نظریه نجومی اقلیمی میلانکوویچ

آغاز همکاری سه‌گانه

کوپن و وگنر در مطالعات دیرین اقلیم‌شناسی زمین به پرسش بسیاری از دانشمندان علوم زمین، یعنی «علت و ماهیت پیشروی و پسروی دوره‌های یخچالی در طول عمر کره زمین چیست؟» برخوردند. یکی از مهم‌ترین دلایل این پدیده، بروز و نوسان دوره‌های یخ‌بندان در پیوند با رویدادهای نجومی و به‌ویژه نجوم سیاره‌ای¹ بود.

ولادیمیر کوپن با توجه به پس‌زمینه‌ای که در مطالعات نجومی سیاره‌ای و آثار یوهان کپلر داشت به تعقل و تفکر در این زمینه پرداخت و کوشید با بهره‌گیری از نظریات دانشمندان متقدم به این‌گونه پرسش‌ها پاسخ دهد. تقریباً در همین زمان میلوتین میلانکوویچ، ریاضی‌دان نابغه دانشگاه بلگراد²، به‌طور مستقل پژوهش‌هایی را در مورد نظریه نجومی اقلیم انجام داد (Hecht, 2007: 7). نظر به مشابهت موضوع و روش مطالعاتی کوپن و میلانکوویچ، رابطه متقابلی بین آن‌ها شکل گرفت و در همین ارتباط، کوپن داده‌های اقلیمی لازم را برای ساخت مدل نجومی در اختیار میلانکوویچ قرار داد.

 میلانکوویچ از آغاز تا پایان

میلوتین میلانکوویچ در 28 ماه می سال 1879 ماه می سال 1879 در دالژ³ نزدیک آسجک⁴ که در آن زمان بخشی از اتریش ـ مجارستان بود و امروزه جزو کرواسی است، متولد شد. او در مؤسسه فناوری وین⁵ در رشته مهندسی عمران تحصیل کرد و در سال 1904 موفق به دریافت درجه دکتری علوم فنی شد. میلوتین برای مدت کوتاهی در یک شرکت ساختمانی مشغول به‌کار شد و سپس به‌عنوان استاد ریاضیات کاربردی به خدمت دانشگاه بلگراد درآمد.

در اوایل سده 20، وقوع جنگ‌های بالکان سبب شد که میلانکوویچ به ارتش اتریش ـ مجارستان بپیوندد. او در نزسیدر⁶ دستگیر شد. در بوداپست⁷ اسارتگران به او اجازه دادند تا در کتابخانه فرهنگستان علوم مجارستان کار کند. میلوتین باقی‌مانده دوران اسارت را به مطالعه اقالیم خورشیدی و دماهای سیاره‌ها گذراند (Allaby, 2007: 628). میلانکوویچ در مدت سی سالی که در دانشگاه بلگراد مشغول به فعالیت‌های دانشی بود منشأ خدمات علمی فراوان شد که از آن جمله می‌توان به نظریه ریاضیاتی اقلیم زمین (1920)، نظریه نجومی دگرگونی آب‌وهوا (1930 و 1938) و نظریه سرگردانی دوره‌ای قطب‌های زمین (1933) اشاره کرد. میلانکوویچ در سال 1955 بازنشسته شد و در 12 دسامبر 1958 درگذشت (Grubić, 2006:197).

 بحث و تحلیل

کوپن در پژوهش‌های پالئوکلیمایی خود، نتایج تحقیقات آلبرشت پنک (Albrecht Penck) و ادوارد بروکنر (Eduard Bruuckner) دو یخچال‌شناس مناطق آلپی را مورد توجه قرار داد. آن‌ها بر مبنای مطالعات گسترده میدانی 4 سیکل مجزای پیشروی و پسروی یخچالی را در کوه‌های آلپ تعیین کرده بودند. کوپن کوشید تا علت این نوسان‌های اقلیمی را شناسایی کند. او در این رابطه، فرضیه‌ای را مطرح کرد که برای نخستین بار در 1830 به وسیله جان هرشل (Sir John Herschel) ریاضی‌دان و منجم انگلیسی ارائه شده بود. این فرضیه ادعا داشت که تغییرات سیکلیک بلندمدت در رابطه مداری زمین با خورشید قادر است دگرگونی‌هایی را در مقدار تابش دریافتی زمین ایجاد کند.

