- Variaciones orbitales
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Las variaciones orbitales se cree que son una de las principales causantes de los periodos glaciales e interglaciales holocénicos.
Si bien la luminosidad solar se mantiene prácticamente constante a lo largo de millones de años, no ocurre lo mismo con la órbita terrestre. Ésta oscila periódicamente haciendo que la cantidad media de radiación que recibe cada hemisferio fluctúe a lo largo del tiempo. Y son éstas variaciones las que provocan las pulsaciones glaciares a modo de veranos e inviernos de largo período. Son los llamados períodos glaciales e interglaciales. Hay que tener en cuenta varios factores que contribuyen a modificar las características orbitales haciendo que la insolación media en uno y otro hemisferio varíe aunque no lo haga el flujo de radiación global.
Rango de variación en la oblicuidad de la Tierra.
La excentricidad, la inclinación axial, y la precesión de la órbita de la Tierra varía en el transcurso del tiempo produciendo las glaciaciones del Cuaternario cada 100.000 años. El eje de la Tierra completa su ciclo de precesión cada 25.800 años. Al mismo tiempo el eje mayor de la órbita de la Tierra gira, en unos 22.000 años. Además, la inclinación del eje de la Tierra cambia entre 22,1 grados a 24,5 grados en un ciclo de 41.000 años. El eje de la Tierra tiene ahora una inclinación de 23,5º respecto a la normal al plano de la eclíptica.
Precesión de los equinoccios
La precesión de los equinoccios es el cambio en la dirección del eje de la Tierra que gira en 26.000 años alrededor del eje de la eclíptica.
Este fue el primer factor que se tuvo en cuenta. En 1842 el matemático francés Joseph Adémar postuló que la precesión del eje terrestre llevaría a una precesión de los equinoccios y solsticios que los harían desplazarse a lo largo de la órbita coincidiendo unas veces cerca del afelio y otras del perihelio. Esto es debido a que el cambio en la dirección del eje de rotación causa una variación del punto Aries o corte del ecuador y la eclíptica y por tanto cambia el inicio de la primavera y por tanto el ángulo que forma con la línea de los ápsides o momento en que la Tierra en su traslación alrededor del Sol alcanza el perihelio y el afelio.
Adémar pensó que esto explicaría la última glaciación que terminó hace 10.000 años (la precesión terrestre tiene un período de 25.800 años). Cuando el punto Aries se alinea con la dirección de la línea de los ápsides de la órbita de la Tierra (perihelio), un hemisferio tendrá una diferencia mayor entre las estaciones mientras el otro hemisferio tendrá las estaciones más benignas. El hemisferio que está en verano en el perihelio recibirá un aumento en la radiación solar, pero ese mismo hemisferio estará en invierno en el afelio y tendrá un invierno más frío. El otro hemisferio tendrá un invierno relativamente más caluroso y el verano más fresco.
Cuando el punto Aries es perpendicular a la línea de los ápsides los hemisferios norte y sur tendrán los contrastes similares en las estaciones.
En la actualidad el verano del hemisferio sur ocurre durante el perihelio y su invierno durante el afelio. Así las estaciones del Hemisferio Sur deben tender a ser algo más extremas que las estaciones del Hemisferio Norte. Este efecto queda en parte compensado por el hecho de que el norte tiene más Tierra y el sur mucho más océano y es conocido el efecto del mar en suavizar las máximas y elevar las mínimas.
Excentricidad orbital
El segundo factor importante lo tuvo en cuenta el inglés James Croll basándose en los cálculos manuales de Urbain Le Verrier. Se trata de la variación en la forma de la orbita debida a la atracción del resto de planetas del Sistema Solar.
La forma de la órbita de la Tierra, varía de ser casi circular (excentricidad, baja de 0,005) a ser ligeramente elíptica (excentricidad alta de 0,058) y tiene una excentricidad media de 0,028. El componente mayor de estas variaciones ocurre en un período de 413.000 años. También hay ciclos de entre 95.000 y 136.000 años, siendo el ciclo más conocido de unos 100.000 años.
La excentricidad actual es 0,017 y por tanto la diferencia entre el mayor acercamiento al Sol (perihelio) y la mayor distancia (afelio) es sólo 3,4% (5,1 millones de km). Esta diferencia supone un aumento del 6,8% en la radiación solar entrante. El perihelio ocurre actualmente alrededor del 3 de enero, mientras el afelio es alrededor del 4 de julio. Cuando la órbita es muy elíptica, la cantidad de radiación solar al perihelio sería aproximadamente 23% mayor que en el afelio.
