Milanković syklenes 100-års jubileum

Klimanytt nr. 285. Redaktør: Ole Henrik Ellestad.
Forfattet av Jan-Erik Solheim

Det er i år 100 år siden lanseringen av en av de viktigste teoriene for å forstå jordas klima. Den var forfattet av Milutin Milanković som da var professor ved Universitetet i Beograd. Det var den første fullstendige matematiske beregning av hvordan små endringer i planetenes baner rundt sola fører til endringer av den varmen jorda mottar fra sola, noe som påvirker vårt klima over lange og korte tidsrom.

Bakgrunn

Milutin Milanković (1879-1958) vokste opp i serbisk familie i landsbyen Dalj i daværende Østerrike-Ungarn. Han fullførte et doktorgradsstudium ved Teknisk Universitetet i Wien med tema armert betong, og konstruerte betongbruer og dammer til han fikk et professorat i anvendt matematikk ved Universitetet i Beograd i 1909. Han fortsatte å konstruere broer noen år, men ble etterhvert opptatt med spørsmålet: Hvordan oppstår istider, kan det være en astronomisk årsak til klimavariasjonene? De neste årene arbeidet han med å finne en eksakt løsning på hvordan stråling fra sola varier på et sted på jorda på grunn av variasjoner av jordas bane og helningsvinkel som påvirkes av de øvrige planeter i solsystemet. Hans første klimaartikkel kom i 1912 med tittel «Bidrag til en matematisk beskrivelse av klimaet».

Krigsfangenskap og astronomiske beregninger

I 1914 publiserte han et arbeide om en mulig astronomisk teori for istider. Samme år giftet han seg og dro på bryllupsreise til hjembyen Dalj i Østerrike-Ungarn. Mens Milanković var i Dalj brøt første verdenskrig ut, og han ble arrestert som serbisk borger og satt i krigsfangenskap – først i en fangeleir, men snart – etter henstilling fra professor Czuber ved Wien Tekniske Universitet, i husarrest i det ungarske Vitenskapsakademiets bibliotek i Budapest til krigen var over. I Budapest fortsatte han sine astronomiske beregninger som ble fullført i 1919 og publisert i Paris den 7. august 1920.

Milanković syklene

Hans teori er basert på at solinnstrålingen varierer ut fra 3 sykler: jordbanens form med varierende eksentrisitet med en periode på 100 000 år, varierende helning på jordaksen mellom 22,1 og 24,5 grader med en periode på 41 000 år, samt at jordbanen dreier seg om en akse med periode 23 000 år.

Nyere forskning har vist at jordbanens form og presesjonen har flere perioder, som tilsammen lager til et meget komplisert mønster som fører til istider med omkring 100 000 års varighet, avbrutt av mellomistider som varer 10-12 000 år. Dette er beskrevet i vårt hefte «Naturen styrer klima, artikkel 4».

I senere arbeider beregnet Milanković hvordan isbreer kunne minke eller øke på grunn av solinnstråling og viste at solinnstråling ved 65°N var avgjørende for start eller slutt av en istid.

Polvandring og kull på Svalbard

Da kull ble funnet på Svalbard mente han at det støttet Alfred Wegeners teori om at jorda har et flytende indre som kontinentene flyter på slik at Svalbard tidligere hadde vært i et subtropisk område med rik plantevekst.

Kontinentenes vandringer påvirker fordelingen av masse på jordoverflaten, jordas rotasjonshastighet (daglengden) og fører til et avvik mellom retningen til jordas rotasjonsakse og en akse i forhold til rotasjonen av punkter på jordas overflate. Det fører til at et polpunkt definert ut fra posisjonen av landmasser på jorda flytter seg i forhold til den astronomiske eller geografiske polen. Ut fra fordelingen av kontinenter og jordas elastisitet utledet Milanković en ligning for polvandringen som ble publisert i 1932. Siden jordas magnetfelt er knyttet til landmassene kan polvandringen måles ved å følge hvordan de magnetiske poler flytter seg.

Taushet og anerkjennelse

Som det så ofte hender i vitenskapens historie tar det tid å få gjennomslag for nye og banebrytende ideer. Milanković samlet sine mange arbeider i et verk som har den engelske tittel «Canon of Insolation of the Earth and its Application to the Problem of the Ice Ages». Det ble først publisert på tysk i 1944, men teoriene fra både Wegener og Milanković ble stort sett oversett av andre forskere. Først 10 år etter hans død i 1958 ble hans verk oversatt til engelsk og publisert i USA i 1969.

