Milankovitch-syklusen og istider

1. Hva er Milankovitch-syklusen?

Milankovitch-syklusen — også skrevet Milanković — er tre langsomme svingninger i jordas bane og rotasjonsakse. De endrer hvor og når på året solstrålingen treffer, og bare svakt den samlede energien jorda får fra sola (NASA, u.å.). Det er ikke sola som «skrur seg av». Det er geometrien som flytter innstrålingen mellom breddegrader og årstider.

Den serbiske matematikeren Milutin Milanković regnet dette ut i første halvdel av 1900-tallet. Beviset i havbunnen kom senere: de samme periodene sitter i marine δ¹⁸O-kurver. Jordbanen er pacemakeren for istidene i kvartær (Hays, Imbrie & Shackleton, 1976).

De tre periodene er ulike. Eksentrisitet, omtrent 100 000 år (og en lengre bølge rundt 400 000 år): hvor ellipseformet banen er. Helning (oblikvitet), omtrent 41 000 år: hvor skrå jordaksen står. Presesjon, omtrent 23 000 og 19 000 år: når på året jorda er nærmest sola. Istidene styres av summen, ikke av én syklus alene.

Paleoklima-siden tar arkivene — iskjerne, proxy, δ¹⁸O. Denne siden tar mekanismen: banen, istidsfaktorene og sporene isen etterlot i Norge. Start med paleoklima hvis du trenger kjeden fra spor til kunnskap først.

2. Hvordan fungerer prosessene?

Tenk tre skruer som dreies samtidig, men i ulike tempo. Ingen av dem skrur av sola. Alle tre avgjør om innlandsis på nordlige høye bredder smelter om sommeren — eller overlever og vokser.

Eksentrisitet

Jordas bane er en ellipse, ikke en sirkel. Eksentrisitet er et tall mellom 0 og 1 som sier hvor avlang ellipsen er. I dag ligger den rundt 0,017 — nesten sirkulær. Over tid svinger den mellom omtrent 0,000 og 0,06, med hovedperioder nær 100 000 og 413 000 år (NASA, u.å.).

Når ellipsen er mer avlang, varierer avstanden til sola mer gjennom året. Jorda er da tydelig nærmere sola i perihel og lenger unna i aphel. Det forsterker presesjonens effekt: forskjellen mellom «sommer nær sola» og «sommer langt unna sola» blir større. Når banen er nesten sirkulær, dempes den forskjellen. Eksentrisitet er altså en modulator mer enn en egen istidsknapp. Den lille endringen i årsinnstråling globalt er for svak til å forklare istidene alene.

Helning (oblikvitet)

Jordaksen heller. I dag omtrent 23,4°. Over ca. 41 000 år svinger helningen mellom omtrent 22,1° og 24,5° (NASA, u.å.). Høy helning gir sterkere årstider: varmere somre og kaldere vintre, særlig på høye bredder. Lav helning gir svakere årstider.

For innlandsis er sommeren nøkkelen, ikke vinterkulden. Snø faller uansett på 65 °N om vinteren. Spørsmålet er om den smelter bort i juli og august. Høy helning gir mer sommersol der — isen taper. Lav helning gir kjøligere somre — snøen kan overleve, og isen vokser. Før Midtpleistocen-overgangen for omtrent én million år siden dominerte 41 000-års rytmen i istidskurvene. Etterpå tok 100 000-årsrytmen over. Hvorfor, er fortsatt et forskningsspørsmål. Banen alene forklarer ikke skiftet.

Presesjon

Aksen vingler som en snurrebass. I tillegg dreier selve ellipsen langsomt. Til sammen gir det klimatisk presesjon med perioder nær 23 000 og 19 000 år. Den avgjør hvilken årstid som treffer perihel — altså om nordlig sommer skjer når jorda er nærmest sola, eller når den er lengst unna.

I dag: perihel i januar. Nordlig vinter er da litt mildere, nordlig sommer litt slakere enn den ville vært med motsatt fase. For 11 000 år siden, nær starten av holocen, lå perihel nær nordlig sommer. Da fikk 65 °N mer sommersol, og innlandsisen smeltet. Presesjonens utslag er størst når eksentrisiteten er høy. Når banen er nesten sirkulær, spiller det liten rolle om sommeren treffer perihel eller aphel.

