Putaran Bumi di sekeliling paksinya dan peredarannya mengelilingi Matahari, berubah dari semasa ke semasa disebabkan oleh interaksi graviti dengan jasad lain dalam Sistem Suria. Variasi tersebut adalah kompleks, tetapi terdapat beberapa jenis kitaran yang bersifat dominan.[3]

Orbit Bumi berbeza-beza bentuknya antara hampir bulat dan agak elips (kesipiannya berbeza-beza). Apabila orbit lebih memanjang, terdapat lebih banyak variasi pada jarak antara Bumi dan Matahari serta dalam jumlah sinaran suria, pada masa yang berbeza dalam setahun. Di samping itu, kecondongan putaran Bumi berubah sedikit sepanjang masa. Lebih besar kecondongan paksi, lebih lampau perubahan musim berlaku. Akhirnya, arah bintang tetap yang dituju oleh paksi Bumi berubah (liukan paksi), manakala orbit elips Bumi mengelilingi Matahari berputar (liukan apsis). Kesan gabungan liukan dengan kesipian ialah kedekatan dengan Matahari tersebut yang berlaku semasa musim astronomi yang berbeza.[4]

Milankovitch mengkaji perubahan dari segi pergerakan Bumi yang mengubah jumlah dan lokasi sinaran suria yang sampai ke Bumi. Ini dikenali sebagai paksaan suria (contoh paksaan sinar). Milankovitch memberi penekanan terhadap perubahan yang dialami pada latitud 65° utara disebabkan oleh jumlah permukaan tanah yang besar di latitud itu. Jisim daratan berubah suhu lebih cepat daripada lautan, kerana percampuran permukaan dan air dalam, serta fakta bahawa tanah mempunyai kapasiti haba isi padu yang lebih rendah berbanding air.[5]

Kesipian orbit

Orbit Bumi menghampiri bentuk elips. Kesipian mengukur penjauhan elips ini daripada kebulatan. Bentuk orbit Bumi berbeza-beza antara hampir bulat (secara teorinya kesipian boleh mencecah sifar) dan agak elips (kesipian tertinggi ialah 0.0679 dalam 250 juta tahun dalalu).[6] Purata geometri atau puratalogaritma Bumi ialah 0.0019. Komponen utama variasi ini berlaku dengan tempoh setiap 405,000 tahun[7] (variasi kesipian ±0.012). Komponen lain mempunyai kitaran setiap 95,000 tahun dan setiap 124,000 tahun[7] (dengan tempoh denyutan setiap 400,000 tahun). Kesemua unsur tersebut secara longgar bergabung menjadi kitaran setiap 100,000 tahun (variasi -0.03 hingga +0.02). Kesipian sekarang ialah 0.0167[7] dan semakin berkurangan.

Kesipian Bumi berubah-ubah terutamanya disebabkan oleh tarikan graviti dari Musytari dan Zuhal. Walau bagaimanapun, paksi semi major untuk elips orbit tetap tidak berubah; mengikut teori usikan yang mengira evolusi orbit, paksi semi major adalah tak bervarian. Tempoh orbit (panjang tahun sidereus) juga tidak berubah, kerana menurut hukum ketiga Kepler, ia ditentukan oleh paksi separuh utama. Variasi jangka masa panjang adalah disebabkan oleh interaksi yang melibatkan perihelia dan nod planet Utarid, Zuhrah, Bumi, Marikh dan Musytari.[6]

Kesan pada suhu

Paksi semi major merupakan satu pemalar. Oleh itu, apabila orbit Bumi menjadi lebih sipi, paksi semi minor memendek. Hal ini meningkatkan magnitud perubahan bermusim.[8]

Peningkatan relatif dari segi penyinaran suria pada jarak yang paling hampir dengan Matahari (perihelion) berbanding dengan penyinaran pada jarak terjauh (afelion) adalah sedikit lebih besar daripada empat kali ganda kesipian tersebut. Untuk kesipian orbit mutakhir Bumi, sinaran suria yang masuk berubah-ubah dalam lingkungan kira-kira 6.8%, manakala jarak dari Matahari kini hanya berubah-ubah hanya 3.4% (5.1 juta km atau 3.2 juta bt atau 0.034 au).[9]

Perihelion pada masa kini berlaku sekitar 3 Januari, manakala afelion adalah sekitar 4 Julai. Apabila orbit berada pada tahap yang paling eksentrik, jumlah sinaran suria pada perihelion akan menjadi kira-kira 23% lebih daripada sewaktu di afelion. Walau bagaimanapun, kesipian Bumi adalah sangat kecil (sekurang-kurangnya pada masa ini) sehinggakan variasi dalam penyinaran suria merupakan faktor kecil dalam variasi iklim bermusim, berbanding dengan kecondongan paksi dan malah berbanding dengan kemudahan relatif untuk memanaskan daratan yang lebih luas di hemisfera utara.[10]

