Predrag Bokšić

VODIČ KROZ LEDENA DOBA

ZA ASTRONOME

SADRŽAJ VODIČA

Zaključak

Put zasnivanja i dokazivanja naučne teorije ledenih doba je trajao 200 godina, i traje i danas. Uzbudljiv prikaz istorije koji su nam ponudili Džon i Ketrin Imbri sledi u skraćenoj formi.

1815. Žan Pjer Peroden pronalazi tragove davnašnjeg prostiranja glečera u Švajcarskoj.

1818. Injas Venec sreće gorštaka Perodena koji mu je ispričao o prostiranju glečera.

1836. Žan de Šerpantije in Injas Venec tokom terenskog istraživnja u Alpima ubeđuju Luja Agasiza da su mnoge odlike reljefa u prošlosti nastale radom glečera.

1837. Na sastanku Švajcarskog prirodnjačkog društva u Nojšatelu, Luj Agasiz najavljuje teoriju o velikom ledenom dobu.

1839. Timoti Konrad upotrebljava Agasizovu teoriju da objasni površinske sedimentne nanose u severnoj Americi.

1840. Luj Agasiz ubeđuje Vilijama Baklenda da su površinski nanosi u Velikoj Britaniji glečerskog porekla. Baklend zatim upoznaje Čarlsa Lajela sa ovim.

1841. U Škotskoj, Čarls Meklaren nastoji da dokaže da je nivo mora za vreme ledenog doba bio 250 metara niži nego danas.

1842. U Francuskoj, Žozef Ademar predlaže astronomsku teoriju o ledenom dobu zasnovanu na precesiji ravnodnevičnih tačaka.

1843. Francuski astronom Irben Leverije razvija obrasce za izračunavanje promena u Zemljinoj orbiti u prošlosti i rekonstruiše istoriju orbite u toku proteklih 100.000 godina.

1863. Arčibald Gejki sakuplja dokaze da su površinski nanosi u Škotskoj glečerskog porekla.

1864. U Škotskoj, Džejms Krol objavljuje astronomsku teoriju o ledenim dobima zasnovanu na precesiji i promenama ekscentriciteta orbite Zemlje.

1865. Pomoću nekadašnjih položaja obale  Škotske, Tomas Džejmison nastoji da dokaže da je težina pleistocenskih ledenih pokrivača bila dovoljna da potisne površinu zemlje ispod leda.

1870. U Americi, Grouv Gilbert pokazuje da je Veliko slano jezero ostatak mnogo većeg jezera koje je tokom poslednjeg ledenog doba pokrivalo celu oblast.

1871. Ejmos Vorten pokazuje da je državu Ilinois u prošlosti zahvatilo više od jednog ledenog doba.

1874. Džejms Gejki, sradnik Geološke službe u Škotskoj objavljuje pregled informacija o pleistocenskim ldenim dobima.

1875. Naučnici sa broda “Istraživač” donose sa okeanografske ekspedicije prve uzorke okeanskih sedimenata.

1894. Džejms Gejki kao profesor geologije u Edinburgu objavljuje karte ledenih pokrivača Severne Amerike, Evrope i Azije za vreme pleistocenskih ledenih doba.

Džejms Dejna sa univerziteta Jejl odbacuje Krolovu astronomsku teoriju na osnovu činjenice da se poslednji ledeni pokrivač povukao pre 10.000 godina, a ne pre 80.000 godina.

1904. U Nemačkoj, Ludvig Pilgrim izračunava promene nagiba Zemljine ose rotacije, ekscentriciteta i precesije u toku poslednjih milion godina.

1906. Bernar Brines ispitivajući lavu u Francuskoj pronalazi obrtanje magnetnih polova (reverzija).

1909. Albreht Penk i Eduard Brikner rekonstruišu sukcesiju pleistocenskih ledenih doba pomoću rečnih terasa.

1920. Milutin Milanković objavljuje obrasce za izračunavanje osunčavanja kao funkcije geografske širine i godišnjeg doba. Tvrdi da su ledena doba posledica intenziteta osunčavanja u prošlosti.

1924. U Nemačkoj, Vladimir Kepen i Alfred Vegener objavljuju tri krive koje je izračunao M. Milanković i koje su osnova njegove teorije. Krive pokazuju promene u osunčavanju na geografskim širinama 55, 60, 65 stepeni tokom 650.000 godina.

