| Predrag Bokšić |
| VODIČ KROZ LEDENA DOBA |
| ZA ASTRONOME |
Povezivanje orbitalnih parametara sa glacijalnim terminacijama pokazuje da veza mora biti nelinearna. Terminacije verovatno pokreće veoma visok nagib ose. Prema Imbrijevom modelu, terminacija se dešava u vreme pozitivne faze promene nagiba. Pajarov model (Paillard) funkcioniše s tvrdnjom da prelaz iz punog glacijala u interglacijal nastupa kada se postigne granični nivo osunčavanja (tzv. “granični uslov”).
Ledeni pokrivači se obično sporo akumuliraju, a lako tope što pokazuje karakterističan strm, testerast oblik krive promene temperature tokom Pleistocena. Topljenje stalnih ledenih pokrivača je ubrzano zbog erozije. Kada jednom nastanu pukotine u ledu, voda prodire u pukotine i deluje dvojako na eroziju. Sa jedne strane u hladnim uslovima voda može privremeno da se zamrzne unutar vertikalnih pukotina i raširi se. Sa druge strane, pod pritiskom u pukotinama ispod leda postoji sloj tečne vode na kome gornji delovi glečera mogu da klize i ubrzano se odvajaju od glavne formacije, pomerajući se ka nižoj nadmorskoj visini ili prosto se odvajajući prema pučini okeana.
Terminacije se dešavaju svakog drugog ili trećeg ciklusa nagiba ose, što nas podseća na to da klimatski ciklus u najjednostavnijem slučaju poseduje dužu periodu nego ciklus nagiba. Imbrijev model predviđa produžavanje vremena (klimatskog ciklusa) zahvaljujući sporoj akumulaciji glečera sve do erozivnih, ablativnih događaja kojima se glečer raspada, gubi delove. Pajarov model slično tome, započinje prelaz iz glacijala u pun glacijal kada se stvori kritična akumulacija glečera, nakon 2, 3 ciklusa nagiba. Dakle, ono što izgleda kao neslaganje između astronomskog uticaja i direktnog rezultata u pojavi terminacija (ili već nekih presudnih granica ledenih doba) se može “namestiti” podešavajući koja zapremina leda treba da se javi pri sporoj akumulaciji, pa da se desi terminacija.
Ponovna, povremena ili epizodna glacijacija nastupa u nekoliko stepenika koji su dobro dokumentovani u kopneno-morskim terasama, kao na primer koralnim grebenima kod Barbadosa. Pajarov model recimo, ispoljava epizode glacijacije postavljajući specifična klimatska stanja u ta vremena i zatim puštajući proces modela-algoritma da uspostavi novu fazu zahlađenja. Algoritam prolazi kroz nekoliko ciklusa koje sistem treba da zapamti, odnosno zapamti prethodno stanje. Imbrijev model topi led brzo, da bi nakon konačnog vremenskog koraka prikazao sledeće stanje u funkciji prethodnog. Bez brzog topljenja algoritam bi se zaustavio na zadatoj granici koja definiše terminaciju na određeni način (recimo preko temperature i zapremine leda), zbog konačnog vremenskog koraka u kome se izvršava izračunavanje koji bi preskočio preko terminacije. Ablativne događaje su Ketrin i Džon Imbri na sličan način priključili svom modelu ledenih doba, pa kritike tog modela služe za formiranje naslednika.
Hujbers je uočio osetljivu razliku između dva moguća scenarija - ablativnih događaja koji su učestali, podjednake magnitude, i scenarija sporih, kumulativnih glacijacija praćenih brzim, ablativnim događajima svaka dva, tri ciklusa nagiba ose. U jednom scenariju isti model teži ka ciklusu od 100.000 godina, dok u drugom slučaju model teži ka ciklusu od 41.000 godina. Sastavljajući novi model, Piter Hujbers pažnju obraća na teoriju haosa i osetljivost klimatskog sistema, odnosno na nelinearni odgovor koji daje klima na osunčavanje. Na sledećem poređenju, slika 7.1, stari modeli i novi Hujbersov model [36] kreću od proizvoljnih početnih parametara. Svaki model klime pokušava barem da predvidi promene zapremine ledenih pokrivača.
