O que são os ciclos de Milankovitch e como afetam o clima da Terra

Por: Marcus Cabral - 23/02/23

Em 1920 um cientista chamado Milutin Milankovitch formulou hipóteses de que variações na órbita da Terra podiam resultar em variações cíclicas da energia solar que atingia o planeta, e isso influenciaria os padrões climáticos da Terra.

Desde então evidências têm corroborado com a hipótese de Milankovitch. Tais evidências são observadas estudando rochas e gases presos em bolhas de ar sob o gelo. Uma das mais recentes foi a confirmação da existência de um ciclo de 405.000 anos que, nesse caso, é causado por interações gravitacionais da Terra com Júpiter e Vênus.

As variações do ciclo de Milankovitch

• Excentricidade: É a variação da órbita da Terra com o Sol. Ela pode variar em uma órbita mais elíptica (oval) ou menos elíptica. A excentricidade da Terra tem um período de cerca de 100 mil anos.
• Obliquidade: É o movimento de inclinação do eixo de rotação em relação ao Sol. Sendo mais claro, imagine um sino de uma igreja. Quando esse sino esta parado ele está na vertical, quando o balançamos ele se inclina de um lado para o outro. Com o efeito de Obliquidade da terra o mesmo acontece. entretanto a variação dessa inclinação no planeta é entre 22,5° e 24,5º e acontece a cada 41 mil anos.
• Precessão: A precessão também é uma variação dos ciclos. Enquanto na rotação a Terra gira no próprio eixo e na translação ela gira em torno de sua estrela, na precessão ela faz um giro no eixo de forma inclinada, é como se misturássemos o efeito de obliquidade com a rotação da terra. Esse movimento leva cerca de 25 mil anos.

Mudanças Climáticas

Os ciclos acima são conhecidos por causar variações na insolação, ou seja, por afetar o nível de radiação recebido do Sol.

A diferença da energia que o planeta recebe pode causar eras com climas mais intensos ou mais amenos. Além da insolação, as variações das orbitas também alteram a distribuição da radiação no globo.

Se, por exemplo, pensarmos em um modelo onde os ciclos combinam em seus extremos – a Terra longe do sol, o ângulo do eixo no máximo de 24,5° – teríamos estações de inverno extremamente frias e verões muito quentes.

Quando se compara variações orbitais dos ciclos com as antigas eras glaciais e interglaciais, é possível ver uma relação entre os dois fatores.

E o aquecimento global?

É comum observar a negação do aquecimento global antropogênico (causado por humanos) com o argumento de que na Terra é normal haverem eras quentes e frias. Entretanto, uma das características do método científico é eliminar variáveis.

Os ciclos de Milankovitch são conhecidos há pelo menos 100 anos, e quando a comunidade científica afirma que as mudanças atuais são causadas por nós, podemos ter certeza que a possibilidade de ser apenas um ciclo já foi uma variável descartada.

Atualmente as mudanças têm ocorrido em um período extremamente curto, ainda mais quando comparamos com os ciclos naturais da Terra que duram milhares de anos.

Evidências geológicas confirmam a existência do ciclo de Milankovitch de 405.000 anos

por Viviane Callier
sexta-feira, 11 de maio de 2018

Amostras de rocha extraídas da Formação Triássica Chinle no Parque Nacional da Floresta Petrificada no Arizona foram datadas e correlacionadas com rochas triássicas da Bacia de Newark para determinar as idades e o tempo dos ciclos climáticos registrados nas rochas. A nova pesquisa confirma a existência de um ciclo previsto de Milankovitch de 405.000 anos governado por Júpiter e Vênus. Crédito: Kevin Krajick/Lamont-Doherty Earth Observatory

O registro rochoso da Terra preserva evidências de numerosos processos naturais, desde evolução e extinção até catástrofes e mudanças climáticas, e às vezes até configurações planetárias.

Em um novo estudo, uma sequência bem preservada de sedimentos do lago Triássico com evidências de padrões cíclicos de mudança climática na Bacia de Newark confirma a existência de um ciclo de Milankovitch - uma mudança periódica na forma da órbita da Terra causada, neste caso, Interações gravitacionais da Terra com Júpiter e Vênus. A descoberta pode ser usada para datar com precisão outros eventos no registro geológico e informar modelos climáticos e astronômicos.

