| Predrag Bokšić |
| VODIČ KROZ LEDENA DOBA |
| ZA ASTRONOME |
| Uvod |
Ledeno doba je bilo koji hladan period (klimatski) u istoriji planete (geološki period) tokom kojeg su kontinente prekrivali ledeni pokrivači tokom cele godine. Tokom ledenog doba se smanjuje prosečna temperatura i šire se ledeni pokrivači. Danas su stalni ledeni pokrivači koncentrisani tokom cele godine samo na polarnim kapama i kao planinski glečeri. U toku poslednjih nekoliko miliona godina, veliki delovi površine Amerike, Evrope i Azije bi periodično bili pokriveni ledom. Sam izraz „ledeno doba“ se u popularnoj kulturi ponekad upotrebljava za Pleistocen (od pre 1,8 miliona godina do pre 10.000 godina).
Hladni periodi se nazivaju glacijali, a topli periodi interglacijali. Period u kome živimo je interglacijal koji traje oko 11.400 godina [1, 23].
Znanje o ledenim dobima je poteklo verovatno iz narodnih predanja: pećinski crteži sa neobičnim vrstama, biljke koje na neki način nisu pripadale klimatskoj oblasti kakva se danas nalazi na primer, u Evropi. Prvi geografi istraživači su preneli priče u narodu o mestima, geografskim širinama u drevno vreme do kojih su dosezali stalni kopneni ledeni pokrivači - glečeri.
Saznanje o ledenim dobima je živelo među stanovnicima u alpskim oblastima Evrope. Džon i Ketrin Imbri izveštavaju kako se o ovome pisalo u ranom 19. veku u Švajcarskoj i Nemačkoj kao o zapažanju izvesnog gorštaka Žana Pjera Perodena [1]. Ovaj je preneo zapažanje dokle se prostirao glečer Grimsel jednom od istraživača, Žanu de Šarpentjeu (Jean de Charpentier). Šarpentje je sakupljao dokaze od 1825-1833. godine. Inženjer Ignac Venec (Ignatz Venetz) i Šarpentje su 1835. godine ubedili Luja Agasiz (Louis Agassiz) u svoju teoriju. Agasiz je objavio teoriju ledenih doba 1840. godine, pod naslovom “Étude sur les glaciers” (Studija o Glečerima). Ono što su ovi pioniri proučavali su glacijacije tokom poslednjih nekoliko stotina hiljada godina.
U početku je bilo teško pojmiti u prostoru i vremenu prave dimenzije ovih pojava, kao što su glečeri koji pokrivaju veći deo Evrope. Stare mitove je trebalo opovrgnuti i dati budućnosti nove mogućnosti putem pisanja nove istorije daleke prošlosti, jezikom geoloških ili geo-fizičkih svedočanstava. Ledena doba su izazivala kontraverze i obrte još podosta godina. Luj Agasiz je na čuvenom izlaganju svojih hipoteza u Nojšatelu doneo ledena doba naučnoj javnosti [23].
Dokazi postojanja ledenih doba
Dokazi postojanja ledenih doba su se sakupljali više decenija. Glavne grupe dokaza su geološkog, hemijskog i paleontološkog porekla.
Geološki dokazi postojanja ledenih doba podrazumevaju razne oblike izmene reljefa, stena, ogrebotine na stenama, glacijalne morene, izdubljene doline, terase na obalama reka i drugo. Uzastopne glacijacije teže da ponište dokaze iz prethodnih perioda tako da je formiranje geološkog dokaznog materijala potrajalo dugo vremena. Geološka svedočanstva se protežu daleko u prošlost.
Hemijski nalazi se uglavnom sastoje u promenama odnosa izotopa u sedimentnim stenama, sedimentima sa dna okeana i za skorašnja ledena doba, iz sedimentnih ledenih “jezgara” ili vertikalnih šipki izvučenih sa polarnih oblasti pod stalnim ledenim pokrivačem.
Hemijski sastav je katkad teško izučavati zbog toga što biomasa utiče na kontinuitet taloženja izotopa. Najkvalitetnija ledena sedimentna jezgra daju promene temperature tokom nekoliko stotina hiljada godina. Uopšteno, kvalitet uzorka se opisuje debljinom sloja po konstantnom periodu vremena taloženja, gde je deblji sloj bolji sloj. Činioci kvaliteta su ravnomerno taloženje i mogućnost da se datiranje vertikalnih slojeva obavi nezavisno, bez podešavanja vremenske skale na osnovu teorija ledenih doba koje se inače proveravaju (na primer astronomske teorije). Sedimentna jezgra su posebno obrađena tema u narednom poglavlju.
Paleontološka svedočanstva se sastoje iz promena geografske raspodele fosila. Tokom glacijalnog perioda organizmi prethodno adaptirani na hladnu klimu preživljavaju i migriraju prema ekvatoru. Organizmi adaptirani na toplu klimu izumiru. Teškoća u ovom postupku paleontološkog istraživanja je to da su potrebni uzorci (sedimentna jezgra) koji pokrivaju duge vremenske periode, koji potiču sa više geografskih širina, a da pri tome postoji izvesna korelacija među njima. Vrste prastarih organizama koji postoje u kontinuitetu više miliona godina su subjekti ispitivanja, uz uslov da se može odrediti njihovo ponašanje prlikom promene temperature.
