Zem sa hojdá v rytme s dobou ľadovou
Každých 100 000 rokov sa Zem prebúdza z ľadového spánku a mení sa na podnebie interglaciálneho obdobia na 10 000 až 20 000 rokov - ako to, v ktorom žijeme dnes. Posledná doba ľadová sa skončila asi pred 11 000 rokmi a tu v Európe sa topil obrovský ľadovec, ktorý pokrýval Škandináviu, severné Nemecko a veľké časti východnej Európy. Podľa toho by sme už mali veľkú časť súčasnej medziglaciálnej minulosti - a ďalšia doba ľadová by bola prakticky za rohom.
André Berger z Katolíckej univerzity v belgickom Leuvene však nesúhlasí. Podľa jeho výpočtov smeruje Zem k vzácnej konštelácii svojich orbitálnych parametrov, ktorá predĺži naše medziľadové obdobie až o 50 000 rokov. Dodatočné globálne otepľovanie spôsobené ľudským skleníkovým efektom by mohlo dokonca ukončiť dobu ľadovú, ktorá trvá asi tri milióny rokov a vyznačuje sa striedaním dôb ľadových a medziľadových.
„Hodinami“, ktoré v pravidelných intervaloch nútia doby ľadové na Zemi, sú Mesiac a ďalšie planéty v našej slnečnej sústave. Keby existovalo iba slnko a zem, potom by podľa Keplerových zákonov Zem obiehala okolo Slnka po konštantnú elipsu. Keby bola Zem tiež presne guľová, potom by orientácia jej osi rotácie v priestore zostala vždy rovnaká. Dôsledkom by bolo, že každý región na Zemi dostane vždy každý rok presne rovnaké množstvo slnečného žiarenia v rovnakom dátume - za predpokladu, že množstvo energie emitovanej slnkom nebude kolísať. Jedinou klimatickou zmenou by bola zmena ročných období: na pologuli otočenej k slnku je vždy leto, naopak je zima. Iba v časovom rozmedzí mnohých miliónov rokov by došlo k ďalším zmenám v dôsledku posunu kontinentov.
Realita je však oveľa zložitejšia. Zem nie je guľa, ale približne elipsoid revolúcie - zjednodušene povedané: stlačená guľa. Vďaka odstredivej sile spôsobenej vlastnou rotáciou je rovníkový priemer Zeme o 43 kilometrov väčší ako priemer pólu. Gravitačný vplyv slnka a mesiaca na toto rovníkové vydutie spôsobuje silu, ktorá sa snaží narovnať šikmú os Zeme. Rovnako ako v prípade hračky, na ktorú pôsobí vonkajšia sila (napríklad náraz), je výsledkom precesia: zemská os sa vlní. Dokončenie úplného „omieľacieho cyklu“ trvá asi 26 000 rokov.
Keby bola obežná dráha Zeme kruhová, precesia by nemala klimatické následky. V prípade eliptickej obežnej dráhy však záleží na tom, či má pologuľa svoje leto alebo zimu v bode najďalej od Slnka alebo najbližšie k nemu - na jednej strane preto, lebo sa mení vzdialenosť od slnka, na druhej strane preto, že planéta sa pohybuje bodom najďalej od slnka ako sa pohyboval bodom najbližším k slnku. Preto je dnes leto na severnej pologuli dlhšie ako na južnej pologuli. O niečo viac ako 10 000 rokov - po pol „cykle omieľania“ - to bude naopak.
Ostatné planéty navyše svojou gravitáciou ťahajú Zem a nútia na ňu ďalšie periodické zmeny parametrov obežnej dráhy. Sklon zemskej osi vzhľadom na os rotácie obežnej dráhy Zeme kolíše asi o 2,5 stupňa v priebehu 41 000 rokov. „Mesiac má však najväčší podiel v tomto období,“ vysvetľuje Berger. Čím viac je zemská os naklonená, tým väčší je rozdiel medzi ročnými obdobiami.