در همین زمان، میلانکوویچ استاد ریاضیات کاربردی دانشگاه بلگراد به‌طور مستقل در مورد نظریه نجومی اقلیم تحقیقاتی انجام می‌داد. او پس از 9 سال کار مداوم روی این موضوع در سال 1920 کتابی با عنوان «نظریه ریاضیاتی پدیده گرمایی ایجاد شده به وسیله تابش خورشیدی»⁸ به زبان فرانسه منتشر ساخت. میلانکوویچ در این کتاب سه متغیر عمده سیکلیک را به‌طور دقیق تعیین کرد که پنجاه سال بعد به گونه‌ای انکارناپذیر به‌عنوان دلایل اصلی دگرگونی آب‌وهوایی پذیرفته شد
(Hecht, 2007: 7).

او در کتاب مزبور، دما را در عرض‌های جغرافیایی مختلف زمین در طی 130000 سال پیش محاسبه کرده بود (Mcdougall, 2006: 125). دانشمندان امروزی می‌دانند که میلانکوویچ برای انجام این محاسبات سختی‌های زیادی را متحمل شده است. او نه‌تنها شکل‌های پارامترمداری بلکه پراکنش و تغییر تابش رسیده به سیاره زمین را نیز محاسبه کرد. زمانی که کوپن کتاب مزبور را مطالعه کرد، در تاریخ 22 سپتامبر 1922 با ارسال کارت پستالی از میلانکوویچ خواست تا در این زمینه علمی با او و دامادش وگنر همکاری کند (Hecht, 2007: 7). در شرایطی که کتاب میلانکوویچ در محافل زمین‌شناختی مورد بی‌اعتنایی قرار گرفته بود نامه کوپن بزرگ، هیجان وافری در خانواده میلانکوویچ ایجاد کرد (شکل 1). میلانکوویچ در این مورد می‌نویسد:

... روزی این کارت پستی ساده که من آن را مانند یادگاری ارزشمندی نگه داشته‌ام در میان وسایلم پیدا خواهد شد. این نامه از سوی اقلیم‌شناس بزرگ آلمان ولادیمیر کوپن و از هامبورگ ارسال شده بود. او در این نامه به کتاب تازه‌انتشار یافته‌ام اشاره کرد. این نامه‌نگاری با 49 نامه و کارت ادامه یافت به طوری که مکاتبات دوطرفه ما بالغ بر یکصد نوشته شد. کوپن در دومین نامه‌اش به من اطلاع داد که به همراه دامادش، آلفرد وگنر مشغول پژوهش روی کتابی در مورد اقالیم گذشته زمین‌شناختی است. این دانشمند 76 ساله پیش از دیگران مزایای کاربرد نظریه ریاضی مرا در موضوع‌های پالئوکلیمایی تشخیص داد و از این‌رو مرا به همکاری فرا خواند
(Imbrie, 1986: 156).

این همکاری که تا زمان مرگ کوپن ادامه داشت بسیار خوش‌اقبال بود، چرا که میلانکوویچ با ریاضی آشنایی داشت. کوپن، اقلیم‌شناس برجسته از شایستگی بین‌المللی برخوردار بود که توجه گسترده و فراگیر به یافته‌های تحقیق را تضمین می‌کرد و وگنر درک مناسبی از شواهد زمین‌شناختی دوره‌های یخ‌بندان داشت (Mcdougall, 2006: 124).

