ミランコビッチサイクル

円軌道、離心率なし

離心率0.5の軌道の例。地球の軌道はこれよりもはるかに離心率が低い。

地球の軌道は楕円に近似します。離心率は、この楕円が円形からどれだけずれているかを示します。地球の軌道の形状は、ほぼ円形（理論的には離心率がゼロになることもあります）からわずかに楕円形（過去 2 億 5000 万年間で最大の離心率は 0.0679 でした）まで変化します。^{[ 7 ]} e = 0.0679、a = 1 AU を使用すると、近日点 ≈ 1 億 4000 万 km、遠日点 ≈ 1 億 6000 万 km となり、変動は約 2000 万 km になります。これは、太陽までの距離が 13% 変動すること（逆二乗法則により太陽強度が約 30% 変動すること）を意味し、今日の強度変化 約 3～7% よりもはるかに顕著です。

地球の離心率の幾何平均または対数平均は 0.0019 です。これらの変動の主要成分は 405,000 年周期で発生します^{[ 8 ]} (離心率の変動は ±0.012)。他の成分は 95,000 年および 124,000 年周期を持ちます^{[ 8 ]} (ビート周期は 400,000 年)。これらは大まかに 100,000 年周期 (変動は -0.03 ～ +0.02) に統合されます。現在の離心率は 0.0167 ^{[ 8 ]}で減少しています。

軌道離心率は主に木星と土星の重力によって変化します。しかし、軌道楕円の長半径は変化しません。軌道の進化を計算する摂動理論によれば、長半径は不変です。軌道周期（恒星年の長さ）も不変です。ケプラーの第3法則によれば、軌道周期は長半径によって決まるからです。^{[ 9 ]}より長期的な変動は、水星、金星、地球、火星、木星の近日点と昇交点の相互作用によって引き起こされます。^{[ 7 ]}

地球の自転軸の軌道面に対する傾斜角（黄道傾斜角）は、約41,000年の周期で22.1°から24.5°の間で変化します。現在の傾斜角は23.446°で、両極端のほぼ中間です。傾斜角が最後に最大になったのは紀元前8,700年で、これは現在の地質時代である完新世の始まりと一致します。現在は周期の減少期にあり、西暦11,800年頃に最小値に達すると予想されています。 [ ^{15 ]傾斜}角が増加すると、日射量の季節変動の振幅が大きくなり、各半球の夏にはより多くの太陽放射が得られ、冬には少なくなります。ただし、これらの効果は地球表面のどこでも均一ではありません。傾斜角が増加すると、高緯度では年間総太陽放射量が増加し、赤道付近では減少します。^{[ 15 ]}

地軸の傾きが減少する現在の傾向は、それ自体が、より穏やかな季節（より暖かい冬とより寒い夏）と全体的な寒冷化傾向を促進するでしょう。^{[ 15 ]}地球の雪と氷の大部分は高緯度にあるため、地軸の傾きの減少は、次の2つの理由から、間氷期の終焉（そして全体的な寒冷化につながる）と氷河期の開始を促す可能性があります。1）夏の全体的な日射量が減少する、2）高緯度での日射量が減少する（これにより、前の冬の雪と氷が溶ける量が少なくなる）。^{[ 15 ]}

歳差運動とは、地球の自転軸が恒星に対して約25,700年の周期で変化する現象です。分点歳差運動とも呼ばれるこの動きにより、いずれ北極星は北極星ではなくなります。この歳差運動は、太陽と月が回転する地球に及ぼす潮汐力によって引き起こされ、両者はほぼ同程度にこの効果に寄与しています。

現在、近日点は南半球の夏に起こります。これは、南半球が太陽に向かって傾く地軸の傾きと、地球が太陽に最も近づくことの両方によって生じる太陽放射が、南半球の夏に最大となり、南半球の冬に最小となることを意味します。これらの加熱効果は加算されるため、南半球の日射量の季節変動はより極端になります。北半球では、これら2つの要因は1年で反対の時期に最大となります。つまり、地球が太陽から最も遠いときに、北半球は太陽に向かって傾きます。2つの効果は逆方向に働くため、日射量の変動はそれほど極端ではありません。