Os geólogos sugeriram anteriormente que os padrões encontrados na Bacia de Newark, uma antiga bacia de fenda que cobre o norte de Nova Jersey, sudeste da Pensilvânia e sul de Nova York, poderiam refletir os efeitos climáticos de um ciclo Milankovitch previsto de 405.000 anos, mas os sedimentos da Bacia de Newark não puderam ser datado com precisão suficiente para confirmar o link.

Outros ciclos de Milankovitch - um ciclo de 23.000 anos relacionado à oscilação do eixo da Terra, um ciclo de 41.000 anos relacionado à inclinação do eixo e um ciclo de 100.000 anos relacionado à excentricidade orbital - estão relativamente bem estabelecidos com base em dados glaciológicos e sedimentares. registros. Esses ciclos astronômicos influenciam a quantidade de energia solar que o planeta recebe e, assim, alteram o clima, por exemplo, produzindo períodos úmidos e secos, que deixam sua marca no registro rochoso.

Nas rochas do Parque Nacional da Floresta Petrificada do Arizona, os cientistas identificaram sinais de um hipotético ciclo de Milankovitch, uma variação regular na órbita da Terra, que parece ter influenciado o clima do planeta desde o período Triássico. Crédito: Kevin Krajick/Lamont-Doherty Earth Observatory

No estudo, publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, o geólogo Dennis Kent , do Observatório da Terra Lamont-Doherty da Universidade de Columbia e da Universidade Rutgers, e colegas atribuíram datas ao registro rochoso da Bacia de Newark, correlacionando-o com rochas extraídas da Formação Chinle do Triássico Superior. no Parque Nacional da Floresta Petrificada no Arizona. A datação com chumbo de urânio de zircões encontrados em camadas de cinzas vulcânicas produziu idades precisas para as rochas do Arizona, que a equipe então correlacionou com as rochas da Bacia de Newark, combinando o padrão das inversões do campo magnético da Terra registradas em ambos os lugares. A chave é que “o núcleo de Newark tem os ciclos [climáticos]. O núcleo do Arizona tem as datas”, diz Kent.

Os pesquisadores descobriram que as datas dos ciclos climáticos registrados no registro rochoso da Bacia de Newark correspondem ao ciclo de 405.000 anos previsto pelos modelos astronômicos, fornecendo a primeira evidência empírica da existência e estabilidade do ciclo nos últimos 215 milhões de anos.

“Esta é a primeira vez que podemos realmente confirmar a descrição teórica do ciclo de 405.000 anos”, diz a geóloga Linda Hinnov , da George Mason University, que não participou do estudo. “Os astrônomos nos deram este modelo, mas nunca fomos capazes de estabelecer se ele é realmente preciso até agora.”

No entanto, uma preocupação levantada por Spencer Lucas , curador de paleontologia do Museu de História Natural e Ciência do Novo México, é que enquanto o registro de Newark foi depositado em um lago antigo, a sequência do Arizona foi depositada por um rio, o que torna mais provável ter lacunas na história do campo magnético que ele registra. “Se você deseja um registro completo da polaridade magnética, precisa ter uma pilha completa de sedimentos. Se você não tiver isso, não terá um registro completo”, diz Lucas.

Essas lacunas são esperadas e são pequenas em comparação com o período total de tempo registrado na seção, o que sugere que o padrão geral das inversões do campo magnético ainda pode ter sido registrado com precisão, diz o coautor Paul Olsen, paleontólogo . no Observatório da Terra Lamont-Doherty da Universidade de Columbia. Além disso, as lacunas não afetam a precisão da datação do zircão, acrescenta.

A confirmação da existência do ciclo astronômico constante e regular que opera da mesma maneira há mais de 200 milhões de anos fornece aos astrônomos que reconstroem a história do sistema solar um marcador previsível, muito parecido com a batida de um metrônomo, para calibrar seus modelos .

