Jorden befinner sig för närvarande i vad klimatologer kallar en mellanglacial period, en varm puls mellan långa, kalla istiden när glaciärer dominerar vår planets högre breddgrader. Under de senaste miljoner åren har dessa glacial-interglaciala cykler har upprepats ungefär på en 100, 000-årig cykel. Nu har ett team av forskare från Brown University en ny förklaring till den tidpunkten och varför cykeln var annorlunda innan för en miljon år sedan.

Med hjälp av en uppsättning datasimuleringar, forskarna visar att två periodiska variationer i jordens bana kombineras på en 100, 000-årig cykel för att orsaka en expansion av havsisen på södra halvklotet. Jämfört med öppet havsvatten, att is reflekterar mer av solens strålar tillbaka till rymden, vilket minskar mängden solenergi som planeten absorberar. Som ett resultat, den globala temperaturen kyls.

"De 100, 000-årstiden för is-interglaciala perioder har varit svår att förklara, "sa Jung-Eun Lee, en biträdande professor i Brown's Department of Earth, Miljö- och planetstudier och studiens huvudförfattare. "Det vi kunde visa är vikten av havsis på södra halvklotet tillsammans med orbitalkrafter för att sätta takten för glacial-interglacialcykeln."

Forskningen publiceras i tidskriften Geofysiska forskningsbrev .

Bana och klimat

På 1930 -talet, Den serbiska forskaren Milutin Milankovitch identifierade tre olika återkommande förändringar i jordens banmönster. Var och en av dessa Milankovitch -cykler kan påverka mängden solljus som planeten får, som i sin tur kan påverka klimatet. Förändringarna går igenom varje 100, 000, 41, 000 och 21, 000 år.

Problemet är att 100, 000-årscykeln ensam är den svagaste av de tre i den grad den påverkar solstrålning. Så varför den cykeln skulle vara den som sätter takten i glacialcykeln är ett mysterium. Men den här nya studien visar mekanismen genom vilken 100, 000-års cykel och 21, 000-årig cykel arbetar tillsammans för att driva jordens glaciala cykel.

21, 000-årig cykel behandlar precession-förändringen i orienteringen av jordens lutande rotationsaxel, som skapar jordens skiftande årstider. När norra halvklotet lutar mot solen, det får mer solljus och upplever sommar. På samma gång, södra halvklotet lutas bort, så det får mindre solljus och upplever vintern. Men riktningen som axeln pekar långsamt ändras - eller föregår - med avseende på jordens bana. Som ett resultat, positionen i omloppsbana där årstiderna förändras migrerar något från år till år. Jordens bana är elliptisk, vilket betyder att avståndet mellan planeten och solen ändras beroende på var vi befinner oss i den orbitala ellipsen. Så precession betyder i grunden att årstiderna kan inträffa när planeten är närmast eller längst bort från solen, eller någonstans däremellan, vilket ändrar säsongernas intensitet.

Med andra ord, precession orsakar en period under 21, 000-års cykel när sommar på norra halvklotet händer ungefär när jorden är närmast solen, vilket skulle göra de somrarna lite varmare. Sex månader senare, när södra halvklotet har sin sommar, jorden skulle vara längst bort från solen, gör somrarna på södra halvklotet lite svalare. Var 10:e, 500 år, scenariot är motsatsen.

När det gäller den genomsnittliga globala temperaturen, man kanske inte förväntar sig att precession spelar någon större roll. Vilket halvklot som är närmare solen på sommaren, det andra halvklotet kommer att vara längre bort under sin sommar, så effekterna skulle bara tvätta sig själva. Dock, denna studie visar att det verkligen kan påverka den globala temperaturen om det finns en skillnad i hur de två halvklotet absorberar solenergi - vilket det finns.

Den skillnaden har att göra med varje halvklotets förmåga att odla havsis. På grund av kontinenternas upplägg, det finns mycket mer utrymme för havsis att växa på södra halvklotet. Havet på norra halvklotet avbryts av kontinenter, vilket begränsar i vilken utsträckning is kan växa. Så när precessionscykeln orsakar en rad svalare somrar på södra halvklotet, havsis kan expandera dramatiskt eftersom det är mindre sommarsmältning.