1929. Motonori Matujama u Japanu i Koreji nalazi dokaze da je u toku pleistocenske epohe dolazilo do reverzije magnetnih polova.

1930. Bartel Eberl razrađuje Penkovu i Briknerovu šemu istorije ledenih doba u pleistocenu i nalazi dokaze za Milankićevu teoriju na alskim rečnim terasama.

1935. Volfgan Šot pronalazi tragove poslednjeg ledenog doba u kratkom sedimentnom uzorku sa dna ekvatorijalnog Atlantika koji se sakupio brod „Meteor” nemačke ekspedicije

1938. Milanković objavljuje konačnu verziju teorije ledenih doba. Prema savetu Kepena, navodi da je glavni uzrok stepen letnjeg osunčavanja na visokim geografskim širinama. Ove promene su rezultat promena u nagibu rotacione ose Zemlje (41.000 godina), i ciklusa precesije (ciklus 22.000 godina). Uzimajući u obzir i promene količine odbijene svetlosti sa Zemlje, izračunao je kako se menjao geografski položaj granica ledenih pokrivača tokom milion godina.

1947. Harold Uri na univerzitetu u Čikagu objavljuje teoriju o izotopu kiseonika.

U Švedskoj, Bjorn Kulenberg konstruiše klipni mehanizam za vađenje jezgara sa dna okeana. Švedska ekspedicija upotrebljava izum za vađenje uzoraka.

1951. Vilard Libi u Čikagu razvija metodu za određivanje starosti na osnovu radioaktivnog ugljenika ¹⁴C.

Semjuel Epstajn i saradnici na univerzitetu u Čikagu razvijaju postupak za izračunavanje prošlih temperatura okeana pomoću Urijeve teorije o izotopima.

1952. U Skripsovom okeanografskom institutu, Gustav Arenijus dokazuje da promene u hemijskom sastavu dubokomorskih jezgara iz švedske ekspedicije odslikavaju promene u klimi.

1953. Ingo Šefer u šljunku alpskih terasa pronalazi fosile koji su u suprotnostima sa redosledoma ledenih doba prema Penku i Brikneru.

Fred Fleger i saradnici u Skripsovom institutu naloaze paleontološke dokaze o devet ledenih doba pomoću uzoraka sa dna Atlantskog okeana.

1955. Čezare Emilijani u Čikagu otkriva da fluktuacije izotopa kiseonika u sastavu foraminifera predstavljaju svedočanstvo o sedam ldenih doba. Procenjuje da glavni period traje 40.000 godina.

1956. Džon Barns i njegovi saradnici u laboratoriji Los Alamos razvijaju metodu izotopa torijuma za određivanje starosti korala.

1961. Georg Kukla i Vojen Ložek sa čehoslovačke akademije nauka pokazuju da naizmenični slojevi zemlje i lesa u delovima srednje Evrope koji nisu bili prekriveni ledom sadrže svedočanstva o pleistocenskoj klimi.

1963. Alan Koks i kolege iz Geološke službe SAD dokazuju istovremenost geomagnetnih reverzija i sastavljaju paleomagnetnu vremensku skalu.

1964. Kristofer Harison i Brajan Fanel iz Skripsovog instituta pronalaze tragove geomagnetne reverzije.

Garnis Kartis, Džek Evernden i saradnici sa kalifornijskog univerziteta pokazuju da se metodom kalijuma i argona može odrediti starost pleistocenskih dogaja.

1965. U Lamont geološkoj opservatoriji, Džejms Hejs koristi fosile radiolarija pri rekonstruisanju pleistocenske istorije Artičkog okeana.

Valas Breker nastoji da dokaže da interglacijalni nivoi mora na 80.000 i 120.000 godina o kojima se zna metodom torijuma, u stvari idu u prilog Milankovićeve teorije.

1966. Čezare Emilijani na Institutu za proučavanje mora u Majamiju analizira jezgro iz Karipskog mora i razvija vremensku skalu koja pokazuje glavni klimatski ciklus od 50.000 godina.

1966. Robli Metjus i Kenet Mesolela sa univerziteta Braun dokazuju da su nekadašnji koralni grebeni formirali terase na ostrvu Barbados odakle sledi veza nivoom mora i sa ledenim dobima.

