Ци́клы Мила́нковича описывают влияние изменений в движении Земли на её климат. Названы так в честь сербского астрофизика Милутина Миланковича, который в 1941 году сформулировал предположение, что регулярные и закономерные изменения формы орбиты Земли и ориентации её оси вращения приводят к циклическим изменениям количества солнечной радиации, попадающей на Землю, и эти изменения определяют наступление ледниковых эпох.

Движение Земли В своём суточном вращении вокруг своей оси и годичном обращении вокруг Солнца, Земля испытывает небольшие возмущения, вызванные гравитационным взаимодействием с другими телами Солнечной системы. Отклонения, вызванные этими возмущениями, сложны; среди них доминируют несколько циклов. Поскольку периоды этих циклов не кратны друг другу, регулярно возникают достаточно продолжительные эпохи, в которых они оказывают кумулятивное влияние, усиливая друг друга.

Орбита Земли, её эксцентристет, изменяется от почти круговой до слегка эллиптической. При более вытянутой орбите, мы имеем бо́льший разброс в расстоянии между Землёй и Солнцем, как и в количестве солнечной радиации, в разные времена года. Кроме того, наклон оси вращения Земли тоже слегка изменяется. Бо́льший наклон оси делает времена года более выраженными. Наконец, направление, в котором указывает ось Земли, изменяется относительно неподвижных звёзд (прецессия земной оси), а эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца тоже поворачивается (Прецессия линии апсид). Совместный эффект этих движений заключается в том, что Земля приближается к Солнцу на наменьшее расстояние (перигелий) в разные астрономические сезоны.

Миланкович изучал изменения в тех движениях Земли, которые изменяют количество (и распределение) солнечной радиации, достигающей Земли. Он особенно выделял изменения на широте 65°N, на которой в настоящее время нижняя граница ледников опускается до уровня моря, из-за большого количества суши на этой широте. Суша нагревается и остывает быстрее чем океан благодаря тому, что грунт имеет меньшую объёмную теплоёмкость чем вода, а в океане происходит перемешивание поверхностной и глубинной воды.

Эксцентричность орбиты Земли

Орбита Земли аппроксимируется эллипсом; мера отличия эллипса от окружности — это эксцентриситет. Форма земной орбиты изменяется от почти круговой (теоретически эксцентриситет может стать и нулём) до слегка эллиптической (за последние 250 миллионов лет наибольшим значением эксцентриситета было 0.0679). Самый большой компонент этих изменений вносит свой вклад с периодом 405 тысяч лет (изменение эксцентриситета ±0.012). Другие компоненты цикличны с периодом 95 тысяч и 124 тысячи лет (с периодом биения 400 000 лет). Они свободно объединяются в цикл с периодом 100 тысяч лет (изменение эксцентриситета от −0.03 до +0.02). В настоящее время эксцентриситет равен 0.017 (0.0167) и уменьшается.

Эксцентриситет изменяется в первую очередь из-за гравитационного притяжения Юпитера и Сатурна. Большая полуось орбитального эллипса, однако, остаётся неизменной: в соответствии с теорией возмущений, вычисляющей эволюцию орбиты, большая полуось — инвариант. Орбитальный период (продолжительность сидерического года) тоже инвариант, так как определяется большой полуосью орбиты (третий закон Кеплера). Более долгосрочные вариации вызваны взаимодействиями, включающими перигелии и узлы Меркурия, Венеры, Земли, Марса и Юпитера.

Влияние на температуру Если большая полуось — константа, то, когда земная орбита становится более эксцентричной, малая полуось сокращается. Это увеличивает размах сезонных изменений.