Os modelos astronômicos atuais aplicam as leis da dinâmica newtoniana e da relatividade geral para reconstruir as configurações passadas do sistema solar, mas as previsões dos modelos falham após cerca de 50 milhões de anos. Isso porque é difícil prever o movimento de mais de dois corpos em movimento no espaço durante períodos de tempo muito longos. Os astrônomos estão limitados a calcular as posições dos planetas de forma incremental e, a cada incremento, os erros se acumulam.

“Além disso, a física do sistema solar é caótica”, diz Olsen, o que significa que os modelos astronômicos modernos são altamente sensíveis às condições iniciais e, portanto, a imagem das posições planetárias centenas de milhões de anos atrás pode variar amplamente, dependendo das condições iniciais. suposições e condições de entrada para um modelo.

No entanto, como os astrônomos conhecem a configuração da Terra, Vênus e Júpiter quando o ciclo de 405.000 anos está em seu mínimo e máximo, e porque esses eventos são evidentes no registro da rocha e agora foram bem datados, os astrônomos têm dados mais sólidos sobre que basear as estimativas de configurações planetárias que remontam a mais de 200 milhões de anos.

A descoberta representa um pivô em uma hipótese que Olsen e seus colegas vêm desenvolvendo há décadas, chamada de “Geological Orrery”, em homenagem aos modelos mecânicos do sistema solar do século XVIII. Ele sustenta que a mudança climática registrada no registro geológico poderia ser usada para inferir as posições anteriores e o movimento dos planetas no sistema solar que remontam a centenas de milhões de anos.

Olsen sugere que um exame cuidadoso do registro geológico pode ajudar a refinar e apontar lacunas nos modelos astronômicos. O registro geológico “é um novo mundo de dados empíricos que permite testes da teoria do sistema solar em larga escala”, diz ele.

Geologic evidence confirms existence of 405,000-year Milankovitch cycle

Rock samples cored from the Triassic Chinle Formation in Petrified Forest National Park were dated and correlated to Triassic rocks from the Newark Basin to determine the ages and timing of climate cycles recorded in the rocks. 

 

The new research confirms the existence of a predicted 405,000-year Milankovitch cycle governed by Jupiter and Venus. Credit: Kevin Krajick/Lamont-Doherty Earth Observatory

 

Earth’s rock record preserves evidence of numerous natural processes, from evolution and extinction to catastrophes and climate change, and sometimes even planetary configurations.

In a new study, a well-preserved sequence of Triassic lake sediments bearing evidence of cyclical patterns of climate change in the Newark Basin confirms the existence of a Milankovitch cycle — a periodic change in the shape of Earth’s orbit caused by, in this case, Earth’s gravitational interactions with Jupiter and Venus. The finding can be used to precisely date other events in the geological record, and inform climate and astronomical models.

Geologists previously suggested the patterns found in the Newark Basin, an ancient rift basin covering northern New Jersey, southeastern Pennsylvania and southern New York, could reflect the climatic effects of a predicted 405,000-year Milankovitch cycle, but the Newark Basin sediments were unable to be dated precisely enough to confirm the link.

Other Milankovitch cycles — a 23,000-year cycle related to the wobble of Earth’s axis, a 41,000-year cycle related to the tilt of the axis, and a 100,000-year cycle related to orbital eccentricity — are relatively well established based on glaciological and sedimentary records. Such astronomical cycles influence how much solar energy the planet receives and thus alters climate, for example by producing wet and dry periods, which leave their mark in the rock record.

Rocks from Arizona’s Petrified Forest National Park helped scientists identify signals of a hypothesized Milankovitch cycle, a regular variation in Earth’s orbit, that appears to have influenced the planet's climate as far back as the Triassic Period. Credit: Kevin Krajick/Lamont-Doherty Earth Observatory

 

In the study, published in Proceedings of the National Academy of Sciences, geologist Dennis Kent of Columbia University’s Lamont-Doherty Earth Observatory and Rutgers University and colleagues assigned dates to the Newark Basin rock record by correlating it with rocks cored from the Upper Triassic Chinle Formation in Petrified Forest National Park in Arizona. Uranium-lead dating of zircons found in volcanic ash layers produced precise ages for the Arizona rocks, which the team then correlated to the Newark Basin rocks by matching the pattern of Earth’s magnetic field reversals recorded in both places. The key is that “the Newark core has the [climatic] cycles. The Arizona core has the dates,” Kent says.