Según Croll los periodos de gran excentricidad serían "eras glaciales" mientras que los momentos de órbita casi circular como el actual serían "épocas interglaciales". El hecho es que la insolación global una vez más permanecería constante pero no así la de cada hemisferio por separado. Según Croll el efecto albedo realimentaría los inviernos crudos y los hielos avanzarían pero esta hipótesis se reveló incompleta cuando se demostró que durante la última glaciación, hace tan solo 10.000 años, la excentricidad de la órbita terrestre era casi igual que la actual.
Véase también: Excentricidad (ciencias exactas)Inclinación del eje
Pero aun hay un tercer factor clave para explicar los ciclos glaciales. Fue Milutin Milanković quien propuso por primera vez su influencia. El eje de giro de la Tierra cambia su inclinación lentamente con el tiempo. (oblicuidad de la eclíptica). La amplitud del movimiento es de 2,4°.
Esta precesión del eje sigue un ciclo de aproximadamente 41.000 años. Cuando la inclinación aumenta a 24,5º, los inviernos son más fríos y los veranos son más calurosos. Cuando la inclinación es menor (22,1 grados), los inviernos son más apacibles y los veranos más frescos.
Actualmente el eje de rotación de la Tierra tiene una inclinación de 23,5 sobre el eje de la órbita.
Para Milankovic no eran los inviernos rigurosos sino los veranos suaves los que desencadenan un período glacial. La teoría afirma que siempre nieva suficiente en las regiones polares como para hacer crecer los glaciares pero la diferencia determinante está en la cantidad de hielo que se funde en los veranos. Si la fusión es insuficiente, crecerán; si es excesiva, como en la actualidad[cita requerida], retrocederán.
Se observó entonces que un efecto no era determinante sin la participación del otro. Es decir que ni las variaciones de excentricidad ni las de inclinación son, por sí solas, suficientes para producir una glaciación pero que, en conjunto podían superponerse sus efectos y desencadenar un período glacial.
La oscilación del plano de la Eclíptica
La variación en la inclinación de la órbita de Tierra tiene un período de aproximadamente 70.000 años y fue estudiada por Milankovitch.
Recientes investigaciones observaron que el plano de la órbita de la Tierra se mueve por la influencia de los demás planetas. El principal perturbador es el planeta Jupiter y la eclíptica oscila alrededor del plano de la órbita de Júpiter que es el plano que permanece aproximadamente invariante. La oscilación de la eclíptica es de unos 100.000 años respecto al plano invariable. Este ciclo de 100.000 años es el ciclo predominante en las edades de hielo.
Se ha propuesto que un disco de polvo y otras desperdicios está en el plano invariable, y esto afecta el clima de la Tierra a través de varios medios. La Tierra se mueve actualmente a través de este plano alrededor del 9 de enero y el 9 de julio, y se ha observado por radar un aumento de meteoros.
La combinación de los cuatro factores
La conclusión final de todo esto es que cada cierto tiempo los cuatro factores se alían para producir un período glacial. Estos períodos son mucho más largos (unos 100.000 años) que los breves intervalos interglaciales. Ninguno de ellos por sí solo podría desencadenar quizá una glaciación pero cuando confluyen las condiciones favorables entonces se inicia el proceso. Pero aun así los cálculos no salen. Las variaciones orbitales son demasiado leves. Lo que ocurre es que hay que tener en cuenta dos retroalimentaciones positivas: el aumento del albedo terrestre y la disminución de CO2.
La intuición nos diría que los inviernos rigurosos deberían regir los pulsos glaciales pero parece ser que son los veranos suaves los que lo hacen. La inclinación es aun de 23,4º pero sigue disminuyendo. Cuanto menor sea ésta menor será la insolación en los veranos. Aun con toda la complejidad con que se ha estudiado el problema sigue sin establecerse aun una explicación total para los ritmos glaciales y es que hay que tener en cuenta otros factores no explicados por las variaciones astronómicas. A pesar de todo si se puede afirmar que, en gran medida, el ciclo climático vienen regido por las variaciones orbitales.
