Nuestras vidas giran literalmente en torno a ciclos: series de eventos que se repiten regularmente en el mismo orden. Hay cientos de diferentes tipos de ciclos en nuestro mundo y en el universo. Algunos son naturales, como el cambio de estaciones, las migraciones anuales de animales o los ritmos circadianos que rigen nuestros patrones de sueño. Otros son producidos por humanos, como el cultivo y la cosecha de cultivos, ritmos musicales o ciclos económicos.
Los ciclos también juegan un papel clave en el clima a corto plazo y el clima a largo plazo de la Tierra. Hace un siglo, el científico serbio Milutin Milankovitch planteó la hipótesis de que los efectos colectivos a largo plazo de los cambios en la posición de la Tierra en relación con el Sol son un fuerte impulsor del clima a largo plazo de la Tierra y son responsables de desencadenar el comienzo y el final de los períodos de glaciación (Eras de Hielo).
Específicamente, examinó cómo las variaciones en tres tipos de movimientos orbitales de la Tierra afectan la cantidad de radiación solar (conocida como insolación) que llega a la parte superior de la atmósfera de la Tierra, así como a dónde llega la insolación. Estos movimientos orbitales cíclicos, que se conocieron como los ciclos de Milankovitch, causan variaciones de hasta el 25 por ciento en la cantidad de insolación entrante en las latitudes medias de la Tierra (las áreas de nuestro planeta ubicadas entre aproximadamente 30 y 60 grados al norte y al sur del ecuador).
Los ciclos de Milankovitch incluyen:
- La forma de la órbita de la Tierra, conocida como excentricidad;
- El ángulo del eje de la Tierra está inclinado con respecto al plano orbital de la Tierra, lo que se conoce como oblicuidad; y
- La dirección en la que apunta el eje de rotación de la Tierra, conocida como precesión.
Echemos un vistazo a cada uno (lectura adicional sobre por qué los ciclos de Milankovitch no pueden explicar el calentamiento actual de la Tierra aquí).
Excentricidad
La peregrinación anual de la Tierra alrededor del Sol no es perfectamente circular, pero está bastante cerca. Con el tiempo, la atracción de la gravedad de los dos planetas gigantes gaseosos más grandes de nuestro Sistema Solar, Júpiter y Saturno, hace que la forma de la órbita de la Tierra varíe de casi circular a ligeramente elíptica. La excentricidad mide cuánto se aparta la forma de la órbita de la Tierra de un círculo perfecto. Estas variaciones afectan la distancia entre la Tierra y el Sol.
La excentricidad es la razón por la cual nuestras estaciones tienen duraciones ligeramente diferentes, con veranos en el hemisferio norte actualmente aproximadamente 4.5 días más largos que los inviernos y primaveras aproximadamente tres días más largos que los otoños. A medida que disminuye la excentricidad, la duración de nuestras estaciones se iguala gradualmente.
La diferencia en la distancia entre el acercamiento máximo de la Tierra al Sol (conocido como perihelio), que ocurre el 3 de Enero de cada año o alrededor de esa fecha, y su apartamiento más lejano del Sol (conocido como afelio) el 4 de Julio o alrededor de esa fecha, es actualmente de aproximadamente 5,1 millones de kilómetros (alrededor de 3,2 millones de millas), una variación del 3,4 por ciento. Eso significa que cada Enero, aproximadamente un 6,8 por ciento más de radiación solar entrante llega a la Tierra que en Julio.
Cuando la órbita de la Tierra está en su estado más elíptico, aproximadamente un 23 por ciento más de radiación solar entrante llega a la Tierra en la aproximación más cercana al Sol de nuestro planeta cada año que en su apartamiento más lejano del Sol. Actualmente, la excentricidad de la Tierra está cerca de su estado menos elíptico (más circular) y está disminuyendo muy lentamente, en un ciclo que se extiende por unos 100.000 años.
El cambio total en la insolación anual global debido al ciclo de excentricidad es muy pequeño. Debido a que las variaciones en la excentricidad de la Tierra son bastante pequeñas, son un factor relativamente menor en las variaciones climáticas estacionales anuales.
