Milanković-Zyklen, Änderungen der Achsneigung und Exzentrizitäten der Umlaufbahnen, die langfristige Klimaschwankungen beeinflussen
Grundlagen der orbitalen Klimasysteme
Das kurzfristige Wetter wird durch lokale atmosphärische Prozesse bestimmt, während sich das langfristige Klima durch breitere Faktoren bildet, darunter die Intensität der Sonnenstrahlung, die Konzentrationen von Treibhausgasen und die orbitale Geometrie. Für die Erde können schon kleine Veränderungen der Umlaufbahn und Orientierung die einfallende Sonnenstrahlung zwischen Breiten und Jahreszeiten umverteilen und so den Wechsel von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten stark beeinflussen. Die nach dem serbischen Mathematiker Milutin Milanković benannte Milanković-Theorie beschreibt, wie Exzentrizität, Achsneigung (Obliquität) und Präzession zusammen die Verteilung der Insolation (Sonnenbestrahlung) über mehrere Zehntausend bis Hunderttausend Jahre modifizieren.
Dieser Begriff ist nicht nur für die Erde relevant. Auch andere Planeten und Monde durchlaufen Klimazyklus, deren Art jedoch von lokalen orbitalen Resonanzen, Achsneigung oder massiven benachbarten Planeten abhängt. Die meisten Daten haben wir über die Erde, da hier geologische und paläoklimatische Aufzeichnungen ausführlich analysiert wurden. Im Folgenden besprechen wir die wesentlichen orbitalen Parameter, die diese Zyklen bestimmen, und die Belege, die sie mit historischen Klimaschwankungen verbinden.
2. Erdumlaufbahnparameter und Milanković-Zyklen
2.1 Exzentrizität (100.000-Jahres-Zyklus)
Exzentrizität beschreibt, wie elliptisch die Erdumlaufbahn ist. Bei größerer Exzentrizität unterscheiden sich die Abstände im Perihel (nächster Punkt zur Sonne) und Aphel (entferntester Punkt) stärker. Wenn die Exzentrizität nahe null ist, ist die Umlaufbahn nahezu kreisförmig, und dieser Unterschied verringert sich. Die Hauptaspekte sind:
- Zyklusdauer: Die Exzentrizität der Erde ändert sich hauptsächlich in Perioden von ~100.000 und ~400.000 Jahren, wobei es auch zusätzliche Subzyklen gibt.
- Klimatische Bedeutung: Die Exzentrizität moduliert die Amplitude der Präzession (siehe unten) und verändert leicht den mittleren jährlichen Abstand zur Sonne, obwohl sie allein einen relativ geringeren Einfluss auf die Insolation hat als Änderungen der Achsneigung. Zusammen mit der Präzession kann die Exzentrizität jedoch die saisonalen Unterschiede in den verschiedenen Hemisphären verstärken oder abschwächen [1], [2].
2.2 Achsneigung (Obliquität, ~41.000-Jahres-Zyklus)
Obliquität ist die Neigung der Erdrotationsachse gegenüber der Ekliptik. Derzeit beträgt sie ~23,44°, ändert sich aber über ~41.000 Jahre zwischen ~22,1° und ~24,5°. Die Obliquität beeinflusst stark die breitengradabhängige Verteilung der Sonneneinstrahlung:
- Größere Neigung: Die Polarregionen erhalten im Sommer mehr Sonneneinstrahlung, wodurch die saisonalen Kontraste zunehmen. Mehr Sommersonne in den Polarregionen kann das Abschmelzen von Eis fördern und das Wachstum von Eisschichten hemmen.
- Geringere Neigung: Die Pole erhalten im Sommer weniger Wärme, sodass das im Winter gebildete Eis auch im nächsten Jahr bestehen bleiben kann, was Bedingungen für die Ausdehnung von Gletschern schafft.
Daher werden die Obliquitätszyklen besonders mit polaren Eisprozessen in Verbindung gebracht, wie die Daten aus Pleistozän-Eiszeiten aus Eisbohrkernen und Meeresablagerungen zeigen.
2.3 Präzession (~19.000–23.000-Jahres-Zyklen)
Präzession ist das Schwanken der Erdrotationsachse (der "Kreisel"-Effekt) und die relative Position des Perihels der Umlaufbahn in Bezug auf die Jahreszeiten. Es gibt zwei Hauptkomponenten, die einen ~23.000-Jahres-Zyklus erzeugen:
- Axiale Präzession: Die Erdrotationsachse zeichnet langsam eine kegelartige Bahn (wie ein Kreisel).
- Apsidienpräzession: Die Veränderung der Position der elliptischen Erdumlaufbahn relativ zur Sonne.
Wenn das Perihel beispielsweise mit dem Sommer auf der Nordhalbkugel zusammenfällt, erlebt diese Hemisphäre ausgeprägtere Sommer. Diese Anordnung ändert sich über ~21–23 Tausend Jahre und verändert so, in welcher Jahreszeit welche Hemisphäre das Perihel "trifft". Die Wirkung ist am stärksten spürbar, wenn die Exzentrizität größer ist – dann unterscheiden sich die Saisonalitäten zwischen den Hemisphären stärker. [3], [4].
