Was sind die Milankovitch-Zyklen?

Die Milankovitch-Zyklen beschreiben, wie relativ geringe Veränderungen der Erdbewegung das Klima des Planeten beeinflussen. Die Zyklen sind nach Milutin Milankovitch benannt, einem serbischen Astrophysiker, der nach Angaben des American Museum of Natural History (AMNH) in den frühen 1900er Jahren begann, die Ursache der alten Eiszeiten auf der Erde zu untersuchen.

Die letzten Eiszeiten erlebte die Erde während des Pleistozäns, das von vor 2,6 Millionen Jahren bis vor 11.700 Jahren dauerte. Nach Angaben des Paläontologischen Museums der Universität von Kalifornien waren selbst die gemäßigteren Regionen der Erde Jahrtausende lang von Gletschern und Eisschilden bedeckt.

Um herauszufinden, wie die Erde im Laufe der Zeit so große Klimaveränderungen erfahren konnte, verknüpfte Milankovitch Daten über die Schwankungen der Erdposition mit der Zeitlinie der Eiszeiten während des Pleistozäns. Er untersuchte die Veränderungen der Erde in den letzten 600.000 Jahren und berechnete die unterschiedlichen Mengen an Sonnenstrahlung, die auf die sich verändernden Parameter der Erdumlaufbahn zurückzuführen sind. Auf diese Weise konnte er die geringere Sonneneinstrahlung in den hohen nördlichen Breiten mit früheren europäischen Eiszeiten in Verbindung bringen, so das AMNH.

Milankovitchs Berechnungen und Diagramme, die in den 1920er Jahren veröffentlicht wurden und noch heute zum Verständnis des vergangenen und zukünftigen Klimas herangezogen werden, führten ihn zu der Schlussfolgerung, dass es drei verschiedene Positionszyklen gibt, jeder mit seiner eigenen Zykluslänge, die das Klima auf der Erde beeinflussen: die Exzentrizität der Erdbahn, die axiale Neigung des Planeten und das Taumeln seiner Achse.

Exzentrizität

Die Erde umkreist die Sonne in einer ovalen Form, die als Ellipse bezeichnet wird, wobei sich die Sonne in einem der beiden Brennpunkte (Foki) befindet. Die Elliptizität ist ein Maß für die Form des Ovals und wird nach Angaben der Swinburne University durch das Verhältnis zwischen der Semiminorachse (der Länge der kurzen Achse der Ellipse) und der Semimajorachse (der Länge der langen Achse der Ellipse) definiert. Ein perfekter Kreis, bei dem sich die beiden Brennpunkte in der Mitte treffen, hat eine Elliptizität von 0 (geringe Exzentrizität), und eine Ellipse, die zu einer fast geraden Linie zusammengedrückt wird, hat eine Exzentrizität von fast 1 (hohe Exzentrizität).

Die Erdbahn ändert ihre Exzentrizität im Laufe von 100.000 Jahren leicht von fast 0 auf 0,07 und wieder zurück, so das Earth Observatory der NASA. Wenn die Erdumlaufbahn eine höhere Exzentrizität aufweist, empfängt die Oberfläche des Planeten im Perihel (dem kürzesten Abstand zwischen Erde und Sonne pro Umlaufbahn) 20 bis 30 Prozent mehr Sonnenstrahlung als im Aphel (dem größten Abstand zwischen Erde und Sonne pro Umlaufbahn). Wenn die Erdbahn eine geringe Exzentrizität aufweist, ist der Unterschied in der Sonneneinstrahlung zwischen Perihel und Aphel sehr gering.

Heute beträgt die Exzentrizität der Erdumlaufbahn 0,017. Im Perihel, das jedes Jahr am oder um den 3. Januar eintritt, empfängt die Erdoberfläche etwa 6 Prozent mehr Sonnenstrahlung als im Aphel, das am oder um den 4. Juli eintritt.

Achsenkippung

Die Neigung der Erdachse im Verhältnis zur Ebene der Erdumlaufbahn ist der Grund für die Entstehung der Jahreszeiten. Leichte Veränderungen der Neigung verändern die Menge der Sonneneinstrahlung, die auf bestimmte Orte der Erde fällt, so die Indiana University Bloomington. Im Laufe von etwa 41.000 Jahren schwankt die Neigung der Erdachse, die auch als Schiefe bezeichnet wird, zwischen 21,5 und 24,5 Grad.

Wenn die Achse ihre minimale Neigung hat, ändert sich die Menge der Sonnenstrahlung zwischen Sommer und Winter für einen Großteil der Erdoberfläche kaum, so dass die Jahreszeiten weniger streng sind. Das bedeutet, dass der Sommer an den Polen kühler ist, was es ermöglicht, dass Schnee und Eis den Sommer über und bis in den Winter hinein bestehen bleiben und sich schließlich zu riesigen Eisschilden auftürmen.

Heute ist die Erde laut EarthSky um 23,5 Grad geneigt, wobei die Neigung langsam abnimmt.

Präzession

Die Erde wackelt nur leicht, wenn sie sich um ihre Achse dreht, ähnlich wie ein Kreisel, der langsamer wird. Dieses Wackeln, das als Präzession bezeichnet wird, wird in erster Linie durch die Schwerkraft von Sonne und Mond verursacht, die an den äquatorialen Ausbuchtungen der Erde ziehen. Durch das Taumeln ändert sich nicht die Neigung der Erdachse, sondern die Ausrichtung der Erde. Nach Angaben der Washington State University dreht sich die Erde im Laufe von etwa 26.000 Jahren einmal komplett im Kreis.

Jetzt und in den vergangenen Jahrtausenden war die Erdachse mehr oder weniger nach Norden zum Polarstern ausgerichtet, der auch als Nordstern bekannt ist. Aber das allmähliche Taumeln der Erde bedeutet, dass Polaris nicht immer der Nordstern ist. Vor etwa 5.000 Jahren war die Erde mehr auf einen anderen Stern, den Thubin, ausgerichtet. Und in etwa 12.000 Jahren wird die Achse ein Stück weiter um ihren Präzessionskreis gewandert sein und auf Wega zeigen, die dann der nächste Nordstern sein wird.

Wenn die Erde einen Präzessionszyklus durchläuft, ändert sich die Ausrichtung des Planeten in Bezug auf Perihel und Aphel. Ist eine Hemisphäre während des Perihel (kürzeste Entfernung zwischen Erde und Sonne) der Sonne zugewandt, so ist sie während des Aphel (größte Entfernung zwischen Erde und Sonne) von ihr abgewandt, und für die andere Hemisphäre gilt das Gegenteil. Die Hemisphäre, die während des Perihel zur Sonne zeigt und während des Aphel von ihr weg, erlebt extremere jahreszeitliche Kontraste als die andere Hemisphäre.

Zurzeit findet der Sommer der Südhalbkugel in der Nähe des Perihel und der Winter in der Nähe des Aphel statt, was bedeutet, dass die Südhalbkugel extremere Jahreszeiten erlebt als die Nordhalbkugel.