trenutku na određenom mestu na Zemlji je dato sa relacijom Vernekara (5.1). U jednačini figurišu solarna konstanta i geometrijski elementi koji govore o položaju Sunca na nebeskoj sferi. Gledano sa određene geografske širine i dužine, Sunce ima određenu visinu nad horizontom u određeni dan i čas, te obdanica ima specifičnu dužinu trajanja. Put Sunca na nebeskoj sferi u toku dana se menja iz dana u dan i približno ponavlja iz godine u godinu. Ali tokom dužih intervala vremena, promene orbitalnih karakteristika menjaju specifičan put Sunca tokom obdanice, kao i rastojanje Sunce-Zemlja. Svi orbitalni parametri su frekventno modulisani.
pri čemu je S ≥ 0 mereno u jedinicama solarne konstante W/m2. U jednačini figurišu:
· je solarna konstanta koja iznosi oko 1368 W/m2,
· , su geografska širina i dužina (latituda i longituda) posmatrača na Zemlji,
· je ekscentricitet orbite koji se menja sa periodama od približno 95 ky, 136 ky, 413 ky,
· je nagib Zemljine ose rotacije koji se menja sa periodom od 41 ky,
· je argument perigeja ili položajni ugao na orbiti Zemlje od tačke prolećne ravnodnevice do tačke perihela i menja sa periodom od 21 ky. Sama tačka perihela rotira u odnosu na nepokretne zvezde za ciklusima od 100 ky do 400 ky.
· je veličina poznata u sfernoj astronomiji kao časovni ugao Sunca koji se menja sa periodom od jednog Sunčevog dana,
· je ekliptička dužina (longituda) Sunca koja ima periodu od jedne tropske godine.
Longituda Sunca je ugao 0o to 360o na ekliptici počev od tačke prolećne ravnodnevice. Po ekliptici se kreće Sunce, ali neravnomernom brzinom zbog ekscentriciteta orbite većeg od nule. Longituda Sunca, odnosno položaj Sunca se dobija postupkom konverzije vremena i objavljuje se u Astronomskom almanahu [42]. Neophodno je odabrati konzistentan kalendar zasnovan na tropskoj godini, pa tako svaka godina ima jednak broj od 365,2422 dana. Dani se broje počev od 1 (prvi januar), a prolećna ravnodnevica može da se definiše da pada uvek na dan broj 80 [36, 44].
Temeljitost računanja osunčavanja zahteva računsku moć. Za svaki dan se računa prosečno osunčavanje. Neka se u obzir uzimaju pojedine geografske širine, ali ne i geografske dužine. Za obradu vremenskog perioda u kome mogu da se razluče i dani i ciklus od 400.000 godina je potrebno 150 miliona vremenskih koraka. Za svaku geografsku širinu ukupno je potrebno 30 milijardi računskih koraka. U svrhu pojednostavljenja se najčešće dizajnira “kompaktni model“, koji ima neku drugačiju jednačinu osunčavanja za koju se predviđa da ima moć da donese traženi podatak [36]. Istraživanje promena intenziteta osunčavanja predstavlja obiman zadatak numeričke prirode.

5.3 Ekscentricitet i kako utiče na osunčavanje
Ekscentricitet (e) određuje stepen izduženosti elipse, ili odstupanje elipse od kruga. Strogo rečeno, ekscentricitet apsolutno definiše konusni presek koji predstavlja orbitu nekog tela. Za elipsu, meri se kao odnos između velike i male ose elipse:

