De aarde bevindt zich momenteel in wat klimatologen een interglaciale periode noemen, een warme puls tussen lange, koude ijstijden wanneer gletsjers de hogere breedtegraden van onze planeet domineren. De afgelopen miljoen jaar, deze glaciaal-interglaciale cycli hebben zich ongeveer op 100 herhaald, 000-jarige cyclus. Nu heeft een team van onderzoekers van de Brown University een nieuwe verklaring voor die timing en waarom de cyclus een miljoen jaar geleden anders was.

Met behulp van een reeks computersimulaties, laten de onderzoekers zien dat twee periodieke variaties in de baan van de aarde samenkomen op een 100, 000-jarige cyclus om een ​​uitbreiding van het zee-ijs op het zuidelijk halfrond te veroorzaken. Vergeleken met open oceaanwater, dat ijs meer van de zonnestralen terug de ruimte in reflecteert, de hoeveelheid zonne-energie die de planeet absorbeert aanzienlijk verminderen. Als resultaat, mondiale temperatuur daalt.

"De 100, 000 jaar tempo van ijstijd-interglaciale perioden is moeilijk uit te leggen, " zei Jung-Eun Lee, een assistent-professor in Brown's Department of Earth, Milieu- en planetaire studies en de hoofdauteur van de studie. "Wat we hebben kunnen aantonen, is het belang van zee-ijs op het zuidelijk halfrond, samen met orbitale forceringen bij het bepalen van het tempo voor de glaciaal-interglaciale cyclus."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geofysische onderzoeksbrieven .

Baan en klimaat

In de jaren dertig, De Servische wetenschapper Milutin Milankovitch identificeerde drie verschillende terugkerende veranderingen in het baanpatroon van de aarde. Elk van deze Milankovitch-cycli kan de hoeveelheid zonlicht beïnvloeden die de planeet ontvangt, die op hun beurt het klimaat kunnen beïnvloeden. De veranderingen doorlopen elke 100, 000, 41, 000 en 21, 000 jaar.

Het probleem is dat de 100, Alleen de 000-jarige cyclus is de zwakste van de drie in de mate waarin deze de zonnestraling beïnvloedt. Dus waarom die cyclus degene zou zijn die het tempo van de glaciale cyclus bepaalt, is een raadsel. Maar deze nieuwe studie toont het mechanisme waardoor de 100, 000-jarige cyclus en de 21, 000-jarige cyclus werken samen om de glaciale cyclus van de aarde aan te drijven.

de 21, 000-jarige cyclus gaat over precessie - de verandering in oriëntatie van de gekantelde rotatieas van de aarde, die de veranderende seizoenen van de aarde creëert. Wanneer het noordelijk halfrond naar de zon is gekanteld, het krijgt meer zonlicht en ervaart de zomer. Tegelijkertijd, het zuidelijk halfrond is weggekanteld, zo krijgt hij minder zonlicht en ervaart hij de winter. Maar de richting waarin de as wijst, verandert langzaam - of verloopt - ten opzichte van de baan van de aarde. Als resultaat, de positie in de baan waar de seizoenen veranderen, migreert licht van jaar tot jaar. De baan van de aarde is elliptisch, wat betekent dat de afstand tussen de planeet en de zon verandert afhankelijk van waar we ons in de orbitale ellips bevinden. Dus precessie betekent in feite dat de seizoenen kunnen optreden wanneer de planeet het dichtst bij of het verst van de zon is, of ergens tussenin, die de intensiteit van de seizoenen verandert.

Met andere woorden, precessie veroorzaakt een periode tijdens de 21, 000-jarige cyclus wanneer de zomer op het noordelijk halfrond plaatsvindt rond de tijd dat de aarde het dichtst bij de zon staat, waardoor die zomers iets warmer zouden worden. Zes maanden later, wanneer het zuidelijk halfrond zijn zomer heeft, de aarde zou op het verste punt van de zon zijn, waardoor de zomers op het zuidelijk halfrond een beetje koeler zijn. Elke 10, 500 jaar, het scenario is het tegenovergestelde.

Wat de gemiddelde temperatuur op aarde betreft, men zou niet verwachten dat precessie er veel toe doet. Welk halfrond in de zomer het dichtst bij de zon staat, het andere halfrond zal in de zomer verder weg zijn, dus de effecten zouden zichzelf gewoon wegwassen. Echter, deze studie laat zien dat er inderdaad een effect kan zijn op de mondiale temperatuur als er een verschil is in de manier waarop de twee hemisferen zonne-energie absorberen - wat er is.

Dat verschil heeft te maken met het vermogen van elk halfrond om zee-ijs te laten groeien. Door de indeling van de continenten, er is veel meer ruimte voor zee-ijs om te groeien op het zuidelijk halfrond. De oceanen van het noordelijk halfrond worden onderbroken door continenten, die de mate waarin ijs kan groeien beperkt. Dus wanneer de precessiecyclus een reeks koelere zomers veroorzaakt op het zuidelijk halfrond, zee-ijs kan enorm uitzetten omdat er in de zomer minder smelt.

Lee's klimaatmodellen zijn gebaseerd op het simpele idee dat zee-ijs een aanzienlijke hoeveelheid zonnestraling terug de ruimte in reflecteert die normaal in de oceaan zou worden geabsorbeerd. Die reflectie van straling kan de temperatuur op aarde verlagen.

