التغيرات في مدار الأرض تنتج من الاختلافات الفلكية التي لها تأثير قوي على مناخ الأرض، وهي تعد مثل جهاز تنظيم ضربات القلب الخاص بالدورات الجليدية وبين الجليدية على مدار آخر مليونين ونصف مليون سنة من تاريخ الأرض.
حيث توفر إطارًا قويًا لفهم تطورات المناخ حتى خلال فترة الهولوسين وهي آخر 10000 سنة، تبدأ قرب نهاية الفترة الجليدية الأخيرة، من المحتمل أيضًا أن تكون الاختلافات المدارية سمة عامة للكواكب الأخرى ، مع حدوث تأثيرات قوية على مصير الغلاف الجوي الكواكب (على سبيل المثال ، فهم إمكانية التعايش مع وجود أنظمة مناخية أخرى).
تعريف دورات ميلانكوفيتش
هي عبارة عن حركة دورانية تتعلق بمدار الأرض حول الشمس، وهناك ثلاثة حركات منها: الانحراف والميل المحوري والاستباقية، ووفقًا لنظرية ميلانكوفيتش ، تتحد هذه الدورات الثلاثة معًا للتأثير على كمية الحرارة التي تنبعث من الشمس وتؤثر على سطح الأرض وبالتالي تؤثر على الأنماط المناخية المختلفة في الكوكب.
كما أن دورات ميلانكوفيتش غير كافية لشرح كافة التغيرات المناخية التي تحدث على سطح الأرض، حيث أن هناك مشكلة الاحتباس الحراري وغيرها من المواضيع التي لا توضحها دورات ميلانكوفيتش، لكنه لهذه الدورات تأثير أساسي يجب أن يوضع في الاعتبار ويؤخذ به.
الانحراف المداري
يختلف شكل مدار الأرض بين أن يكون دائري تقريبًا (مع أقل انحراف غير مركزي 0.000055) وبيضاوي بشكل معتدل (أعلى انحراف 0.0679)، حيث أن المتوسط الهندسي أو اللوغاريتمي للمدار هو 0.0019، وتحدث اختلافات الانحراف هذه خلال فترة 413000 سنة.
يحدث الانحراف في المقام الأول نظرا لجاذبية كوكب المشتري و زحل، ومع ذلك، فإن المحور شبه الرئيسي للمدار يبقى دون تغيير؛ وفقًا لنظرية الاضطراب التي تحسب تطور المدار فإن المحور شبه الرئيسي يبقى ثابت، والفترة المدارية ثابتة أيضًا لأنه وفقًا لقانون كبلر الثالث يتم تحديدها من خلال المحور شبه الرئيسي.
التأثير على درجة الحرارة
- المحور شبه الرئيسي للمدار ثابت لذا عندما يصبح مدار الأرض أكثر انحرافًا فإن هذا يزيد من حجم التغيرات الموسمية على الأرض.
- الزيادة النسبية في الإشعاع الشمسي عند أقرب مسافة للشمس مقارنة بالإشعاع عند أبعد مسافة عن الشمس، تكون أكبر بقليل من أربعة أضعاف الانحراف.
- كما أن الانحراف المركزي للأرض يكون دائمًا صغيرًا جدًا لدرجة أن التباين في الإشعاع الشمسي هو عامل ثانوي في التغيرات المناخية الموسمية ، مقارنة بالميل المحوري وحتى مقارنة بالسهولة النسبية لتسخين الكتل الأرضية الأكبر في نصف الكرة الشمالي.
التأثير على طول المواسم المناخية
- تقضي الأرض وقتًا أقل بالقرب من أقرب مسافة من الشمس (الحضيض الشمسي)، والمزيد من الوقت في أبعد مسافة عن الشمس (الأوج الشمسي)، وهذا يعني أن أطوال فصول السنة تختلف.
- يزيد الانحراف الكبير في المدار من الاختلاف في السرعة المدارية للأرض، ومع ذلك في الوقت الحالي أصبح مدار الأرض أكثر دائرية تقريبًا، وهذا سيجعل الفصول أكثر تشابهًا في الطول في المستقبل.
الميل المحوري
تتراوح زاوية الميل المحوري للأرض فيما يتعلق بالمستوى المداري بين 22.1 درجة و 24.5 درجة على مدار دورة كاملة تقدر بنحو 41000 عام.
حيث أن الميل الحالي هو 23.44 درجة، وهذا يعد في منتصف المسافة تقريبًا من قيمته العظمى، كما بلغ الميل الأخير للأرض الحد الأقصى في عام 8700 قبل الميلاد، وهو حاليًا في مرحلة تناقص دورته حتى يصل إلى الحد الأدنى له عام 11800 م .
زيادة الميل تزيد من اتساع الدورة الموسمية مما يوفر المزيد من الإشعاع الشمسي في فصل الصيف في كل نصف من الكرة الأرضية ويكون أقل في الشتاء، ومع ذلك فإن هذه الآثار ليست موحدة في كل مكان على سطح الأرض، حيث أن زيادة الميل تزيد من إجمالي الإشعاع الشمسي السنوي عند خطوط العرض الأعلى ، ويقلل الإجمالي عند القرب من خط الاستواء.
