Các chu kỳ này được đặt theo tên của nhà địa vật lý và nhà thiên văn học người Serbia, Milutin Milankovitch, người đã tính toán chúng vào những năm 1920. Ông đưa ra giả thuyết rằng các biến đổi trong độ lệch tâm quỹ đạo, độ nghiêng trục quay và hiện tượng tuế sai của Trái Đất đã kết hợp lại để ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời đến bán cầu bắc vào mùa hè, điều này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và tan chảy của các dải băng.
Ba chu kỳ Milankovitch chính là:
- Độ lệch tâm quỹ đạo (Eccentricity): Mô tả hình dạng của quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời. Quỹ đạo Trái Đất không phải là một hình tròn hoàn hảo mà là một hình elip. Độ lệch tâm đo lường mức độ sai lệch so với hình tròn hoàn hảo. Độ lệch tâm thay đổi theo chu kỳ khoảng 100.000 năm và 413.000 năm. Khi độ lệch tâm lớn, sự khác biệt về lượng bức xạ mặt trời nhận được giữa điểm cận nhật (điểm gần Mặt Trời nhất) và điểm viễn nhật (điểm xa Mặt Trời nhất) sẽ lớn hơn.
- Độ nghiêng trục quay (Obliquity hoặc Axial Tilt): Góc giữa trục quay của Trái Đất và mặt phẳng quỹ đạo của nó. Độ nghiêng hiện tại là khoảng 23.5 độ, nhưng nó dao động từ 22.1 độ đến 24.5 độ theo chu kỳ khoảng 41.000 năm. Độ nghiêng trục quay ảnh hưởng đến cường độ của các mùa. Độ nghiêng lớn hơn dẫn đến sự khác biệt lớn hơn giữa mùa hè và mùa đông.
- Tuế sai (Precession): Sự “lắc lư” của trục quay Trái Đất, tương tự như cách một con quay lắc lư khi nó quay. Tuế sai gây ra sự thay đổi chậm chạp trong hướng mà trục quay Trái Đất chỉ tới. Chu kỳ tuế sai xấp xỉ 26.000 năm. Tuế sai ảnh hưởng đến thời điểm trong năm mà Trái Đất ở gần hoặc xa Mặt Trời nhất, do đó ảnh hưởng đến cường độ của các mùa ở mỗi bán cầu.
Ảnh hưởng của chu kỳ Milankovitch
Chu kỳ Milankovitch không làm thay đổi tổng lượng năng lượng mặt trời mà Trái Đất nhận được, mà chúng thay đổi phân bố năng lượng mặt trời trên bề mặt Trái Đất theo thời gian và vĩ độ. Sự thay đổi này, mặc dù nhỏ, nhưng có thể ảnh hưởng đáng kể đến khí hậu Trái Đất, đặc biệt là khi kết hợp với các yếu tố khác như nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Khi lượng bức xạ mặt trời mùa hè ở bán cầu bắc giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, tuyết mùa đông không tan chảy hoàn toàn trong mùa hè. Theo thời gian, tuyết tích tụ lại thành băng, dẫn đến thời kỳ băng hà.
Nghiên cứu hiện tại
Các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu chu kỳ Milankovitch và ảnh hưởng của chúng đối với khí hậu Trái Đất. Họ sử dụng các mô hình khí hậu phức tạp để mô phỏng ảnh hưởng của các chu kỳ này và so sánh chúng với các ghi chép cổ khí hậu. Mặc dù chu kỳ Milankovitch được coi là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển các chu kỳ băng hà, nhưng chúng không phải là yếu tố duy nhất. Các yếu tố khác, chẳng hạn như hoạt động núi lửa và thay đổi thành phần khí quyển, cũng đóng một vai trò.
