BUZUL ÇAĞLARI
BUZUL CAĞLARI
a
On sekiz bin yıl önce yaşanan buzul çağı, son bir milyon yılda geçirilen on kadar buzul çağının sonuncusudur. 1979 yılında Belgrad’da bu konuda yapılan uluslararası bir toplantıda sunulan çalışmalardan basitleştirilerek derlenen ve iki bölüm halinde hazırlanan bu yazının ilk bölümünde buzul çağlarının zaman ve sürelerini saptamada kullanılan yeni bir yöntem sonuçlarıyla birlikte verilecek ve buzul çağlarının oıuşum nedeni olarak Güneş’in enerji yayımındaki uzun dönemli değişimler üzerinde durulacaktır.
İkinci bölümde ise, Dünyc’nın dönme ekseni ve yörüngesindeki uzun dönemli değişmelerin buzul çağlarına yol açabileceğini ileri süren Milanko-vitch kuramı açıklanacaktır.
Doç. Dr. Osman DEMİRCAN *
n sekiz bin yıl önce Kuzey Yarımküre’de, ^ karaların üçte biri buzullarla kaplıydı. Kuzey Amerika, Avrupa ve Asya’nın kujey kıyıları, kilometrelerce kalınlıkta buzulların altındaydı. Bu buzulların kapsadığı su o kadar fazlaydı ki, dünya denizlerinin seviyesi bugünkünden 100 m. kadar daha düşük düzeydeydi. Tahminlere göre o zaman, yıllık dünya sıcaklık ortalaması bugünküne göre sadece 5 °C daha düşüktü; fakat hemen hatırlatalım ki, asırlardır yıllık dünya sıcaklık ortalamasındaki değişimler yarım °C’yi geçmemiştir.
Dünya’nın bir seri buzul çağları geçirmiş olduğu 19. asırdan beri bilinmektedir. Bu bilgi temel olarak jeolojik kaynaklıdır. Buzulların (hareketiyle çizilmiş, sürüklenmiş ve parlatılmış kayalar, rüzgâr ve suların oluşturamayacağı ve ancak uzun süre var olan buzullarla açıklanabilen yüzey şekilleri; büyük kütleli buzulların oluşturduğu yataklar ve bu yataklarda kalan kum benzeri birikintiler; üstelik tüm bu oluşumların katmanlar oluşturması, Dünya’nın bir seri buzul çağları geçirdiğini göstermiştir. Bu oluşumlar Asya, Avrupa ve Amerika’nın kuzey enlemlerinde görünmektedir ve en eski katman, Dünya’nın 500 milyon yıl kadar önce ilk etkin buzul çağını yaşadığını nöstermektedir.
Aslında jeolojik bulgulara göre buzul çağlarının varlığı kesin olmakla beraber, bu çağların sayıları, tarihleri ve süreleri o kadar belirli değildir. Yakın geçmişte keşfedilen ilginç bir yöntemle, bu bilgilere yeterince kesinlik kazandırılmıştır. Yeni yöntem, deniz altı tabakalarında oksijen izotoplarının bolluk karşılaştırılmasına dayanmaktadır. Biliyoruz ki, atomik kütlesi 16 olan (yani atom çekirdeğinde 8 proton ve 8 nötron bulunan) oksijen izotopu, doğada tabii olarak en bol bulunan oksijen izotopudur. Suda bin kadar oksijen içeren molekülden, sadece birkaç tanesin-
* ODTÜ Fizik Bölümü
BİLİM ve TEKNİK Haziran 1984