Kesan pada kepanjangan musim

Tempoh musim [11]

Tahun	Hemisfera Utara	Hemisfera Selatan	Tarikh (UTC)	Tempoh panjang musim
2005	Solstis musim sejuk	Solstis musim panas	21 Disember 2005 18:35	88.99 hari
2006	Ekuinoks musim bunga	Ekuinoks musim luruh	20 Mac 2006 18:26	92.75 hari
2006	Solstis musim panas	Solstis musim sejuk	21 Jun 2006 12:26	93.65 hari
2006	Ekuinoks musim luruh	Ekuinoks musim bunga	23 September 2006 4:03	89.85 hari
2006	Solstis musim sejuk	Solstis musim panas	22 Disember 2006 0:22	88.99 hari
2007	Ekuinoks musim bunga	Ekuinoks musim luruh	21 Mac 2007 0:07	92.75 hari
2007	Solstis musim panas	Solstis musim sejuk	21 Jun 2007 18:06	93.66 hari
2007	Ekuinoks musim luruh	Ekuinoks musim bunga	23 September 2007 9:51	89.85 hari
2007	Solstis musim sejuk	Solstis musim panas	22 Disember 2007 06:08

Musim-musim tersebut merupakan kuadran-kuadran orbit Bumi, ditandakan dengan dua solstis serta dua ekuinoks. Hukum kedua Kepler menyatakan bahawa sesuatu jasad dalam orbit menjejaki kawasan yang sama pada masa yang sama; halaju orbitnya menjadi tertinggi di sekitar perihelion dan terendah di sekitar afelion. Bumi menghabiskan lebih sedikit masa berhampiran perihelion dan lebih banyak masa berhampiran afelion. Ini bermakna tempoh panjang musim akan berbeza-beza.[12] Perihelion pada masa ini berlaku sekitar 3 Januari, jadi halaju Bumi yang lebih tinggi memendekkan musim sejuk dan musim luruh di hemisfera utara. Musim panas di hemisfera utara adalah 4.66 hari lebih lama berbanding musim sejuk, dan musim bunga adalah 2.9 hari lebih lama berbanding musim luruh.[12] Kesipian yang lebih tinggi meningkatkan variasi dalam halaju orbit Bumi. Namun pada masa ini, orbit Bumi menjadi kurang sipi (lebih hampir bentuk bulat). Hal ini akan menjadikan musim-musim dalam masa terdekat lebih serupa panjangnya.[12]

Kecondongan paksi

Julat 22.1–24.5° untuk kecondongan Bumi.

Sudut kecondongan paksi Bumi berdasarkan satah orbit (kemiringan ekliptik) berbeza-beza antara 22.1° dan 24.5°, sepanjang satu kitaran kira-kira 41,000 tahun. Kecondongan semasa ialah 23.44°, kira-kira di pertengahan antara dua nilai ekstrem tersebut. Kecondongan terakhir mencapai maksimum pada 8,700 SM. Ia kini dalam fasa penurunan kitarannya, dan akan mencapai tahap minimumnya sekitar tahun 11,800 M.[12] Peningkatan kecondongan meningkatkan amplitud kitaran bermusim dari segi penyuriaan, memberikan lebih banyak sinaran suria pada setiap musim panas hemisfera dan kurang pada musim sejuk. Walau bagaimanapun, kesan ini tidak seragam di mana-mana permukaan Bumi. Peningkatan kecondongan meningkatkan jumlah sinaran suria tahunan pada latitud yang lebih tinggi, dan mengurangkan jumlah sinaran suria yang lebih dekat dengan khatulistiwa.[12]

Trend semasa penurunan kecondongan dengan sendirinya akan menggalakkan musim yang lebih sederhana (musim sejuk yang lebih panas dan musim panas yang lebih sejuk), serta aliran penyejukan keseluruhan.[12] Oleh kerana kebanyakan salji dan ais di planet ini terletak pada latitud tinggi, kecondongan yang berkurangan mungkin menggalakkan penamatan tempoh antara glasier dan permulaan tempoh glasier atas dua sebab: 1) terdapat kurang penyuriaan musim panas keseluruhan, dan 2) terdapat kurang penyuriaan di latitud yang lebih tinggi (yang tidak mencairkan salji dan ais musim sejuk sebelumnya).[12]

Liukan paksi

Pergerakan liukan paksi.

Liukan paksi merupakan suatu aliran arah paksi Bumi yang berputar secara relatif pada bintang tetap, dengan tempoh kira-kira 25,700 tahun. Liukan paksi ini juga dikenali sebagai liukan ekuinoks, dan gerakan ini bermakna bahawa akhirnya Polaris tidak lagi menjadi bintang kutub utara. Liukan ini disebabkan oleh daya pasang surut yang dikenakan oleh Matahari dan Bulan pada Bumi yang berputar; kedua-duanya menyumbang kesan tersebut lebih kurang sama.