Chi tiết hơn về ba chu kỳ chính:
- Độ lệch tâm (Eccentricity): Độ lệch tâm, $e$, của một hình elip được định nghĩa là:
$e = \sqrt{1 – \frac{b^2}{a^2}}$
Trong đó $a$ là bán trục lớn và $b$ là bán trục nhỏ của elip. Khi $e = 0$, quỹ đạo là hình tròn; khi $e$ tiến tới 1, quỹ đạo trở nên thon dài hơn. Độ lệch tâm của quỹ đạo Trái Đất hiện tại khoảng 0.0167, nghĩa là quỹ đạo gần tròn. Sự biến thiên của độ lệch tâm theo chu kỳ 100.000 năm và 413.000 năm gây ra sự thay đổi khoảng 6% trong lượng bức xạ mặt trời mà Trái Đất nhận được. - Độ nghiêng trục quay (Obliquity): Độ nghiêng trục quay của Trái Đất không phải là hằng số mà dao động do tương tác hấp dẫn với Mặt Trăng và các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời. Biên độ dao động khoảng 2.4 độ (từ 22.1 độ đến 24.5 độ) với chu kỳ chủ yếu là 41.000 năm. Độ nghiêng này ảnh hưởng đến sự phân bố bức xạ mặt trời theo vĩ độ và cường độ của các mùa.
- Tuế sai (Precession): Có hai loại tuế sai: tuế sai trục quay và tuế sai cộng điểm. Tuế sai trục quay là sự “lắc lư” của trục quay Trái Đất, trong khi tuế sai cộng điểm là sự quay chậm của quỹ đạo elip của Trái Đất quanh Mặt Trời. Sự kết hợp của hai loại tuế sai này tạo ra chu kỳ xấp xỉ 26.000 năm.
Tương tác giữa các chu kỳ
Ba chu kỳ Milankovitch hoạt động trên các thang thời gian khác nhau và tương tác với nhau một cách phức tạp. Sự kết hợp của chúng có thể khuếch đại hoặc triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến sự thay đổi phức tạp trong lượng bức xạ mặt trời mà Trái Đất nhận được. Điều này khiến cho việc dự đoán khí hậu trong quá khứ và tương lai trở nên phức tạp.
Vai trò của chu kỳ Milankovitch trong các chu kỳ băng hà
Mặc dù chu kỳ Milankovitch ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời mà Trái Đất nhận được, nhưng chúng không phải là yếu tố duy nhất gây ra các thời kỳ băng hà. Các yếu tố khác, bao gồm nồng độ khí nhà kính, hoạt động kiến tạo mảng, phản xạ của Trái Đất (albedo), và dòng hải lưu, cũng đóng vai trò quan trọng. Chu kỳ Milankovitch được xem như là “nhịp điệu” cơ bản điều khiển sự tiến triển và lùi bước của các dải băng, trong khi các yếu tố khác có thể khuếch đại hoặc làm suy yếu ảnh hưởng của chúng.
Bằng chứng hỗ trợ lý thuyết Milankovitch
Các nghiên cứu về lõi băng, trầm tích biển sâu và các chỉ số cổ khí hậu khác đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ lý thuyết Milankovitch. Các dữ liệu này cho thấy sự tương quan rõ ràng giữa các chu kỳ Milankovitch và các chu kỳ băng hà trong quá khứ.
Chu kỳ Milankovitch là những biến đổi theo chu kỳ trong quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời, ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời mà hành tinh chúng ta nhận được. Chúng được đặt theo tên nhà khoa học Milutin Milanković, người đã tính toán chúng vào đầu thế kỷ 20. Ba chu kỳ chính là: độ lệch tâm, độ nghiêng trục quay, và tuế sai.
Độ lệch tâm mô tả hình dạng của quỹ đạo Trái Đất, dao động từ gần tròn đến elip hơn theo chu kỳ khoảng 100.000 và 413.000 năm. Công thức tính độ lệch tâm $e$ là: $e = \sqrt{1 – \frac{b^2}{a^2}}$, với $a$ là bán trục lớn và $b$ là bán trục nhỏ. Độ nghiêng trục quay là góc giữa trục quay của Trái Đất và mặt phẳng quỹ đạo, thay đổi từ 22.1° đến 24.5° theo chu kỳ khoảng 41.000 năm, ảnh hưởng đến cường độ của các mùa. Tuế sai là sự “lắc lư” của trục quay Trái Đất, tương tự như con quay, với chu kỳ khoảng 26.000 năm, ảnh hưởng đến thời điểm các mùa trong năm.