Det som teller: sommersol på 65 °N

De tre syklusene summeres i innstrålingen ved omtrent 65 °N i juni–juli. Der kunne de store nordamerikanske og fennoskandiske isdekkene ligge. Hvis sommersola er for svak, smelter ikke fjorårets snø. Neste vinter legger mer oppå. Etter tusener av år står det kilometer med is. Hvis sommersola styrkes, smelter kanten, albedoen faller, og deglasiasjonen kan løpe.

Banen starter. Den fullfører ikke alene. CO₂ og albedo gjør endringen global — mer om det under punkt 3 og 4.

3. Hvordan kan den påvirke klimaet på jorden?

Orbital endring er et pådriv som omfordeler energi. Den globale årsinnstrålingen endres lite. Det som endres, er sesong og breddegrad: mer eller mindre sommersol ved polene, motsatt fortegn ved ekvator, og bytte av hvilken halvkule som får «sterk sommer». Klimaet reagerer fordi is, hav og karbonkretsløp er følsomme for akkurat den omfordelingen.

Innstrålingen treffer skjevt

1Ekvator får mest265 °N om sommeren

1. 1Årsinnstrålingen globalt endres lite av banen.
2. 2Istidene styres av om sommeren på 65 °N kan smelte isen.

Når sommersola på 65 °N stiger etter et glacialt minimum, smelter iskantene. Mørkere land og hav tar over. Albedoen synker, mer energi tas opp, smeltingen går fortere. Samtidig slipper havet ut CO₂ som var lagret i kaldt dypvann. CO₂ i antarktisk is stiger fra rundt 180 ppm mot 260–280 ppm gjennom en deglasiasjon (Lüthi et al., 2008). Gassen forsterker og sprer oppvarmingen til hele kloden — også sørlige halvkule, der sommersola ikke nødvendigvis økte.

Retningen kan snus. Under deglasiasjon starter orbital innstråling, og CO₂ forsterker. Siden 1850 starter CO₂. Vi måler utslippene. Orbitale endringer er for trege til å forklare oppvarmingen nå, og går dessuten svakt mot svakere sommersol på 65 °N — altså mot langsom avkjøling over tusener av år (IPCC, 2021). Det er det motsatte av observert oppvarming.

På tiårsskalaen merker du ikke Milankovitch. På hundretusenårsskalaen er det denne rytmen som skiller glacial fra interglacial. Det er derfor iskjerner og havbunn viser åtte store sykluser de siste 800 000 årene, mens termometerrekka siden 1850 peker en annen vei.

4. Hvilke faktorer må være til stede for å få en istid?

Banen er nødvendig, men ikke tilstrekkelig. Jorda har hatt de samme tre syklusene i hundrevis av millioner år. Likevel har det meste av jordas historie vært uten store innlandsis på begge poler. En istid krever et bakteppe der is kan overleve, og så en utløser som lar den vokse. Under følger faktorene, i den rekkefølgen de faktisk virker.

Bakteppe: et kaldt nok jordsystem

Gjennom kenozoikum har jorda kjølt seg ned. Antarktis fikk varig innlandsis for omtrent 34 millioner år siden. Store nordlige isdekker kom for alvor inn i kvartær, fra ca. 2,6 millioner år siden. Bak det ligger lavere bakgrunns-CO₂ over millioner av år, fjellkjededanning som øker forvitring, og kontinenter som har drevet mot høye bredder. Uten dette bakteppet gir ikke en svak 65 °N-sommer innlandsis — den gir bare en litt kjøligere årstid.

Land på høye bredder

Innlandsis trenger et underlag. Havfrysing gir havis, ikke kilometerhøye isdekker. I kvartær ligger store landområder rundt Polhavet: Grønland, Nord-Amerika, Fennoskandia, Sibir. Isen kan da bygge tykkelse på land, senke albedo over enorme flater, og tappe vann fra havet. Uten kontinenter nær polene blir istidene annerledes — eller uteblir.

Svak sommersol på 65 °N

Dette er den orbitale utløseren. Helning, presesjon og eksentrisitet må sammen gi kjølige somre på nordlige høye bredder, slik at vintersnøen ikke smelter. Én «ugunstig» syklus er sjelden nok. Det er kombinasjonen som teller, og den gjentar seg i de periodene Hays, Imbrie og Shackleton fant i havbunnen.