El factor geológico: la tectónica de placas
Aunque este factor no está directamente relacionado con el tema del artículo, es importante porque se ha venido produciendo paralelamente a las variaciones orbitales, a lo largo del tiempo a escala geológica. De la historia geológica de nuestro planeta y de su repercusión en el clima en una escala temporal muy amplia existen numerosas evidencias:
- Yacimientos de carbón en las islas Svaldbard (Spitzberg), explotados en la época actual en unas islas tan septentrionales que carecen de árboles que pudieran producir los depósitos de carbón. Este hecho nos da una idea de la fragmentación del llamado continente de Gondwana y la posterior migración hacia el norte de lo que ahora son estas islas.
- Tiburones de agua dulce, en el lago Nicaragua, que ocupa parte de una amplia falla sobre la que corre el río San Juan (Nicaragua) y que formaba parte de una antigua comunicación oceánica entre el Atlántico y el Pacífico. El levantamiento de la cordillera volcánica centroamericana hace unos 50.000 años, cerrando dicha comunicación, reforzó definitivamente la alimentación de la Corriente del Golfo pero también afectó el clima de Europa, que perdió el glaciar de casquete centroeuropeo y el escandinavo (responsable de haber excavado los enormes fiordos noruegos), así como el glaciar laurentiano en la mitad oriental del Canadá y gran parte del noreste de los Estados Unidos.
- Las semejanzas biogeográficas y geológicas entre África y América del Sur debido a su origen común y posterior separación conservando una latitud similar.
- La existencia de las dorsales en los océanos, como la dorsal mesoatlántica, formada por dos cordilleras submarinas (con algunas islas volcánicas) que se están separando, dejando una depresión central y numerosos restos volcánicos (islas volcánicas o guyots) a ambos lados de la dorsal y cuya edad aumenta a medida que aumenta la distancia a la misma.
Todo ello son motivos más que suficientes para explicar las épocas glaciares a lo largo de largos períodos geológicos, por lo que es preciso tenerlos en cuenta.
Los problemas de la Teoría de Milankovitch
Milutin Milanković estudió los cambios en la excentricidad, oblicuidad, y precesión de la órbita de la Tierra. Dichos cambios hacen variar la cantidad de la radiación solar que alcanza la Tierra. Estos cambios son más importantes cerca del área polar norte o sur. La Teoría de Milankovitch para explicar el Cambio climático no funciona perfectamente y en particular no puede explicar el ciclo de los 100.000 años pero hay muchos más argumentos a favor que en contra (ver la edad de Hielo para una mayor discusión).
Ahora vamos a ver las dificultades para reconciliar la teoría con las observaciones.
El problema del ciclo de los 100.000 años
El problema del ciclo de los 100.000 años reside en que las variaciones de la excentricidad tienen un impacto mucho más pequeño en la radiación solar en la Tierra que la precesión o la oblicuidad por lo que podría esperarse que produzca efectos más débiles. Sin embargo, muestran las observaciones que durante el último millón de años, el periodo del clima más fuerte es el ciclo de 100.000 años. Además, a pesar del ciclo de 100.000 años relativamente fuerte, algunos han defendido la idea de que la longitud del registro del clima es insuficiente para establecer una relación estadísticamente significativa entre el clima y las variaciones de excentricidad.
El problema de la falta de un ciclo de 400.000 años
El problema de la falta de un ciclo de 400.000 años reside en que las variaciones de la excentricidad tienen un ciclo de 400.000 años. Ese ciclo no se ha encontrado en el clima. Si las variaciones de 100.000 años tienen un efecto fuerte, las variaciones de 400.000 también deberían descubrirse.
El problema de la causalidad
El problema de la causalidad se refiere a que el penúltimo periodo interglacial parece haber empezado 10.000 años antes que la variación en la radiación que supuestamente parece haberlo causado. Esto se llama el problema de causalidad ya que el efecto no puede ser anterior a la causa que lo provoca.
El efecto excede la causa
Se cree principalmente que los efectos de estas variaciones son debidos a las variaciones en la intensidad de radiación solar en las diferentes partes del globo. Las observaciones muestran que el comportamiento del clima es mucho más intenso que las variaciones calculadas. Se cree que las características del clima son sensibles a los cambios de la insolación, causando su amplificación (retroalimentación positiva) y también su moderación en casos aislados (retroalimentación negativa).