約13,000年後、地球が近日点にあるとき、北極は太陽の方に傾きます。自転軸の傾きと軌道の離心率の両方が、北半球の夏の間、太陽放射の増加に最大の影響を与えます。歳差運動は、北半球の日射量の変動をより大きくし、南半球の日射量の変動を小さくします。地球の自転軸が、遠日点と近日点が春分点と秋分点の近くに位置するように整列している場合、自転軸の傾きは離心率と一致したり、反したりすることはありません。

軌道楕円自体は、不規則な形で宇宙空間を歳差運動し、恒星に対して約112,000年で一周します。^{[ 16 ]}近点歳差は黄道面で発生し、黄道に対する地球の軌道の向きを変えます。これは主に木星と土星との相互作用の結果として起こります。太陽の扁平率と、水星でよく知られている一般相対性理論の効果も、より小さな寄与をしています。^{[ 17 ]}

近点歳差運動は、25,700年の周期の自転軸歳差運動（上記参照）と組み合わさって、地球が近日点に到達する年の位置を変化させます。近点歳差運動により、この周期は現在約21,000年に短縮されています。比較的古い資料（1965年）によると、過去30万年間の平均値は23,000年で、20,800年から29,000年の間で変動していました。^{[ 16 ]}

地球の軌道の向きが変化すると、各季節は徐々に早く始まります。歳差運動とは、地球の不均一な動き（上記参照）がさまざまな季節に影響を与えることを意味します。たとえば、冬は軌道の異なる位置になります。地球の近点（太陽からの距離の極値）が春分と秋分に一致すると、春と夏を合わせた長さは秋と冬を合わせた長さと等しくなります。近点と夏至・冬至が一致すると、これらの季節の長さの差は最大になります。

地球の軌道の傾斜は、現在の軌道に対して上下に変動します。この三次元的な動きは、「黄道歳差運動」または「惑星歳差運動」として知られています。地球の現在の傾斜は、不変面（太陽系の角運動量を表す面、おおよそ木星の軌道面）に対して 1.57° です。ミランコビッチは惑星歳差運動を研究していませんでした。それはより最近発見され、地球の軌道に対して約 70,000 年の周期があると測定されました。しかし、地球の軌道とは独立して、不変面に対して測定すると、歳差運動の周期は約 100,000 年になります。この周期は、100,000 年の離心率の周期と非常によく似ています。どちらの周期も、100,000 年周期の氷河期のパターンとよく一致します。^{[ 18 ]}

ミランコビッチは、すべての軌道周期の中で、傾斜角が気候に最も大きな影響を与え、北半球高緯度地域の夏の日射量を変化させることでその影響を及ぼしていると信じていました。そのため、彼は氷河期の周期を41,000年と推論しました。^{[ 25 ] [ 26 ]}しかし、その後の研究^{[ 23 ] [ 27 ] [ 28 ]}では、過去100万年の第四紀氷河期の氷河期周期は100,000年であり、これは軌道離心率周期と一致することが示されています。この不一致については、周波数変調^{[ 29 ]}やさまざまなフィードバック（二酸化炭素や氷床のダイナミクスなど）を含むさまざまな説明が提案されています。いくつかのモデルは、地球の軌道の小さな変化と気候システムの内部振動との間の非線形相互作用の結果として、100,000年の周期を再現することができます。^{[ 30 ] [ 31 ]}特に、確率共鳴のメカニズムは、もともとこの相互作用を説明するために提案されたものです。^{[ 32 ] [ 33 ]}

ブラウン大学のジョンウン・リーは、歳差運動によって地球が吸収するエネルギー量が変化すると提唱している。これは、南半球の海氷が成長する能力が高いほど、地球から反射されるエネルギーが多くなるためである。さらにリーは、「歳差運動は、離心率が大きい場合にのみ重要になる。そのため、21,000 年周期よりも 100,000 年周期の方が強い変化が見られる」と述べている。^{[ 34 ] [ 35 ]}気候記録の長さが不十分であるため、気候と離心率の変動との間に統計的に有意な関係を確立できないと主張する人もいる。^{[ 36 ]}

