| Predrag Bokšić |
| VODIČ KROZ LEDENA DOBA |
| ZA ASTRONOME |
Signal osunčavanja se može razložiti ili dekomponovati, na prisutne harmonijske oscilacije putem Furijeove analize u matematici. Harmonijske komponente signala imaju svoje karakteristične frekvencije i amplitude. Distribucija amplituda ovih komponenti se naziva spektralna jačina. Dobijene frekvencije mogu biti istaknute kratkoperiodične ili dugoperiodične promene osunčavanja.
6.1 Analiza svih orbitalnih elemenata zajedno
Promenljivost ekscentriciteta, nagiba ose i precesije ose se smatraju za bitne elemente astronomske teorije ledenih doba. Na slici 6.1 dajemo vrednosti za poslednjih 1,5 miliona godina prema modelu Beržea [38].
Slika 6.1 Grafici oscilacija orbitalnog ekscentriciteta Zemlje, nagiba i klimatske precesije na osnovu modela Sunčevog sistema Andre Beržea. Vreme je dato u hiljadama godina (ky), a frekvencija u jedinici po hiljadi godina (1/ky). Sa desne strane je data spektralna jačina za svaki od orbitalnih parametara dobijena Furijeovom analizom [36, strana 51].
Za ekscentricitet (slika 6.1), istaknute frekvencije su 1/400 ky, 1/125 ky i 1/95 ky. Za promenu nagiba ose to je 1/41 ky. I za precesiju, to su 1/19 ky, 1/22 ky, i 1/24 ky [36]. Ekscentricitet moduliše precesiju koja je data preko parametra precesije. Napomenimo da je prema modelu Laskara iz 2004. godine najizraženija frekvencija promene ekscentriciteta 405 ky [26].
6.3 Grafičko predstavljanje osunčavanja
Promene osunčavanja tokom poslednjih 500 hiljada godina su date na slici 6.2. Na jednoj određenoj geografskoj širini osunčavanje traje dok traje obdanica. U toku godine osunčavanje se dobija kao promena prosečne dnevne vrednost osunčavanja. Slično se formira i višegodišnji prosek.
Slika 6.2 Globalno srednje godišnje osunčavanje u vatima po kvadratnom metru (W/m2), tokom pola miliona godina, sa periodogramom. Boje predstavljaju intenzitete (gore) ili razlike (dole) u osunčavanju [45].
Frekvencije (slika 6.2) označene na horizontalnoj osi su:
0,0025 (1/ky) = 400.000 godina period
0,01 (1/ky) = 100.000 godina period
0,0192 (1/ky) = 52.083 godine period
0,025 (1/ky) = 40.000 godina period
0,0345 (1/ky) = 28.985,5 godina period
0,05 (1/ky) = 20.000 godina period
Primetimo (slika 6.2) neznatnu promenu osunčavanja s periodom od 100.000 godina i znatnu promenu reda veličine 40.000 godina. Promene nagiba ose donose najveće lokalne razlike u osunčavanju. Da bi potvrdili da li ovakve vrednosti osunčavanja dovode do glacijacija i prekida glacijacija upotrebljavaju se razne statističke metode obrade podataka. Moguće je uporediti frekvencije promena osunčavanja sa klimatskim zapisom, ili uporediti faze oscilacija orbitalnih parametara sa promenama klime.
Da bi pojednostavili računski proces, istraživači su potražili da li postoji neka manje ili više značajna kriva osunčavanja koja se bolje poklapa sa ciklusima ledenih doba. Pokušali su da daju naglasak određenim geografskim širinama kao što je to širina 65oN (Milanković i drugi), ili bi računali gradijent osunčavanja između 15oN i 65oN širine. Uprosečenje osunčavanja kao proces statističke obrade podataka može da obuhvati integrisano osunčavanje određenih dana u toku dugih perioda, ili samo pojedinih godišnjih doba. Izbor određenih dana ili sati u toku dana može da se posmatra kao eksperimentalni uslov za integrisanje. Konačni cilj izbora uslova je smanjenje obima za računanje, stvaranje reprezentativnog uzorka za analizu ili naglašavanje neke karakteristike (na primer, koliko je energije primljeno samo u leto).
Bilo koja vrsta proseka daje manju količinu informacije, energije i varijacije u sistemu nego promena sveukupnog prostornog osunčavanja (na svim tačkama površine Zemlje). Pojedinačna kriva osunčavanja za neku geografsku širinu, ili bilo koji kriterijum primenjen pri izboru sati, dana, meridijana i drugo što se primenjuje u pojednostavljivanju računanja, obuhvata mali deo ukupne energije i mali deo promenljivosti u ukupnom osunčavanju u celom prostoru - ispod 10% za izvedenu veličinu kao što je gradijent osunčavanja između hemisfera.
Izbor kriterijuma ili uslova za računanje proseka, ili izbor neke krive osunčavanja popravlja relativne amplitude i faze signala forsiranja, što koristi kada se on poredi sa klimatskim promenama [36]. Takav je i primer krive osunčavanja na 65oN. Time dolazi do izražaja nelinearna priroda klimatskog sistema.