Lees klimatmodeller förlitar sig på den enkla idén att havsis reflekterar en betydande mängd solstrålning tillbaka till rymden som normalt skulle absorberas i havet. Den reflektionen av strålning kan sänka den globala temperaturen.

"Det vi visar är att även om den totala inkommande energin är densamma under hela precessionscykeln, mängden energi som jorden faktiskt absorberar förändras med presession, "Sade Lee." Den stora södra hemisfäriska havsisen som bildas när somrarna är svalare minskar den absorberade energin. "

Men det lämnar frågan om varför precessionscykeln, som upprepas varje 21, 000 år, skulle orsaka 100, 000-årig glacialcykel. Svaret är att 100, 000-årig orbitalcykel modulerar effekterna av precessionscykeln.

100, 000-årscykeln handlar om excentriciteten i jordens bana-det vill säga i vilken utsträckning den avviker från en cirkel. Under en period av 100, 000 år, orbitalformen går från nästan cirkulär till mer långsträckt och tillbaka igen. Det är bara när excentriciteten är hög - vilket betyder att banan är mer elliptisk - som det finns en signifikant skillnad mellan jordens längsta punkt från solen och dess närmaste. Som ett resultat, det är bara en stor skillnad i säsongernas intensitet på grund av presession när excentriciteten är stor.

"När excentriciteten är liten, precession spelar ingen roll, "Sade Lee." Precision spelar bara roll när excentriciteten är stor. Det är därför vi ser en starkare 100, 000-årstakt än 21, 000-årig takt. "

Lees modeller visar att med hjälp av hög excentricitet, svala södra halvklotets somrar kan minska med så mycket som 17 procent mängden sommarstrålning som absorberas av planeten över latitud där skillnaden i havsfördelning är störst - tillräckligt för att orsaka betydande global kylning och potentiellt skapa rätt förutsättningar för en is ålder.

Förutom strålreflektion, det kan finnas ytterligare kylåterkopplingar som startas av en ökning av södra havsisen, Säger Lee och hennes kollegor. Mycket av koldioxiden - en viktig växthusgas - som andas ut i atmosfären från haven kommer från det södra polarområdet. Om den regionen till stor del är täckt av is, det kan hålla den koldioxiden som ett lock på en läskflaska. Dessutom, energi strömmar normalt från havet för att värma atmosfären också på vintern, men havsis isolerar och minskar detta utbyte. Så att mindre kol och mindre energi överförs mellan atmosfären och havet bidrar till den kylande effekten.

Förklarar ett skift

Fynden kan också hjälpa till att förklara ett förvirrande skifte i jordens glaciala cykel. Under de senaste miljoner åren eller så, 100, 000-årig glacialcykel har varit den mest framträdande. Men innan för en miljon år sedan, paleoklimatdata tyder på att taket i glacialcykeln var närmare cirka 40, 000 år. Det tyder på att den tredje Milankovitch -cykeln, som upprepas varje 41, 000 år, var dominerande då.

Medan precessionscykeln behandlar vilken riktning jordens axel pekar, 41, 000-års cykel handlar om hur mycket axeln lutar. Lutningen - eller snedställningen - ändras från minst cirka 22 grader till högst cirka 25 grader. (Det är 23 grader för tillfället.) När snedställningen är högre, var och en av polerna får mer solljus, som tenderar att värma planeten.

Så varför skulle skråningscykeln vara den viktigaste före en miljon år sedan, men blivit mindre viktig på senare tid?

Enligt Lees modeller, det har att göra med att planeten generellt sett varit svalare under de senaste miljoner åren än den var innan dess. Modellerna visar att när jorden i allmänhet var varmare än idag, precessionsrelaterad havsutvidgning på södra halvklotet är mindre sannolikt. Det gör att skråningscykeln kan dominera den globala temperatursignaturen. Efter en miljon år sedan, när jorden blev lite svalare i genomsnitt, oblique -signalen börjar ta en baksida till precessions-/excentricitetssignalen.

Lee och hennes kollegor tror att deras modeller presenterar en stark ny förklaring till historien om jordens glacialcykel - förklarar både det senaste tempot och den förvirrande övergången för en miljon år sedan.

När det gäller glacialcykelns framtid, det är fortfarande oklart, Säger Lee. Det är svårt att förutse hur mänskliga bidrag till jordens växthusgaskoncentrationer kan förändra framtiden för jordens istid.