Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 4
Vesmír č. 4
Toto číslo vychází
6. 4. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Dubnové číslo Vesmíru
• Biologické čtvrtky ve Viničné
program na nejbližší semestr
reklama

Milankovičovy cykly

Astronomické teorie klimatických změn

Publikováno: Vesmír 74, 488, 1995/9

Motto: “Věř v Boha, ale auto si zamykej″

reverend A. Brown

Již staří Indiáni vyčítali bělochům, že se tak moc starají o budoucnost, až jim uniká přítomnost. A skutečně se zdá, že nežijeme, jen se připravujeme na budoucnost. Pravděpodobně žádná jiná než americko-evropská civilizace tak často ve veřejném životě nepoužívala slovo “pokrok″ a v žádné jiné epistemologické tradici se tak často nevyskytuje slovo “vývoj″. Tato slova nejsou synonyma, protože “vývoj″ předpokládá zařazení věcí do kontextu, zatímco “pokrok″ znamená pouze věci hodnotit na základě jakéhosi víceméně subjektivního kritéria.

Jedním z nejvelkolepějších pokusů o zařazení každodenní klimatické skutečnosti do vesmírného měřítka sluneční soustavy představují astronomické teorie klimatických změn. Začněme nikoliv u Adama, ale u Adhémara. Někdy okolo poloviny minulého století bylo už celkem zřejmé, že Země byla jednou pokryta obrovským kontinentálním ledovcem, ale nebyl jasný mechanismus, kterým je možné proměnit přírodní ráj ve zmrzlou kouli a nazpátek. Roku 1842 publikoval francouzský matematik Joseph Alphonse Adhémar knihu “Vývoj moře″. Adhémar věděl, že Země neopisuje kolem Slunce kruh, ale elipsu. Tento poznatek je – díky J. Keplerovi – jednou z největších vědeckých událostí, jaké se přihodily v Praze. Slunce neleží ve středu, ale v jednom z ohnisek elipsy, takže cesta, kterou Země urazí mezi 22. zářím a 20. březnem, je kratší než vzdálenost mezi 20. březnem a 22. zářím. Výsledek je ten, že na severní polokouli trvá léto i jaro o 7 dní déle než na jižní polokouli.

Adhémar argumentoval, že jižní polokoule má ročně o 7 dní tmy víc a to že nakonec vedlo ke vzniku antarktického ledovce. Zalednění severní polokoule vysvětloval změnou sklonu zemské osy, který objevil již astronom Hipparch (?190–?120 před Kristem), jenž svá měření srovnával s měřeními kolegy Timochara, prováděnými o 150 let dřív. Adhémar předpokládal, že díky precesi zemské osy se zalednění objevuje vždy na té polokouli, která má víc zimních dní, takže každou polovinu precesního cyklu, tj. každých asi 10 tisíc let, se budou střídat ledové doby na jižní a severní polokouli.

Astronomická část Adhémarovy teorie byla solidně podložena, takže jeho současníci ji nebyli schopni podrobit kritice. Naneštěstí Adhémar fantasticky předpokládal, že gravitační síla antarktického ledovce je tak silná, že zvyšuje mořskou hladinu kolem jižního pólu. Při oteplení led mizí, gravitace se zmenšuje a voda opadává. Nakonec prý zbytek antarktického ledovce zůstane stát jako obrovská houba, jež se zřítí do moře a vytvoří světovou potopu.

Teprve r. 1852 upozornil Alexander von Humboldt s odvoláním na d’Alembertovy výpočty, že sice léto a jaro trvají na severní polokouli déle, ale že také Země je dál od Slunce, takže v ročním úhrnu dostává severní polokoule stejně tolik sluneční energie jako jižní. Skutečný důvod, proč je antarktický ledovec tak rozsáhlý, byl rozpoznán až později – na rozdíl od arktického ledovce leží mimo dosah teplých oceánických proudů.

Obchodní příručí se smyslem pro filozofii

“Zvláštní jsou cesty Prozřetelnosti,″ napsal James Croll, “protože kdyby nebylo nešťastného úrazu v mládí, strávil bych život jako truhlář.″ Od třinácti let tvrdě pracoval a při tom hltal knihy o fyzice a teologii. Vážný, zamyšlený Skot s myslí až příliš abstraktní se zjevně nehodil pro žádné praktické povolání – ať již byl příručí v obchodě s čajem, mlynářův pomocník nebo pojišťovací agent. Roku 1857 publikoval příznivě přijatou knihu “The Philosophy of Theism″ a krátce nato nastoupil jako uklízeč v glasgowském muzeu. Plat nebyl velký, ale měl volný přístup do vědecké knihovny. Další vědecká práce se týkala elektřiny (1869) a poté obrátil svůj zájem ke geologii. Záhy si uvědomil Adhémarovu chybu: uniklo mu, že pozici Země a Slunce neovlivňuje jen precese, ale také excentricita oběžné dráhy Země kolem Slunce.