Влияние на продолжительность сезонов + Продолжительность времён годаДанные взяты из United States Naval Observatory ГодСеверноеполушариеЮжноеполушариеДата (UTC)Продолжительностьсезона2005Зима солнцестояниеЛето солнцестояние 21 Декабря 2005 18:35 88.99 дней2006Весна равноденствиеОсень равноденствие 20 Марта 2006 18:26 92.75 дней2006Лето солнцестояниеЗима солнцестояние 21 Июня 2006 12:26 93.65 дней2006Осень равноденствиеВесна равноденствие 23 Сентября 2006 4:03 89.85 дней2006Зима солнцестояниеЛето солнцестояние 22 Декабря 2006 0:22 88.99 дней2007Весна равноденствиеОсень равноденствие 21 Марта 2007 0:07 92.75 дней2007Лето солнцестояниеЗима солнцестояние 21 Июня 2007 18:06 93.66 дней2007Осень равноденствиеВесна равноденствие 23 Сентября 2007 9:51 89.85 days2007Зима солнцестояниеЛето солнцестояние 22 Декабря 2007 06:08 Времена года это квадранты земной орбиты определяемые двумя солнцестояниями и двумя равноденствиями. Второй закон Кеплера гласит: за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает собой равные площади. Это означает, что орбитальная скорость планеты наибольшая при прохождении перигелия и наименьшая в афелии, и что Земля проводит меньше времени возле перигелия и больше времени возле афелия, а следовательно — продолжительность сезонов разная. В настоящее время перигелий происходит возле 3 Января, поэтому бо́льшая скорость Земли сокращает зиму и осень в северном полушарии. Лето в северном полушарии на 4,66 дня длиннее зимы, а весна на 2,9 дня длиннее осени. Бо́льший эксцентриситет увеличивает размах изменений орбитальной скорости Земли. Однако в настоящее время орбита Земли становится менее эксцентричной (более близкой к круговой). Это сделает времена года в ближайшем будущем более схожими по продолжительности.

Наклон оси вращения Земли

Угол наклона оси Земли к плоскости орбиты (наклон эклиптики) варьируется от 22,1° до 24,5° в ходе долгопериодических (так называемых вековых) колебаний с протяжённостью цикла около 41000 лет. Текущий наклон оси Земли составляет 23,44°, что примерно на полпути между крайними значениями. Последний раз наклон достигал своего максимума в 8700 году до нашей эры. Сейчас он находится в фазе убывания своего цикла и достигнет своего минимума примерно в 11800 году нашей эры. Увеличение наклона оси увеличивает амплитуду сезонного цикла инсоляции, обеспечивая больше солнечной радиации летом в каждом полушарии и меньше зимой. Однако эти эффекты не одинаковы повсюду на поверхности Земли: увеличение наклона увеличивает общую годовую солнечную радиацию в более высоких широтах и уменьшает её ближе к экватору

Текущая тенденция уменьшения наклона сама по себе будет способствовать более мягким сезонам (более тёплая зима и более холодное лето), а также общей тенденции к похолоданию. Поскольку бо́льшая часть снега и льда на планете лежит в высоких широтах, «уменьшающийся» наклон может способствовать окончанию межледниковья и наступлению ледникового периода по двум причинам: 1) общая летняя инсоляция меньше, и 2) меньше инсоляции в более высокие широты (где тает меньше снега и льда предыдущей зимы).

Прецессия земной оси

Прецессия земной оси — это изменение направления оси вращения Земли относительно неподвижных звёзд с периодом около 25 700 лет. Это движение, также известное как предварение равноденствий, означает, что в конечном итоге Полярная звезда больше не будет северной полярной звездой. Прецессия вызвана приливными силами, оказываемая на вращающуюся Землю телами Солнечной системы, в первую очередь Солнцем и Луной, которые вносят примерно одинаковый вклад в этот эффект.

Осевая прецессия делает сезонные контрасты более резкими в одном полушарии и менее резкими в другом. В настоящее время перигелий возникает зимой в Северном полушарии и летом в Южном полушарии. Это делает лето в Южном полушарии более жарким и смягчает сезонные колебания в Северном полушарии. Но примерно через 13 000 лет осевая прецессия заставит эти условия измениться: в Северном полушарии будут наблюдаться более экстремальные значения солнечной радиации, а в Южном полушарии будут наблюдаться более умеренные сезонные колебания.

