در بررسی عوامل تغییرات آب و هوایی، اگر چه خورشید منشا اصلی نوسان های آب و هواست، ولی نوسان آب و هوایی ممکن است از عوامل زیر نشات گرفته باشد:

1) تابش خورشید كه تشعشع امواج الكترو مغناطیس با طول موج های مختلف است. Ultraviolet ماوراء بنفش، Infrared مادون قرمز، Particle transmission انتشار ذرات همانند باد های خورشیدی.

2) علل مرتبط با گردش زمین (Orbital factors) كه فاصله زمین با خورشید را متاثر می سازد و به طور پیوسته همراه با ماه و نظم قرار گرفتن كرات در حال تغییر است.

3) فاكتور های زمینی كه شامل: عرض جغرافیایی، توپوگرافی، تبادل هوا ـ دریا، جریان های اقیانوسی و گردش اتمسفری می شود.

   در این میان علل مرتبط با فرآیند گردش زمین به دور خورشید، كمتر شناخته شده است. نظر به اهمیت متغیرهای مرتبط با مكانیزم گردش انتقالی و گردش وضعی و دوره های آب وهوایی به بررسی این موضوع می پردازیم:

دانشمندان مصر و بابل قدیم، نخستین اخترشناسانی بودند كه به رصد ستارگان پرداختند. آن ها با پژوهش در آسمان و سپهر، صورت های فلكی را نقشه برداری كرده و مسیری را كه خورشید در آسمان ظاهر می شود، تشخیص داده و دوره هایی را كه ماه و خورشید از عرض آسمان عبور می كنند تخمین زده بودند. اما یك اختر شناس یونانی به نام Hipparchus نخستین اكتشاف عمده نجوم را به سرانجام رساند. او با مقایسه مشاهدات افزون بر یك قرن قبل از زمان زندگی خود، به این نتیجه رسید كه به نظرمی رسد چرخش آسمان به تدریج و بسیار اهسته تغییر می كند.

   در حدود 120 سال قبل از میلاد، Hipparchus با مقایسه مشاهدات خود و اطلاعات قبلی به این نتیجه رسید كه در مدت 169 سال محل طلوع و غروب خورشید (در روزی كه طول شب و روز برابر است و كاملا در موقعیت شرقی – غربی اتفاق می افتد) به میزان 2 درجه تغییر كرده است.

   اما در این میان نخستین كسی كه به صورت سیستماتیك به وجود چرخه ها و دوره های مشخص در گردش زمین به دور خورشید اشاره نمود، یك ریاضیدان اهل صربستان به نام Milutin Milankovich است كه در دهه 1930 تئوری خود را تحت عنوان Astronomical theory of climate ارائه كرد. هر چند این موضوع پس از او به چرخه های میلانکوویچ معروف شد، اما او نخستین فردی نبود كه پارامتر چرخش زمین را به آب و هوا مرتبط دانست و قبل از او( Adhemar 1842) و( Croll  1875) دانشمندانی بودند كه درباره این موضوع بحث كرده بودند.

   میلانكوویچ اظهار می دارد: آشفتگی و اختلاف در انحراف محور زمین و نیز تغییر در مسیر چرخش زمین به دور خورشید، مقدار تشعشع وارده خورشید به یك منطقه معین از زمین یا تابش در عرض های مختلف را متاثر می سازد.

   تغییرات درجه حرارت حاصل از این پدیده ها در اتمسفر، ‌موجب تغییر آب و هوایی و در نتیجه گسترش یا ذوب كلاهك یخی قطبی، افزایش یا كاهش حرارتی اقیانوس ها می شود كه هر دو این پدیده ها موجب نوسان سطح آب دریا ها در مقیاس جهانی می گردد.

   سه متغیر عمده در ارتباط با گردش زمین به دور خورشید قابل تامل و بررسی است:

1ـ تغییرات در شدت نیروی گریز از مركز؛ eccentricity: این پدیده تغییر تدریجی در شكل مسیر گردش از یك مسیر نسبتا دایره ای با ضریب بیضوی تقریبا صفر (0) تا كمی بیضوی با ضریب حدود 06/0 است. دوره های حاصل از این حركت شامل 95 هزار سال، 123 هزار سال (كه چرخه های 100 هزار ساله را می سازد) و نیز دوره 413 هزار ساله است. شكل زیر این تغییرات را نشان می دهد:

2 - تغییر زاویه كج شدگی محور زمین؛ Obliquty : این میزان انحراف در واقع نوسان بین زاویه محور زمین و صفحه ای كه مدار گردش زمین به دور خورشید در ان قرار دارد می باشد و میزان ان از 8/21 تا 4/24 درجه تغییر می كند. این نوسان هر 41 هزار سال تكرار می شود. شایان گفتن است، این مبحث، كج شدگی محور زمین و نه جهت ان را مورد بحث قرار می دهد. مقادیر بالای زاویه انحراف محور زمین موجب افزایش اختلاف درجه حرارت بین زمستان و تابستان در عرض های بالا می شود و بیشترین تغییر در نواحی قطبی است.

