Variaciones orbitales para niños
Las variaciones orbitales o ciclos de Milanković describen cómo los cambios en el movimiento de la Tierra afectan el clima a lo largo de miles de años. Este nombre se debe a los estudios del científico serbio Milutin Milanković. En la década de 1920, él propuso que estos cambios en la órbita de la Tierra modifican la cantidad de radiación solar que llega a nuestro planeta, influyendo así en los patrones del clima.
Antes de Milanković, otros científicos como Joseph Adhemar y James Croll ya habían pensado en ideas similares en el siglo XIX. Sin embargo, en ese tiempo era difícil comprobar estas teorías porque no había suficientes datos antiguos del clima.
Hoy en día, los científicos estudian rocas y sedimentos que no han cambiado en miles de años para entender cómo ha variado el clima de la Tierra. Aunque muchos de estos hallazgos coinciden con las ideas de Milanković, hay algunos aspectos que sus teorías aún no pueden explicar completamente.
Contenido
Movimientos de la Tierra y el Clima
La rotación de la Tierra sobre su propio eje y su movimiento alrededor del Sol son ligeramente alterados con el tiempo por la atracción de otros planetas del sistema solar. Estos cambios son complejos, pero algunos ciclos son más importantes que otros.
La órbita de la Tierra cambia de ser casi un círculo a ser más ovalada (esto se llama excentricidad). Cuando la órbita es más ovalada, la distancia entre la Tierra y el Sol varía más a lo largo del año, lo que cambia la cantidad de luz solar que recibimos. Además, la inclinación del eje de la Tierra (su oblicuidad) también cambia un poco. Una mayor inclinación puede hacer que las estaciones sean más extremas. Finalmente, la dirección hacia donde apunta el eje de la Tierra también se mueve lentamente (esto se llama Precesión de los equinoccios). La combinación de estos movimientos hace que la cercanía al Sol varíe en diferentes estaciones a lo largo del tiempo.
Milanković estudió cómo estos cambios en los movimientos de la Tierra alteran la cantidad de luz solar que llega a su superficie. A este fenómeno se le conoce como forzamiento radiativo. Milanković se centró especialmente en los cambios que ocurren a 65 grados de latitud norte. Esto se debe a que en esa zona hay mucha tierra firme, y las grandes masas de tierra cambian de temperatura más rápido que los océanos.
¿Cómo cambia la forma de la órbita (excentricidad)?
La órbita de la Tierra alrededor del Sol es casi una elipse (un óvalo). La excentricidad orbital mide qué tan ovalada es esta elipse. La órbita de la Tierra varía entre una forma casi circular (con una excentricidad muy baja de 0.000055) y una forma más ovalada (con una excentricidad más alta de 0.0679). Su excentricidad promedio es de 0.0019.
El cambio más grande en la excentricidad ocurre en un ciclo de aproximadamente 413,000 años. También hay otros ciclos de 95,000 y 125,000 años. La excentricidad actual es de 0.017 y está disminuyendo, lo que significa que la órbita se está volviendo más circular.
Estos cambios en la excentricidad se deben principalmente a la fuerza de gravedad de los planetas Júpiter y Saturno.
Efectos de la excentricidad en la temperatura
Cuando la órbita de la Tierra se vuelve más ovalada, las diferencias de temperatura entre las estaciones pueden ser mayores.
Actualmente, la Tierra recibe un 6.8% más de radiación solar cuando está más cerca del Sol (en el perihelio, alrededor del 3 de enero) que cuando está más lejos (en el afelio, alrededor del 4 de julio). Cuando la órbita es más ovalada, la diferencia en la radiación solar puede ser mucho mayor, hasta un 23%. Sin embargo, la excentricidad de la Tierra es tan pequeña que su efecto en los cambios estacionales es menor comparado con la inclinación del eje de la Tierra.
Efecto de la excentricidad en la duración de las estaciones
Las estaciones son las cuatro partes de la órbita de la Tierra, marcadas por los solsticios y equinoccios. Según las leyes de Kepler, la Tierra se mueve más rápido cuando está cerca del Sol y más lento cuando está lejos. Esto significa que la Tierra pasa menos tiempo cerca del perihelio y más tiempo cerca del afelio. Por lo tanto, la duración de las estaciones varía.
Como el perihelio ocurre alrededor del 3 de enero, la Tierra se mueve más rápido durante el invierno y el otoño en el hemisferio norte, acortando estas estaciones. El verano del hemisferio norte es 4.66 días más largo que el invierno, y la primavera es 2.9 días más larga que el otoño.
A medida que la órbita de la Tierra se vuelve menos ovalada (más circular), las estaciones se irán pareciendo más en duración.
¿Cómo cambia la inclinación del eje (oblicuidad)?