6.3 Poređenje sa preciznim uzorcima Ocean Drilling Project-a
Furijeova analiza ima najveći značaj kod analize zapisa u sedimentnim jezgrima. Promene sastava izotopa u sedimentima se predstavljaju na skali dubine. Redosled slojeva na prvi pogled može da izgleda kao neuređeni, stohastički niz koji nam ne govori mnogo. Furijeovom analizom možemo videti skrivene harmonijske oscilacije fizičke veličine (duž skale dubine) kao što je δ18O, koje ulaze u sastav celokupnog zapisa u sedimentnom jezgru. Mnoštvo prisutnih periodičnih promena ili “ciklusa” nađenih u zapisu se može upotrebiti za poređenje sa promenama osunčavanja, na primer. Neke od ovih dugoperiodičnih promena – slojeva u sedimentima, pripadaju po poreklu (odnosno po uzroku) globalnom zahlađenju ili otopljavanju.
Jedan od značajnih projekata uzimanja dubokomorskih sedimentnih jezgara je ODP (Ocean Drilling Project). Uzorci prikazuju planktonski sadržaj, hemijski/izotopski sadržaj i drugo. Starost se predstavlja u funkciji dubine. Na krivama koje daju uzorci cilj je identifikovati glacijalne “stupnjeve” (ili stadijume) i “terminacije” u toku ledenog doba. Stupnjeve karakterišu minimum ili maksimum temperature, te zapremine leda zapisanih u izotopskim stupnjevima kiseonika. Terminacije karakteriše iznenadna promena između glacijalnog i interglacijalnog perioda na sredini između minimuma i maksimuma krive izotopa 18O. Postoje i druge, složenije definicije terminacija sa pozadinom u statistici. Terminacije su indikator faza glacijalnih ciklusa [36].
Istraživanje okeana je pokazalo prisustvo klimatskih frekvencija, odnosno ciklusa energije od 1/100 ky, 1/41 ky, i 1/21 ky, što je pokrenulo niz objašnjenja klimatskih promena.
Ciklus klime sa frekvencijom 1/41 ky se podudara sa ciklusom promene nagiba ose. Frekvencije klimatskih promena od 1/100 ky, 1/21 ky kao i slabije izražene 1/70 ky, 1/28 ky čine zagonetku koja navodi na ideju o nelinearanom odgovoru klimatskog sistema i na druge astrofizičke i klimatske hipoteze. Ispod frekvencije 1/15 ky razlike u energiji tokom epoha su manje od 1/3 (sezonskih) promena energije (koje se dešavaju polugodišnje).
Prema konvenciji postoje 7 terminacija u poslednjih 650.000 godina. Nekih 30.000 godina posle treće terminacije postoji još jedan događaj koji može da se okvalifikuje kao terminacija. Kada poređamo maksimume oscilacije ekscentriciteta i nagiba, možemo da ih uporedimo sa tačkama terminacija, na slici 6.3.
Slika 6.3 Prikaz statistički obrađenog dubokomorskog jezgra [*]. Maksimumi ekscentriciteta (gore) i nagiba (dole) su ucrtani vertikalnim linijama. Crvenim tačkama su označene terminacije [36].
Orbitalni parametri imaju složene signale kao što smo videli do sada, ali je u svrhu prikaza faza upotrebljen prosek tako da se maksimumi svedu na jedan maksimum po 360o i to za promene ekscentriciteta 96.700 godina/360o, 40.800 godina/360o za promene nagiba i 22.000 godina/360o za promene precesije. Za fazu nula svakog orbitalnog parametra osunčavanje je maksimalno na severnoj hemisferi.
Faze ekscentriciteta odstupaju -6.000 godina na 100.000 godina, što sugeriše
da je prosečno vreme između maksimuma ekscentriciteta kraće od prosečnog glacijalnog ciklusa. Drift razlike vremena maksimuma ekscentriciteta i terminacija
tokom 650.000 godina je 30.000 godina. Prema tome, ekscentricitet već prema jednostavnom testu pokazuje slabe kvalitete “tempaša” (pace-maker) ledenim dobima.
Razlike u tajmingu faza nagiba ose i terminacija su dovoljno male da naslutimo da su periodičnosti u nagibu ose važne. Faze nagiba su unutar ±10.000 godina u odnosu na terminacije u čijoj se blizini nalaze.
Faze precesije su učestale i greška starosnog modela (dubinske skale starosti) onemogućava utvrđivanje razlika faza precesije i terminacija. Greške starosnih modela zavise od lokacija i uzoraka, a mogu biti na primer ±5 ky (najmanje ±1 ky) do ±10 ky. Modeli se međusobno razlikuju do ±10 ky tokom perioda od 700 ky u prošlost, itd.
U posmatranom periodu od 650.000 godina, asocijacija glacijalnih terminacija sa ekscentricitetom, precesijom ili promenom nagiba je nerazlučiva od puke slučajnosti [36]. Razvoj klimatskih modela omogućava numeričke testove kako se ponaša klima pri promenama osunčavanja.