Elipsa obežnej dráhy Zeme navyše neleží neustále vo vesmíre, ale rotuje okolo slnka ako hula hoop s periódou okolo 100 000 rokov. Pretože táto rotácia je v rozpore s precesiou, efektívne sa jej obdobie skracuje na 21 000 rokov. Okrem toho elipsa „pulzuje“ medzi kruhovejším a eliptickejším tvarom s obdobím približne 100 000 rokov. Každých 400 000 rokov sa obežná dráha Zeme stane dokonca takmer kruhovou.
Pretože všetky tieto fluktuačné obdobia menia množstvo energie, ktorú oblasť na Zemi prijíma zo slnka v určitom ročnom období, pokúsili sa niektorí vedci s nimi vysvetliť vznik ľadových dôb už v 19. storočí. Srbský profesor matematiky Milutin Milankovič prevzal ich nápady z roku 1915. Milankovič poznal nové výpočty obežnej dráhy Zeme nemeckého matematika Ludwiga Pilgrima, ktorý vypočítal parametre obežnej dráhy za posledných milión rokov. Milankovič predpokladal, že iba podrobný výpočet slnečného žiarenia v závislosti od zemepisnej šírky poskytne uspokojivé vysvetlenie príčiny ľadových dôb. „Dnes by tieto výpočty boli príjemnou výpočtovou úlohou, ktorú by ste cez letné prázdniny mohli dať študentovi,“ hovorí Richard Muller, profesor na Kalifornskej univerzite v Berkeley, ktorý v súčasnosti pracuje na variante Milankovičovej teórie.
V čase Milankoviča neboli žiadne počítače. Počítal mnoho rokov, kým nemal radiačné krivky za posledných 600 000 rokov pre rôzne zemepisné šírky. Na krivke predstavujúcej slnečné žiarenie v lete vo vyšších severných šírkach identifikoval Milankovič obdobia veľmi nízkeho slnečného žiarenia. Je presvedčený, že tieto obdobia znamenali začiatok ľadového veku. Pretože: Južne od hranice, ktorá vedie cez vyššie severné zemepisné šírky, sa sneh, ktorý napadol v zime, v lete úplne topí - minimálne v rokoch s miernymi letnými teplotami. Ak sa tam v lete trochu ochladí, zostane trochu snehu až do nasledujúcej zimy. Pretože sneh odráža slnečné svetlo, tento efekt sa sám zosilňuje.Snehová pokrývka z roka na rok hustne a vytvára ľadový ľadovec, ktorý sa posúva stále južnejšie. Toto je začiatok doby ľadovej, ktorá ovplyvňuje podnebie celej Zeme.
Na rozdiel od svojich predchodcov Milankovič uznal, že doby ľadové sa medzi oboma hemisférami nestriedajú - čo by človek skutočne čakal iba na základe astronomických faktorov. Ale severná pologuľa dominuje v celej zemskej klíme, pretože sa tu nachádzajú asi dve tretiny zemskej rozlohy. A ľadovce sa môžu formovať iba na pevnine.
Milankovič zverejnil svoju teóriu v roku 1920. Keď bolo možné datovať organické zvyšky, napríklad z ložísk ľadovcov, pomocou rádiokarbónovej metódy prvýkrát v 50. rokoch, našli sa obdobia, ktoré zodpovedali 21 000-ročnému precesnému cyklu. Zároveň však boli údaje v rozpore s dátumami ľadového veku, ktoré vypočítal Milankovič. "V tom čase neboli techniky geologického datovania ani astronomické výpočty zďaleka dosť presné na to, aby bolo možné urobiť jasné vyhlásenie," vysvetľuje tento rozpor Berger. Profesor geofyziky a astronómie, ktorého v roku 1996 získal belgický kráľ Albert II. Za rytiera („Chevalier“), pracuje na ďalšom vývoji a špecifikácii Milankovičovej teórie už viac ako 30 rokov.
Aj v 50. rokoch taliansky geológ Cesare Emiliani použil stále relatívne novú metódu analýzy izotopov kyslíka na odvodenie teplôt minulých čias z morských sedimentov. Emiliani tiež našiel zhodu s predikciami Milankovičovej teórie. Emiliani bol v skutočnosti pravdepodobne prvý, kto čo i len spočítal dĺžku cyklov v Milankovičových radiačných krivkách. Samotný Milankovič to - aspoň vo svojich publikáciách - nikdy neurobil a jeho výpočtové metódy mu neumožňovali vidieť cykly priamo, “hovorí Berger.
