Ciclos de Milankovitch e clima da Terra

Períodos glaciais e interglaciais

O estudo do clima da Terra, antes da influência das atividades humanas por 150 anos, permite prever sua evolução futura. Embora tenha havido variações climáticas em períodos curtos (em poucas décadas), são os ciclos de Milankovitch que permitem explicar as variações em períodos longos (em dezenas de milhares de anos).
Existe uma forte correlação entre os movimentos astronômicos e as variações climáticas terrestres porque os movimentos astronômicos modificam a luz solar recebida. Essa correlação foi estabelecida nos últimos 25 milhões de anos.
Se o sistema solar fosse composto apenas pelo Sol e pela Terra sem quaisquer outros planetas, a rotação da Terra em torno do Sol permaneceria inalterada. Não haveria variações na luz do sol ao longo do tempo.
Na teoria do paleoclima, os três fenômenos astronômicos envolvidos são a excentricidade orbital, a obliquidade axial e a precessão dos equinócios (explicados abaixo).

Esses fenômenos astronômicos são parcialmente responsáveis ​​pelas mudanças climáticas naturais, cuja principal consequência é a sucessão de períodos glaciais e interglaciais.
As calotas polares se expandem e depois encolhem ao ritmo dos ciclos glaciais e interglaciais. Por exemplo, 21 000 anos atrás, no último máximo glacial, as calotas polares eram mais importantes e cobriam o norte da Europa e América (imagem ao lado).
As calotas polares sempre estiveram presentes nos últimos 25 milhões de anos. De fato, a Terra sem calota de gelo data do Eoceno (56 a 34 milhões de anos). 50 milhões de anos atrás, quase não havia calota de gelo, as palmeiras cresciam na Antártica, onde a temperatura oscilava entre 10 e 25 °C.
Atualmente, estamos em um período interglacial quente chamado Holoceno. O Holoceno é um período Quaternário que começou há 11 700 anos.

Imagem: Variações do manto de gelo no hemisfério norte. Fonte - Brigitte Van Vliet-Lanoë

Os três parâmetros de Milankovitch

Os ciclos de Milankovitch podem explicar as variações climáticas durante longos períodos. Eles correspondem a variações no volume do gelo polar e, portanto, a variações no nível do mar. Nos últimos 2,6 milhões de anos (era quaternária) observamos grandes amplitudes, com um período muito marcado de 100 000 anos, vinculados aos parâmetros de Milutin Milanković (1879-1958).
Os 3 ciclos cobrem períodos de ≈25 000, ≈41 000 e ≈100 000 anos.
- A excentricidade define a forma da órbita da Terra em torno do Sol. Caracteriza o grau de achatamento da elipse em relação a um círculo. A excentricidade atualmente muito baixa é igual a 0,017. Varia entre 0 (círculo) e 0,06 sob a influência de dois ciclos de 100 000 e 400 000 anos, dependendo da posição dos outros planetas do sistema solar.
- A obliquidade é a inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à eclíptica. É o ângulo entre o eixo de rotação e a perpendicular do plano orbital (atualmente 23,5°).
Devido a distúrbios planetários, a inclinação do plano orbital da Terra muda e oscila entre 24,5° e 22° durante um período de aproximadamente 41.000 anos. Além disso, essa oscilação do eixo descreve a superfície de um cone como o eixo de um pião girando em torno da vertical. O eixo da Terra descreve um cone completo aproximadamente a cada 26.000 anos.
- A precessão dos equinócios está ligada à oscilação do eixo da Terra. Atualmente o solstício de verão no hemisfério norte ocorre próximo ao afélio, por isso os verões são temperados e os invernos menos frios. Há cerca de 12.000 anos, o solstício de verão ocorria próximo ao periélio, os verões eram muito quentes e os invernos muito frios (o hemisfério sul está em situação oposta). Verões frios permitem a persistência em altas latitudes de neves invernais cujo alto albedo promove o resfriamento e o acúmulo anual de gelo. O deslocamento do eixo de rotação é medido em relação às estrelas. De um século para outro (na mesma data) as estrelas não são vistas na mesma direção. A Estrela do Norte muda com o tempo. Há 8000 anos, Alpha Cygni era a estrela polar, há 4800 anos era a estrela Alpha Draconis, em 12000 anos será Alpha Lyrae...
Ligado à obliquidade, este ciclo ocorre durante um período de cerca de 26000 anos.

A combinação dos parâmetros de Milankovitch influenciará o volume de gelo armazenado nas calotas polares do hemisfério norte.
Os sedimentos oceânicos registraram os três ciclos de Milankovitch nos últimos dois milhões de anos (≈25 000, ≈41 000 e ≈100 000 anos). O ciclo de ≈100 000 anos é a onda principal em que existem dois harmônicos, um de ≈25 000 anos e outro de ≈41 000 anos que mudam gradualmente.
No que diz respeito ao clima, existem dois períodos que se repetem em intervalos mais ou menos regulares:
- uma era do gelo que dura cerca de 100 000 anos.
- um período interglacial que dura cerca de 20 000 anos.
A última era do gelo começou há 115.000 anos e terminou há 11700 anos. O último máximo glacial foi alcançado há cerca de 21000 anos. O resfriamento é lento e dura 80.000 anos enquanto o aquecimento é brutal em 20000 anos.
Atualmente estamos no final de um período interglacial e devemos iniciar um lento resfriamento de 80 000 anos.

N.B.: A busca de uma correlação entre variações climáticas e forçantes orbitais requer indicadores climáticos suficientemente detalhados nas escalas de tempo de Milankovitch.
Atualmente, os indicadores utilizados são sedimentos marinhos e lacustres, corais, anéis de árvores, núcleos de gelo, pólens, cicloestratigrafia de rochas, sequências marinhas de carbonatos, etc...
Um indicador comumente usado para estimar o volume global do gelo continental é a razão isotópica entre o isótopo 18 do oxigênio e o oxigênio 16 contido nos esqueletos carbonáticos dos foraminíferos bentônicos. Estes são geralmente extraídos de sedimentos marinhos perfurados no fundo do oceano.

Imagem: Variações na excentricidade da órbita da Terra.

Imagem: Variação na inclinação do eixo da Terra.

Imagem: Variação da precessão dos equinócios. Fonte - © 2004 Cyril Langlois