Pământul se leagănă în ritm cu epoca de gheață
La fiecare 100.000 de ani, pământul se trezește dintr-un somn înghețat și se schimbă în climatul unei perioade interglaciare timp de 10.000 până la 20.000 de ani - ca cel în care trăim astăzi. Ultima epocă glaciară s-a încheiat cu aproximativ 11.000 de ani în urmă și aici, în Europa, s-a topit ghețarul imens care acoperea Scandinavia, nordul Germaniei și părți mari din Europa de Est. În consecință, am avea deja o mare parte din trecutul interglaciar actual - și următoarea eră glaciară ar fi practic chiar la colț.
Însă André Berger de la Universitatea Catolică din Leuven, Belgia, nu este de acord. Potrivit calculelor sale, pământul se îndreaptă spre o constelație rară a parametrilor săi orbitali, care ne va prelungi perioada interglaciară cu până la 50.000 de ani. Încălzirea globală suplimentară cauzată de efectul de seră uman ar putea pune capăt epocii glaciare, care a durat aproximativ trei milioane de ani și se caracterizează prin alternanța dintre epocile glaciare și cele interglaciare.
„Ceasurile” care forțează epoca de gheață pe pământ la intervale regulate sunt luna și celelalte planete din sistemul nostru solar. Dacă ar exista doar soarele și pământul, atunci conform legilor lui Kepler, pământul ar orbita soarele pe o elipsă constantă. Dacă pământul ar fi, de asemenea, exact sferic, atunci orientarea axei sale de rotație în spațiu ar rămâne întotdeauna aceeași. Consecința ar fi că fiecare regiune de pe pământ va primi întotdeauna exact aceeași cantitate de radiație solară la aceeași dată în fiecare an - cu condiția ca cantitatea de energie emisă de soare să nu fluctueze. Singura schimbare climatică ar fi schimbarea anotimpurilor: pe emisfera orientată spre soare este întotdeauna vară, dimpotrivă este iarnă. Numai pe o scară de timp de mai multe milioane de ani ar mai exista schimbări suplimentare din cauza schimbării continentelor.
Dar realitatea este mult mai complexă. Pământul nu este o sferă, ci aproximativ un elipsoid de revoluție - ca să spunem simplu: o sferă comprimată. Datorită forței centrifuge cauzate de propria rotație, diametrul ecuatorial al pământului este cu 43 de kilometri mai mare decât diametrul polului. Efectele gravitaționale ale soarelui și lunii asupra acestui bulb ecuatorial provoacă o forță care încearcă să îndrepte axa oblică a pământului. Ca și în cazul unui vârf de jucărie care este acționat de o forță externă (de exemplu, un șoc), rezultatul este o precesiune: axa pământului se clatină. Este nevoie de aproximativ 26.000 de ani pentru a finaliza un „ciclu de tumbling” complet.
Dacă orbita terestră ar fi circulară, precesiunea nu ar avea consecințe climatice. În cazul unei orbite eliptice, totuși, face o diferență dacă o emisferă își are vara sau iarna în punctul orbitei cel mai îndepărtat sau cel mai apropiat de soare - pe de o parte, deoarece distanța față de soare se schimbă, pe de altă parte, deoarece o planetă se mișcă mai lent prin punctul cel mai îndepărtat de soare decât mișcat prin punctul cel mai apropiat de soare. De aceea, vara din emisfera nordică este astăzi mai lungă decât cea din emisfera sudică. Peste puțin peste 10.000 de ani - după o jumătate de „ciclu de cădere” - va fi invers.
În plus, celelalte planete trag pământul cu gravitația lor și forțează schimbări periodice suplimentare în parametrii orbitei de pe el. Înclinarea axei terestre față de axa de rotație a orbitei terestre fluctuează cu aproximativ 2,5 grade pe o perioadă de 41.000 de ani. „Cu toate acestea, luna are cea mai mare pondere în această perioadă”, explică Berger. Cu cât axul pământului este mai înclinat, cu atât diferența dintre anotimpuri este mai mare.
