ミランコビッチサイクル

ミランコビッチ サイクルは、数千年にわたる地球の運動の変化が気候に及ぼす総合的な影響を表す。この用語は、セルビアの地球物理学者で天文学者の ミルティン ミランコビッチにちなんで名付けられた。1920 年代に、彼は、離心率、軸の傾き、歳差運動の変動が組み合わさって、地球表面の太陽放射の年内および緯度分布に周期的な変動をもたらし、この軌道力が地球の気候パターンに強い影響を与えているという仮説を立てた。^{[1] [2]}

地球の自転と太陽の周りの公転は、太陽系の他の天体との重力相互作用により、時間の経過とともに変化します。変化は複雑ですが、いくつかの周期が支配的です。^[3]

地球の軌道は、ほぼ円形から緩やかな楕円形まで変化します（軌道離心率は変化します）。軌道が長くなると、地球と太陽の距離、および年間のさまざまな時期における太陽放射量の変動が大きくなります。さらに、地球の自転の傾き（黄道傾斜角）もわずかに変化します。傾きが大きくなると、季節の変化が激しくなります。最後に、地球の軸が指す恒星の方向が変わり（軸歳差）、太陽の周りの地球の楕円軌道が回転します（遠心歳差）。歳差と離心の複合効果により、太陽への接近が異なる天文季節に発生します。^[4]

ミランコビッチは、地球に到達する太陽​​放射の量と位置を変える地球の運動の変化を研究しました。これは太陽強制力（放射強制力の一例）として知られています。ミランコビッチは、北緯65度に広大な陸地があるため、そこで起こる変化を強調しました。陸地は、表層水と深層水が混ざり合うことと、土壌の体積熱容量が水よりも低いという事実により、海洋よりも急速に温度が変化します。 ^[5]

地球の軌道は楕円に近い。離心率は、この楕円が真円からどれだけ離れているかを表す。地球の軌道の形状は、ほぼ真円（理論上は離心率はゼロになる）から弱楕円（過去2億5千万年間の最大の離心率は0.0679）まで変化する。 ^[6]幾何平均または対数平均は0.0019である。これらの変動の主な要素は、405,000年の周期で発生する^[7]（離心率の変動は±0.012）。その他の要素は、95,000年と124,000年の周期を持つ^[7]（ビート周期は400,000年）。これらは緩やかに組み合わさって100,000年の周期（変動は-0.03～+0.02）を形成する。現在の離心率は0.0167 ^[7]であり、減少傾向にある。

離心率は主に木星と土星の引力によって変化する。しかし、軌道楕円の長半径は変化しない。軌道の進化を計算する摂動論によれば、長半径は不変である。軌道周期（恒星年の長さ）も不変である。これは、ケプラーの第三法則によれば、長半径によって決まるからである。^[8]より長期的な変動は、水星、金星、地球、火星、木星の近日点と交点の相互作用によって引き起こされる。^[6]

半長軸は一定である。したがって、地球の軌道が離心率が高くなると、半短軸は短くなる。これにより季節の変化の規模が大きくなる。^[9]

太陽に最も近づくとき（近日点）の太陽放射量と最も遠いとき（遠日点）の太陽放射量の相対的な増加は、軌道離心率の4倍よりわずかに大きい。地球の現在の軌道離心率では、入射する太陽放射量は約6.8%変化するのに対し、太陽からの距離は現在わずか3.4%（510万kmまたは320万マイルまたは0.034au）しか変化しない。^[10]

近日点は現在1月3日頃、遠日点は7月4日頃である。軌道の離心率が最も高いとき、近日点における太陽放射量は遠日点よりも約23%多くなる。しかし、地球の離心率は（少なくとも現時点では）非常に小さいため、太陽放射量の変化は季節的な気候変化の要因としては小さく、軸の傾きや北半球の大きな陸地が比較的容易に暖まることと比較しても小さい。^[11]

季節は地球の軌道の象限であり、2つの至点と2つの春分・秋分で区切られます。ケプラーの第二法則によれば、軌道上の物体は等しい時間に等しい面積を描きます。その公転速度は近日点付近で最高になり、遠日点付近で最低になります。 ^[13]地球は近日点付近で過ごす時間が短く、遠日点付近で過ごす時間が長くなります。これは、季節の長さが変化することを意味します。^[14]近日点は現在1月3日頃に発生するため、地球の速度が大きいため、北半球では冬と秋が短くなり、南半球では夏と春が短くなります。北半球の夏は冬より4.66日長く、春は秋より2.9日長くなります。 ^[14]南半球ではこれが逆で、夏より4.66日長く、秋は春より2.9日長くなります。離心率が大きいほど、地球の公転速度の変動が大きくなります。しかし現在、地球の軌道は離心率が低くなりつつあり（より円形に近づいています）、近い将来、季節の長さはより近くなるでしょう。^[14]