См. также пример цикличности в осадочных породах, вызванной колебаниями солнечной инсоляции в результате прецессии земной оси.

Прецессия земной орбиты

Сам орбитальный эллипс прецессирует в пространстве нерегулярным образом, совершая полный цикл относительно неподвижных звёзд примерно за 112 000 лет.. Апсидальная прецессия происходит в плоскости эклиптики и изменяет ориентацию орбиты Земли относительно эклиптики. Происходит это прежде всего в результате взаимодействия с Юпитером и Сатурном. Меньший вклад также вносят сжатие Солнца и эффекты общей теории относительности, которые хорошо известны для Меркурия.

Прецессия земной орбиты в сочетании с 25700-летним циклом осевой прецессии смещает момент прохождения перигелия. Апсидальная прецессия сокращает этот период примерно до 21 000 лет в настоящее время. Согласно относительно старому источнику (1965 г.), среднее значение за последние 300 000 лет составило 23 000 лет, варьируясь от 20 800 до 29 000 лет.

На изображении «Влияние орбитальной прецессии на времена года» показано, как прецессия орбиты Земли приводит к тому, что времена года постепенно смещаются по орбите. Когда апсиды Земли (крайние расстояния от Солнца) совпадают с точками равноденствия, продолжительность весны и лета вместе взятых будет равна продолжительности осени и зимы. Когда они совпадают с солнцестояниями, разница в продолжительности этих сезонов будет наибольшей.

Наклонение орбиты

Наклон орбиты Земли периодически изменяется относительно её нынешней орбиты. Это трёхмерное движение известно как «прецессия эклиптики» или «планетарная прецессия»; Миланкович не изучал его. Оно было обнаружено совсем недавно, период колебаний относительно земной орбиты составляет около 70 000 лет. Однако относительно неизменной плоскости, прецессия эклиптики имеет период около 100 000 лет. Этот период очень похож на 100 000-летний период эксцентриситета. Оба периода близко соответствуют 100 000-летней схеме ледниковых событий.

Подтверждения и проблемы теории Керны антарктического льда содержат захваченные пузырьки воздуха, соотношение изотопов кислорода и в которых является надёжным индикатором (прокси) глобальных температур в период формирования льда. Изучение этих данных привело к выводу, что климатические изменения, зафиксированные в ледяных кернах, были обусловлены инсоляцией Северного полушария, как и предполагает гипотеза Миланковича.

Проблема 100 тысяч лет

Миланкович считал, что из всех орбитальных циклов наибольшее влияние на климат оказывает наклонение земной оси, и что это происходит за счёт изменения летней инсоляции в высоких широтах Северного полушария. Отсюда он вывел ледниковые периоды продолжительностью 41 тысяча лет. Однако последующие исследования показали, что циклы ледникового периода четвертичного оледенения за последний миллион лет имели период 100 тысяч лет, что соответствует основному циклу эксцентриситета. Были предложены различные объяснения этого несоответствия, включая частотную модуляцию или различные влияния (от углекислого газа или динамики ледникового покрова). Некоторые модели могут воспроизводить 100 000-летние циклы в результате нелинейного взаимодействия между небольшими изменениями орбиты Земли и внутренними колебаниями климатической системы. В частности, для описания этого взаимодействия изначально был предложен механизм стохастического резонанса.

Некоторые утверждают, что прецессия имеет значение только тогда, когда эксцентриситет велик. Вот почему мы видим более сильный темп за 100 тысяч лет, чем за 21 тысячу лет. Другие считают, что история известных климатических данных недостаточно длинна, чтобы установить статистически значимую связь между климатом и изменениями эксцентриситета.

Проблема перехода от 41 000-летнего к 100 000-летнему циклу

1-3 миллиона лет назад климатические циклы соответствовали 41 000-летнему циклу вариаций наклона оси вращения Земли. Спустя миллион лет назад произошёл среднеплейстоценовый переход на 100 000-летний цикл, соответствующий основному циклу изменения эксцентриситета . «Проблема перехода» означает необходимость объяснить, что изменилось миллион лет назад.