1967. Nikolas Šeklton u Kembridžu objavljuje nalaze koji ukazuju na paralelu varijacija izotopa kiseonika i zapremine ledenih pokrivača.

Džofri Dikson na brodu „Robert Konrad” geološke opservatorije Lamont uzima jezgra sa dna indijskog okeana.

Džejms Hejs i Nil Apdajk datiraju klimatske događaje prema jezgrima iz Antarktičkog okeana pomoću skale geomagnetnih reverzija.

1968. Valas Breker, Robli Metjus i kolege sa Braun i Kolumbija univerziteta izveštavaju o starosti tri terase sa Barbadosa pomoću metode torijuma. Ovo se poklapa sa predviđanjima nove izmenjene verzije Milankovićeve teorije.

Georg Kukla i kolege sa čehoslovačke akademije nauka koriste paleomagnetnu vremensku skalu da pokažu da je glavni ciklus klime od 100.000 godina.

1970. Valas Breker i Jan van Donk pokazuju da perioda glavnog klimatskog ciklusa utvrđena metodom izotopa u karipskom moru traje 100.000 godina.

1971. Vilijam Radimen iz mornaričkog okeanografskog biroa SAD koristi paleomagnetnu skalu da pokaže da promene toka atlantskih struja odgovaraju ciklusu od 100.000 godina.

Džon Led sa broda “Vema” uzima jezgra sa dna ekvatorijalnog Pacifika.

Džejms Hejs na Lamont-Doerti opservatoriji i Vilijem Bergen sa okeanografskog instituta Vuds Hol povezuju granicu pliocen/pleistocen sa Olduvai magnetnom epizodom odakle sledi da je epoha pleistocena trajala 1.8 miliona godina.

Norman Votkins sa broda “Eltanin” nacionalne fondacije za nauku SAD uzima sa dna južnog indijskog okeana jezgra.

Na univerzitetu Braun Džon Imbri i Nilva Kip razvijaju statističku metodu za procenjivanje temperatura pleistocenskih okeana na osnovu mikrofosilnih vrsta i upotrebljavaju spektralnu analizu podataka o izotopskom sadržaju u flori i fauni iz karipskih jezgara.

Nacionalna fondacija za nauku SAD pokreće projekat CLIMAP za pronalaženje globalnog svedočanstva o pleistocenskoj klimi na osnovu dubokomorskih jezgara.

1972. Anandu Vernekar sa univerziteta u Merilendu izračunava kako su se geometrija Zemljine orbite i intenzitet osunčavanja menjali tokom dva miliona godina i kako će se menjati u toku narednih 100.000 godina.

Nikolas Šeklton i Nil Updajk sastavljaju vremensku skalu klimatskih događaja u toku 700.000 godina pomoću geomagnetnih i izotopskih svojstava u pacifičkom jezgru. Faze u promeni izotopa kiseonika pokazuju zapremine ledenih pokrivača.

1975. Georg Kukla u Lamont-Doerti opservatoriji objedinjuje dokaze protiv šeme Penka, Briknera i Eberla.

1976. Džejms Hejs, Džon Imbri, Nikolas Šeklton na projektu CLIMAP, izvode spektralnu analizu uzoraka iz indijskog okeana  i utvrđuju da su glavne klimatske promene u proteklih 500.000 godina pratile promene nagiba Zemljine ose rotacije i precesije prema predviđanjima astronomske teorije [1].

Izračunavanje kriva osunčavanja

 

Pronađimo fluks zračenja sa Sunca po jedinici površine na rastojanju Zemlje.

“Fluks” znači snaga ili protok energije u sekundi normalno kroz neku površinu. Energija se prima od svitanja do sumraka - tokom obdanice. Osunčavanje se menja u svakom trenutku obdanice u zavisnosti od visine Sunca nad horizontom. Deklinacija Sunca zavisi od dana u godini i menja se od -23^o 27’ (najkraći dan) do +23^o 27’ (najduži dan). Stoga za svaki dan u godini postoji karakterističan dnevni put Sunca i karakteristični ukupni (integrisani) dnevni fluks [2].

Neka su dati solarna konstanta =1368 W/m², geografske koordinate mesta na kome se merenje vrši ,  i deklinacija Sunca .