El ángulo de inclinación del eje de la Tierra con respecto a su órbita (la oblicuidad de la eclíptica) cambia entre 22.1° y 24.5° en un ciclo de aproximadamente 41,000 años. La inclinación actual es de 23.44°, que es un valor intermedio. La inclinación fue máxima en el año 8700 a.C. y está disminuyendo, alcanzando su mínimo alrededor del año 11800 de nuestra era.
Una mayor inclinación del eje hace que las estaciones sean más extremas: más luz solar en verano y menos en invierno en cada hemisferio. Sin embargo, este efecto no es igual en toda la Tierra. Una mayor inclinación aumenta la radiación solar en las latitudes altas y la disminuye cerca del Ecuador.
La disminución actual de la inclinación del eje de la Tierra lleva a estaciones menos extremas, con inviernos más cálidos y veranos más frescos. Esto podría contribuir a un enfriamiento general. Como la mayor parte de la nieve y el hielo del planeta se encuentran en latitudes altas, una inclinación decreciente podría favorecer el inicio de una edad de hielo. Esto se debe a que hay menos luz solar en verano en esas latitudes, lo que derrite menos la nieve y el hielo acumulados en invierno.
¿Qué es la precesión axial?
La precesión axial es el cambio lento en la dirección del eje de rotación de la Tierra con respecto a las estrellas lejanas. Este giro completo dura unos 25,771.5 años. Debido a este movimiento, la estrella Polar no siempre será la estrella polar del hemisferio norte. Este movimiento es causado por las fuerzas de gravedad del Sol y la Luna sobre la Tierra.
Actualmente, el perihelio (cuando la Tierra está más cerca del Sol) ocurre durante el verano del hemisferio sur. Esto significa que la radiación solar es máxima en el verano del hemisferio sur por dos razones: el hemisferio sur está inclinado hacia el Sol y la Tierra está más cerca del Sol. Estos efectos se suman, haciendo que las estaciones en el hemisferio sur sean más extremas. En el hemisferio norte, estos dos factores actúan en direcciones opuestas, lo que resulta en una variación estacional menos extrema.
En unos 13,000 años, el polo norte se inclinará hacia el Sol cuando la Tierra esté en el perihelio. Esto hará que el verano del hemisferio norte reciba la máxima radiación solar, lo que provocará estaciones más extremas en el norte y menos extremas en el sur.
¿Qué es la precesión apsidal?
Además de los movimientos anteriores, la órbita elíptica de la Tierra también gira lentamente en el espacio. Este movimiento, llamado precesión apsidal, completa un ciclo cada 112,000 años en relación con las estrellas lejanas. La precesión apsidal cambia la orientación de la órbita de la Tierra. Esto ocurre principalmente por la interacción gravitacional con Júpiter y Saturno.
La precesión apsidal se combina con el ciclo de precesión axial de 25,771.5 años. Esta combinación hace que la posición de la Tierra en el perihelio (el punto más cercano al Sol) cambie a lo largo del año en un ciclo promedio de 23,000 años (que varía entre 20,800 y 29,000 años).
A medida que la orientación de la órbita de la Tierra cambia, cada estación comenzará un poco antes cada año. Esto significa que el invierno, por ejemplo, ocurrirá en una parte diferente de la órbita. Cuando los puntos más cercanos y lejanos de la órbita (ápsides) coinciden con los equinoccios, la duración de la primavera y el verano combinados será igual a la del otoño y el invierno. Cuando coinciden con los solsticios, la diferencia en la duración de las estaciones será mayor.
¿Qué es la inclinación orbital?
La inclinación de la órbita de la Tierra se mueve ligeramente hacia arriba y hacia abajo en relación con su órbita actual. Este movimiento se conoce como "precesión de la eclíptica" o "precesión planetaria". La inclinación actual de la órbita de la Tierra es de 1.57°.
Milanković no estudió la precesión apsidal. Esta fue descubierta más tarde y se calcula que tiene un período de 70,000 años en relación con la órbita de la Tierra.
Sin embargo, si se mide la inclinación de la órbita de la Tierra en relación con el "plano invariable" (un plano que representa el movimiento general de todo el Sistema Solar, similar al plano de la órbita de Júpiter), la precesión tiene un período de aproximadamente 100,000 años. Este período es muy parecido al ciclo de excentricidad de 100,000 años y coincide con el patrón de las edades de hielo que ocurren cada 100,000 años.
Desafíos y Preguntas Abiertas
Los científicos han estudiado muestras de sedimentos de la Tierra para entender los ciclos climáticos del pasado. Un estudio de núcleos de hielo de la Antártida, que midió gases atrapados en el hielo, encontró que los cambios climáticos registrados en el hielo coincidían con la cantidad de luz solar en el hemisferio norte, tal como Milanković había propuesto. Otros análisis de sedimentos en el fondo del océano también han apoyado las teorías de Milanković.