de oksijen 18 izotopu (yani atom çekirdeğinde 8 proton ve 10 nötron olan oksijen izotopu) vardır. Okyanus yüzeylerinden su buharlaştığında, daha ağır olan bu oksijen 18 izotopları buharla-şamayıp, geride kalır. Bu nedenle, yağmur, kar ve buz içindeki oksijen 18 izotopları sayısı, okyanus suyundaki sayıdan çok daha azdır. Buzul çağları başladığında, buz katmanları büyüdükçe okyanus suları azalacak ve oksijen 18 izotopu yönünden de zenginleşecektir. Öyleyse, geçmişte okyanuslarda oksijen 18 izotopu bolluğu ne zaman ne kadar artmışsa, o oranda şiddetli bir buzul çağı yaşanmış olmalıdır. Doğal olarak, geçmişteki okyanus sularının oksijen izotopu bolluğunu ölçmek mümkün görünmemektedir. Fakat, okyanus yataklarında farklı katmanlarda oluşan farklı çağlara ait deniz fosillerinde, oksijen 18 bolluğunu ölçmek mümkündür. Kabuklu deniz hayvanları kabuklarını, yaşadıkları deniz suyundaki kalsiyum karbonatla oluştururlar ve öldüklerinde, kabuklar deniz dibinde birikerek, jeolojik katmanlar ortaya çıkar. Yaşları başka yöntemlerle saptanan bu katmanlardaki oksijen 18 bolluğundaki değişim, böylece Dünya’daki iklim değişikliğinin bir ölçüsü olur. Bu şekilde, buzul çağlarının sayıları, tarihleri, süreleri, şiddetleri sağlıklı bir şekilde saptanmıştır. Aslında, sularda oksijen 18 izotopu birikimi, suların sıcaklığı gibi başkaca yan etmenlere de bağlıdır. Bu nedenle, (buzul çağlarına ilişkin elde edilen verilerde, yine de bir yanılgı payının varlığı kabul edilmektedir. Okyanus diplerindeki katmanlardan elde edilen son
DAMA
SICAK
DAHA
SOĞUK
_ı_ı_,_, _ y»ı
-400 000 -200 000 O ZAMAN
BUGÜN
Deniz dibi katmanlarından oksijen-18 izotopunun değişimi : X-ekseni katmanların yaşını, y-ekseni ilgili katmanlarındaki jksijen-18 değişimini yüzde olarak göstermektedir.
000 yıllık oksijen 18 bolluk kayıtları, şekilde terilmiştir. Oksijen 18 bolluğunun arttığı çağ-a, Dünya’da bu artım miktarıyla orantılı mik-la buzul var demektir. Dolayısıyla, oksijen ‘bolluğunun arttığı çağlar buzul çağlarıdır, le göre Dünya, her 100 000 yılda bir buzul ı yaşamaktadır. Ayrıca yine şekilden görül-ctedir ki, dönemli bolluk değişim eğrisi, bir ima testere dişi biçimindedir. Yani oksijen 18 uğu, 60 – 70 bin yılda yavaş yavaş artıp belli düzeye geldikten sonra, bir bakıma hızla düşledir. Bunun anlamı, Dünya’da buzulların ya-yavaş, uzun yıllar birikip, sonra daha kısa îde eriyip yok olduklarıdır.
Nedir böyle si uzun dönemli, büyük iklim de-kliklerinin nedeni? Şekildeki dönemli deği-lere bakarak açıkça denebilir ki, Dünya yü-nln ortalama ısı enerjisi 100 000 yıllık dönem-} düzenli artmalar-eksilmeler göstermektedir, lelde bu enerjinin, Güneş’ten gelen ışınım rjisinden sağlandığını biliyoruz. Öyleyse Gü-, bazı dönemlerde Dünya’yı ısıtamayacak ka-sönüyor, sonra yavaş yavaş tekrar canlanıp, durumuna ulaşıyor olmalıdır. Bu ilginç bir ılıktır. Aslında, çaplarındaki dönemli salınım-j, Ibu şekilde parlayıp sönen çok sayıda yıl-ı varlığı düşünülürse, Güneş’in de bunlardan olmayacağını gösteren hiçbir neden yoktur, ak, salının döneminin çok uzun (~ 100 000 olması, olaya dinamik açıdan kısıtlamalar ge-lektedir. Ayrıca, sürdürülen çok duyarlı uydu emleri, güneş enerjisinde beklenen uzun dö-ıli değişimlere ilişkin şimdilik hiçbir belirti termemektedir. Bir bakıma 5-10 yıllık gözlem-î, dönemin ~ 100 000 yıl olan değişimlerin tanınasım beklemek saçmalık olur.