The researchers found that the dates of the climate cycles recorded in the Newark Basin rock record match the 405,000-year cycle predicted by astronomical models, providing the first empirical evidence for the cycle’s existence and stability over the last 215 million years.

“This is the first time we can actually confirm the theoretical description of the 405,000-year cycle,” says geologist Linda Hinnov of George Mason University, who was not involved in the study. “The astronomers have given us this model but we’ve never been able to establish that it’s actually accurate until now.”

However, a concern raised by Spencer Lucas, curator of paleontology at the New Mexico Museum of Natural History and Science, is that while the Newark record was deposited in an ancient lake, the Arizona sequence was deposited by a river, which makes it more likely to have gaps in the magnetic field history it records. “If you want a complete record of magnetic polarity, you have to have a complete pile of sediments. If you don’t have that, then you’re not going to get a complete record,” Lucas says.

Such gaps are to be expected and they are small compared to the overall length of time recorded in the section, which suggests that the overall pattern of magnetic field reversals is still likely to have been recorded accurately, says co-author Paul Olsen, a paleontologist at Columbia University’s Lamont-Doherty Earth Observatory. Also, the gaps do not affect the precision of the zircon dating, he adds.

Confirming the existence of the steady, regular astronomical cycle that has been operating in the same way for more than 200 million years provides astronomers reconstructing the history of the solar system with a predictable marker, much like the beat of a metronome, to calibrate their models.
Current astronomical models apply the laws of Newtonian dynamics and general relativity to reconstruct the solar system’s past configurations, but model predictions fail beyond about 50 million years. That’s because it is difficult to predict the motion of more than two moving bodies in space over very long periods of time. Astronomers are limited to computing the positions of the planets incrementally, and at each increment, errors accumulate.

“In addition, the physics of the solar system is chaotic,” Olsen says, meaning that modern astronomical models are highly sensitive to initial conditions, and therefore, the picture of planetary positions hundreds of millions of years ago can vary widely depending on the initial assumptions and conditions input to a model.

However, because astronomers know the configuration of Earth, Venus and Jupiter when the 405,000-year cycle is at its minimum and maximum, and because those events are evident in the rock record and have now been well-dated, astronomers have more solid data on which to base estimates of planetary configurations going back more than 200 million years.

The discovery represents a linchpin in a hypothesis that Olsen and his colleagues have been developing for decades called the “Geological Orrery,” after the 18th-century mechanical models of the solar system. It holds that climatic change recorded in the geologic record could be used to infer the former positions and motion of planets in the solar system going back hundreds of millions of years.

Olsen suggests that careful examination of the geological record could help refine and point to gaps in astronomical models. The geological record “is a new world of empirical data that allows for tests of large-scale solar system theory,” he says.

Viviane Callier

Callier is a freelance science writer and contributor to EARTH.

Mudanças Climáticas: Tudo sobre [Parte2]

25 de janeiro de 2014.

Leia mais em:

http://elementalsolucoes.com.br/mudancas-climaticas-tudo-sobre-parte1/
Engenheiro ambiental formado pela PUC-Rio, e gerente de projetos da Elemental Soluções.

A ELEMENTAL® é uma empresa que acredita na mudança por um mundo melhor. Possuímos um portfólio de serviços voltados à preservação da natureza e criação de uma mentalidade mais construtiva e cooperativa.

A série “Mudanças Climáticas: Tudo Sobre!” possui o objetivo de fornecer um guia completo de informações acerca do assunto de forma a esclarecer certos pontos e desmistificar outros. O debate atualmente se concentra apenas em certas questões e acaba negligenciando grande parte do conteúdo, que é altamente necessário para enriquecer o debate para a tomada correta de decisões.