Mặc dù không làm thay đổi tổng lượng năng lượng mặt trời mà Trái Đất nhận được, chu kỳ Milankovitch ảnh hưởng đến sự phân bố năng lượng trên bề mặt Trái Đất theo thời gian và vĩ độ. Sự thay đổi này, dù nhỏ, nhưng kết hợp với các yếu tố khác như nồng độ khí nhà kính, có thể gây ra những biến đổi khí hậu đáng kể, đặc biệt là chu kỳ băng hà và gian băng. Chu kỳ Milankovitch được coi là một trong những yếu tố chính điều khiển các kỷ băng hà trong quá khứ. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chúng không phải là yếu tố duy nhất, và các quá trình khác cũng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống khí hậu phức tạp của Trái Đất. Việc nghiên cứu chu kỳ Milankovitch giúp chúng ta hiểu rõ hơn về lịch sử khí hậu Trái Đất và có thể cung cấp những thông tin hữu ích cho việc dự đoán biến đổi khí hậu trong tương lai.
Tài liệu tham khảo:
- Berger, A. (1988). Milankovitch theory and climate. Reviews of Geophysics, 26(4), 624-657.
- Hays, J. D., Imbrie, J., & Shackleton, N. J. (1976). Variations in the Earth’s orbit: Pacemaker of the ice ages. Science, 194(4270), 1121-1132.
- Milankovitch, M. (1941). Canon of insolation and the ice-age problem. Royal Serbian Academy. (Bản dịch tiếng Anh)
Câu hỏi và Giải đáp
Làm thế nào để các chu kỳ Milankovitch ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời mà Trái Đất nhận được ở các vĩ độ khác nhau?
Trả lời: Các chu kỳ Milankovitch chủ yếu ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời nhận được ở các vĩ độ cao, đặc biệt là ở bán cầu Bắc. Độ lệch tâm ảnh hưởng đến tổng lượng bức xạ, trong khi độ nghiêng trục quay ảnh hưởng đến sự chênh lệch bức xạ giữa mùa hè và mùa đông. Tuế sai ảnh hưởng đến thời điểm trong năm mà Trái Đất ở gần hoặc xa Mặt Trời nhất, do đó ảnh hưởng đến cường độ của các mùa ở mỗi bán cầu. Sự kết hợp của ba yếu tố này quyết định lượng bức xạ mặt trời mà một vĩ độ cụ thể nhận được trong suốt cả năm, đặc biệt là vào mùa hè, thời điểm quan trọng cho việc tan chảy băng.
Tại sao chu kỳ 100.000 năm lại là chu kỳ băng hà chiếm ưu thế, mặc dù nó gây ra sự thay đổi nhỏ nhất trong bức xạ mặt trời?
Trả lời: Đây vẫn là một câu hỏi đang được nghiên cứu. Một giả thuyết cho rằng chu kỳ 100.000 năm liên quan đến sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố khí hậu, chẳng hạn như phản ứng của tảng băng và đại dương. Tảng băng có thể mất nhiều thời gian để phản ứng với những thay đổi nhỏ trong bức xạ, dẫn đến sự tích tụ chậm và sau đó là sự tan chảy nhanh, tạo ra chu kỳ băng hà dài hơn.
Làm thế nào các nhà khoa học xác định được chu kỳ Milankovitch trong quá khứ?
Trả lời: Các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phân tích lõi băng, trầm tích biển sâu, và các chỉ số cổ khí hậu khác. Ví dụ, lõi băng chứa các lớp bụi và đồng vị oxy, cung cấp thông tin về nhiệt độ và lượng băng trong quá khứ. Bằng cách phân tích các lớp này, các nhà khoa học có thể tái tạo lại lịch sử khí hậu Trái Đất trong hàng trăm nghìn năm.