地球の軸の傾き角（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。現在の傾きは 23.44° で、両極値のほぼ中間です。傾き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相関しています。現在は周期の減少期にあり、西暦 11,800年頃に最小になります。^{[14]傾きが大きくなると、日射}量の季節サイクルの振幅が大きくなり、各半球の夏には太陽放射が増え、冬には少なくなります。ただし、これらの影響は地球表面のどこでも均一というわけではありません。傾きが大きくなると、高緯度では年間太陽放射の総量が増加し、赤道に近いほど総量は減少します。^[14]

現在の傾斜減少傾向は、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。^[14]地球上の雪と氷のほとんどは高緯度にあるため、傾斜減少は、1) 夏の全体的な日射量が少なくなる、2) 高緯度での日射量が少なくなる（そのため、前の冬の雪と氷があまり溶けない）という2つの理由から、間氷期の終焉と氷河期の始まりを促す可能性があります。^[14]

軸歳差運動は、恒星に対する地球の自転軸の方向の傾向であり、周期は約 25,700 年です。春分点歳差運動としても知られるこの運動は、最終的に北極星が北極星ではなくなることを意味します。この歳差運動は、自転する地球に太陽と月が及ぼす潮汐力によって引き起こされます。この効果には、どちらもほぼ同等に寄与しています。^{[引用が必要]}

現在、近日点は南半球の夏に発生します。つまり、南半球を太陽に傾ける軸の傾きと、地球が太陽に近いことの両方による太陽放射は、南半球の夏に最大になり、南半球の冬に最小になります。これらの加熱効果は加算的であるため、南半球の放射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 年の反対の時期に最大になります。つまり、地球が太陽から最も遠いときに北が太陽に傾きます。2 つの効果は反対方向に作用するため、日射量の変動はそれほど極端ではありません。

約 1 万年後、地球が近日点にあるとき、北極は太陽に向かって傾く。軸の傾きと軌道の離心率は、北半球の夏の間、太陽放射の最大の増加に寄与する。軸の歳差運動は、北半球の放射量の極端な変化を促進し、南半球の放射量の極端な変化は少なくなる。遠日点と近日点が春分点付近で発生するように地球の軸が整列している場合、軸の傾きは離心率と一致したり、離心率に反したりしない。^{[引用が必要]}

軌道楕円自体は宇宙で不規則に歳差運動をしており、恒星に対して約112,000年で一周期を終える。^[15]遠赤道歳差運動は黄道面で発生し、黄道に対する地球の軌道の向きを変える。これは主に木星と土星との相互作用の結果として起こる。太陽の扁平率や水星でよく知られている一般相対性理論の影響も、わずかながら寄与している。 ^[16]

遠赤道歳差は、25,700年周期の軸歳差（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。遠赤道歳差により、この周期は現在約21,000年に短縮されます。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年の間で変動しました。^[15]

地球の軌道の方向が変わると、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、冬は軌道の別の部分にあります。地球の遠点 (太陽からの距離の極値) が春分点と一直線になると、春と夏の長さを合わせた長さは秋と冬の長さに等しくなります。それらが至点と一直線になると、これらの季節の長さの差は最大になります。^{[引用が必要]}

地球の軌道の傾斜は、現在の軌道に対して上下にドリフトします。この 3 次元の動きは、「黄道の歳差」または「惑星歳差」として知られています。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) に対する地球の現在の傾斜は 1.57° です。 ^[要出典]ミランコビッチは惑星歳差を研究しませんでした。最近になって発見され、地球の軌道に対する周期が約 70,000 年であることが測定されました。ただし、地球の軌道とは独立して不変面に対して測定した場合、歳差の周期は約 100,000 年です。この周期は、100,000 年の離心率周期と非常によく似ています。どちらの周期も、100,000 年の氷河現象のパターンとほぼ一致しています。^[17]

地球から採取された物質は、過去の気候の周期を推測するために研究されてきた。南極の氷床コアには閉じ込められた気泡が含まれており、その酸素同位体の比率は、氷が形成された頃の地球の気温の信頼できる代理指標となる。このデータの研究により、氷床コアに記録された気候反応は、ミランコビッチ仮説で提唱されているように、北半球の日射量によって引き起こされたという結論が出た。 ^{[18]同様の天文学的仮説は、19世紀に}ジョセフ・アデマー、ジェームズ・クロールらによって提唱されていた。 ^[19]

深海コアと湖の深さの分析^{[20] [21]と}ヘイズ、インブリー、シャクルトンによる独創的な論文^[22]は、物理的証拠によるさらなる検証を提供している。アリゾナ州で掘削された1,700フィート（520メートル）の岩石コアに含まれる気候記録は、地球の離心率と同期したパターンを示しており、ニューイングランドで掘削されたコアもそれと一致し、2億1500万年前に遡る。^[23]

ミランコビッチは、すべての軌道周期のうち、黄道傾斜が気候に最も大きな影響を与え、北半球の高緯度における夏の日射量を変化させると信じていた。そのため、彼は氷河期の周期を41,000年と推定した。^{[24] [25]}しかし、その後の研究^{[22] [26] [27]では、過去100万年間にわたる}第四紀氷河期の氷河期周期は10万年周期であり、離心率周期と一致することがわかっている。この食い違いについては、周波数変調^{[28]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から）など、さまざまな説明が提案されている。一部のモデルでは、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非線形相互作用の結果として、10万年周期を再現できる。^{[29] [30]}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ました。^{[31] [32]}