yayınlanır. Dünya atmosferi dışında uydu gözlemleriyle, ortalama Dünya-Güneş uzaklığında (149.6 X 106 km), güneş ışınlarına dik birim yüzeye birim zamanda gelen güneş enerjisi ölçülebilir. Bu değere güneş sabiti denir. Bu gözlemsel değer sayesinde, Güneş’in toplam ışınım gücü ve fotosfer sıcaklığı (5.762 ± 12 ”K) bulunabilir. Güneş sabitinin ölçümü oldukça zordur. Bu ö1-çümler, VVashington’da Smithsonian Enstitüsünde, Maryland’da NASA Goddard Uzay Uçuş Mer-kezi’nde ve ek olarak Almanya ve Rusya’da sürekli olarak yapılmaktadır. Son ölçümlere göre, güneş sabiti crr^’ye dakikada 1.94 kaloridir. Bu ölçümün hatası yüzde 1.5’tur. Daha duyarlı ölçüm, ne yazık ki mümkün olmamaktadır. Ölçüm duyarlığı ne kadar iyi olursa, güneş enerjisinde olabilecek uzun dönemli değişimleri saptamak da, o derece mümkün olabilecektir. Aslında eldeki gözlemler, güneş sabitinin gerçekte sabit olmadığını göstermektedir. “Solar Maximum Mission” olarak adlandırılan uzay aracının 1980 yılı gözlemlerine göre, güneş sabiti kısa süreli aralıklarla binde 1’5’lik değişimler göstermektedir. Bu gözlemlere göre, güneş sabitinin 1980 yılında beş aylık değişimi şekilde gösterilmiştir. Bu tür kısa dönemli enerji değişimlerinin Dünya’daki iklim değişimleriyle ilgisi yoktur. Diğer taraftan yukarıda belirttiğimiz gibi, güneş sabiti, Güneş’ten aldığımız gerçek enerji değildir. Ortalama Dünya-Güneş uzaklığında ve atmosfer etkilerinin olmaması halinde, güneş ışınlarına dik birim yüzeye, birim zamanda gelen güneş enerjisidir. Halbuki, öncelikle Dünya yörüngesinin eliptik olmasından dolayı, Dünya-Güneş uzaklığının sürekli olarak 147.1 x 105 ile 151.1 x 104 km, arasında değiştiğini biliyoruz. Buna bağlı olarak, Güneş’ten aldığımız enerji, yıllık ortalamaya göre % 3.5 oranında değişimler gösterir. Dönemi bir yıl olan bu değişimlerle ilginçtir ki, Güneş’ten aldığımız enerji, kış aylarında Güneş’e yaklaştığımız için artar; yaz aylarında da Güneş’ten uzaklaştığımız için azalma gösterir.
Bize ulaşan güneş enerjisinde, eliptik yörüngenin neden olduğu bu tür değişimlerin, uzun dönemde Dünya iklimini nasıl etkileyeceği kesin olarak bilinmemektedir. Yazımızın ikinci bölümünde, buzul çağlarına yol açan etmenlerden biri olarak bu zayıf olasılık üzerinde daha detaylı bilgi verilecektir.
. Tekrar, güneş enerjisinin uzun dönemde değişip değişmediği sorununa dönelim; bunu saptamanın bir başka yolu, gezegen parlaklıklarının değişimlerini izlemektir. Atmosfer, uzaklık ve evre etkileri dikkate alınarak
Güneş sabitinin 1980 yılı içinde kısa süreli düzensiz değişimi : Bu değişim uydu gözlemleriyle yer atmosferi dışından elde edilmiştir.
fon yıldızlarının sabit parlaklıkları ile kolayca karşılaştırılabilir. Bu karşılaştırmalar sonunda gezegen parlaklıklarında görülecek değişimler, gezegenler sadece güneş ışığını yansıttığı için, güneş enerjisindeki değişimleri verecektir, llranüs, Neptün gezegenleri ve Satürn’ün uydusu Titan için son 27 yıldır yapılan bu tür gözlemlerde, küçük parlaklık değişimleri saptanmıştır. Bu tür değişimleri, aslında doğrudan güneş enerjisindeki değişimlere bağlamak sakıncalıdır. Başkaca etkenlerin dikkatle göz önünde tutulması gerekir. Bu tür değişimler büyük olasılıkla, gezegen atmosferlerindeki yansıtma özelliklerinin zamanla değişiminden kaynaklanmış olabilir.