Svi kombinovani zahtevi da se ledena doba dokumentuju pouzdano su smanjili broj idealnih uzoraka, rezultirajući u suženom periodu vremena od nekoliko miliona godina u prošlost. Uzorci ovog perioda su najčešće predmet provere astronomskih hipoteza o ledenim dobima, kao u ovom radu [23].
O ledenim dobima u prošlosti Zemlje
Ledena doba su zemaljska pojava koja obuhvata promene prosečne višegodišnje temperature, zapremine stalnih ledenih pokrivača, kretanja vazdušnih i okeanskih struja, i sastava atmosfere u klimatskom sistemu. U svrhu pojednostavljenja, ledena doba se opisuju najčešće prosečnom temperaturom klime, zapreminom leda u ledenim pokrivačima i koncentracijom ugljen-dioksida u atmosferi.
U bliskoj prošlosti su postojala četiri velika ledena doba. Osim tokom tih perioda, Zemlja je pretežno bila bez velikih ledenih pokrivača. Huronsko ledeno doba se desilo između 2.700 miliona godina i 2.300 miliona godina u prošlosti – u Proterozoiku. Najekstremnije ledeno doba se desilo pre 850 do 630 miliona godina (Kriogensko doba). Postoje hipoteze koje tvrde da je tokom Kriogenskog perioda svetski okean bio zaleđen. Ovo razdoblje se završilo naglo povratkom vodene pare u atmosferu. Pre 580 miliona godina došlo je do nagle evolucije i širenja života na Zemlji.
Umerenije Andsko-saharsko ledeno doba je trajalo od pre 460 do 430 miliona godina (Ordovicijum, Silur). Pre 350 do 260 miliona godina tokom Karbona i Perma polarne kape su se periodično širile (Karu ledeno doba).
Zemlja je u proseku tokom većeg dela svog postojanja bila toplija nego danas. Sadašnje veliko ledeno doba je započelo pre 40 miliona godina sa rastom ledenog pokrivača na Antarktiku. Pojačalo se tokom kasnog Pliocena, pre oko 3 miliona godina kada su se ledeni pokrivači raširili na severnoj hemisferi. Ledeno doba se zatim nastavilo tokom Pleistocena. Od tada su se dešavali ciklusi glacijacija okarakterisani sa periodama reda veličine 40.000 i 100.000 godina. Poslednji glacijal se okončao pre približno 10.000 godina.
Manja ledena doba su podeljena i imenovana prema geografskim oblastima gde su otkrivana i vremenima kada su se zbivala. Ris i Vurm (Riss, Würm) se na primer, vezuju za alpsku oblast i epohe od pre 180.000 do 130.000 godina, i od 70.000 do 10.000 godina u prošlosti. Ovaj poslednji period je u Severnoj Americi poznat kao Viskonsinska glacijacija. Tokom ovih doba led bi se delimično povlačio ili napredovao, brišući tragove prethodne glacijacije.
Tokom jednog ledenog doba postoje glacijalni periodi, suvi i hladni, sa nižom nadmorskom visinom na kojoj se javljaju planinski glečeri. Očekuje se da sadašnji interglacijal ili topli period poznat pod imenom Holocen, potraje još 50.000 godina (Berger, Loutre). Prethodni interglacijal je trajao oko 28.000 godina [23].
Uzrok ledenih doba se traži kroz multidisciplinarne studije. Jedna grana koja se tiče ovog diplomskog rada je astronomija. Najjednostavniji odgovor na to šta je uzrok ledenim dobima potiče od izvora energije na Zemlji, a to je od Sunca.
Osunčavanje je definisano kao energija zračenja sa Sunca koja pada na određenu horizontalnu površinu na Zemlji u jedinici vremena. Osunčavanje zavisi od: (1) solarne konstante kao količine dolazne energije na jediničnoj površini na vrhu atmosfere, na koju Sunčevi zraci padaju pod normalnim uglom u jedinici vremena (tj. fluksa energije); od (2) razdaljine do Sunca, od (3) promena na Suncu (pege), od (4) visine Sunca (ugla) nad horizontom, (5) procenta upadnog zračenja koje se vrati sa vrha atmosfere nazad u svemir, (6) procenta apsorbovanog zračenja u atmosferi, i (7) procenta odbijenog zračenja sa površine Zemlje (albedo). Osunčavanje se kao i solarna konstanta, najčešće izražava u vatima po kvadratnom metru. Vrednost solarne konstante je procenjena na 1368 W/m2. Na srednjim geografskim širinama prosečna letnja vrednost osunčavanja je 340 W/m2, dok kada je oblačno, iznosi samo 120 W/m2 [54].