Pada masa ini, perihelion berlaku semasa musim panas hemisfera selatan. Hal ini bermakna sinaran suria adalah berpunca daripada kedua-dua kecondongan paksi yang mencondongkan hemisfera selatan ke arah Matahari, dan jarak antara Bumi dengan Matahari akan mencapai maksimum semasa musim panas selatan dan mencapai minimum semasa musim sejuk selatan. Kesan-kesan pada pemanasan ini adalah bertindanan, maksudnya variasi bermusim dalam penyinaran hemisfera selatan adalah lebih melampau. Di hemisfera utara, kedua-dua faktor ini mencapai maksimum pada masa yang bertentangan dalam setahun: kutub utara condong ke arah Matahari apabila Bumi berada paling jauh dari Matahari. Kedua-dua kesan berfungsi dalam arah yang bertentangan, menghasilkan variasi yang kurang ekstrem dalam penyuriaan.

Dalam masa kira-kira 10,000 tahun, kutub utara akan condong ke arah Matahari apabila Bumi berada di perihelion. Kecondongan paksi dan kesipian orbit akan menyumbang peningkatan maksimum sinaran suria semasa musim panas hemisfera utara. Liukan paksi akan menggalakkan lebih banyak variasi ekstrem dari segi penyinaran hemisfera utara dan variasi kurang ekstrem di hemisfera selatan. Apabila paksi Bumi dijajarkan supaya afelion dan perihelion berlaku berhampiran ekuinoks, kecondongan paksi tidak akan diselaraskan berpandukan kesipian.

Liukan apsis

Planet-planet yang mengorbit Matahari mengikuti orbit elips (bujur) yang berputar secara beransur-ansur dari masa ke masa (liukan apsis). Kesipian elips ini, serta kadar liukan, dibesar-besarkan untuk memudahkan pembayangan rajah.

Elips orbit itu sendiri meliuk di angkasa, dengan cara yang tidak teratur, melengkapkan kitaran penuh dalam kira-kira 112,000 tahun berdasarkan bintang tetap.[13] Liukan apsis berlaku pada satah eklips dan mengubah orientasi orbit Bumi berbanding satah tersebut. Hal ini berlaku terutamanya akibat interaksi dengan Musytari dan Zuhal. Sumbangan yang lebih kecil juga dibuat oleh keoblatan matahari serta juga kesan kerelatifan am seperti yang berlaku pada Utarid.[14]

Liukan apsis bergabung dengan kitaran 25,700 tahun liukan paksi untuk mengubah kedudukan pada tahun Bumi mencapai perihelion. Liukan apsis memendekkan tempoh ini kepada kira-kira 21,000 tahun, pada masa ini. Menurut sumber yang agak lama (1965), nilai purata sepanjang 300,000 tahun terkini ialah 23,000 tahun, dan bervariasi antara 20,800 dan 29,000 tahun.[13]

Kesan liukan pada musim-musim dalam setahun (menggunakan istilah berdasarkan Hemisfera Utara)

Apabila orientasi orbit Bumi berubah, setiap musim akan bermula secara beransur-ansur pada awal tahun. Liukan bermaksud pergerakan Bumi yang tidak seragam dan ia akan mempengaruhi musim yang berbeza. Contohnya, musim sejuk akan berada di bahagian orbit yang berbeza. Apabila sisi Bumi (jarak ekstrem dari matahari) diselaraskan dengan ekuinoks, gabungan panjang musim bunga dan musim panas akan sama dengan musim luruh dan musim sejuk. Apabila ia sejajar dengan solstis, perbezaan dalam tempoh musim ini akan menjadi paling besar.

Kecondongan orbit

Kecondongan orbit Bumi bergerak ke atas dan ke bawah berbanding orbitnya sekarang. Pergerakan tiga dimensi ini dikenali sebagai "liukan satah eklips" atau "liukan planet". Kecondongan semasa bumi berbanding dengan satah tak berubah (satah yang mewakili momentum sudut Sistem Suria—kira-kira satah orbit Musytari) ialah 1.57°. Milankovitch tidak mengkaji liukan planet. Ia ditemui baru-baru ini dan diukur berbanding dengan orbit Bumi mempunyai tempoh kira-kira 70,000 tahun. Apabila diukur secara bebas daripada orbit Bumi, tetapi relatif kepada satah tak berubah, liukan akan mempunyai tempoh kira-kira 100,000 tahun. Tempoh ini hampir sama dengan tempoh kesipian 100,000 tahun. Kedua-dua tempoh hampir sepadan dengan corak peristiwa glasier selama 100,000 tahun.[15]