În plus, elipsa orbitei Pământului nu se află constant în spațiu, ci se rotește în jurul soarelui ca un cerc hula cu o perioadă de aproximativ 100.000 de ani. Deoarece această rotație este contrară precesiunii, ea își scurtează efectiv perioada la 21.000 de ani. În plus, elipsa „pulsează” între o formă mai circulară și una mai eliptică, cu o perioadă de aproximativ 100.000 de ani. La fiecare 400.000 de ani, orbita terestră devine chiar circulară.
Deoarece toate aceste perioade de fluctuație modifică cantitatea de energie pe care o regiune de pe pământ o primește de la soare într-un anumit anotimp, unii cercetători au încercat să explice formarea epocilor glaciare cu ele încă din secolul al XIX-lea. Profesorul sârb de matematică Milutin Milankovic și-a reluat ideile din 1915. Milankovic era familiarizat cu noile calcule ale orbitei terestre efectuate de matematicianul german Ludwig Pilgrim, care calculase parametrii orbitei în ultimii milioane de ani. Milankovic bănuia că doar un calcul detaliat al iradierii solare în funcție de latitudinea geografică ar oferi o explicație satisfăcătoare pentru cauza epocilor glaciare. „Astăzi aceste calcule ar fi o sarcină de calcul frumoasă pe care să o oferim unui student în vacanța de vară”, spune Richard Muller, profesor la Universitatea din California la Berkeley care lucrează în prezent la o variantă a teoriei lui Milankovic.
Pe vremea lui Milankovic nu existau computere. El a calculat mulți ani până când a avut curbele de radiație din ultimii 600.000 de ani pentru diferite latitudini. În curba reprezentând radiația solară vara în latitudinile nordice superioare, Milankovic a identificat perioade de radiație solară foarte scăzută. El este convins că aceste perioade au marcat începutul epocii de gheață. Deoarece: la sud de o limită care traversează latitudinile nordice mai înalte, zăpada căzută iarna se topește complet vara - cel puțin în anii cu temperaturi moderate de vară. Cu toate acestea, dacă vara devine puțin mai rece acolo, atunci va rămâne niște zăpadă până în iarna următoare. Deoarece zăpada reflectă lumina soarelui, acest efect se intensifică. Stratul de zăpadă se îngroașă de la an la an pentru a forma un ghețar de gheață care se deplasează tot mai mult spre sud. Acesta este începutul unei ere glaciare care afectează climatul întregului pământ.
Spre deosebire de predecesorii săi, Milankovic a recunoscut că epocile glaciare nu alternează între cele două emisfere - la care s-ar fi așteptat de fapt numai pe baza factorilor astronomici. Dar emisfera nordică domină întreaga climă terestră, deoarece aici se află aproximativ două treimi din suprafața terestră. Și ghețarii se pot forma doar pe uscat.
Milankovic și-a publicat teoria în 1920. Când rămășițele organice, de exemplu din zăcămintele ghețarilor, ar putea fi datate folosind metoda radiocarbonului pentru prima dată în anii cincizeci ai secolului trecut, s-au găsit perioade care se potriveau ciclului de precesiune de 21.000 de ani. În același timp, însă, datele contraziceau datele din epoca de gheață calculate de Milankovic. „La acea vreme, atât tehnicile de datare geologică, cât și calculele astronomice erau departe de a fi suficient de exacte pentru a face o declarație clară”, spune Berger, explicând această contradicție. Profesorul de geofizică și astronomie, care a fost numit cavaler ("Chevalier") de regele Albert al II-lea al Belgiei în 1996, lucrează la dezvoltarea și specificarea teoriei Milankovic de peste 30 de ani.