Bol to tiež Berger, ktorý - spolu s výsledkami skupiny vedenej Jamesom Haysom z observatória Zeme Lamont Doherty na Kolumbijskej univerzite v New Yorku - pomohol milánkovičovskej teórii dosiahnuť jej prielom v 70. rokoch. Spolu so svojimi kolegami Johnom Imbrie a Nicholasom Shackletonom Hays skúmal hlbokomorské jadro, ktorého materiál siaha späť do doby pred miliónom rokov. Trojica mala vynikajúci nápad: Vedci nielen vykonali izotopovú analýzu jadra vrtáka, ale hľadali aj obrátenie magnetického poľa Zeme v sedimentoch. Pretože čas posledného zvratu bol známy pomerne presne - podľa vtedajších poznatkov k nemu došlo pred niečo viac ako 70 000 rokmi (súčasné poznatky: pred 790 000 rokmi). To konečne umožnilo presne datovať doby ľadové a dĺžky cyklu.
„Prvýkrát Hays a jeho kolegovia našli cyklus 100 000 a 41 000 rokov a tiež 23 000 rokov starý a 19 000 rokov starý namiesto 21 000 rokov starý,“ vysvetľuje Berger s ďalším prekvapením: „Tieto Milankovičove cykly, takzvané Američanmi, som vlastne prvýkrát teoreticky vypočítal ja - zhruba v rovnakom čase ako Haysovo vyšetrovanie.“ Dodáva šibalsky: „Pokiaľ som niekoho neprehliadol.“ ročný Berger získal v roku 1994 Európsku geofyzikálnu spoločnosť medailu Milutina Milankoviča, ktorá sa udeľuje každoročne od roku 1993.
Tieto cykly, ktoré sa navzájom nezávisle nachádzali v geologických údajoch a vo Bergerových výpočtoch, boli presvedčivým dôkazom správnosti základných tvrdení Milankovičovej teórie. „Teraz sme si istí, že ľadový vek je spôsobený zmenami v orbitálnych parametroch Zeme,“ napísal Hays v roku 1976 a dodal: „Dôkazy sú také presvedčivé, že je potrebné odmietnuť alternatívne vysvetlenia.“
S týmto tvrdením bol možno trochu predčasný, pretože je potrebné ešte objasniť veľa nezrovnalostí. Jeden sa týka 100 000-ročného cyklu elipsy na obežnej dráhe Zeme. „Cyklus výstrednosti v skutočnosti netrvá 100 000 rokov,“ vysvetľuje Richard Muller. „V skutočnosti ide o kombináciu 125 000-ročného a 95 000-ročného cyklu.“ Pretože sú tieto cykly rôznej dĺžky, ich účinky sa niekedy zvyšujú a u iných sa navzájom rušia. „Napríklad pred 400 000 rokmi sa mali ich účinky navzájom vylúčiť,“ hovorí Muller. „Vo väčšine geologických údajov však také mazanie neexistuje.“
Muller obviňuje jeden zo zanedbaných astronomických parametrov Milankoviča pre 100 000-ročný cyklus: meniaci sa sklon zemskej obežnej roviny vzhľadom na takzvanú invariantnú rovinu slnečnej sústavy. „Vďaka obrovskej hmotnosti Jupitera sa dá s dobrou aproximáciou povedať, že Jupiterova orbitálna rovina predstavuje invariantnú rovinu,“ vysvetľuje Muller. Ale mal pádny dôvod, prečo Milankovič a jeho nástupcovia ignorovali tento cyklus, ktorý je tiež 100 000 rokov starý: nevedie k žiadnym zmenám, ktoré by ovplyvňovali slnečné žiarenie na Zemi - aspoň nie geometrickým.