2. CLICOS DE MILANKOVITCH E O CLIMA DO QUATERNÁRIO

O período mais recente da história geológica da Terra – últimos 2,6 milhões de anos – é conhecido como o período Quaternário. Este é um importante período para nós porque este abrange todo o período na qual nós humanos existimos. Iremos examinar agora como o clima vem mudando desde o início deste período. Ao entender os recentes processos naturais de mudanças climáticas, poderemos ser capazes de melhor entender porque os cientistas atribuem as atuais mudanças observadas no clima global como sendo resultado das atividades humanas.
Uma prova altamente detalhada das condições climáticas do passado vem sendo recuperada das imensas camadas de gelo da Groelândia e Antártida. Estas camadas de gelo são geradas pela queda da neve na superfície de gelo e sendo cobertas por outras subsequentes. A neve comprimida se transforma em gelo. É tão frio nestas localidades (nos polos) que o gelo não derrete mesmo no verão, fazendo com que seja capaz de gerar gelo subsequente durante milhares de anos. Camada em cima de camada. Pelo fato do gelo nas camadas mais baixas ter sido produzido em nevascas mais antigas, a idade do gelo aumenta com a profundidade, estando a mais jovem na superfície. As camadas de gelo da Antártida  possui cerca de três milhas de profundidade. São levados muito e muitos anos para se gerar tanto gelo, sendo a camada mais profunda possuindo cerca de 800.000 anos de idade.

Os cientistas então escavam nestas camadas de gelo para extrair os núcleos de gelo, na qual possuem das informações acerca dos climas passados. A figura abaixo mostra como que esses núcleos se parecem quando são abertos ao meio. Assim como os anéis nas árvores, os núcleos de gelo indicam informações de crescimento e idade. Note como o núcleo do meio (o qual foi preciso perfurar quase 2 km para se extrair) possui camadas distintas – isto porque as estações deixam uma marca nas camadas de neve. Os cientistas, então, podem usar estas marcas para ajudar a calcular a idade das diferentes profundidades de gelo, apesar da tarefa se tornar cada vez mais difícil com a profundidade, devido a maior compressão das camadas. O gelo acaba guardando muitos diferentes tipos de informação sobre o clima: a temperatura do núcleo de gelo, as propriedades da água que se tornou gelo, poeira retida na camada, e pequenas bolhas contendo informações sobre a atmosfera naquele tempo.

Três diferentes seções de núcleos de gelo. De cima para baixo, da mais superficial para a mais profunda. (Imagem: Reprodução / Nacional Ice Core Laboratory)

São as moléculas de água que formam as informações no gelo sobre a temperatura da atmosfera. Cada molécula de água é formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Contudo, nem todos os átomos de oxigênio são os mesmos. Alguns são mais leves que outros. Estes tipos diferentes de oxigênio são chamados de Isótopos, os quais podem ser resumidos como átomos com o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons. Isto quer dizer que algumas moléculas de água possuem peso maior do que outras. Esta informação é importante porque que as moléculas mais leve de água são mais facilmente evaporadas do oceano, e uma vez na atmosfera, as moléculas mais pesadas são mais suscetíveis a condensar e cair com a precipitação.

O processo de diferenciação entre as moléculas de água mais pesadas e mais leves varia de acordo com a temperatura. Se a atmosfera está mais quente, há mais energia disponível para evaporar e segurar a água com as moléculas mais pesadas na atmosfera, sendo então a neve que caia nas camadas de gelo nos polos é composta pelas moléculas mais pesadas. Sendo o oposto verdadeiro, uma vez que a atmosfera esteja mais fria, ou seja, sem energia para segurar as moléculas mais pesadas na atmosfera para precipitarem em forma de gelo nos polos. Os cientistas podem, então, comparar a quantidade de moléculas mais pesadas de oxigênio nas camadas de gelo para ver como era a temperatura na atmosfera vem mudando com o tempo.
O Clima no quaternário
Durante o quaternário, a Terra passou por ciclos entre períodos glaciais (Era do Gelo) e períodos interglaciais. O gelo estava no seu ponto extremo mais recente a aproximadamente 20 mil anos em um período chamado de a Última Máxima Glacial, ou UMG. Como podemos ver nas gravações no gelo, o clima no quaternário é praticamente frio (temperatura média de 6º c), com longos períodos de frio pontuados com períodos mais curtos de calor, como podemos experimentar hoje em dia. De várias formas, nosso clima atualmente é excepcional.
Durante os períodos glaciais o clima era muito mais seco, como evidenciado pelo aumento de poeira na atmosfera. As terras nos polos e próximos a eles eram cobertas por gelo, e savanas secas ocupavam áreas que hoje são cobertas de florestas. Desertos eram bem mais amplos do que hoje, e as florestas tropicais, tendo menos água e calor, eram menores. Os animais e plantas eram diferentes em sua distribuição em comparação com hoje, e adaptados a essas condições.