کار سه دانشمند مذکور روی این نکته اساسی متمرکز بود که مقدار تابش خورشیدی رسیده به زمین به فاصله خورشید و زمین و به زاویه برخورد پرتوهای خورشیدی با سطح زمین وابسته است. از طرف دیگر این زاویه و فاصله در طی چرخه‌های طولانی ده‌ها هزار ساله تغییر می‌کند. برای اینکه یخچال رشد کند تنها کافی است برف و یخ انباشتی در زمستان در طول‌های ماه‌های گرم‌تر به واسطه تابش خورشیدی ذوب نشود (Hecht, 2007: 7).

شکل 1. نمونه کارت پستال ارسالی کوپن برای میلانکوویچ

از آنجا که هر مدار عرض جغرافیایی خاص و هر فصل در هر عرض جغرافیایی تاریخ تابشی خاصی دارد میلانکوویچ با مشکل تعیین عرض جغرافیایی و فصل برای بررسی رشد پهنه‌های یخی مواجه شد. با تشویق کوپن، میلانکوویچ اثر سه چرخه نجومی را در دوره یخچالی نیمکره شمالی برای 650000 سال گذشته و 160000 سال آینده محاسبه کرد. مجموعه این مطالعات تئوری سیکلی «تاریخ اقلیمی میلانکوویچ»⁹ نام گرفت.
(Hecht, 2007: 8). برخی دانشمندان مانند جوزف آدهمار (Josef Adhémar) و جیمز کرال (James Croll) معتقد بودند که کاهش تابش زمستانی در عرض‌های جغرافیایی بالا سبب بروز دوره‌های یخچالی می‌شود (Watts, 2007: 21). براساس نظر آنان، دوره‌های یخچالی زمانی رخ داده که مقدار تابش دریافتی در مناطق شمالگان به هنگام زمستان کاهش یافته است. این اظهارنظر، میلانکوویچ را قانع نکرد و او نظر کوپن را جویا شد. کوپن در پاسخ نوشت:

... کاهش تابش زمستانی در عرض‌های جغرافیایی بالا نمی‌تواند تأثیر زیادی بر برف‌باری داشته باشد، چون برای برف‌باری و تجمع برف، دما در این عرض‌ها همواره به قدر کافی پایین است، در حالی‌که در تابستان یخچال‌ها شروع به ذوب می‌کند. بنابراین آنچه دوره یخچالی را به وجود می‌آورد پایین بودن دمای تابستانی است. افزایش تعداد تابستان‌های سرد با مثبت گرداندن بیلان سالانه برف، سبب گسترش یخ‌بندان و شکل‌گیری یخ در درون خشکی‌ها می‌شود و فزونی بازتابش نور آفتاب از سطوح برفی این اثر را تشدید می‌کند
(Grubić, 2006: 200).

... ضرورتی ندارد که تمامی محاسبات برای هر عرض جغرافیایی انجام شود. با توجه به اینکه بیشتر شواهد یخ‌بندان‌ها از نوار °65 ـ °55 شمالی جمع‌آوری شده‌اند، پس محاسبات را می‌توان به آن نوار محدود کرد... (Mcdougall, 2006:125).

این نکته برای میلانکوویچ بسیار مهم بود و توجه او را از زمستان‌های سرد متوجه تابستان‌های سرد کرد. میلانکوویچ تأکید می‌کند:

... کوپن با بینش استادانه‌اش، نخستین شخصی بود که ارتباط میان جریان دوره‌ای خورتاب‌گیری¹⁰ و آب‌وهواهای تاریخی کره زمین را کشف کرد... (Crubić, 2006: 201).

کوپن بعد از ملاحظه و بررسی دقیق تمامی احتمال‌ها پاسخ داد که کاهش گرمای نیمه تابستانی سال، عامل قطعی یخ‌بندان‌هاست... (Imbrie, 1986: 104).