El problema de la falta de los ciclos de 95 y 125 mil años
El problema de la falta de los ciclos de 95 y 125 mil años se refiere al hecho que la excentricidad tiene las variaciones claras en ciclos de 95.000 y 125.000 años. Un registro suficientemente largo, y bien datado de cambio del clima se deben poder detectar ambas frecuencias, pero el clima muestra sólo una frecuencia consistente con el ciclo de los 100.000 años. Es discutible si la calidad de datos existentes debe ser suficiente resolver ambas frecuencias.
El problema de la transición
El problema de la transición es un término que se refiere a un importante cambio en la frecuencia de variación del clima sucedido entre 1 a 3 millones de años atrás. En aquella época el clima tenía un periodo dominante de 41.000 años, similar al ciclo de variación de la oblicuidad. Después y durante el último millón de años, esto cambió a un ciclo de 100.000 años similar a las variaciones periódicas de excentricidad.
Las condiciones actuales
La cantidad de radiación solar (insolación) en el Hemisferio Norte a los 65°N parece estar relacionada con la ocurrencia de una edad de hielo. Los cálculos astronómicos muestran que la insolación en verano a 65°N debe aumentar gradualmente durante los próximos 25.000 años, y que ningún declive de la insolación en verano a 65°N es suficiente para causar una edad de hielo que se esperan en los próximos 50.000 a 100.000 años.
En la actualidad el verano del hemisferio sur ocurre durante el perihelio y su invierno durante el afelio. Así las estaciones del Hemisferio sur deben tender a ser algo más extremas que las estaciones del Hemisferio Norte. La excentricidad relativamente baja de la órbita actual cifra en un 6.8% la diferencia en la cantidad de radiación solar durante el verano en los dos hemisferios.
El futuro
Desde que las variaciones orbitales son predecibles, si uno tiene un modelo que relaciona las variaciones orbitales al clima, es posible "predecir", en principio, el clima futuro. Sin embargo se sabe que hay bastantes más factores que juegan papeles importantes en la fluctuación climática. Por ejemplo las retroalimentaciones y los factores moderadores de la variación climática. Por otra parte actualmente está el problema de la Influencia antropogénica sobre el clima que puede ser la principal causa del calentamiento global reciente. Este tipo de fenómenos tienen naturalmente una influencia mucho más grande a corto plazo. No se conoce pues un buen modelo que relacione el clima y la variación orbital de la Tierra.
La discusión sobre si deberíamos encaminarnos a una glaciación o si aun permaneceremos por mucho tiempo más en el actual período interglacial sigue sujeta a debate.
Un estudio de Imbrie e Imbrie en 1980 determinó que ignorando el efecto antropogénico y otras posibles fuentes de variación que actúa a frecuencias superiores a las que un ciclo de 19.000 años, hay una tendencia a largo plazo hacia el frío que empezó hace unos 6.000 años y continuará durante los próximos 23.000 años". Sin embargo el reciente trabajo de Berger y Loutre sugiere que el clima caluroso actual pueda durar otros 50 milenios.
En cualquier caso, lo que a una gran porción de la comunidad científica le parece seguro es la tendencia actual al calentamiento prevista para el próximo siglo, causada sobre todo por el efecto de las emisiones humanas de gases de efecto invernadero. Sin embargo, hay una porción considerable de esa misma comunidad que descree de esta posibilidad y afirma que el aumento del dióxido de carbono, en sí un gas invernadero de poca potencia –comparado con el vapor de agua o el metano- no es la causa de ninguno de los calentamientos registrados en la historia del planeta, al demostrarse que a lo largo de la historia climática de la Tierra el aumento de temperatura se produjo primero –por varias causas no perfectamente comprendidas- y posteriormente se produjo el aumento del CO2, con un retraso promedio de unos 800 años (Monnin et ál, 2000), lo cual supondría que el actual aumento de CO2 se correspondería al período cálido de la Edad Media y no a causas antropogénicas actuales.
También está en estudio el efecto de las manchas solares sobre los ciclos climáticos.
Véase también
- Movimientos de la Tierra
- Clima
- Cambio climático
- Milutin Milankovich
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Variaciones orbitalesCommons.- Ciclos de Milankovitch y Glaciación
- Ciclos Milankovitch
- Historia de la adopción de la hipótesis de Milankovitch y alternativas
- Más detalle sobre la oblicuidad orbital y los modelos del clima
- El gráfico de variación en la insolación Los ciclos de 20.000 año, 100.000 año, y 400.000 años son claramente visibles
- E. Monnin, et ál. - Atmospheric CO2 Concentrations over the Last Glacial Termination
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