Promena ekscentriciteta se dešava zbog perturbacija koje vrše planete, uglavnom Jupiter i Saturn. Kada je ekscentricitet nula, orbita je kružnica. Kada je ekscentricitet veći od nule, planeta putuje oko Sunca promenljivom brzinom i pri tome menja rastojanje do Sunca. Usled promene rastojanja dolazi do promene u nivou globalnog osunčavanja. Za dati ekscentricitet različit od nule, godišnji ekstremi osunčavanja se dešavaju u najdaljem i najbližem položaju (afel, perihel) planete na orbiti.
Sadašnja vrednost ekscentriciteta orbite Zemlje je 0,01672. Polugodišnja razlika u rastojanju Sunca i Zemlje je 5,1 million kilometara. Rastojanje varira 3,4% u toku godine ili sa razlikom od oko 6,8% u zračenju Sunca na celoj površini Zemlje.
Granice promene ekscentriciteta za putanju Zemlje su od 0,005 do 0,058. U ekstremnom slučaju kada je ekscentricitet 0,058, polugodišnja razlika u osunčavanju je 23%. Srednja vrednost ekscentriciteta je 0,0315 [28]. Godišnje globalno osunčavanje je proporcionalno sa [29].
Glavna komponenta u spektru oscilacija ekscentriciteta (slika 5.2) je periodičnost od 413.000 godina (prema modelu Imbrija i Imbrija). Druge prisutne periode su po 95.000 i 136.000 godina. Ciklus sa periodom od približno 400.000 godina je najizraženija oscilacija ekscentriciteta i ujedno globalnog osunčavanja. Frekvencije promena se razlikuju u zavisnosti od modela Sunčevog sistema (Berže, Lotre, Laskar i drugi daju vrednosti 400-413.000 godina. Videti stranu 39).
Neke teorije ledenih doba se bave najpre promenom ekscentriciteta kao glavnim uzročnikom glacijacija. Razlog za ovo je činjenica da jedino promena ekscentriciteta od svih orbitalnih parametara menja globalno osunčavanje Zemlje – i to zbog promene rastojanja do Sunca. Problem sa ovim teorijama je prisustvo dominantnog ciklusa klime od 100.000 godina koji traje konačno vreme, tačnije poslednjih 650.000 godina. Jedna hipoteza tvrdi da se frekvencije ekscentriciteta od 95.000 i 136.000 godina kombinuju približno u jedan ciklus od 100.000 godina (varijacija od −0.03 do +0.02). Ipak, to je još uvek samo hipoteza, jer bi bilo neophodno da klimatski ciklus od 100.000 godina može da se razluči u okviru klimatskog zapisa na pikove od kojih je hipotetički sastavljen. Druga hipoteza kaže da se ciklus od 400.000 godina manifestuje kao ciklus od 100.000 godina, ali za to nema fizičkog objašnjenja. Takođe, ovaj ciklus nije nađen u klimatskom zapisu u poslednjih milion godina, dok je u ranijim epohama pronađen [28].
Tokom vremena velika poluosa elipse ostaje ista i ne menja se (adijabatska invarijanta u teoriji perturbacija), čime se zadržava dužina sideričke godine. Tokom izuzetno velikih vremenskih perioda velika poluosa se može promeniti [28, 36].

5.4 Precesija Zemljine ose




Precesija Zemljine ose predstavlja pojavu koju su zabeležili astronomi kroz vekove. Kada produžimo osu rotacije, ona pokazuje jedan zamišljeni pravac ka tački severnog nebeskog pola. Ova tačka se kreće u odnosu na udaljene, nepomične zvezde približno po kružnici. Osim kretanja po krugu, pojavljuju se i oscilacije ili odstupanja koja se zovu nutacija.
Period precesije ose traje približno 25.765 godina (tzv. “platonska godina”). Precesija ose rotacije se dešava usled perturbacija pod dejstvom Meseca, Sunca i planeta. Savršena homogena sfera se može tretirati kao tačkasta masa koja gravitaciono interaguje. Ali planeta Zemlja nije takva sfera, već je ispupčena na ekvatoru usled rotacije. Gravitacioni uticaji drugih tela zahvataju ekvatorsko ispupčenje na Zemlji, pri čemu Zemlji saopštavaju torzioni momenat. Strana Zemlje na kojoj je ekvator ima preferencu ka tome da se okrene ka Mesecu ili drugom izvoru gravitacionog delovanja.
Na slici 5.3, vidimo precesiju ose. Kada sa severne hemisfere pogledamo na severno nebo, zvezda Polaris se nalazi u najneposrednijoj blizini tačke severnog nebeskog pola. Tokom vekova i milenijuma severni nebeski pol luta usled precesije. Na slici 5.4 vidimo kako će se to kretanje među zvezdama činiti posmatračima u budućnosti – ili gde je bio položaj pola u prošlosti.
U klasičnim astronomskim radovima se precesija deli na dve komponente kretanja po poreklu gravitacionog uticaja koji izaziva precesiju. Prva komponenta se naziva luni-solarna precesija jer glavni udeo dejstva potiče od Meseca i Sunca. Druga komponenta precesije se naziva planetna precesija i za taj udeo su odgovorna gravitaciona dejstva drugih planeta. Zajedno se nazivaju “opšta precesija”.
Luni-solarna precesija je odgovorna za kretanje severnog nebeskog pola (i analogno južnog nebeskog pola na južnom nebu) po kružnici tokom 25.765 godina. Ovo izaziva kretanje tačke prolećne ravnodnevice retrogradno po ekliptici brzinom od oko 50,37’’/godišnje (50,37 uglovnih sekundi po godini).
Planetna precesija je odgovorna za pomeranje ekliptičkog pola (nagib ekvatora prema ekliptici u našoj epohi opada oko 0,47’’/godišnje). Severni nebeski pol malo odstupa od kretanja po kružnici (slika 5.4), slično kretanju po spirali koja se širi i skuplja sa periodom od oko 70.000 godina [39]. Planetna precesija kao komponenta kretanja u okviru opšte precesije, doprinosi tako što tačka prolećne ravnodnevice klizi po ekliptici u direktnom smeru brzinom od oko 0,13’’/godišnje. Opšta precesija kvantitativno opisana sa kretanjem tačke prolećne ravnodnevice po ekliptici je jednaka algebarskom zbiru luni-solarne i planetne precesije, a iznosi 50,25’’/godišnje [58] (prema drugom izvoru 50,290966’’ po julijanskoj godini za epohu J2000 [41]).
Međunarodna astronomska unija je 2006. godine uvela izvesne izmene u skladu sa boljim modelima kretanja u Sunčevom sistemu. Termini kao što su luni-solarna i planetna precesija se izbacuju iz upotrebe. Razlog za to je što se prilikom formiranja starog modela upotrebljava pretpostavka da su udeli uticaja planeta na precesiju Zemlje mali, dok merenja pokazuju drugačije. “Luni-solarna” i “planetna” precesija navode na pogrešne zaključke. Umesto toga, upotrebljavaće se termini “precesija ekvatora” i “precesija ekliptike”. Ekliptički pol se definiše sa srednjim vektorom orbitalnog ugaonog momenta baricentra sistema Zemlja-Mesec u baricentričnom nebeskom referentnom sistemu (BCRS) [56].