Utviklingen av et nytt fagområde: Paleomagnetisme i 1950- og 1960-årene førte til mulighet for å bestemme hvordan kontinentene og de magnetisk poler har vandret gjennom geologiske epoker. Det viste seg å være mer komplisert enn Milankovićs ligning og førte til dagens teorier om platetektonikk.

Milankovićs teori for istider og klimaendringer som følge av de tre astronomiske sykler fikk sitt gjennombrudd i 1970-årene etter boring i sedimenter i dyphavet og i innlandssjøer. I 1988 ble resultatet av et stort internasjonalt forskningsprosjekt COHMAP publisert i tidsskriftet Science. Her brukte man paleodata fra havbunnen, innsjøer, isbreer, pollen etc. til å rekonstruere klima 18 000 år tilbake i tiden og beregnet atmosfærisk sirkulasjon ved en klimamodell (GCM). Den viste klart at solinnstrålingen har vært den dominerende faktor med tydelige Milianković perioder. Dette er også verifisert av geologer som har funnet Milanković perioder i sedimentære bergarter, også i Norge. Blant annet i vannkanten ved Lysakerfjorden på Fornebu i Bærum i sedimenter som ble avsatt i et hav som eksisterte for 500 millioner år siden. Dette blir tema på Geologiens dag 13. september 2020 hvor det inviteres til en geologivandring langs Lysakerfjorden.

Påfølgende avsnitt er av plasshensyn ikke med i kortversjonen av Klimanytt 285 som distribueres digitalt.

Milankovićs sykler i nyere tid

I det følgende viser jeg noen resultater av beregning av varme fra solen på nordlige breddegrader.
Mindre solvarme siden det Holocene maksimum

Figuren viser beregning av integrert solvarme i sommerhalvåret, dvs fra vårjevndøgn til høstjevndøgn gjennom 13 000 år for. Varmen er angitt i MJ (million joule) pr kvadratmeter og forutsetter skyfri himmel og konstant solutstråling. Vi ser at solvarmen har sunket 100 MJ eller 1.6% siden det Holocene maksimum ca. 7000 år BC. Denne avkjølingen skyldes først og fremst at jordaksen er i ferd med å rette seg opp, noe som fører til en mindre sommervarme og at polarsirkelen vandrer nordover med 14 m/år.

Avkjølingen de siste 8000 årene er tydelig på havtemperaturen utenfor norskekysten slik den er bestemt ved sedimenter ved Vøringeplatået på 65°N. BP betyr tidspunkt før 1950. En enkel sammenligning av de to figurene gir ca. 5 grader avkjøling ved 1,6% mindre solvarme, eller 3 graders avkjøling per prosent solvarme.

Havtemperatur utenfor norskekysten

Avkjølingen motvirkes av økt solaktivitet

Ser vi nøye på figuren ovenfor finner vi et minimum omkring 500BP, dvs ca år 1450 og en svak stigning deretter. Det skyldes økt solinnstråling etter solaktivitets minima 1390-1550 og 1640-1720.

På figuren til ovenfor er variasjonen i solinnstrålingen (rød kurve) lagt til Milanković avkjølingen (sort kurve) for perioden år 0 – 2100.

Vi ser at solvarmen har vokst i 3 perioder siden 1700, men det er ennå et stykke opp til nivået i middelalderen 1100-1200.

Beregningen av sommerens solvarme i figuren i dette avsnittet er gjort av astronom og matematiker Rodolfo Cionco i Argentina etter en moderne efemeride (beregningsmodell) for planetenes bevegelser.

Jordbanens presesjon gir tidligere snøsmelting på 65°

Som følge av jordbanens dreining (presesjonen) er jorda nærmest sola når vi har vinter i nord (for tiden omkring 4. januar), og lengst fra sola om sommeren. Jorda går raskest i sin bane når den er nærmest sola (perihel). Perihelpunktet flytter seg en dag nærmere sommeren pr 57 år. Det fører til mer solinnstråling om våren for (dag 50-150) for 65°N og mindre om sommeren etter år 1248 som vist i figuren nedenfor. Dette fører til tidligere snøsmelting. Når snøen smelter absorberes mer solinnstråling og vi får en tidligere og lengre vår.