Článek na toto téma, který napsal do srpnového čísla Filosofického magazínu (1864), vzbudil velkou pozornost a to Crolla povzbudilo k dalšímu rozpracování hypotézy. Představte si rozvážného muže s koštětem v ruce, který při práci promýšlí Leverrierovy rovnice orbitální excentricity. Zatímco Leverrier po deseti letech složitých výpočtů planetárních drah předvídá objevení nové planety – Neptunu, je Crollova cesta ještě delší. Dalších dvacet let mu trvá, než propočítá změny dráhy Země vůči Slunci za poslední 3 miliony let. Je prvním geologem a asi i prvním uklízečem, který se pokusil vyřešit geologickou historii Země na základě orbitálních charakteristik.

Mezitím jej Sir Archibald Geikie, nově jmenovaný ředitel Geologického průzkumu Skotska, přesvědčil, aby vstoupil do jeho služeb. Obsáhlá kniha ″Klima a čas″ (1875) získala Crollovi přístup do Královské londýnské společnosti. Sláva byla pro něj trpká. Náhodně si poranil hlavu a byl nucen odejít na odpočinek. Dalších deset let pak neúspěšně bojoval bitvu o přiznání důchodu. James Croll je skutečným předchůdcem nauky, které říkáme věda o zemských systémech. Zcela moderně uvažuje spíš o spouštěcích mechanismech globálních změn než o jejich příčinách. Rozeznává funkci oceánického proudění a jeho vliv na klima, spekuluje nad rolí CO2 při globálním oteplování. Těsně před svou smrtí v roce 1890 publikoval tenkou knížku “Filozofické základy evoluce″, kterou se vrátil ke svému původnímu zájmu o filozofii. Je někým, na koho bychom neměli zapomenout.

Milankovičova cesta vesmírem

“Cítím se být přitahován nekonečnem. Chci uchopit vesmír a osvítit jeho kouty,″ vykřikuje r. 1911 vínem rozjařený Milutin Milankovič v bělehradské vinárně. O mnoho let později uvažuje, zda náhlý záblesk touhy po pochopení vesmíru byl výsledkem dvou lahví vína, nebo hluboce skryté touhy, která by jinak nepronikla k povrchu. Titul inženýra získal r. 1904 na Vídeňské technice. Pak se několik let zabýval betonovými konstrukcemi, ale už r. 1909 se vrátil do Bělehradu na místo profesora užité matematiky.

Milankovič plánoval svoji cestu “do vzdálených světů a časů″ velmi obezřetně a předem odhadl, že mu to bude trvat asi 30 let. Vytvořil si monotónní, uspořádaný životní rytmus a pravidelně každý den, několik desítek let po sobě, rozpracovával zatím nejúplnější, nejslavnější a v hrubých rysech obecně přijatý model vlivu sluneční činnosti na zemské klima. Jeho prvním cílem bylo popsat geometrii jednotlivých planet a určit jejich vývoj v uplynulých staletích. Bylo to poměrně snadné, protože navázal na výpočty Ludwiga Pilgrima. Zato druhý úkol – spočítat kolik sluneční energie dopadá na povrch planet v různých ročních obdobích a v různých šířkách – si vyžádal obrovské množství práce, protože všechny planety se všelijak natáčejí, ovlivňují, naklánějí. Dnes by se do podobného úkolu bez počítače pustil jen šílenec.

Milankovič se dostává do obrovských potíží, ale obtížnou rovnici vyřeší kupodivu ve chvíli, kdy srbské jednotky, které sleduje z okna, zaženou na útěk turecké vojsko. Palba utichá a on se vrací k výpočtům. Počátkem 1. světové války je internován a posléze povolením poměrně tolerantního rakouského ministerstva války převeden do Budapešti. V pohodlí a paradoxním klidu prožívá válečná léta v popisování vývoje klimatu na Venuši a Marsu. Válka končí, Milankovič balí kufřík s výpočty a vrací se do Bělehradu. Výsledky publikuje již r. 1920. Neobyčejně zaujmou slavného německého klimatologa Wladimira Köppena, který zrovna pracuje se svým zetěm Alfredem Wegenerem, jenž již tehdy byl velmi známý teorií kontinentálního driftu, na problému klimatických změn v geologické minulosti.