3 - تغییرات در لرزش محوری یا رقص محوری؛ Precession : این فرآیند یك پدیده پیچیده است كه شامل دو مؤلفه می شود. نخست لرزش محور چرخش زمین و دوم مسیر لغزش محور حول یك بیضوی می باشد. دوره حاصل از این لغزش یا رقص محوری چرخه های 19 و 23 هزار ساله (میانگین 21 هزار سال) را ایجاد می کند.

   نتیجه این پدیده تغییر جهت محور چرخش زمین نسبت به خورشید است؛ به نحوی كه سبب تغییر در روز های ی از سال كه شب و روز برابر دارند (equinoxes) می شود. در حال حاضر، زمین در نیمكره شمالی نزدیكترین فاصله را در زمستان با خورشید دارد. در حدود 11 هزار سال دیگر زمین كوتاه ترین فاصله با خورشید را در تابستان نیمكره شمالی تجربه می كند. این پدیده تابستان گرمتر و زمستان سردتر را سبب می شود.

   تغییر در نیروی گریز از مركز و در نتیجه تبدیل مسیر گردش زمین به دور خورشید از یك حالت دایره به شكل بیضوی در اثر نیروی ثقل سیاره مریخ (Mars) و سیاره زهره (venus) پدید می اید. بنابراین پدیده eccentricity بیشتر به آرایش كرات در مدار های چرخش به دور خورشید در منظومه شمسی ارتباط دارد.

   اما تغییر در میزان كج شدن محور زمین (Tilt Axes) با اختلاف درجه حرارت زمستان و تابستان نسبت مستقیم دارد و سبب اختلاف تابش در یك منطقه مشخص تا حدود 10% می گردد.

   مكانیزم این تغییرات هنوز به خوبی دانسته نشده است. هر چند شواهد اخیر (انتشار به سال 2000) نشان می دهد كه دی اكسید كربن جو می تواند یك نقش راهنما در تشدید اثر چرخشی داشته باشد، اما گروهی از محققان در باره ارتباط چرخه های یكصد هزار ساله و تغییرات چرخش ابراز شك و تردید نموده اند.

Berger  (1991)  و Laskar (1993)  درباره میزان تابش خورشید در چرخه های میلانکوویچ مطالعاتی انجام داده اند. (Insolation=Incident solar radiation) در شكل زیر بررسی های Berger در عرض 65 درجه شمالی از حال حاضر تا یك میلیون سال قبل آورده شده است. براین اساس، در نیمكره شمالی بیشترین تابش خورشیدی در حدود 900 سال قبل روی داده است. در این زمان مقادیر چشمگیری از پوشش های قطبی ذوب شده است. از آن زمان تابستان های نیمكره شمالی در معرض تابش كمتری قرار دارد.

   اما علت یا عامل لرزش محوری یا رقص محوری را قطر بیشتری که زمین در ناحیه استوا دارد و خارج شدن زمین از شکل کاملا کروی در این ناحیه می دانند.

 کاربرد :

   پیشرفت های شایان توجه در دو شاخه علمی مكانیك اجرام آسمانی و نیز گردآوری و تجزیه تحلیل داده های چینه شناسی كه در دو دهه اخیر حاصل شده است، موجب پیشرفت یكی از دقیق ترین روش های تعیین سن یعنی تقویم گاه شناسی نجومی Astrochronology شده است.

   این روش دوره های منظم در چرخه های Milankovich را كه در سنگ ها ثبت و ضبط شده را به كار می بندد تا یك جدول زمانی كرونواستراتیگرافی بنا نماید در این روش چند مرحله مهم وجود دارد:

1) اثبات این مطلب كه چرخه های موجود در نهشته های رسوبی همان چرخه های Milankovich هستند یاخیر ؟ این مهم مستلزم بررسی های دقیق روی پارامتر های فیزیكی ـ شیمیایی سنگهاست.