Slika 7.1 Imbrijev (a), Pajarov (b) i Hujbersov (c) model klime. Sa desne strane grafika su označene promene zapremine ledenog pokrivača, ali brojevi ne predstavljaju realne vrednosti već su prilagođeni za poređenje modela. Iako uzimaju proizvoljne početne parametre (za svaki skup početnih uslova kreće po jedna trajektorija crnom linijom), trajektorije svih modela konvergiraju [36].
Hujbersov model upotrebljava precesione promene i nagib ose da objasni najskorija ledena doba. Frekvencije koje se pojavljuju su 1/100 ky, 1/70 ky, 1/41 ky, 1/27 ky, i 1/23 ky [36].
Ono što celokupni rad Hujbersa čini uzbudljivim je upotreba teorije haosa da bi prikazao da prelaz između epohe kada je dominirao ciklus od 41.000 godina i skorašnjeg kada je dominirao ciklus od 100.000 godina, nastaje spontano kao proizvod dinamičkog sistema. (U daljem tekstu se pod “modelom” podrazumeva klimatski model Pitera Hujbersa sa MIT-a koji se tiče samo ciklusa glacijala i interglacijala ledenih doba; takođe se naziva “model leda”, ice model, ili model zaleđivanja kao kod Imbrija i Imbrija).
Sistem koji reaguje u zavisnosti od prethodnog stanja tako da ova zavisnost diktira koliko osetljivo (na primer, eksponencijalno) će sistem reagovati na spoljašnji uticaj (forsiranje), posle čega sistem pokazuje kvazi-periodično ponašanje se naziva ekscitabilni sistem. Glacijalne terminacije se mogu desiti samo kada se polako akumulirala kritična zapremina glečera, posle čega nagib ose kao parametar spoljašnjeg uticaja iznenadno deluje na razvoj glacijacije.
Novi model ledenih doba je ekscitabilan i za neke parametre pokazuje haotično ponašanje. Klimatski sistem se zbog unutrašnjeg stanja razvija u različitim pravcima u zavisnosti od male promene forsiranja. Faza klimatskog ciklusa je uvek vezana uz forsiranje osunčavanja, dok je amplituda ledenog doba haotična, ili - amplituda je nepredvidiva. Kada se u numeričkom testu modelovani klimatski sistem podvrgne harmonijskom oscilatornom forsiranju osunčavanja, stanje sistema zavisi od forsiranja (jedna dimenzija), zapremine leda 10.000 godina unazad (druga dimenzija), i sadašnje zapremine leda (treća dimenzija). Rezultat modelovanja, to jest klimatski odgovor je meren u zapremini morske vode ili nivoa mora sadržane u ledenom pokrivaču, i fluktuira zajedno sa forsiranjem. Glečeri rastu sporo, ali se tope iznenada.
Na grafiku na slici 7.2, vidimo spiralu – trajektoriju modela promene zapremine leda - koja pada na dole nakon akumulacije leda veličine jedan milion kubnih metara.
Slika 7.2 Gore: trodimenzionalni klimatski model promene zapremine leda; vidimo trajektoriju modela. Zapremina na vertikalnoj Z-osi je zapremina leda u milionima kubnih metara. Na Y-osi je zapremina leda 10 ky unazad u prošlosti, na X-osi je forsiranje. Dole: crvena linija je forsiranje osunčavanja, a crna linija je klimatski odgovor koji daje numerički model. Funkcija forsiranja je malo složenija, dakle nije prosta sinusoida [36].
Za malo drugačiji signal forsiranja sistem se nikada ne ponavlja - slika 7.3.
U dinamičkim sistemima se haos može ispoljiti na različite načine. Proces u sistemu se može ponavljati ili ne, ili se neka sekvenca oscilacije ponavlja i smenjuje sa etapama haosa, nepredvidivih oscilacija. Jedan od mogućih vidova ponašanja sistema jesu spontani prelazi između dva tipa oscilovanja.
Slika 7.3 Gore: trodimenzionalni klimatski model promene zapremine leda; vidimo trajektoriju modela. Zapremina na vertikalnoj Z-osi je zapremina leda u hektometrima. Na Y-osi je zapremina leda 10 ky unazad, na X-osi je forsiranje. Dole: crvena linija je forsiranje osunčavanja, a crna linija je odgovor koji daje numerički model. Forsiranje je prosta sinusoida, a model dospeva u haotično stanje u tom pogledu što se trajektorija modela (gore) nikad ne ponavlja [36].