میلانکوویچ با راهنمایی مفصل کوپن، چگونگی تغییر تابش در عرض‌های جغرافیایی N°55، N°60 و N°65 در طی 650000 سال گذشته را محاسبه و برای نمایش بهتر آن‌ها از نمودار سری‌های زمانی استفاده کرد (شکل 2). میلانکوویچ در این مورد می‌نویسد:

... من این محاسبات را در 100 روز کامل از صبح تا شب انجام دادم و سپس یافته‌هایم را به شکل نموداری ارائه کردم... (Imbrie, 1986: 105).

او نتایج گرافیکی خود را برای کوپن فرستاد و مشتاقانه منتظر پاسخ اقلیم‌شناس ماند. انتظار او مدت زیادی طول نکشید. کوپن ضمن ابراز خرسندی بلافاصله پاسخ داد که یافته‌های نظری میلانکوویچ منطبق بر نتایج پژوهش‌های میدانی ـ مشاهداتی پنک و بروکنر مبنی بر تناوب‌پذیری یخ‌بندان‌های آلپی است که 15 سال قبل منتشر شده بود (Garber, 2008: 61).

پنک و بروکنر براساس مطالعه پادگانه‌های شنی در امتداد رودهای منطقه آلپ چهار دوره یخچالی را تعیین کرده بودند. آن‌ها باور داشتند که پادگانه منطبق با یک دوره فعال فرسایش یخچالی است که طی آن در دوره یخی، دره‌ها با حجم فراوانی از مواد رسوبی انباشته شده‌اند و زمانی که یخ‌بندان به پایان برسد، ته‌نشست‌های قبلی بریده شده‌اند. از آنجا که در زمان پنک تاریخ‌گذاری رادیواکتیو یا رادیومتری¹¹ ابداع نشده بود آن‌ها مجبور شدند سن هر دوره یخچالی را با حدس و گمان و فرض‌هایی در مورد نرخ عمل فرایندهای زمین‌شناختی تعیین کنند. در این روش آن‌ها اختلاف ارتفاع بین پادگانه‌های متوالی را بر نرخ تخمینی برش جریان‌های آبی تقسیم کردند و از این طریق به دوره زمانی دست یافتند.

شکل ۲. منحنی تابش میلانکوویچ برای عرض جغرافیایی ۶۵ درجه شمالی

این منحنی چگونگی تغییر شدت تابش آفتاب تابستانی را در طی 600000 سال گذشته نشان می‌دهد. میلانکوویچ نقاط پایین نمودار را مطابق با چهار دوره یخ‌بندان اروپا تعریف کرد. تغییرات شدت تابش بر حسب عرض جغرافیایی معادل نشان داده شده است. مثلاً تابش دریافتی 590000 سال پیش در N°65 معادل تابش دریافتی کنونی در N°72 است
(Imbrie, 1986:105).

البته این روش برای محاسبه زمان سپری شده و دوره‌های متوالی یخچالی بسیار خام بود. اما به زودی چهار دوره یخچالی که پنک و بروکنر تشریح کرده بودند بخشی از واژگان زمین‌شناختی اروپایی شد (Mcdougall, 2006: 127). آن‌ها در 1909 منحنی تاریخ اقلیم پلیستوسن را منتشر کردند (شکل 3) (Imbrie, 1986: 116).

شکل ۳. توالی نظری دوره‌های یخ‌بندان اروپا بر اساس کار پنک و بروکنر

زمانی که زمین‌شناسان آمریکایی اقدام به نقشه‌برداری از ته‌نشست‌های یخچالی کردند که به نظر می‌رسید ناشی از چهار پیشروی جداگانه یخچالی است، طرح پنک ـ بروکنر مقبولیت گسترده‌تری یافت (Mcdougall, 2006: 127).