ブラウン大学のジョン・ウン・リーは、南半球の海氷の成長能力が高いため、地球からより多くのエネルギーが反射されるため、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。さらに、リーは「歳差運動は離心率が大きい場合にのみ問題になる。そのため、10万年のペースが2万1千年のペースよりも強くなる」と述べている。^{[33] [34]}気候記録の長さは、気候と離心率の変化の間に統計的に有意な関係を確立するには不十分であると主張する人もいる。^[35]

100万年から300万年前までは、気候サイクルは黄道黄道の41,000年周期と一致していました。100万年前以降、中期更新世遷移（MPT）が発生し、離心率と一致する10万年周期に切り替わりました。遷移問題とは、100万年前に何が変わったのかを説明する必要があることを意味します。^{[36] MPTは現在、}二酸化炭素の減少傾向と氷河によって引き起こされた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ます。^[37]

過去100万年間の気候記録でさえ、離心率曲線の形と正確には一致しない。離心率には95,000年と125,000年の周期がある。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年の単一周期のみを示していると述べている。^[38]しかし、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ラムシェールの掘削コアで少なくとも1回は観察されている。^[39]

深海コアサンプルは、海洋同位体ステージ5として知られる間氷期が13万年前に始まったことを示しています。これは、ミランコビッチ仮説が予測する太陽の力の1万年前です。（これは、結果が推定原因に先行するため、因果関係問題としても知られています。）^[40]

軌道の変化は予測可能であるため^[41]、軌道の変化と気候を関連付けるモデルであれば、将来の気候を予測するために実行することができますが、2つの注意点があります。軌道の力が気候に影響を与えるメカニズムは決定的なものではなく、軌道以外の影響も重要になる場合があります（たとえば、人間が環境に与える影響は主に温室効果ガスを増加させ、気候を温暖化させます^{[42] [43] [44]}）。

よく引用されるインブリーの1980年の軌道モデルは、「約6,000年前に始まった長期的な寒冷化傾向は、今後23,000年間続く」と予測している。[ ^45]別の研究^[46]では、北緯65度における太陽放射量は約6,500年後に460 W·m ⁻²のピークに達し、その後約16,000年後に現在のレベル（450 W·m ⁻²）^[47]に戻ると示唆している。地球の軌道は今後約10万年間、偏心が少なくなるため、この放射量の変化は傾斜角の変化によって支配され、今後5万年間は新たな氷河期を許すほどには減少しないはずである。 ^{[48] [49]}

1972 年以来、火星の極地層堆積物における明暗の交互層の形成と、火星の軌道気候強制力との関係が推測されてきた。2002 年、ラスカ、レヴァード、マスタードは、深さの関数としての氷層の輝度が、地球の古気候変動と同様に、火星北極の夏の日射量変動と相関していることを示した。また、火星の歳差運動の周期は約 51千年、黄道傾斜の周期は約 120 千年、離心率の周期は 95 ～ 99 千年であることも示した。 2003年、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、火星の黄道傾斜が30度を超えていることから、火星は過去40万年間は間氷期、40万年から210万年間は氷期にあったと提唱した。この極端な黄道傾斜では、日射量は火星の黄道傾斜の変化の規則的な周期によって支配される。^{[50] [51]火星の軌道要素の} フーリエ解析では、黄道傾斜周期は128千年、歳差運動の指標周期は73千年であることが示された。^{[52] [53]}

火星には、 10度から70度まで変化する火星の傾斜角を安定させるのに十分な大きさの衛星がありません。これは、火星の極冠の範囲など、過去のさまざまな状況の証拠と比較して、最近の火星表面の観測結果を説明するものです。^{[54] [55]}

土星の衛星タイタンは約6万年の周期があり、メタン湖の位置を変える可能性がある。^[56]海王星の衛星トリトンはタイタンと同様の変動があり、固体窒素堆積物が長い時間スケールで移動する可能性がある。^[57]

コンピュータモデルを使用して極端な軸の傾きを研究している科学者は、高い黄道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ことはおそらくないが、影響を受ける地域での陸上生物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では、単純な生命体とより複雑な生命体の両方が発達する可能性がある。^[58]彼らが研究した黄道傾斜角は地球が経験したことのないほど極端であるが、今から15億年から45億年後には、月の安定効果が弱まるにつれて、黄道傾斜角が現在の範囲を離れ、極が最終的に太陽にほぼ直接向く可能性があるというシナリオがある。^[59]

• セノマニアン-チューロニアン境界イベント § ミランコビッチサイクル
• 超大陸 § ミランコビッチサイクル

ウィキメディア・コモンズのミランコビッチ・サイクルに関連するメディア

ウィキブックスのミランコビッチサイクル

• カンピサーノ、CJ（2012）ミランコビッチサイクル、古気候変化、そして人類の進化。自然教育知識4（3）：5
• 氷河期 – ミランコビッチ サイクル – ナショナル ジオグラフィック チャンネル
• ミランコビッチバンド、アメリカ地球物理学連合の講義のインターネットアーカイブ