Oblicuidad
El ángulo en que el eje de rotación de la Tierra se inclina a medida que viaja alrededor del Sol se conoce como oblicuidad. La oblicuidad es la razón por la que la Tierra tiene estaciones. Durante el último millón de años, ha variado entre 22,1 y 24,5 grados de la perpendicular al plano orbital de la Tierra. Cuanto mayor es el ángulo de inclinación axial de la Tierra, más extremas son nuestras estaciones, ya que cada hemisferio recibe más radiación solar durante el verano, cuando el hemisferio está inclinado hacia el Sol, y menos durante el invierno, cuando está inclinado en el sentido opuesto. Los ángulos de inclinación más grandes favorecen los períodos de desglaciación (el derretimiento y el retroceso de los glaciares y las capas de hielo). Estos efectos no son uniformes a nivel mundial: las latitudes más altas reciben un cambio mayor en la radiación solar total que las áreas más cercanas al ecuador.
El eje de la Tierra está actualmente inclinado 23,4 grados, o aproximadamente la mitad entre sus extremos, y este ángulo está disminuyendo muy lentamente en un ciclo que se extiende por unos 41.000 años. Estuvo por última vez en su inclinación máxima hace unos 10.700 años y alcanzará su inclinación mínima en unos 9.800 años a partir de ahora. A medida que la oblicuidad disminuye, gradualmente ayuda a que nuestras estaciones sean más suaves, lo que resulta en inviernos cada vez más cálidos y veranos más fríos que gradualmente, con el tiempo, permiten que la nieve y el hielo en latitudes altas se acumulen en grandes capas de hielo. A medida que aumenta la capa de hielo, refleja más energía del Sol de regreso al espacio, lo que promueve un enfriamiento aún mayor.
Precesión : a medida que la Tierra gira, se tambalea ligeramente sobre su eje, como una peonza de juguete giratoria ligeramente descentrada. Este bamboleo se debe a las fuerzas de marea causadas por las influencias gravitacionales del Sol y la Luna que hacen que la Tierra se abulte en el ecuador, afectando su rotación. La tendencia en la dirección de este bamboleo en relación con las posiciones fijas de las estrellas se conoce como precesión axial. El ciclo de precesión axial se extiende por unos 25.771,5 años.
La precesión axial hace que los contrastes estacionales sean más extremos en un hemisferio y menos extremos en el otro. Actualmente, el perihelio ocurre durante el invierno en el hemisferio norte y en verano en el hemisferio sur. Esto hace que los veranos del hemisferio sur sean más calurosos y modera las variaciones estacionales del hemisferio norte. Pero en unos 13.000 años, la precesión axial hará que estas condiciones cambien, con el hemisferio norte viendo más extremos en la radiación solar y el hemisferio sur experimentando variaciones estacionales más moderadas.
La precesión axial también cambia gradualmente el tiempo de las estaciones, lo que hace que comiencen antes con el tiempo, y cambia gradualmente a qué estrella apunta el eje de la Tierra en el Polo Norte (la Estrella Polar). Hoy en día, las estrellas del norte de la Tierra son Polaris y Polaris Australis, pero hace un par de miles de años eran Kochab y Pherkad.
También hay una precesión absidal. No solo se tambalea el eje de la Tierra, sino que toda la elipse orbital de la Tierra también se tambalea de manera irregular, principalmente debido a sus interacciones con Júpiter y Saturno. El ciclo de la precesión absidal se extiende por unos 112.000 años. La precesión absidal cambia la orientación de la órbita de la Tierra en relación con el plano elíptico.
Los efectos combinados de la precesión axial y absidal dan como resultado un ciclo de precesión general que abarca aproximadamente 23.000 años en promedio.