Modelo de como foi a última era glacial (Imagem: reprodução)

Ciclos Milankovitch

Mas então qual é a causa dessa variação entre climas quentes e frios durante o quaternário? Como vimos anteriormente, o clima da Terra é controlado por diferentes fatores – insolação, gases do efeito estufa e albedo são todos importantes. Cientistas então acreditam que a insolação é a responsável por essas variações, sendo a sua variação resultada de mudanças na órbita da Terra entorno do sol.
A órbita da Terra não completamente fixa como vemos em modelos esquemáticos – ela varia com o tempo. Estas mudanças periódicas na órbita da Terra são referenciados como sendo os Ciclos Milankovitch.
Há três principais formas na qual a órbita da Terra varia:

Excentricidade (Eccentricity): A órbita da Terra não é exatamente circular, mas sim segue uma elipse, com o sol ocupando um de seus focos. Isto significa que, com o passar do ano, a Terra está às vezes mais perto e outras vezes mais longe do sol. Assim, o sol está mais próximo em janeiro, e mais longe em julho. Esta variação afeta a quantidade de insolação que recebemos por um pequeno percentual, então as estações do hemisfério Norte são ligeiramente mais brandas do que seriam caso a órbita da Terra fosse circular.
Obliquidade (Tilt): O eixo da Terra gira com um ângulo com relação ao seu trajeto em volta do sol – aproximadamente 23,5º. A diferença na órbita acaba criando as estações. Caso o eixo da rotação da Terra alinha-se com a direção da órbita em volta do sol, não havia estações. Este ângulo no eixo da Terra também varia com o tempo, entre 22,1 e 24,5º. Quanto maior o ângulo, maior a diferença de temperatura entre verão e inverno.
Precessão axial (Precession): A direção do eixo da Terra durante sua rotação também varia com o tempo em relação às estrelas. Atualmente, o polo Norte aponta para a estrela Solaris, mas seu eixo de rotação varia entre apontar para esta estrela e para a estrela Vega. Isto impacta o clima da Terra como também determina quando as estações ocorrem. Quando está apontando para Vega, o período de pico no verão do hemisfério Norte seria em janeiro, não em julho. Caso isto fosse verdade hoje em dia, significaria que o hemisfério Norte experimentaria estações mais extremas, porque janeiro é quando a Terra está mais próxima do Sol.

Modelo com os ciclos de Milankovitch (Imagem: Reprodução)

Mas como estes ciclos variam a nosso clima? Estes ciclos orbitais não possuem muito impacto no total de insolação que o planeta recebe. Eles apenas exercem uma variação no período da insolação, sendo a quantidade total a mesma. A melhor explicação para as variação de longo termo na temperatura média da Terra são que estes ciclos começam um processo de feedback positivo que amplifica a pequena diferença na insolação.

Insolação e o feedback do albedo

Hoje em dia a órbita da Terra não é muito excêntrica (é quase circular), mas no começo de cada período recente de era do gelo, a órbita era muito mais elíptica. Isto significa que a Terra estava mais longe do sol durante o verão no hemisfério Norte, reduzindo o total de insolação. A baixa insolação significa que os meses de verão eram mais brandos do que geralmente são.

Acredita-se então que estes verões mais brandos produziam uma feedback no albedo que fez com que todo o planeta caísse em uma era glacial. O hemisfério Norte possui continentes próximos aos polos, possuindo assim um clima bastante temperado. Durante o inverno, a neve cai e se derrete apenas nos meses mais quentes, no verão. Caso o verão não seja quente o suficiente para derreter a neve a o gelo, estes acabam avançando, cobrindo mais terra. Este processo gera um feedback positivo, com as condições mais frias permitindo que o gelo avance – que por sua vez aumenta o albedo e esfria a Terra. O mesmo pode ocorrer ao contrário, com verões mais quentes e um feedback positivo, diminuindo o albedo e esquentando o planeta.