Milankovič mohl stěží potkat lepší učitele. Jeho třetím hlavním úkolem teď byl matematický popis zemského klimatu. Byla to komplikovaná záležitost, protože každá zeměpisná šířka měla v různých ročních obdobích své individuální charakteristiky oslunění. Bylo nutné si vybrat takovou konstelaci, která by co nejlépe odpovídala globálním změnám. Po dlouhých diskusích se rozhodl pro 55°, 60° a 65° severní šířky, letní polovinu roku a období 0 – 650 tisíc let. Adhémar uvažoval jen o precesi, Croll k ní přidal ještě excentricitu a Milankovič model doplnil o náklon zemské osy.

Získaný graf okamžitě telegraficky odeslal Köppenovi. Ten obratem odpověděl, že získaná křivka odpovídá průběhu ledových dob v Alpách, jak je r. 1909 popsal A. Penck a E. Brückner. Köppenova a Wegenerova kniha “Klima geologické minulosti″ (1924), obsahující Milankovičovy křivky, je dodnes považována za základní dílo svého druhu, protože v sobě kombinuje dvě epochální teorie – myšlenku pohybu kontinentů a astronomické příčiny ledových dob. Další desetiletí rozpracovával Milankovič radiační charakteristiky pro nižší geografické šířky a zabýval se vlivem ledové pokrývky na množství sluneční energie přijímané povrchem Země. Roku 1941 celkem klidně sledoval německou ofenzivu, protože předpokládal, že Němci musí válku prohrát. Řekl tehdy svému synovi: “Když jednou chytíš velkou rybu, tak tě ty malé nezajímají. 25 let jsem pracoval na své teorii sluneční radiace a teď jsem skončil. Je hotová a já jsem bez práce. Jsem příliš starý na práci na jiné teorii a stejně taková, jakou jsem dodělal, neroste na každém stromě.″ V dalších letech se věnoval své obsáhlé biografii a pamětem doby (1957). V témže roce zemřel. Bylo mu 79 let. Je zřejmě největším vědcem, jakého Srbsko kdy mělo.

Daleko a hluboko

Hlavní výhoda Milankovičovy teorie spočívá v možnosti srovnat vypočtenou křivku se skutečným souvrstvím sedimentů, původně byla naneštěstí vybrána jako srovnávací materiál soustava říčních teras v Alpách, která je postižena neustálým, nepravidelným výzdvihem alpského orogénu. Lokální faktory zde často převažují nad astronomickými příčinami a shoda s Milankovičovými parametry není důvěryhodná. Další zpochybnění přišlo díky radiokarbonovému datování, které v letech 1946 – 49 vyvinul Willard Libby na Chicagské univerzitě. Metoda sice zasáhla jen 40 tisíc let do minulosti, ale jasně ukázala, že laurentidský ledovec, tj. zbytek původního souvislého pokryvu severní části severoamerického kontinentu, ustupoval ve dvou vlnách nezávislých na oslunění a že poslední teplá oscilace před 25 tisíci lety je Milankovičovými výpočty nezachytitelná. Někdy kolem r. 1960 ztratila Milankovičova teorie většinu příznivců.

Potvrzení přišlo z nečekané strany. Už r. 1872 vybavila britská vláda korvetu Challenger o výtlaku 2 306 t pro odběr vzorků z mořského dna. Na dno moří neustále dopadá déšť organických zbytků a drobných schránek tempem asi 3 mm za 100 let. Mocné vrstvy mořských bahen tak uchovávají záznam klimatických změn za poslední statisíce a miliony let. Výzkumné lodě zpočátku odebíraly jen povrchové vrstvy, ale postupně se vyvinula skutečná vrtná technika.

Čtyři radary umístěné na mořském dně navádějí vrtnou tyč o průměru 40 – 120 mm z nezakotvené lodi plující i o pět kilometrů výš do ocelového trychtýře, který tvoří ústí vrtu. Ten může dosáhnout hloubku i přes 3 km. Vrtná jádra jsou analyzována paleontologickými a geochemickými metodami a datována pomocí izotopů uranu a toria. Jedním z výsledků studia jsou právě klimatické křivky, které překvapivě dobře odpovídají Milankovičovým parametrům, a navíc korelují se sedimentací v jezerech a sprašových závějích na pevnině. Milankovičova teorie, neustále napadaná, zpřesňovaná a opět vzkříšená, tak přes veškeré výhrady poskytla zatím jediný rámec čtvrtohorní stratigrafie a výchozí bod pro úvahy o globálních změnách.