کوپن دو نمودار را مقایسه کرد و دریافت که زمان دوره‌های یخ‌بندان و حداقل تابش در جزئیات اختلاف‌هایی دارد، ولی در خطوط کلی یکدیگر را تأیید می‌کند. نکته دیگری که توجه کوپن و وگنر را به خود جلب کرد شباهت فواصل بین یخچالی میندل¹² و ریس¹³ (دوره بزرگ بین یخچالی پنک و بروکنر) با دوره گرم پیش‌بینی شده توسط میلانکوویچ بود. پنک و بروکنر زمان پایان آخرین دوره یخچالی را 20000 سال قبل تعیین کردند، در حالی‌که برحسب منحنی میلانکوویچ زمان آخرین کمینه تابش 25000 سال پیش بوده است (Imbrie, 1986: 117).

کوپن علاوه بر تأیید منحنی میلانکوویچ از وی خواست تا با انتشار آن در کتاب در دست تهیه‌اش با همکاری وگنر موافقت کند. در همین نامه کوپن از میلانکوویچ دعوت کرد تا در پاییز آن سال در حاشیه همایش دانشی اینسبورک ¹⁴ دیداری داشته باشند. (Imbrie, 1986: 105). در سال 1924 کوپن و وگنر منحنی‌های میلانکوویچ را در کتاب «اقالیم گذشته زمین‌شناختی» منتشر کردند و به این ترتیب یافته‌های میلانکوویچ در معرض داوری طیف بسیاری از دانشمندان و خوانندگان آثار علمی قرار گرفت (Garber, 2008: 61).

در سپتامبر سال 1924 میلانکوویچ راهی شد تا با دوست آلمانی خود دیدار کند. میلانکوویچ در این‌باره می‌نویسد:

... زمانی که به سالن همایش رسیدم آلفرد وگنر در مورد آب‌وهواهای گذشته زمین‌شناختی سخنرانی می‌کرد. نخستین بخش سخنرانی مربوط به نظریه او در مورد رانه قاره‌ای و اقالیم دوره‌های دور زمین‌شناختی بود. وگنر گفت: «با فروتنی بسیار و با عبارتی ساده... با تعداد زیادی واقعیت‌ها و حقایق پشتیبانی می‌شود» تا اینکه وگنر شروع به صحبت در مورد اقالیم دوره پلیستوسن کرد و در اینجا به منحنی تابشی من که بر روی پرده، نمایش داده می‌شد اشاره کرد و صدایش را بالا برد، چون او در حال بحث از کار فرد دیگری بود. او آن‌چنان با حرارت درباره محاسبات من سخن راند که من هیجان‌زده شدم. من در ردیف بالایی سالن در صندلی‌ام آن‌قدر خم شدم تا نگاه وگنر متوجه حضور من نشود... (Imbrie, 1986: 106).

شکل ۵. میلانکوویچ در اواخر عمر

میلانکوویچ آن شب را در بستری از موفقیت‌ها آرمید. به دنبال استقبال دیگران از یافته‌هایش میلانکوویچ تصمیم گرفت کارش را به‌طور گسترده‌تری دنبال کند. بر همین اساس او در ابتدا به پالایش محاسبه‌های قبلی‌اش پرداخت و سپس پوشش زمانی محاسبات خود را به یک میلیون سال رساند (Mcdougall, 2006: 128). وی در محاسبات اولیه سه مدار 65، 60 و 55 درجه شمالی را انتخاب کرده بود، زیرا تصور می‌شد این مدارها به تغییرات بودجه گرمایی حساس‌ترند. اگرچه تغییرات تابشی، تأثیر کمتری بر عرض‌های جغرافیایی پایین‌تر دارد، اما میلانکوویچ معتقد بود که آن تغییرات تا اندازه‌ای بر اقلیم محلی اثر می‌گذارد. بنابراین او قلمرو جغرافیایی تحت پوشش محاسبه را از 5 تا 75 درجه عرض شمالی در نظر گرفت (Imbrie, 1986: 106). زمانی که داده‌های نوینی درخصوص جرم و مدار سیاره‌ها به دست آمد، میلانکوویچ از آن داده‌ها در انجام محاسبه‌های مربوط به تغییرات مداری زمین استفاده کرد. البته این پالایش‌ها یافته‌های او، کوپن و وگنر را در مورد آب‌وهواهای گذشته زمین تغییر نداد (Mcdougall, 2006: 128)، ولی توانست تصویر روشن و جامع‌تری درباره چگونگی تأثیر عوامل نجومی بر بودجه انرژی خورشیدی در سطح زمین و در طول زمان ارائه کند. وگنر در میانه این کار به گونه‌ای غم‌انگیز درگذشت.