Promene osunčavanja su glavni astronomski faktor klimatkih promena (ili “forsiranja klimatskih promena”). Pojam forsiranja (forcing) potiče iz numeričkih metoda rešavanja diferencijalnih jednačina promena neke fizičke veličine u vremenu. Svaki novi, nehomogeni član sa desne strane bi nazivali forsiranjem, ili dopunskim uticajem promene fizičke veličine i sistema. Promene neke fizičke veličine se mogu nazvati “variranje”. Istraživači teže da nazivaju sve mehanizme koji mogu da objasne efekte tih promena “forsiranje”. U ovom radu se na primer, “forsiranje osunčavanja” shvata jednostavno kao faktor koji utiče na promenu prosečne temperature na Zemlji. “Forsiranje” naglašava da postoji fizički proces koji utiče na klimu.
Sjaj Sunca se tokom više milijardi godina povećavao. Takođe, tokom više milijardi godina pomeranje kontinenata, vulkanska aktivnost i promene reljefa i okeana su učinili ceo problem ledenih doba složenijim. Ledena doba u dalekoj prošlosti su znatno drugačija nego ona u bliskoj prošlosti. Zato je u ovom istraživanju problem ledenih doba u dalekoj prošlosti obrađen kao poseban problem na velikim razmerama vremena. Na takvim razmerama, glavni astronomski faktor promene klime je promena sjaja Sunca.
Pojave koje menjaju kosmičku klimu svemirskog okruženja Zemlje su kosmička prašina i kosmički zraci. Kretanje oko centra galaksije Mlečni put na velikim razmerama prostora i vremena može da ima uticaja na klimu na Zemlji. Drugi uzročnici promena klime su sastav atmosfere, tla, geohemijske reakcije, vulkanizam, kretanje tektonskih poloča, udari malih nebeskih tela, izgled Sunčevog sistema itd.
Tokom poslednjih 5,5 miliona godina sjaj Sunca je približno konstantan. U toku ovog perioda, glavni astronomski uzrok ledenih doba je periodična promena orbitalnih karakteristika Zemlje. Sa druge strane, veruje se da je opšte uzev važniji faktor haotična priroda klimatskog sistema. Više osobina ciklusa ledenih doba ostaje nerazjašnjeno.
U poslednjih nekoliko vekova je primećeno da se ciklus pega na Suncu (“Sunčev ciklus aktivnosti”) podudara sa promenama prosečne temperature. Najizraženiji primer je “malo ledeno doba” – pojam uveden za zahlađenje koje je trajalo od 1645. do 1715. godine nove ere u Evropi. Promene osunčavanja zbog promena Zemljine orbite tokom nekoliko vekova su zanemarive. Osunčavanje se pak menja u skladu sa ciklusom pega. Ove promene mogu da objasne varijacije temperature unutar jednog ledenog doba.
Uticaj plimskih talasa Meseca dovodi do pomeranja okeana i kopna, usled čega se može pronaći udeo plimskih talasa u klimi.
Elementi klimatskog sistema koji deluju kao pojačivači ledenih doba ubrajaju se u faktore pozitivne povratne sprege. Drugi unutrašnji elementi ili procesi, pojave, koje deluju na slabljenje ili slabiju izraženost ledenih doba se ubrajaju u faktore negativne povratne sprege.
Koncentracije gasova staklene bašte rastu sa povlačenjem ledenih pokrivača, i padaju sa nadolaženjem leda. Uzrok i posledicu je teško ustanoviti. Ugljen-dioksid je direktno povezan sa ledenim dobima. Rast i pad koncentracije ugljen-dioksida u atmosferi se odlično podudara sa rastom i padom prosečne temperature kroz epohe ledenih doba. Kao gas staklene bašte, ponaša se kao faktor negativne povratne sprege koji povišava temperaturu. Geohemijske reakcije tla sa ugljen-dioksidom i procesi u vezi sa živim organizmima mogu da pretvore ugljen-dioksid u faktor pozitivne povratne sprege iznad određene koncentracije, pri čemu dolazi do ravnoteže u proizvodnji i uklanjanju ugljen-dioksida i pada koncentracije u atmosferi.
Sneg i led povišuju albedo Zemlje, čime Zemlja odbija više, a apsorbuje manje energije Sunčevog zračenja. Okeani apsorbuju i transportuju energiju bolje. Odnos albeda okeana i leda je 20% na prema 80%. Smanjenje površine šume takođe povećava albedo.
Stepen isparavanja je veći nad okeanom bez ledenog pokrivača. Odavde se mogu formirati padavine koje će formirati sneg i led nad polarnim oblastima.
Okeanske struje menjaju tok za vreme ledenog doba i energija se transportuje na neku drugu geografsku širinu ili posve novu oblast na planeti [23].
Činioci koji učestvuju u radu klimatskog sistema su često nelinearni. Uzroci ledenih doba složeni ili nepoznati, ostaju kontraverzno pitanje. Ostali uzroci uključuju transport energije vetrovima i okeanskim strujama, oluje na Suncu, komete. Pošto je model klime najsloženiji ikad izgrađivan model u nauci, i uopšte zbog obima svi ti činioci su zanemareni u prilog jednostavnog astronomskog izlaganja [55].
Opisujuću periodičnost promena temperature ili klimatskih epoha, u tekstu nalazimo izraze “ciklusi”, “periodi”, “periode” u godinama ili “frekvencije” jednom po određenom broju godina.