Klimatologové někdy předstírají, že minulost je klíčem k budoucnosti. Řekl bych, že i když budu velmi dobře znát historii Českého království, tak stejně neodhadnu, co se stane za dvě či tři staletí. Minulost mi však ukáže hranice, v nichž se systém pohybuje, a naznačí vývojové trendy. Lineární, “vývojové″ pojetí času, strach z budoucnosti a zvědavost, jaká vlastně bude, i pocit zodpovědnosti za její průběh vytvářejí jedny ze základních motivů evropské civilizace. Toto “kulturní″ pozadí pozorujeme i ve směřování evropské vědy. Když se Milankoviče ptali, jak to, že dokáže být tváří v tvář dějinným změnám tak klidný, odpověděl: “Starám se o všechno – až na dvě věci. Ty, které mohu změnit, a ty, které změnit nemohu.″

Prameny

Historie výzkumů je shrnuta ve vynikající monografii J. Imbrie a K. Imbrie “Ice Ages – Solving the Mystery″, Harvard University Press, 1986. Starší problematiku shrnují materiály sympozia “Milankovitch and Climate″, New York 1982. Vynikající souborný přehled podává A. L. Berger v časopisu Quaternary Science Reviews, 1992, 11, 571 – 581.

Milankovičovy výroky jsou citovány podle V. Milankoviče “The memory of my father″ (1984, Dordrecht, Holandsko). S touto tematikou úzce souvisí článek I. Charvátové ve Vesmíru 72, 365, 1993/7.

Základy Milankovičovy teorie

V krátkodobém i dlouhodobém měřítku množství sluneční energie, které dopadá na zemský povrch, kolísá. Různé zeměpisné šířky, a tedy proměnlivé části moře a pevniny získávají různá množství tepla, což se projevuje změnami atmosférického a oceánického proudění. V ročním měřítku mluvíme o střídání ročních dob, ale v dlouhodobém cyklu je obraz podstatně složitější:

  1. Sklon zemské osy se mění v periodě 40 tisíc let v rozmezí až 21,8 – 24,4° a snižuje se o polovinu úhlové vteřiny (0,00013°) za rok. Maxima dosáhl před 10 tisíci lety. Má vliv na pozici polárních kruhů a tropických obratníků. Cyklus 40 tisíc let je charakteristický pro teplé a chladné oscilace svrchního pliocénu a starého pleistocénu před 2,5 – 1 milionem let.

  2. Země obíhá kolem Slunce po eliptické dráze, jejíž excentricita se mění od nuly (kruhová dráha) do 0,06 v cyklu necelých 100 tisíc let. V průběhu posledních 100 tisíc let dosahovala excentricita hodnotu 0,02 nebo méně. Současná hodnota je 0,0167 a maximum 0,019 dosazené před 10 tisíci lety bylo velmi nízké. Podstatná maxima se odehrávala před 110, 200, 300, 600, 700 a 960 tisíci lety. Menší maxima před 400, 500, 800 a 880 tisíci lety. Stotisícový klimatický cyklus ovládá klima posledního milionu let

    a přehlušuje důležitější čtyřicetitisícový cyklus, pravděpodobně proto, že ledovce narostly do takových rozměrů, že teplotní setrvačnost systému potlačila kratší cyklus. Při vysoké excentricitě je sezónní rozdíl v množství sluneční energie mezi perihelionem a aphelionem až 30 %, v současné době dosahuje asi 7 %, při kruhové dráze je nulový.


  3. Třetí cyklická variace – precese – se odehrává v cyklech přibližně 19 a 21 tisíc let. Důležité je, že každá světová šířka reaguje poněkud odlišně na každý ze tří základních Milankovičových parametrů. Např. hladiny jezer na Sahaře nejvíc reagují na precesní cyklus přibližně 21 tisíc let, zatímco severský ledovec je řízen nejdelším cyklem. Výsledkem je mnohoúrovňové předivo skládajících se či vylučujících se reakcí zemského systému. Pokud do klimatického systému navíc zavedeme pozorovaný megacyklus 250 tisíc let a kratší cykly o délce trvání 12, 7, 3 a 1 tisíc let, získáváme soustavu, která je bez hierarchické analýzy naprosto nepřehledná. Kromě toho totiž ještě existují cykly o délce trvání 7, 20, 100, 400 let i cykly trvající až 200 milionů let. V takovém případě se nemůžeme divit, že někteří klimatologové považují slovo cyklus za neslušné a na objevitele nových cyklů se dívají jako na nepřítele! Milankovičovy orbitální parametry se dají vystopovat až do paleozoika a jejich postavení je zřejmě ústřední.

Diskuse

Žádné příspěvky