اگرچه محاسبات میلانکوویچ و یافته‌های سه نفری‌شان درخصوص ارتباط یخ‌بندان با تغییرات خورتاب‌گیری به‌طور گسترده مورد استقبال محافل دانشی قرار گرفته بود، اما یک پرسش همواره او را آزار می‌داد. میلانکوویچ توانسته بود تطابق منطقی بین دوره‌های یخ‌بندان با دوره‌های دارای تابستان‌های خنک بیاید، اما وی هیچ مدرک و معیار مستحکمی برای آغاز دوره‌های یخچالی نداشت. آیا تغییرات خورتاب‌گیری کافی بود؟ یا عامل دیگری وجود داشت؟

میلانکوویچ همانند متقدمان متوجه شد که برف مرز¹⁵ شاخص مهمی برای میانگین دمایی است. ارتفاع برف مرز برحسب عرض جغرافیایی تغییر می‌کند. در حال حاضر، این مرز در مناطق قطبی در ارتفاع صفر و در مناطق مداری در ارتفاع بالاتری است. میلانکوویچ دریافت چنانچه تغییرات نجومی بر میانگین دمایی تأثیر بگذارد (همان‌طور که محاسبه‌هایش نشان می‌داد) پس در هر عرض جغرافیایی خاص، منطبق بر آن تغییرات باید ارتفاع قرارگیری برف مرز بالا و پایین رود. نکته‌سخت و بسیار مهم در کار جدید میلانکوویچ پیدا کردن رابطه ریاضی پیونددهنده ارتفاع برف مرز با یافته‌های خورتاب‌گیری بود. او به مانند کرال متوجه شد که برف نسبت به جنگل یا زمین باز، قابلیت انعکاس خیلی زیادی دارد. بنابراین به موازات افزایش پوشش برفی، میزان انعکاس انرژی خورشیدی نیز بیشتر شده است. در طی دهه 1930 سنجش‌های مناسبی در مورد قابلیت انعکاسی برف و یخ انجام شده بود. بنابراین میلانکوویچ توانست با اطمینان کمی، پارامترهای مربوط را در معادلاتش وارد کند. با وجود این، نتایج تشویق‌کننده بود (Mcdougall, 2006: 129).

پی‌نوشت‌ها

1. Planetary astronomy

2. Belgrade

3. Dalj

4. Osjek

5. Vienna institute of technology

6. Nezsider

7. Budapest

8. The Mathematical Theory of  Heat Phenomena Produced by Solar Radiation

9. Milankovitch-cycle theory of climatic history

10. Insolation

11. Radiometry

12. Mindel

13. Riss

14. Insburk

15. Snowline

منابع

1. Allaby, MichaeL (2007). Encyclopedia of weather and climate. Facts on file, NY.

2. Garber, Daniel & Nadler, Steven (2008). "Oxford studies in early modern philosophy". Vol 4, Oxford University Press.

3. Grubic, Aleksander (2006). "The astronomic theory of climatic changes of Milutin Milankovich". Episode, Vol 29, No 3 Serbia, Belgrade.

4. Hecht, Laurence (2007). "What really causes climate change". EIR, March, 2, pp. 6-9.

5. Imbrie, John, Imbrie, Katherin & Palmer (1986). Ice ages: Solving the mystery. Harvard University Press.

6. Mcdougall, Douglas (2006). Frozen earth: The once and future story of ice ages. University of California.

7. Watts, Robert, G (2007). Global warning and the future of the earth: Synthesis Lectures on energy and the environment, technology, science and society. Morgan & Claypool Publ.