"Wat we laten zien is dat zelfs als de totale binnenkomende energie hetzelfde is gedurende de hele precessiecyclus, de hoeveelheid energie die de aarde daadwerkelijk absorbeert, verandert met precessie, " zei Lee. "Het grote zee-ijs op het zuidelijk halfrond dat zich vormt wanneer de zomers koeler zijn, vermindert de geabsorbeerde energie."

Maar dat laat de vraag over waarom de precessiecyclus, die zich elke 21 herhaalt, 000 jaar, zou een 100 veroorzaken, 000-jarige glaciale cyclus. Het antwoord is dat de 100, 000-jarige orbitale cyclus moduleert de effecten van de precessiecyclus.

de 100, De cyclus van 000 jaar gaat over de excentriciteit van de baan van de aarde - dat wil zeggen de mate waarin deze afwijkt van een cirkel. Over een periode van 100 000 jaar, de orbitale vorm gaat van bijna cirkelvormig naar meer langwerpig en weer terug. Alleen wanneer de excentriciteit hoog is - wat betekent dat de baan meer elliptisch is - is er een significant verschil tussen het verste punt van de aarde van de zon en het dichtstbijzijnde punt. Als resultaat, er is alleen een groot verschil in de intensiteit van de seizoenen als gevolg van precessie wanneer de excentriciteit groot is.

"Als de excentriciteit klein is, precessie maakt niet uit, " zei Lee. "Precessie is alleen van belang als de excentriciteit groot is. Daarom zien we een sterkere 100, 000 jaar tempo dan een 21, 000 jaar tempo."

Lee's modellen laten zien dat, geholpen door een hoge excentriciteit, koele zomers op het zuidelijk halfrond kunnen de hoeveelheid zomerzonnestraling die door de planeet wordt geabsorbeerd met maar liefst 17 procent verminderen op de breedtegraad waar het verschil in zee-ijsverdeling het grootst is - genoeg om aanzienlijke wereldwijde afkoeling te veroorzaken en mogelijk de juiste omstandigheden voor een ijs te creëren leeftijd.

Afgezien van stralingsreflectie, er kunnen extra koelingsfeedbacks zijn die worden gestart door een toename van het zuidelijke zee-ijs, Dat zeggen Lee en haar collega's. Veel van de koolstofdioxide - een belangrijk broeikasgas - dat vanuit de oceanen in de atmosfeer wordt uitgeademd, komt uit het zuidelijke poolgebied. Als dat gebied grotendeels bedekt is met ijs, het kan die koolstofdioxide vasthouden als een dop op een frisdrankfles. In aanvulling, energie stroomt normaal gesproken uit de oceaan om ook in de winter de atmosfeer te verwarmen, maar zee-ijs isoleert en vermindert deze uitwisseling. Dus minder koolstof en minder energie overgedragen tussen de atmosfeer en de oceaan dragen bij aan het verkoelende effect.

Een verschuiving uitleggen

De bevindingen kunnen ook helpen bij het verklaren van een raadselachtige verschuiving in de glaciale cyclus van de aarde. De afgelopen miljoen jaar of zo, de 100, De 000-jarige glaciale cyclus is de meest prominente geweest. Maar vóór een miljoen jaar geleden, paleoklimaatgegevens suggereren dat het tempo van de glaciale cyclus dichter bij ongeveer 40 lag, 000 jaar. Dat suggereert dat de derde Milankovitch-cyclus, die zich elke 41 herhaalt, 000 jaar, was toen dominant.

Terwijl de precessiecyclus bepaalt in welke richting de aardas wijst, de 41, 000-jarige cyclus gaat over hoeveel de as wordt gekanteld. De kanteling - of scheefstand - verandert van minimaal ongeveer 22 graden tot maximaal ongeveer 25 graden. (Het is op dit moment 23 graden.) Als de scheefstand hoger is, elk van de polen krijgt meer zonlicht, die de neiging heeft om de planeet op te warmen.

Dus waarom zou de obliquiteitscyclus de belangrijkste zijn vóór een miljoen jaar geleden, maar recentelijk minder belangrijk geworden?

Volgens Lee's modellen, het heeft te maken met het feit dat de planeet de afgelopen miljoen jaar over het algemeen koeler is geweest dan daarvoor. De modellen laten zien dat toen de aarde over het algemeen warmer was dan nu, precessiegerelateerde zee-ijsexpansie op het zuidelijk halfrond is minder waarschijnlijk. Daardoor kan de obliquitycyclus de globale temperatuursignatuur domineren. Na een miljoen jaar geleden, toen de aarde gemiddeld wat koeler werd, het obliquity-signaal begint achterover te leunen ten opzichte van het precessie-/excentriciteitssignaal.

Lee en haar collega's geloven dat hun modellen een sterke nieuwe verklaring bieden voor de geschiedenis van de gletsjercyclus van de aarde - en verklaren zowel het recentere tempo als de raadselachtige overgang een miljoen jaar geleden.

Wat betreft de toekomst van de glaciale cyclus, dat blijft onduidelijk, zegt Lee. Het is op dit moment moeilijk om te voorspellen hoe menselijke bijdragen aan de concentraties van broeikasgassen op aarde de toekomst van de ijstijden op aarde kunnen veranderen.