5.5 Nagib ose



Termin “nagib ose” se ponekad meša sa precesijom ose rotacije u naučnim člancima. Nagib ose predstavlja ugaoni poluprečnik kruga - putanje nebeskog pola (na slici 5.4) među zvezdama. Dakle, otvor konusa koji opisuje precesija ose rotacije se menja tokom vremena, sužavajući se ili šireći se. Nagib Zemljine ose rotacije (slika 5.5) varira od 22,1o do 24,5o u odnosu na normalu na ravan ekliptike pod uticajem planetne precesije.
Nagib ose se povezuje sa klimom godišnjih doba. Kada je zima, Sunčevi zraci padaju pod tupim uglom (nisko pri horizontu), a Sunce prelazi kraći dnevni put usled čega je obdanica kraća. Tokom leta Sunce je visoko iznad horizonta, a obdanica je najduža.
Danas je Zemlja najbliža Suncu tokom zime na severnoj hemisferi, između 3. i 5. januara u kalendaru. Uprkos tome, leto je u proseku toplije, a zima hladnije godišnje doba zbog toga što je dominantniji faktor u formiranju prosečne dnevne temperature ugao pod kojim padaju zraci i trajanja obdanice, nego što je to doprinos malog rastojanja do Sunca.
Kada je severni kraj ose nagnut u pravcu Sunca – u leto, a Zemlja u poziciji perihela, severna hemisfera će iskusiti veću razliku temperature izmeđe leta i zime, jer će se pola godine kasnije u zimu, naći u afelu. Južna hemisfera će proći kroz blažu razliku u temperaturama.Važi i obratno, kada je leto na južnoj hemisferi i Zemlja u perihelu, severna hemisfera prolazi kroz blaže kontraste zime i leta kao što je to slučaj danas, odakle vidimo da je trenutno klima južne hemisfere u vezi sa godišnjim dobima nešto ekstremnija [39].
Kada je osa nagnuta tako da Zemlja prolazi kroz perihel i afel u vreme ravnodnevica, severna i južna hemisfera imaju sličnu razliku u prosečnoj temperaturi leta i zime.
Promena nagiba se dešava u toku približno 41.000 godina. Promena nagiba ose rotacije Zemlje je naime, povezana sa precesijom orbite Zemlje, što rezultira sa frekvencijom promene nagiba ose od 1/25.765 - 1/70.000 = 1/40.772 godina ili periodom od približno 41.000 godina. Amplituda promena nagiba je modulisana pod uticajem precesije ekliptike i iznosi od 0,7° do 2,4° [36].
Nivo osunčavanja pri promeni nagiba se menja lokalno na pojedinim geografskim širinama, pri čemu se ne menja globalno osunčavanje. Pri velikom nagibu, razlika temperature između leta na jednoj hemisferi, i zime na drugoj hemisferi u istom trenutku, je veća nego ta razlika u temperaturi kada je nagib mali. U toku velikog nagiba postoji ekstremniji raspon temperatura, i obratno.
S obzirom da su zima i leto prisutni istovremeno na suprotnim hemisferama, tople vazdušne struje se mogu kretati u pravcu hladnijih geografskih oblasti putem turbulentnih procesa prenosa materije i energije, i voditi u pravcu toplotne ravnoteže na celoj planeti. Prema toj logici, globalna prosečna temperatura se nikad ne bi promenila zbog promene nagiba ose. Ako postoje dugoročne i globalne promene prosečne temperature, to je zahvaljujući unutrašnjim osobinama klimatskog sistema i geografskim razlikama koje diktiraju okeanske i vazdušne struje, ili albedo i sl. Ovaj problem je delikatan izazov za klimatologiju pri susretu sa nelinearnim pojavama.
Pretpostavka vezana za odnos nagiba ose i izazivanje ili zaustavljanje glacijalnih odnosno, interglacijalnih perioda glasi da mala količina osunčanosti tokom leta na severnijim širinama dovodi do zadržavanja leda iz prethodne zime, i da to dovodi do podsticaja za ledena doba. Led se sporije akumulira u stalni ledeni pokrivač, nego što se raspada i topi (ablacija) [28, 39].