Biến đổi khí hậu do con người gây ra có ảnh hưởng như thế nào đến chu kỳ Milankovitch?
Trả lời: Hoạt động của con người, đặc biệt là việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, đang làm tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển, dẫn đến sự nóng lên toàn cầu. Sự nóng lên này có thể làm gián đoạn hoặc thậm chí lấn át ảnh hưởng của chu kỳ Milankovitch. Một số nhà khoa học tin rằng biến đổi khí hậu do con người gây ra có thể trì hoãn kỷ băng hà tiếp theo.
Ngoài Trái Đất, chu kỳ Milankovitch có ảnh hưởng đến các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời không?
Trả lời: Có, các hành tinh khác cũng trải qua các biến đổi quỹ đạo tương tự, mặc dù với các chu kỳ và cường độ khác nhau. Ví dụ, sao Hỏa có độ nghiêng trục quay thay đổi đáng kể hơn Trái Đất, dẫn đến những biến đổi khí hậu lớn hơn. Việc nghiên cứu chu kỳ Milankovitch trên các hành tinh khác giúp chúng ta hiểu rõ hơn về động lực khí hậu nói chung và sự đa dạng của các hệ thống khí hậu trong Hệ Mặt Trời.
- Milanković đã bị bỏ tù trong Thế chiến I: Trong thời gian bị giam cầm, Milanković đã tập trung vào việc nghiên cứu lý thuyết về khí hậu của mình, sử dụng toán học để tính toán ảnh hưởng của các chu kỳ quỹ đạo lên bức xạ mặt trời.
- Lý thuyết của ông ban đầu bị tranh cãi: Mặc dù Milanković đã công bố công trình của mình vào những năm 1920, nhưng phải mất vài thập kỷ, lý thuyết của ông mới được cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi. Nghiên cứu về lõi băng sâu vào những năm 1970 đã cung cấp bằng chứng thuyết phục ủng hộ lý thuyết của ông.
- Chu kỳ Milankovitch ảnh hưởng đến hơn cả băng hà: Mặc dù được biết đến nhiều nhất với vai trò trong các kỷ băng hà, chu kỳ Milankovitch cũng ảnh hưởng đến các mô hình khí hậu khác, bao gồm gió mùa, lượng mưa, và thậm chí cả sự tiến hóa của một số loài.
- Chu kỳ 100.000 năm là một bí ẩn: Trong khi chu kỳ 41.000 năm và 26.000 năm có thể được giải thích trực tiếp bằng các biến đổi quỹ đạo, chu kỳ 100.000 năm, mạnh mẽ nhất trong hồ sơ khí hậu, khó giải thích hơn. Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu nguyên nhân chính xác của chu kỳ này. Một số giả thuyết cho rằng nó liên quan đến các tương tác phức tạp trong hệ thống khí hậu Trái Đất, chẳng hạn như động lực học của các tảng băng và phản hồi từ đại dương.
- Chúng ta hiện đang ở trong một thời kỳ gian băng: Kỷ băng hà gần đây nhất đã kết thúc khoảng 11.700 năm trước. Theo chu kỳ Milankovitch, Trái Đất sẽ dần dần tiến tới một kỷ băng hà khác trong vài nghìn năm tới. Tuy nhiên, ảnh hưởng của con người đến khí hậu, đặc biệt là việc gia tăng nồng độ khí nhà kính, có thể làm gián đoạn hoặc thay đổi đáng kể mô hình tự nhiên này.
- Các chu kỳ Milankovitch không chỉ áp dụng cho Trái Đất: Các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời cũng trải qua các biến đổi quỹ đạo tương tự, ảnh hưởng đến khí hậu của chúng. Việc nghiên cứu chu kỳ Milankovitch trên các hành tinh khác có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về động lực khí hậu nói chung.