Tot în anii 1950, geologul italian Cesare Emiliani a folosit încă relativ nouă metodă de analiză a izotopilor de oxigen pentru a deduce temperaturile din trecut din sedimentele marine. Emiliani a găsit, de asemenea, un acord cu previziunile teoriei Milankovic. De fapt, Emiliani a fost probabil primul care a numărat chiar și lungimea ciclurilor în curbele de radiații ale lui Milankovic. Milankovic însuși nu a făcut asta niciodată - cel puțin în publicațiile sale - și metodele sale de calcul nu i-au permis să vadă ciclurile direct ”, spune Berger.
De asemenea, Berger a fost cel care - împreună cu rezultatele unui grup condus de James Hays de la Lamont Doherty Earth Observatory de la Columbia University, New York - a ajutat teoria Milankovic să-și atingă progresul în anii 1970. Împreună cu colegii săi John Imbrie și Nicholas Shackleton, Hays a investigat un miez de adâncime al cărui material s-a întors de peste un milion de ani. Trio-ul a avut o idee strălucită: cercetătorii nu numai că au efectuat o analiză a izotopilor pe miezul burghiului, dar au căutat și o inversare a câmpului magnetic al Pământului în sedimente. Deoarece timpul ultimei inversări a fost cunoscut relativ precis - conform celor cunoscute la acea vreme, a avut loc cu puțin mai mult de 70.000 de ani în urmă (cunoștințe actuale: acum 790.000 de ani). Acest lucru a făcut în cele din urmă posibilă data precisă a epocilor glaciare și a lungimii ciclului.
„Pentru prima dată, Hays și colegii săi au găsit ciclul de 100.000 de ani și 41.000 de ani, precum și cel de 23.000 de ani și cel de 19.000 de ani în loc de cel de 21.000 de ani”, explică Berger, cu o altă surpriză în magazin.: „Aceste cicluri Milankovic, pe care americanii în special, le-au calculat teoretic pentru prima dată - aproximativ în același timp cu investigațiile lui Hays.” El adaugă răutăcioasă: „Dacă nu am trecut cu vederea pe cineva”. Berger, în vârstă de un an, a primit Medalia Milutin Milankovic, care a fost decernată anual din 1993, de către Societatea Geofizică Europeană în 1994.
Aceste cicluri, care au fost găsite independent unul de celălalt în datele geologice și în calculele lui Berger, erau dovezi convingătoare ale corectitudinii afirmațiilor de bază ale teoriei Milankovic. „Acum suntem siguri că epoca de gheață este cauzată de modificări ale parametrilor orbitei pământului”, scria Hays în 1976, adăugând: „Dovezile sunt atât de convingătoare, încât explicațiile alternative trebuie aruncate”.
Poate că s-a grăbit puțin cu această afirmație, pentru că mai sunt multe neconcordanțe de clarificat. Una se referă la ciclul de 100.000 de ani al elipsei orbitei Pământului. „Ciclul de excentricitate nu durează de fapt 100.000 de ani”, explică Richard Muller. „De fapt, este o combinație între un ciclu de 125.000 de ani și un ciclu de 95.000 de ani.” Prin urmare, deoarece aceste cicluri sunt de lungimi diferite, efectele lor se adună la un moment dat și se anulează reciproc la altele. „Acum 400.000 de ani, de exemplu, efectele lor ar fi trebuit să se anuleze reciproc”, spune Muller. „În majoritatea datelor geologice, însă, nu există o astfel de dispariție”.
Muller dă vina pe unul dintre parametrii astronomici neglijați de Milankovic pentru ciclul de 100.000 de ani: înclinația schimbătoare a planului orbital al Pământului față de așa-numitul plan invariant al sistemului solar. „Datorită masei enorme a lui Jupiter, se poate spune cu o bună aproximare că planul orbital al lui Jupiter reprezintă planul invariant”, explică Muller. Dar a existat un motiv bun pentru care Milankovic și succesorii săi au ignorat acest ciclu, care are, de asemenea, o vechime de 100.000 de ani: nu are ca rezultat nicio modificare care să afecteze radiația solară de pe pământ - cel puțin nu geometrice.