Zanemarimo za početak ekstinkciju zračenja u atmosferi. Osunčavanje (u vatima po kvadratnom metru) na toj geografskoj lokaciji zavisi od visine Sunca (a) nad horizontom:

 Sa slike 10.1 pomoću nautičkog trougla i kosinusne teoreme dolazimo direktno do sledećeg odnosa:

Slika 10.1 Nebeska sfera i nautički trougao. P označava severni nebeski pol, Q južni pol, debela polukružna linija je lokalni meridijan, Z zenit, PN je geografska širina posmatrača , X položaj objekta – u našem slučaju Sunca, O je centar sfere, HA je časovni ugao (“hour angle) h, A je azimut, z je zenitna daljina, AX je visina Sunca nad horizontom a, N je pravac severa, W zapada, S juga, XB je deklinacija Sunca [41].

Funkcija osunčavanja bez ekstinkcije u bilo kom trenutku u toku obdanice je:

Ukupno dnevno osunčavanje (obično u jedinicama kWh/m²) se može zapisati kao:

Časovni ugao se može beležiti u uglovima od 0^o do 360^o polazeći od lokalnog meridijana PZSQ (slika 10.1) u pravcu zapada. Takođe, časovni ugao je pogodno računati u satima zvezdanog vremena. Ako se izlazak Sunca dešava u -7^h 30^min, prolaz kroz lokalni meridijan je u nula časova, zalazak je onda u 7^h 30^min (po ovoj konvenciji, podne je vreme kada nastupa novi dan za astronome). Vreme trajanja obdanice se može proceniti na absolutnu vrednost časovnog ugla Sunca pri izlasku puta dva. Drugim rečima, neka zvezda koja izlazi sa istočne strane lokalnog meridijana, zalazi simetrično u odnosu na ravan meridijana na zapadu. Sunce se ponaša približno kao i druge zvezde u toku jednog dana izlazi i zalazi paralelno kao i druge zvezde na nebu. Zanemarujući kretanje Sunca među nepokretnim zvezdama deklinacija Sunca tokom jednog dana ostaje približno konstanta.

U trenutku svitanja (kao i sumraka) Sunce je na horizontu, visina Sunca nad horizontom (a) je nula, a zenitna daljina ZX je 90^o. Časovni ugao Sunca je tada h₀.

Tokom godine se deklinacija Sunca menja od -23,45^o (najkraćeg dana u godini) do +23,45^o (najdužeg dana u godini).

Dakle, trajanje obdanice je približno 2 mereno časovima zvezdanog vremena. Vreme t u časovima je:

Ugao treba predstaviti u radijanima i zameniti 360^o sa 2π radijana. Ovaj korak je neophodan zbog definicija jedinica energije i fluksa koje su zasnovane na radijanu.

Sada su svi poznati elementi spremni da se napiše funkcija osunčavanja bez ekstinkcije i demonstrira računanje ukupnog osunčavanja tokom jednog dana.

Ovaj integral možemo rešiti tako što najpre uočavamo da postoji samo jedna promenljiva h. Dakle, funkcija od h unutar zagrade je oblika:

Konstanta1 + Konstanta2 * cos (Konstanta3 * h)

Integral zbira je jednak zbiru integrala, pa tako ostaje samo da primenimo pravilo:

Uzmimo sada slučaj sa ekstinkcijom Sunčevog zračenja u atmosferi Zemlje. Kada je Sunce nisko pri horizontu, debljina sloja atmosfere kroz koji putuje svetlost je značajna i sjaj Sunca se smanjuje [2]. Neka je k onaj deo maksimalnog trenutnog fluksa zračenja koje dopire do površine Zemlje kada je Sunce u zenitu (od nula do jedan, gde jedinica označava prijem zračenja bez ekstinckije). Osunčavanje je tada:

Problem pronalaženja ukupnog dnevnog osunčavanja postaje:

U tom slučaju ovaj integral nije moguće rešiti u zatvorenom obliku, već numeričkim metodama (slika 10.2). Podsetimo se da računanje ukupnog godišnjeg osunčavanje ima drugačiji oblik jer se deklinacija Sunca menja tokom godine. (Napomena o jedinicama mera. Jedinica za energiju Džul [J] = [kg m² s^-2] = 2.7778 ×10⁻⁷ [kWh])

Slika 10.2 Grafici funkcija osunčavanja tokom godine za razne geografske širine [2].

 

 

SADRŽAJ VODIČA | Prehodna | Sledeća