Perturbacije rastu eksponencijalno na skali od 300.000 godina u ovim simulacijama, ali taj podatak zavisi od tipa forsiranja. Haos se manifestuje znatno poreklom od treće dimenzije sistema na Y-osi, koja je u stvari zavisnost evolucije klimatskog sistema od zapremine leda u prošlosti. Hujbersov model se ponaša kao haotičan dinamički sistem kada forsiranje ima period promene od 40.000 godina (slika 7.3).
Ako klimatski sistem modeliran uz pomoć teorije haosa ima sposobnost spontanog prelaska iz jednog u drugi režim fluktuacija, time se rešava problem prelaza između dominantnog ciklusa klime od 41.000 godina i 100.000 godina. S obzirom da Hujbersov model o kome je reč, upotrebljava signal sa dominantnim ciklusom od 41.000 godina, onda mi živimo i dalje u svetu u kome taj ciklus dominantan. Drugi dominantni ciklus od 100.000 godina ne zahteva posebno objašnjenje. U prethodnim poglavljima podsetimo se, promena ekscentriciteta je poslužila za prve hipoteze o stohiljadugodišnjem ciklusu, a zatim promena orbitalne inklinacije kao argument savremenijih teorija.
Slika 7.4 Glacijacije u novom modelu leda. Na vertikalnoj osi su milioni kubnih metara maksimalne zapremine leda.
U novom modelu su vidljivi spontani prelazi u oscilaciji sistema između dominantnih ciklusa od 40.000 i 100.000 godina (slika 7.4). Javljaju se tri tipa događaja, odnosno etapa ledenog doba: puni Glacijali, mali glacijali, interglacijali. Horizontalna linija predstavlja kritičnu tačku nestabilnosti u sistemu u blizini koje trajektorija modela može da odluta u drugi dinamički mod. Osunčavanje je sinusna funkcija sa prilagođenim jedinicama i periodom od 40.000 godina. Vreme prelaza između stanja je uvek 40.000 godina, ali prosečno vreme ponavljanja punog glacijala je 100.000 godina. Model zatim u nekom trenutku spontano pređe u stanje gde se ponavljanje dešava u proseku na 80.000 i 120.000 godina. Pokazuje se da su različiti modovi rada matematički podjednako verovatni [36].
Konačno, za forsiranje s periodom od 41.000 godina, takođe dobijamo spontane prelaze sa jedne na drugu dominantnu periodičnost. Frekvencije (1/ky) prisutne u rezultatu su promene zapremine ledenih pokrivača 1/20 ky, 1/40 ky, i 1/100 ky [36].
Da bismo proverili teoriju postavlja se pitanje da li se nalazimo u svetu ciklusa od 41.000 godina? Model koji spontano prelazi iz jednog u drugi mod (“mode shift”) je haotičan. Najbolje poklapanje sa uzorkom sedimentnog jezgra, model daje za određene parametre koji pak ne pokazuju haotično ponašanje. No, osetljivost na početne parametre i osetljivost klimatskog sistema na forsiranje idu u prilog mogućem prelazu u drugi ritam rada ako ne spontano, onda skoro spontano pod dejstvom nekog slučajnog događaja. Ako pravi klimatski sistem na Zemlji nije haotičan, onda je samo osetljiv.
Ciklus klime od 100.000 godina se do sada smatrao intenzivnijim (donosi izraženije promene prosečne temperature) od ciklusa iz prethodnih epoha. U svetu ciklusa od 41.000 godina promene u nagibu ose igraju glavnu ulogu, dok ekscentricitet i precesija vrše perturbaciju klimatskog sistema. U prošlosti bi trebalo pronaći promene ciklusa, odnosno dva režima rada klime. Samo je jedan prelaz režima poznat i priznat u naučnim radovima, pre otprilike 650.000 godina. Drugi režimi rada klimatskog sistema koji bi se očekivali, su sa periodama od 40 ky, 80 ky, 120 ky [36].