2) اصلاح و كنترل سری داده های پیوسته به وسیله آنالیز Furier، این بررسی ها ما را قادر می سازد تا چرخه های بسیار مشابه اما با دوره زمانی متفاوت باهم گروه بندی شوند در این تصحیحات، تغییرات مربوط به نرخ رسوبگذاری، خطای اندازه گیری و غیره حذف می شود.

   پژوهشگران، با استفاده از راه حل های ریاضی و محاسبات رایانه ای، مطالعاتی درباره حركت چرخشی زمین از زمان حاضر تا چندین میلیون سال قبل انجام داده اند كه در آن تاثیرات متقابل دیگر كرات و ماه بررسی شده است. این متد Orbital solution نامیده شده و از این رهگذر مقادیر تشعشع در طول زمان (Insolation target) قابل پیدا كردن است.

   این داده ها تا 35 میلیون سال قبل محاسبه شده است (مرز ائوسن / الیگوسن). در حال حاضر راه حلی برای بررسی دقیق تر میزان كج شدگی، مسیر چرخش و رقص محوری (Precission) برای زمان های بیشتر وجود ندارد، زیرا از دیدگاه ریاضی محدودیت های ی برای رفتار پیچیده كرات و متغیر های ناشناخته وجود دارد.

   استفاده از این داده های نجومی باز خورد بسیار جالبی نسبت به استفاده از روش های تعیین سن ایزوتوپی داشته چرا كه بررسی ها نشان داده است بخش های ی از مقیاس زمان نجومی و تعیین سن های رادیومتریك با هم، هماهنگی ندارند (و سپس معلوم شده) كه نیمه عمر، ثابت در نظر گرفته شده برای روش مورد نظر، نیاز به بازنگری دارد.

   هر چند بررسی های ایزوتوپی روی لاگ های حفاری بستر اقیانوس ها چرخه های میلانکوویچ را در چند میلیون سال گذشته به اثبات رسانده است، اما این تئوری با چالش های جدی مواجه است كه به تعدادی از آن ها می پردازیم:

•  ما شواهد فراوانی از نوسانات آب و هوایی روی زمین و در زمان های مختلف داریم كه پوشش های یخی بسیار كوچكتر از امروز بوده، یا اساسا وجود نداشته اند و با چرخه های میلانکوویچ مطابقت دارند. اما چرا این نوسانات در دوره های قدیمی تر تاریخ زمین كمتر مشاهده می شود؟
• شواهدی وجود دارد كه تغییرات در طول زمان در اثر حاكمیت و تاثیر بیشتر و یكی از عوامل سه گانه فاكتور های چرخشی (Orbital para meters) موثر بوده است.

   برای مثال 9/0 تا 2/1 هزار سال قبل، پدیده رقص محوری بیشتر حاکم بوده و قبل از ان برای مدت 40 هزار سال انحراف محور اهمیت بیشتری داشته است. عامل این تغییرات چه بوده است؟

• از دیدگاه تئوری تغییرات آب و هوایی، تفاوت های گرمایی رسیده به زمین بسیار جزئی است؛ حتی كوچكتر از آنكه تغییرات آب و هوایی مهم را تفسیر كند. این تفاوت ها به میزان زیادی با توزیع انرژی روی زمین مرتبط است، اما ما شواهدی در اختیار داریم كه دما در مقیاس جهانی (global temperatures) در طی زمان های یخچالی تغییر كرده است. بنابراین ما فكر می كنیم كه یك سری مكانیزم های بازخوردی مثبت یا فزاینده باید تغییرات حاصل از چرخه های میلانكوویچ را تشدید كرده باشد.
•  یكی از عوامل فزاینده احتمالی مقدار Co2 موجود در جو است كه در همان بازه های زمانی در یخ ها نوسان نشان می دهد.
•  عامل احتمالی دیگر می تواند موقعیت قاره ها باشد. از چند میلیون سال قبل پوشش های یخی نیمكره شمالی رشد كرده و مجددا كوچكتر شده اند و سرزمین های بزرگی بوده است كه تحت پوشش یخ ها قرار داشته اند. اما یخ های قطب جنوب، قاره قطب جنوب و دریا های كم عمق را پوشانده ونتوانسته است به سادگی رشد و توسعه یابد.

   علاقه مندان برای کسب اطلاعات بیشتر می توانند به کتاب IceAges- solving the mistry نوشته: Katerine palme Imbrie, John Imbrie كه به وسیله انتشارات Enslow در نیوجرسی منتشر شده است، مراجعه نمایند.

موضوع این کتاب مفید، تماما به سن یخ ها و‌ توسعه تئوری نجومی برای منشا آن ها اختصاص دارد.