Dar - conform ipotezei lui Muller - atunci când planul orbitei terestre „se clatină” periodic prin planul principal al sistemului solar, orbita terestră ar putea traversa în mod regulat benzi de praf, de exemplu dintr-o cometă în descompunere. Acest lucru ar slăbi lumina soarelui care ajunge pe pământ. „Am căutat în Foaia de Gheață a Groenlandei dovezi ale prafului spațial care a fost prins de pământ. Până în prezent nu am găsit nicio dovadă pentru ipoteza mea ”, recunoaște Muller. „Dar am examinat doar câteva adâncimi de gheață”.
„Ipoteza lui Muller este interesantă”, spune Andrey Ganopolski de la Potsdam Institute for Climate Impact Research. „Dar cred că putem explica cu succes ciclurile epocii glaciare în cadrul teoriei clasice Milankovic. Pentru a face acest lucru, totuși, trebuie dezvoltat în continuare și completat cu fapte care nu erau încă cunoscute pe vremea lui Milankovic. Acesta este domeniul meu de lucru. ”Recent, Ganopolski, împreună cu colegii de la Geo Research Center Potsdam, au descoperit că o schimbare drastică a curenților oceanici în urmă cu 2,7 milioane de ani a dus la înghețarea permanentă a regiunii polare nordice. Abia de atunci, clima Pământului a răspuns la modificările parametrilor orbitei cu o schimbare între epocile glaciare și epocile interglaciare.
Berger menționează motivul: „Conform calculelor noastre de simulare, există o valoare prag pentru conținutul de dioxid de carbon din atmosferă - la aproximativ 350 ppmv (milionimi de volum). Dacă această valoare nu este atinsă, sistemul climatic al Pământului reacționează mult mai intens la factorii astronomici. ”Pentru comparație: Valoarea pre-industrială a dioxidului de carbon a fost de aproximativ 280 ppmv, valoarea actuală este de 370 ppmv.
Berger a recunoscut încă de la început că pentru o explicație cuprinzătoare a epocii de gheață nu este suficient să se calculeze pur și simplu radiația solară diferită pentru diferite latitudini geografice. De aceea, lucrează cu grupul său de cercetare de mai bine de 20 de ani la dezvoltarea unui model climatic care simulează corect reacțiile foarte complexe, adesea întârziate, ale sistemului climatic al Pământului la condițiile astronomice în schimbare.
Între timp, Berger și-a îmbunătățit calculele de simulare într-o asemenea măsură încât să reflecte corect aproape toate evenimentele climatice relevante din ultimele trei milioane de ani - inclusiv perioadele respective de glazură maximă sau tranziția de la dominanța ciclului de 41.000 de ani la cea a ciclului vechi de 100.000 de ani înainte cam un milion de ani.
Acum îndrăznește să prezică viitoarele evoluții climatice. Parametrii astronomici de astăzi nu pot fi comparați cu cei din ultimii 100.000 de ani interglaciare. În următoarele milenii, minimul ciclului de excentricitate de 100.000 de ani se va suprapune cu cel din 400.000 de ani. Peste 27.000 de ani, orbita terestră va fi aproape circulară. Aceasta înseamnă că „ciclul de prăbușire” își pierde efectul climatic - iar fluctuațiile radiației solare de vară din latitudinile nordice superioare vor fi excepțional de mici în următorii 100.000 de ani.
Calculele model de Berger și colega sa Marie-France Loutre arată că actuala perioadă interglaciară va dura până la 50.000 de ani - și, prin urmare, va fi la fel de lungă ca perioada interglaciară de acum 400.000 de ani. În cazul în care conținutul de dioxid de carbon al atmosferei depășește 700 ppmv timp de câteva sute de ani - ceea ce se presupune în unele scenarii ale celui de-al treilea raport al Națiunilor Unite asupra climei publicat în 2001 - atunci epoca de gheață ar putea fi chiar definitivă. Actuala perioadă interglaciară nu s-ar sfârși niciodată. ■
Dr. AXEL TILLEMANS este fizician și lucrează ca jurnalist științific independent în Titz, Renania de Nord-Westfalia.