Fukt nok til snø

Isen er frosset nedbør. For tørt, og det faller for lite snø selv om sommeren er kald. Nord-Atlanteren og fukttransport inn mot Nord-Amerika og Fennoskandia gir den nedbøren isdekkene trenger. Paradokset er kjent: et isdekke kan kvele sitt eget fukttilfang når det blir stort og høytrykk legger seg over det. Starten krever likevel fukt. Sibir har ofte vært kaldt og tørt — der ble isdekkene tynnere enn over Skandinavia.

Is–albedo-tilbakekobling

Snø og is kaster tilbake en stor del av sollyset. Bart fjell, skog og åpent hav tar det opp. Når isen vokser, stiger albedo, mindre energi tas opp, det blir kaldere, isen vokser mer. Det er en positiv tilbakekobling: den forsterker, den starter ikke. Uten den ville små orbitale dytt gitt små utslag. Med den kan et dårlig sommerklima på 65 °N bli til kilometer med is over et kontinent.

Is kaster lyset tilbake

1Høy albedo2Lav albedo

1. 1Snø og is reflekterer. Vokser isen, taper jorda energi.
2. 2Mørkt land og hav tar opp. Smelter isen, går det fortere.

CO₂ som forsterker, ikke bryter

I iskjerner følger CO₂ temperaturen gjennom istidssyklusene, med et kjent etterslep på hundreårsskala fordi boblene lukkes sent. Det betyr ikke at CO₂ er irrelevant. Kaldt hav løser mer CO₂. Biologisk pumpe og omrøring i Sørishavet endres. Vegetasjon og jordsmonn flytter karbon. Resultatet: ca. 180–190 ppm ved siste glacialmaksimum mot ca. 280 ppm før industrialiseringen (Lüthi et al., 2008; IPCC, 2021). Lavere CO₂ gir svakere drivhuseffekt og gjør hele kloden kaldere — også der innstrålingen ikke falt. CO₂ er en forsterker i istidsmaskineriet. Den er ikke bryteren som slår istiden på. I dag er rollen snudd: vi pumper CO₂ først.

Vegetasjon, støv og havsirkulasjon

Når skog viker for tundra og steppe, stiger albedo også utenom isen. Støv fra tørre kontinent kan kjøle ved å reflektere og ved å så skyer — og det kan gjødsle havet med jern. Havsirkulasjonen, særlig AMOC, kan bremse eller forsterke: mer ferskvann fra smeltende is svekker dypvannsdannelse og kan gi brå regionale hopp, som yngre dryas. Det er modulatorer, ikke hovedbryteren. Se havstrømmer for AMOC.

Til slutt: tid. Et isdekke bygges over tusener av år. En kald sommer er vær. En istid er klima over årtusener, med is som rekker å flyte, grave og senke havnivået med over 100 meter.

5. Hva er en istid — og når var den siste?

Ordet brukes i to lag, og de må holdes fra hverandre. I vid betydning er en istid et ishus: en lang periode der jorda har varige innlandsis. Kenozoisk ishus startet da Antarktis frøs. Kvartær, de siste ca. 2,6 millioner år, er den delen der nordlige isdekker også kommer og går. Vi er fortsatt i dette ishuset.

I snever betydning — den skolen oftest mener — er en istid en glacial: en kald fase der innlandsis dekker store deler av Nord-Amerika og Eurasia. Mellom dem ligger interglacialer, mellomistider. Holocen er mellomistiden vi er i nå. Den startet for ca. 11 700 år siden (Walker et al., 2009).

Hvor mange? I kvartær viser den globale bunnvannskurven (LR04) i størrelsesorden 50 glacial–interglacial-sykluser på 2,6 millioner år (Lisiecki & Raymo, 2005). De siste 800 000 årene, dekket av EPICA Dome C, er det åtte store sykluser på omtrent 100 000 år (Lüthi et al., 2008). I Nord-Europa får de yngste egne navn: Elster, Saale og Weichsel er de tre siste som preget Skandinavia tydelig. Eldre glacialer finnes, men sporene er mer overkjørt.

Siste istid i snever betydning er Weichsel-istiden. Den varte i grovt fra ca. 115 000 til 11 700 år siden. Siste glacialmaksimum (LGM) lå rundt 21 000 år før nå: isen var da på sitt tykkeste og mest utbredt. Fennoskandisk isdekke lå over Norge. Havnivået sto omtrent 120 meter lavere enn i dag. CO₂ lå rundt 180–190 ppm. Deretter smeltet isen i rykk, med kaldere tilbakeslag. Holocen avløste weichsel for ca. 11 700 år siden. Det er «siste istid slutt» i skolebetydningen.