Diğer taraftan Güneş atmosferinde, manyetik alan, konvektif hareketler ve diferansiyel dönmenin neden olduğu 11 yıllık bir aktivite çevrimi vardır. Bu 11 yıllık dönemde Güneş, bir defa en çok aktif, bir defa da en az aktif hale gelir. Fakat çok ilginçtir ki, Güneş’in toplam ışınım enerjisi, bu aktivite dönemi içerisinde görünür bir değişim göstermemektedir. Bununla beraber, aktivite dönemi içerisinde belli dalga boylarındaki ışınım; enerjisi azalırken, başka dalga boylarında artmış ve üstelik toplam enerji yayını değişmemiş olabilir. Dünya atmosferinde ışınımın saçılma ve soğruİTnası dalga boyunun fonksiyonu olduğundan, bize ulaşan güneş enerjisi, belli dalga boylarında güneş aktivite-siyle değişmiş olabilir. On bir yıllık dönemi olan böyle bir değişimin de Dünya iklimini nasıl etkilediğini bilmiyoruz.
Güneş yarıçapında var olabilecek (Güneş’in parlayıp sönümlenmesini sağlayacak kadar) büyük salınımları doğrudan gözlemek, bugüne ka-
küçük ölçekli ve küçük dönemli değlşlmlor an|> tamışlardır. Bu salınımların gerçekten varlıQı, sonradan Fransız ve Sovyet gözlemciler tamim dan da doğrulanmıştır. Bu salınımlar, bir bakıma güneş depremleridir. Deprem dalgalarının ya yılma özelliklerini kullanarak, Dünya’nın Içyapı sını nasıl öğreniyorsak, Güneş’teki salınım dal galarını analiz edilerek, Güneş’in içyapısı hakkında daha doğru bilgilere ulaşılabilir. Bu konuda yeteri kadar gözlemsel veri biriktiğinde, bunların analizi, belki de buzul çağlarına da ışık tutabilecektir.
Buzul çağlarının oluşum nedenleri, Güneş dışında başka etmenler de olabilir. Çünkü Dünya. uzayda çevre etkilerinden yalıtılmış değildir. Yıllar boyunca değişik dış etkilerle Dünyaya ulaşan güneş enerjisi, zaman zaman büyük değişimler göstermiş olabilir. Örneğin Güneş, Dünya ve diğer gezegenlerle beraber, Samanyolu galaksisinin merkezi etrafında, 30.000 ışık yılı yarıçaplı dairesel bir yörüngede dolanır ve bu hareket sırasında güneş sistemi, belli aralıklarla galaksinin sarmal kolları içerisinden geçer. Sarmal kollar İçerisinde çok sayıda yıldız, yoğun gaz ve toz bulutları vardır. Dünya böyle bir gaz ve toz bulutu içerisine girdiğinde, Güneş’ten gelen ışınım enerjisi düşebilir ve uzun süren bu durum, buzul çağlarına neden olmuş olabilir. Aslında, güneş sisteminin bir Samanyolu kolundan diğerine geçiş süresi de, iki buzul çağı arasındaki süreyle uyuşmaktadır. Fakat sarmal kollar içinde yoğun bulutlar o kadar fazla değildir. Oksijen 18 değişim grafiğindeki düzgünlük dikkate alınırsa, Dünya’nın ber sarmal kol içinde aynı yoğunlukta ve büyüklükte gaz-toz bulutu İçinden geçmiş olması beklenir ki, bu olasılık oldukça zayıftır. Bu bulutların çoğu, ısı ve ışık için büyük ölçüde geçirgendir; ancak, Dünya’ya ulaşan güneş rüzgârını durdurabilirler. Güneş rüzgârının Dünya iklimine etkisi, kuramsal olarak mümkün görülmemekle beraber, 17. asırda yaşanan şiddetli kışlar, böyle bir etkiyi destekler görünmektedir. Bu yıllarda, Güneş yüzeyinde uzunca bir süre güneş lekesi, dolayısıyla güneş aktivitesi gözlenemediği bilinmektedir. Eğer böy-leyse, o yıllarda elektrik yüklü parçacıklardan oluşan güneş rüzgârı da minimum düzeydeydi. Birçok astronom, o zaman yaşanan şiddetli kışları, güneş rüzgârındaki zayıflamaya bağlamaktadır. Aslında, zayıf güneş rüzgârı döneminin, şiddetli kışlar dönemine rastlaması bir tesadüf olabilir. Nitekim, süregelen detaylı gözlemler, Güneş’te aktivitA