Una máquina del tiempo del clima
Los pequeños cambios puestos en marcha por los ciclos de Milankovitch operan por separado y juntos para influir en el clima de la Tierra durante períodos de tiempo muy largos, lo que lleva a cambios más grandes en nuestro clima durante decenas de miles a cientos de miles de años. Milankovitch combinó los ciclos para crear un modelo matemático completo para calcular las diferencias en la radiación solar en varias latitudes de la Tierra junto con las correspondientes temperaturas de la superficie. El modelo es como una máquina del tiempo del clima: se puede ejecutar hacia atrás y hacia adelante para examinar las condiciones climáticas pasadas y futuras.
Milankovitch asumió que los cambios en la radiación en algunas latitudes y en algunas estaciones son más importantes que otros para el crecimiento y el retroceso de las capas de hielo. Además, creía que la oblicuidad era el más importante de los tres ciclos para el clima, porque afecta la cantidad de insolación en las regiones de latitudes altas del norte de la Tierra durante el verano (el papel relativo de la precesión frente a la oblicuidad es todavía una cuestión de estudio científico).
Calculó que las edades de hielo ocurren aproximadamente cada 41.000 años. Investigaciones posteriores confirman que ocurrieron a intervalos de 41.000 años entre hace uno y tres millones de años. Pero hace unos 800.000 años, el ciclo de las edades de hielo se alargó a 100.000 años, coincidiendo con el ciclo de excentricidad de la Tierra. Si bien se han propuesto varias teorías para explicar esta transición, los científicos aún no tienen una respuesta clara.
El trabajo de Milankovitch fue apoyado por otros investigadores de su época, y fue autor de numerosas publicaciones sobre su hipótesis. Pero no fue hasta unos 10 años después de su muerte en 1958 que la comunidad científica mundial comenzó a tomar seria nota de su teoría. En 1976, un estudio en la revista Science de Hays et al. utilizando núcleos de sedimentos de aguas profundas descubrió que los ciclos de Milankovitch se corresponden con períodos de cambio climático importante durante los últimos 450.000 años, y que las edades de hielo ocurren cuando la Tierra atravesaba diferentes etapas de variación orbital.
Varios otros proyectos y estudios también han confirmado la validez del trabajo de Milankovitch, incluida la investigación que utiliza datos de núcleos de hielo en Groenlandia y la Antártida que han proporcionado pruebas sólidas de los ciclos de Milankovitch que se remontan a muchos cientos de miles de años. Además, su trabajo ha sido acogido por el Consejo Nacional de Investigación de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.
Se están llevando a cabo investigaciones científicas para comprender mejor los mecanismos que causan cambios en la rotación de la Tierra y cómo específicamente los ciclos de Milankovitch se combinan para afectar el clima. Pero la teoría de que impulsan la sincronización de los ciclos glacial-interglaciares está bien aceptada.
Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory Global Climate Change.
Artículo original: ‘Milankovitch (Orbital) Cycles and Their Role in Earth’s Climate‘. Alan Buis. February 27, 2020.
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- Time lapse: Watch glaciers rise, fall in thousands of years per second. Pat Brennan. NASA Jet Propulsion Laboratory Global Climate Change. March 27, 2019.
Ver también:
- The solid Earth: softer than you might think! Violaine Coulon. European Geosciences Union, (EGU), March 15, 2019.
Curiosidades
¿Por qué los ciclos de Milankovitch (orbital) no pueden explicar el calentamiento actual de la Tierra?
Los ciclos de Milankovitch no pueden explicar todo el cambio climático que ha ocurrido durante los últimos 2,5 millones de años aproximadamente. Y lo más importante, que no pueden tener en cuenta el actual período de rápido calentamiento de la Tierra ha experimentado desde el período pre-industrial (el período entre 1850 y 1900), y en particular desde mediados del siglo XX. Los científicos confían en que el reciente calentamiento de la Tierra se debe principalmente a las actividades humanas, específicamente, la entrada directa de dióxido de carbono a la atmósfera de la Tierra a partir de la quema de combustibles fósiles.
Entonces, ¿cómo sabemos que los ciclos de Milankovitch no son los culpables? Aquí está la contestación:
- Why Milankovitch (Orbital) Cycles Can’t Explain Earth’s Current Warming. Alan Buis. Ask NASA Climate | NASA Jet Propulsion Laboratory Global Climate Change. February 27, 2020