Ale - podľa Mullerovej hypotézy - keď sa zemská obežná rovina pravidelne „točí“ hlavnou rovinou slnečnej sústavy, mohla by obežná dráha Zeme pravidelne prechádzať pásmi prachu, napríklad z rozpadajúcej sa kométy. To by oslabilo slnečné svetlo dopadajúce na zem. "Pozreli sme sa na grónsky ľadový štít a hľadali sme dôkaz o vesmírnom prachu, ktorý zachytila Zem." Doteraz sme nenašli žiadny dôkaz pre moju hypotézu, “pripúšťa Muller. „Preskúmali sme však iba niekoľko ľadových hĺbok.“
„Mullerova hypotéza je zaujímavá,“ tvrdí Andrey Ganopolski z Postupimského inštitútu pre výskum dopadov na podnebie. "Ale verím, že dokážeme úspešne vysvetliť cykly doby ľadovej v rámci klasickej Milankovičovej teórie." K tomu je však potrebné ho ďalej rozvíjať a dopĺňať o fakty, ktoré ešte v čase Milankoviča neboli známe. To je moja oblasť práce. “Nedávno Ganopolski spolu s kolegami z Geo Research Center Potsdam zistili, že drastická zmena oceánskych prúdov pred 2,7 miliónmi rokov viedla k trvalému zaľadneniu v severnej polárnej oblasti. Iba odvtedy zemské podnebie reagovalo na zmeny v parametroch obežnej dráhy zmenou medzi ľadom a interglaciálnym vekom.
Berger uvádza dôvod: „Podľa našich simulačných výpočtov existuje prahová hodnota pre obsah oxidu uhličitého v atmosfére - okolo 350 ppmv (milióntiny objemu). Ak sa táto hodnota nedosiahne, zemský klimatický systém reaguje oveľa intenzívnejšie na astronomické faktory. “Pre porovnanie: Predindustriálna hodnota oxidu uhličitého bola okolo 280 ppmv, aktuálna hodnota je 370 ppmv.
Berger hneď na začiatku uznal, že pre komplexné vysvetlenie ľadových dôb nestačí iba vypočítať meniace sa slnečné žiarenie pre rôzne zemepisné šírky. Preto už viac ako 20 rokov pracuje so svojou výskumnou skupinou na vývoji klimatického modelu, ktorý správne simuluje veľmi zložité, často časovo oneskorené reakcie klimatického systému Zeme na meniace sa astronomické podmienky.
Medzitým Berger vylepšil svoje simulačné výpočty do takej miery, že správne odrážajú takmer všetky príslušné klimatické udalosti za posledné tri milióny rokov - vrátane príslušných časov maximálnej námrazy alebo prechodu od dominancie 41 000-ročného cyklu k dominancii 100 000-ročného cyklu pred tým. asi milión rokov.
Teraz si trúfa predvídať budúci vývoj podnebia. Dnešné astronomické parametre nemožno porovnávať s parametrami posledného interglaciálu pred 100 000 rokmi. V nasledujúcich tisícročiach sa minimum 100 000-ročného cyklu výstrednosti bude prekrývať s minimom 400 000-ročného cyklu. O 27 000 rokov bude teda obežná dráha Zeme takmer kruhová. To znamená, že „bubnový cyklus“ stráca svoje klimatické účinky - a výkyvy letného slnečného žiarenia vo vyšších severných šírkach budú počas nasledujúcich 100 000 rokov výnimočne malé.
Modelové výpočty Bergera a jeho kolegyne Marie-France Loutre ukazujú, že súčasné interglaciálne obdobie bude trvať až 50 000 rokov - a bude teda také dlhé ako interglacial obdobie pred 400 000 rokmi. Ak by obsah oxidu uhličitého v atmosfére prekračoval niekoľko stovák rokov 700 ppmv - čo sa predpokladá v niektorých scenároch tretej správy OSN o klíme zverejnenej v roku 2001 -, potom by doba ľadová mohla nadobro skončiť. Súčasné medziľadové obdobie by sa nikdy neskončilo. ■
DR. AXEL TILLEMANS je fyzik a pracuje ako nezávislý vedecký novinár v Titzi v Severnom Porýní-Vestfálsku.