Estos estudios encajan muy bien con los períodos orbitales, lo que respalda la idea de que las variaciones en la órbita de la Tierra influyen en el clima. Sin embargo, el patrón no es perfecto y todavía hay preguntas sin resolver que no logran que todas las teorías coincidan con las observaciones.
El misterio de los 100,000 años
Milanković pensaba que la inclinación del eje (oblicuidad) era el factor más importante para el clima, y que causaba las grandes edades de hielo en ciclos de 41,000 años. Sin embargo, investigaciones posteriores han mostrado que los ciclos de las edades de hielo durante el último millón de años (la glaciación cuaternaria) ocurren cada 100,000 años, lo que coincide mejor con el ciclo de excentricidad.
Se han propuesto varias ideas para explicar esta diferencia, como la forma en que el dióxido de carbono o el hielo reaccionan a los cambios. Algunos modelos pueden recrear los ciclos de 100,000 años como resultado de interacciones complejas entre los pequeños cambios en la órbita de la Tierra y los movimientos internos del sistema climático.
Un profesor de la Brown University, Jung-Eun Lee, sugiere que la precesión cambia la energía que la Tierra absorbe. Esto se debe a que el hemisferio sur, con su mayor capacidad para formar hielo marino, refleja más energía solar de vuelta al espacio. Lee también dice que "la precesión solo es importante cuando la excentricidad es grande. Por eso vemos un ritmo más fuerte de 100,000 años que uno de 21,000".
Algunos científicos también han dicho que los registros climáticos no son lo suficientemente largos como para demostrar una relación clara entre el clima y los cambios de excentricidad.
El problema de la Transición Climática
Hace entre 1 y 3 millones de años, los ciclos climáticos coincidían con el ciclo de 41,000 años de la oblicuidad. Sin embargo, hace 1 millón de años, los ciclos cambiaron a 100,000 años debido al efecto de la excentricidad. A esto se le llama la transición del Pleistoceno medio. Aunque recientemente se descubrió que el ciclo de 41,000 años no desapareció, sino que fue "eclipsado" por el de 100,000 años, por lo que en los registros geológicos solo se ve el ciclo más largo.
Problemas sin resolver
Incluso los registros climáticos más precisos del último millón de años no coinciden exactamente con la forma de la curva de excentricidad. La excentricidad tiene ciclos de 95,000 y 125,000 años, pero algunos investigadores dicen que los registros solo muestran claramente los ciclos de 100,000 años.
El problema del inicio de la Edad de Hielo
Las muestras de isótopos tomadas en aguas profundas muestran que un período cálido entre edades de hielo, conocido como estadio isotópico marino 5, comenzó hace 130,000 años. Esto es 10,000 años antes de lo que la hipótesis de Milanković predice que debería haber aumentado la luz solar. Esto se conoce como el "problema de causalidad" porque el efecto parece ocurrir antes de la causa.
El efecto es mayor que la causa
Los registros muestran que los cambios en el clima de la Tierra son mucho más grandes que la variación en la intensidad de la radiación solar calculada por los cambios orbitales. Si los cambios orbitales causan el cambio climático, los científicos necesitan explicar por qué el efecto observado es mucho más fuerte que el efecto teórico.
Algunos sistemas climáticos tienen mecanismos de amplificación (llamados retroalimentación positiva) y de amortiguación (retroalimentación negativa). Un ejemplo de amplificación sería si las grandes masas de tierra a 65° de latitud norte estuvieran cubiertas de hielo todo el año. En ese caso, la mayor parte de la energía solar se reflejaría de vuelta al espacio. Esta amplificación significaría que una edad de hielo provoca cambios en la Tierra que impiden que los cambios orbitales la terminen de forma natural.
La inclinación orbital actual de la Tierra es de 1.57°. La Tierra atraviesa el "plano invariable" (un plano de referencia en el Sistema Solar) alrededor del 9 de enero y el 9 de julio. En esos momentos, hay un aumento en el número de meteoritos y de las nubes noctilucentes. Si esto se debe a que hay un disco de polvo en el plano invariable, cuando la inclinación orbital de la Tierra sea cercana a 0° y orbite a través de este polvo, los materiales podrían acumularse en la atmósfera. Este proceso podría ayudar a explicar el ciclo climático de 100,000 años.
El Clima de la Tierra: Presente y Futuro
Como las variaciones orbitales se pueden predecir, cualquier modelo que las relacione con el clima puede usarse para pronosticar el clima futuro.