Åtte sykluser i isen

1Årlige lag2Innestengt luft

1. 1Lagene daterer. Tynnere lag: tørrere eller kaldere år.
2. 2CO₂ i boblene er ekte fortidsatmosfære.

En ny glacial, orbitalt, ligger titusener av år fram i tid. Høy CO₂ kan skyve den lenger (Berger & Loutre, 2002; IPCC, 2021). Det er irrelevant for risikoen i 2100. Vi styrer ikke holocen med jordbanen nå. Vi styrer den med karbon.

«Snøballjorda» i prekambrium er noe annet: nesten global is, på en jord med annen solstyrke og annen atmosfære. Ikke bland den med weichsel.

6. Tegn etter siste istid

Weichsel-isen er borte. Landskapet husker den. I Norge er de fleste store dalene og fjordene fossil form: isen gravde, elva bor der nå. Geofag 1 tar U-dal mot V-dal. Her er sporene som vitner om at et isdekke faktisk lå her — og om hvordan det slapp taket.

Erosjonsspor

Isen skurer og plukker. Skuringsstriper er riss i berget i isens bevegelsesretning. Rundsva er avrundede knauser med slak støtside og brattere leside der isen har plukket. U-daler har bratte sider og slak bunn fordi isen eroderer i hele tverrsnittet, ikke bare i en elverenne. Fjord er U-dal under dagens havnivå. Hengende daler munner høyt i dalsiden fordi sidobreen ikke gravde like dypt som hovedbreen. Hard gneis gir dyp, trang dal. Svakere berg gir bredere. Samme agent, ulik bergart — mer under bergarter og landformer.

Fjord er U-dal under vann

1Isskurt berg2Dyp dal / fjord

1. 1Skuring og plukking runder og river berget.
2. 2U-form og fjord er isens tverrsnitt, ikke elvas V.

Løsmasser og morener

Bunnmorene (till) er usortert: leire, sand, stein og blokk i samme masse, avsatt under isen. Endemorener er rygger der iskanten sto stille en periode og dumpet materiale. Raet i Sør-Norge er den store endemorenen fra yngre dryas, for omtrent 12 800–11 700 år siden: et kaldt tilbakeslag mens isen ellers var i ferd med å vike. Flyttblokker er stein som isen har fraktet langt fra opphavet — ofte en annen bergart enn berget de ligger på. Drumliner er strømlinjeformede hauger parallelt med isbevegelsen. Rullesteinsåser (eskerer) er grusrygger avsatt av smeltevannselver i eller under isen.

Havnivå, marin grense og landheving

Ved LGM var så mye vann bundet i is at det globale havnivået lå omtrent 120 meter lavere. Samtidig presset isen skorpa ned. Da isen smeltet, steg havet raskt, men landet i Fennoskandia reiste seg enda mer. Resultatet: gammel sjøbunn ligger i dag tørt, og den høyeste stranden etter istiden kalles marin grense. NGU kartlegger den mellom 0 og omtrent 220 meter over dagens hav: høyest der isen var tykkest, lavere ytterst på kysten (NGU, u.å.). Leire avsatt i havet, nå på land, er bakgrunnen for kvikkleire — mer under skred.

Yngre dryas er også et klimaspor, ikke bare en morene. Iskjerner og sedimenter viser et brått kaldt hopp like før holocen, knyttet til smeltevann og svekket AMOC. Det er bevis for at istidens slutt ikke var en jevn oppvarming, og for at havsirkulasjonen kan knekke regionalt klima på tiår til århundrer.

Viktige begreper

Milankovitch

Tre orbitale perioder som flytter innstrålingen. Styrer sommersmelting på 65 °N.

Eksentrisitet

Hvor ellipseformet jordbanen er. Ca. 100 000 og 400 000 år. Modulerer presesjonen.

Helning

Aksehelning 22,1–24,5°. Ca. 41 000 år. Høy helning: sterkere somre på høye bredder.

Presesjon

Når på året jorda er nærmest sola. Ca. 19 000 og 23 000 år.

Glacial

Kald fase med store nordlige innlandsis. Weichsel er den siste i Norden.

Holocen

Nåværende mellomistid, fra ca. 11 700 år før nå.

Raet

Stor endemorene i Sør-Norge fra yngre dryas, like før holocen.

Marin grense

Høyeste havnivå etter siste istid på et sted. Over: isens løsmasser. Under: gammel sjøbunn.