الاتجاه الحالي لتقليل الميل المحوري في حد ذاته سيحفز عملية جعل المواسم المناخية أكثر اعتدالًا، حيث تكون الشتاء أكثر دفئًا ويكون الصيف أكثر برودة، بالإضافة إلى خلق مناخ عام على سطح الكوكب تسوده البرودة، نظرًا لأن معظم الثلوج والجليد على كوكب الأرض يقعان عند خطوط العرض المرتفعة، وقد يشجع انخفاض الميل على ظهور عصر جليدي جديد لسببين هما: أن المناخ العام يكون أقل حرارة في فصل الصيف مع مرور الوقت، وتكون درجات الحرارة منخفضة عند خطوط العرض المرتفعة مما يؤدي إلى إذابة نسب أقل من الثلوج الشتوية المتكونة في السابق والجليد.
المبادرة المحورية
هي التغيير في اتجاه محور دوران الأرض بالنسبة للنجوم الثابتة، تعني هذه الحركة أنه في النهاية لن يكون بولاريس هو نجم القطب الشمالي كما هو موجود حاليًا، وتحدث بسبب قوة الجاذبية التي تمارسها الشمس والقمر على الأرض الصلبة، كلاهما يساهم تقريبًا في هذا التأثير.
كما يحدث حاليا الحضيض الشمسي (أقرب مسافة بين الشمس والأرض) خلال صيف نصف الكرة الجنوبي، وهذا يعني أن الإشعاع الشمسي سبب الميل المحوري الذي يؤدي لميل نصف الكرة الجنوبي نحو الشمس وقرب الأرض من الشمس، حيث يصل كلاهما إلى الحد الأقصى خلال الصيف الجنوبي وكلاهما يصل إلى الحد الأدنى خلال فصل الشتاء الجنوبي.
الاختلاف الموسمي لإشعاع الشمس في نصف الكرة الجنوبي أكثر تطرفًا منه في نصف الكرة الشمالي ، حيث يصل إلى الحد الأقصى في الأوقات المعاكسة من السنة، كما يميل الشمال نحو الشمس عندما تكون الأرض أبعد ما تكون عن الشمس، فيعمل هذان التأثيران في اتجاهين متعاكسين ، مما يؤدي إلى اختلافات أقل في حدة الإشعاع الشمسي.
بعد حوالي 13000 سنة ، سيتم إمالة القطب الشمالي نحو الشمس عندما تكون الأرض في الحضيض الشمسي، ويساهم الميل المحوري والإنحراف المداري في زيادة الحد الأقصى من الإشعاع الشمسي خلال صيف نصف الكرة الشمالي، مما يجعل هذه المبادرة المحورية تعمل على تعزيز ليكون التباين أكثر تطرفًا في إشعاع نصف الكرة الشمالي و أقل تطرفًا في نصف الكرة الجنوبي.
عندما يتم محاذاة محور الأرض بحيث يكون الأوج الشمسي (أبعد مسافة بين الشمس والأرض) والحضيض الشمسي أكثر إعتدالًا، لن يتم محاذاة الميل المحوري مع أو ضد الانحراف.
سبب حدوث دورات ميلانكوفيتش
تعود التغيرات في الانحراف في مدار الأرض إلى تغييرات في الجاذبية التي تسببها الكواكب بين بعضها، حيث يمتلك المشتري انحراف مداري معتدل جدًا، ولكن إذا زاد هذا الانحراف فسيؤدي ذلك إلى تغييرات أكبر في انحراف الأرض، لذلك من المحتمل أن تكون الحالات الغريبة للمدارات شديدة الانحراف قد تكون بارزة في أنظمة شمسية أخرى ، حيث من المعروف أن الكواكب الغازية المختلفة تُظهر تقلبات مدارية كبيرة.
تنشأ الاختلافات في انحراف وميل المدارات بسبب عزم الدوران الذي يحدث بسبب الجاذبية الناتجة من سحب الشمس والقمر على خط الإستواء الأرضي. يختلف انحراف المدرات أيضًا بسبب ميل مدار الأرض الرئيسي.
وبالتالي ، فإن دورات ميلانكوفيتش عرضة للتغيير على مدار الوقت الجيولوجي ، مع تغير طول يوم الأرض ، ويصبح القمر مبتعدًا أكثرعن الأرض، حيث أن قصر المسافة بين الأرض والقمر قد يتسبب في أن تكون الحركة السابقة أكبر وأن تكون الدورات السابقة والمائلة أقصر ، كما حدث في التغيرات المناخية والجغرافية البعيدة على سبيل المثال في العصر الكربوني العلوي (قبل 300 مليون سنة تقريبًا) كانت دورة الميل التي تبلغ 41000 عامًا تقريبًا تستغرق حوالي 33000 سنة.