Un modelo de 1980, citado a menudo por John Imbrie, predijo que "la tendencia de enfriamiento a largo plazo que comenzó hace unos 6,000 años continuará durante los próximos 23,000 años". Sin embargo, estudios más recientes sugieren que las variaciones orbitales deberían aumentar la luz solar en verano en la zona de 65° N durante los próximos 25,000 años. La órbita de la Tierra se volverá menos ovalada en los próximos 100,000 años, por lo que los cambios en la luz solar estarán dominados por los cambios en la inclinación del eje, y no deberían disminuir lo suficiente como para causar una edad de hielo en los próximos 50,000 años.
Sin embargo, la forma exacta en que los cambios orbitales influyen en el clima no se entiende completamente. La Tierra no es un sistema simple. Milanković no relacionó las edades de hielo con la cantidad total de luz solar que llega a la Tierra, sino con la luz solar específica que se recibe en verano a 65° de latitud norte. Esto se debe a que las grandes masas de tierra del hemisferio norte se calientan más fácilmente. Estudios posteriores han sugerido que la luz solar que llega al hielo en esas grandes masas de tierra simplemente se reflejaría en su mayor parte.
Hay otros factores que afectan el clima:
- La geología de la Tierra influye en el clima, no solo por el calor del centro de la Tierra, sino también por los cambios en la atmósfera causados por las erupciones volcánicas. Incluso la forma de los continentes y las capas de hielo cambian con el tiempo debido a la deriva continental.
- Las actividades humanas también pueden afectar el clima. Muchos estudios han concluido que el aumento de gases de efecto invernadero en los siglos XX y XXI atrapa energía, lo que resulta en un clima más cálido.
- El artículo Futuro de la Tierra presenta otros eventos poco comunes, como colisiones de cuerpos en el sistema solar, que podrían hacer que el clima pasado o futuro se desvíe del modelo matemático orbital.
Efectos en otros planetas
Otros cuerpos del Sistema Solar también experimentan efectos relacionados con las variaciones orbitales, similares a los ciclos de Milanković, aunque no tan intensos o complejos como los de la Tierra. Estos ciclos pueden causar el movimiento de elementos sólidos en sus superficies:
Marte
Marte no tiene una luna lo suficientemente grande como para mantener estable la inclinación de su eje, que ha variado de 10 a 70 grados. Esto podría explicar las observaciones de su superficie, que muestran evidencia de diferentes condiciones climáticas en el pasado, como la extensión de sus casquetes polares.
Saturno
Titán, una luna de Saturno, tiene un ciclo de aproximadamente 60,000 años que cambia la ubicación de sus lagos de metano.
Neptuno
Tritón, una luna de Neptuno, tiene una variación similar a Titán con respecto al movimiento de sus depósitos sólidos de nitrógeno a lo largo de grandes períodos de tiempo.
Exoplanetas
Científicos que usan modelos de computadora para estudiar inclinaciones axiales extremas han llegado a la conclusión de que una inclinación muy alta en otros planetas podría causar climas extremos que dificultarían la vida similar a la Tierra. Señalaron que una inclinación muy alta probablemente no eliminaría toda la vida de un planeta, pero haría mucho más difícil la existencia de tipos de vida similares a los terrestres, al menos aquellos de sangre caliente, como los mamíferos y las aves. Aunque la inclinación que estudiaron es más extrema de lo que la Tierra ha experimentado, hay escenarios hipotéticos en el futuro (dentro de 1.5 a 4.5 mil millones de años), a medida que el efecto estabilizador de la Luna disminuye, donde la inclinación del eje de la Tierra podría salirse de su rango actual y los polos podrían apuntar casi directamente hacia el Sol.
Galería de imágenes
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El pasado y futuro de los ciclos de Milanković ayuda a comprender la predicción de los parámetros orbitales pasados y futuros con gran precisión. La figura muestra variaciones en los elementos orbitales, como la Oblicuidad (Inclinación orbital), la Excentricidad, la Longitud del periastro y el Índice de precesión equinoccial, el cual, junto a la oblicuidad, controla el ciclo estacional de la insolación. Así mismo, aparece la cantidad de insolación calculada diariamente en la zona superior de la atmósfera durante el solsticio de verano a un nivel de latitud de 65º N. Aparecen dos niveles diferentes para el nivel del mar y la temperatura oceánica, ambos obtenidos de los sedimentos marinos y del hielo de la Antártida, extraídos de los depósitos bentónicos y del núcleo del hielo en la base antártica rusa de Vostok. La línea gris vertical muestra las condiciones actuales hacia el 2000 D.C.
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Eccentricity zero.svg
Órbita circular, sin excentricidad
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Eccentricity half.svg
Orbita con un 0,5 de excentricidad
Véase también
En inglés: Milankovich cycle Facts for Kids