100万～300 万年前は、気候サイクルは地軸傾斜角の4万1000年周期と一致していた。100万年前以降、中期更新世移行期（MPT）が発生し、離心率に一致する10万年周期に切り替わった。移行問題とは、100万年前に何が変わったのかを説明する必要性を指す。^{[ 37 ]} MPTは現在、二酸化炭素の減少傾向と氷河によるレゴリスの除去を含む数値シミュレーションで再現できる。^{[ 38 ]}

過去 100 万年の正確な年代が判明している気候記録でさえ、離心率曲線の形状と完全に一致するわけではありません。離心率には 95,000 年と 125,000 年の成分サイクルがあります。しかし、一部の研究者は、記録にはこれらのピークは示されておらず、100,000 年の単一のサイクルのみを示していると述べています。^{[ 39 ]}ただし、2 つの離心率成分の分裂は、5 億年前のスカンジナビアのアルム頁岩の掘削コアで少なくとも 1 回観測されています。^{[ 40 ]}

深海コアサンプルによると、海洋同位体ステージ5として知られる間氷期は13万年前に始まった。これは、ミランコビッチ仮説が予測する太陽強制力の1万年前である。（これは、結果が想定される原因に先行するため、因果関係の問題としても知られている。）^{[ 41 ]}

1972年以来、火星の極域層状堆積物における明暗が交互に現れる層の形成と、火星の軌道気候強制力との関係を探る憶測がなされてきた。2002年、ラスカ、レバード、マスタードは、氷層の放射輝度が深さの関数として、火星北極における夏の日射量の変動と相関関係にあることを示した。これは地球の古気候変動と類似している。彼らはまた、火星の歳差運動の周期は約51, 000年、自転軸傾斜角の周期は約120,000年、軌道離心率の周期は95,000年から99,000年の範囲であることを示した。 2003年に、ヘッド、マスタード、クレスラフスキー、ミリケン、マーチャントは、火星の自転軸傾斜角が30°を超えているため、火星は過去40万年間は間氷期であり、40万年から210万年間は氷期であったと提唱した。この極端な自転軸傾斜角では、日射量は火星の自転軸傾斜角の規則的な周期変動によって支配される。^{[ 51 ] [ 52 ]}火星の軌道要素のフーリエ解析では、自転軸傾斜角の周期が12万8千年、歳差指数の周期が7万3千年であることが示されている。^{[ 53 ] [ 54 ]}

火星には、自転軸の傾斜を安定させるのに十分な大きさの衛星がなく、自転軸の傾斜は10度から70度まで変動している。これは、極冠の範囲など、過去の異なる状況の証拠と比較した最近の表面の観測結果を説明するものである。^{[ 55 ] [ 56 ]}

土星の衛星タイタンは約6万年の周期を持ち、メタン湖の位置が変化する可能性がある。^{[ 57 ]}海王星の衛星トリトンはタイタンと同様の変動があり、その固体窒素堆積物が長期間にわたって移動する可能性がある。^{[ 58 ]}

極端な自転軸の傾きを研究するためにコンピューターモデルを使用している科学者たちは、高い自転軸傾斜角が極端な気候変動を引き起こす可能性があると結論付けており、それによって惑星が居住不可能になる可能性は低いものの、影響を受ける地域では陸上の生命にとって困難が生じる可能性がある。それでも、そのような惑星のほとんどは、単純な生命体とより複雑な生命体の両方の発生を可能にするだろう。^{[ 59 ]}彼らが研究した自転軸傾斜角は地球が経験したことのないほど極端だが、15億年から45 億年後には、月の安定化効果が弱まるにつれて、自転軸傾斜角が現在の範囲を超え、最終的には極が太陽にほぼ直接向く可能性があるシナリオがある。^{[ 60 ]}