3. Zusammenhang zwischen Milanković-Zyklen und Eiszeiten-Zwischeneiszeiten
3.1 Pleistozäne Eiszeiten
In den letzten ~2,6 Mio. Jahren (Quartärperiode) schwankte das Klima der Erde zwischen Eiszeiten und Zwischeneiszeiten. In den letzten ~800.000 Jahren traten diese Schwankungen etwa alle ~100.000 Jahre auf, während im früheren Pleistozän ein ~41.000-Jahres-Intervall dominierte. Untersuchungen von Meeresbodensedimenten und Eisbohrkernen zeigen Muster, die mit den Milanković-Frequenzen übereinstimmen:
- Exzentrizität: ~100.000-Jahres-Zyklus entspricht dem deutlichsten Muster der Vergletscherungen in den letzten Zyklen.
- Obliquität: ~41.000-Jahres-Zyklus dominierte im frühen Pleistozän.
- Präzession: ~23.000-Jahres-Signale sind in Monsunregionen und einigen paläoklimatischen Indikatoren deutlich erkennbar.
Obwohl der Mechanismus komplex ist (einschließlich der Auswirkungen von Treibhausgasen, Ozeanzirkulation und albedo-bedingten Rückkopplungen der Eisschilde), ist die durch die Umlaufbahn bedingte Änderung der Einstrahlung die Hauptkraft, die die zyklische Variation des Eismassenvolumens der Erde bestimmt. Dass in letzter Zeit ein 100.000-Jahres-Zyklus vorherrscht, bleibt ein nicht vollständig erklärtes Rätsel („100.000-Jahre-Problem“), da der Einfluss der Exzentrizität allein nicht sehr groß ist. Wahrscheinlich haben die Eisschilde und CO einen starken Einfluss.2 und positive Rückkopplungen von Ozeanprozessen [5], [6].
3.2 Regionale Reaktionen (z. B. Monsune)
Die Präzession bestimmt, wie die Sonneneinstrahlung saisonal verteilt wird, und beeinflusst daher stark die Intensität der Monsune. Zum Beispiel verstärkt die erhöhte Sommer-Einstrahlung auf der Nordhalbkugel die Monsune in Afrika und Indien, was in der mittleren Holozän-Epoche zur „grünen Sahara“ führen konnte. Seepegel, Pollenaufzeichnungen und Höhlensedimente bestätigen solche orbital bedingten Monsunveränderungen.
4. Andere Planeten und orbitale Veränderungen
4.1 Mars
Die Achsneigung des Mars ändert sich noch stärker (bis zu ~60° über Millionen von Jahren), da kein massereicher Mond vorhanden ist, der sie stabilisiert. Dies verändert drastisch die polare Einstrahlung und könnte die Verteilung von Wasserdampf in der Atmosphäre oder die Eiswanderung zwischen den Breiten beeinflussen. Es wird angenommen, dass diese Zyklen in der Vergangenheit auf dem Mars kurzzeitig flüssiges Wasser erzeugt haben könnten. Studien zur Mars-Obliquität helfen, die Entstehung polar geschichteter Sedimente zu erklären.
4.2 Gasriesen und Resonanzen
Das Klima der Gasriesen hängt weniger von der Sonneneinstrahlung ab, aber die Exzentrizität ihrer Umlaufbahnen und die Orientierung ihrer Achsen ändern sich dennoch leicht. Außerdem verändern gegenseitige Resonanzen zwischen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun ihren Drehimpuls und können langfristig kleine Veränderungen der Umlaufbahnen verursachen, die indirekt kleinere Körper oder Ringsysteme beeinflussen. Obwohl solche Phänomene selten als „Milanković-Zyklen“ bezeichnet werden, gilt das Prinzip, dass orbitale Variationen die Beleuchtung oder die Schattenbildung der Ringe verändern, grundsätzlich.
5. Geologische Belege für Bahnzyklen
5.1 Sedimentschichtung und Zyklizität
In Bohrkernen aus marinen Sedimenten sind häufig periodische isotopische Veränderungen (δ18O – Indikator für Eismenge und Temperatur), die Häufigkeit von Mikrofossilien oder Farbänderungen der Sedimente zu sehen, die mit der Periodizität von Milanković übereinstimmen. Zum Beispiel verband die klassische Studie von Hays, Imbrie und Shackleton (1976) marine Sauerstoffisotopendaten mit den orbitalen Veränderungen der Erde und bestätigte die Milanković-Theorie stark.
5.2 Aufzeichnungen von Speleothemen und Seen
In kontinentalen Regionen speichern Höhlenstalagmiten (Speleotheme) Niederschlags- und Temperaturinformationen mit einer Auflösung von bis zu tausend Jahren, die oft durch Präzession verursachte Monsunveränderungen belegen. Jährliche Seeschichten (Varven) können ebenfalls längerfristige Feuchtigkeits- und Trockenheitszyklen widerspiegeln, die mit erzwungenen orbitalen Klimaveränderungen verbunden sind. Diese Daten bestätigen periodische Schwankungen, die dem orbitalen Einfluss entsprechen.
5.3 Eisbohrkerne
Polare Eisbohrkerne (in Grönland, Antarktis), die etwa ~800.000 Jahre abdecken (oder in Zukunft bis zu ~1,5 Millionen Jahre), zeigen Veränderungen von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten im ~100.000-Jahres-Zyklus in der jüngeren Geschichte, mit eingestreuten Signalen von 41.000 und 23.000 Jahren. Eingeschlossene Luftblasen-CO2 Die Menge zeigt sehr gut die Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Gasen und Bahnen. Die Korrelation dieser Daten zwischen Temperatur, Treibhausgasen und Bahnzyklen unterstreicht, wie diese Kräfte sich gegenseitig beeinflussen.
6. Zukunftsprojektionen des Klimas und Milanković-Trends
6.1 Die nächste Eiszeit?
Ohne menschlichen Einfluss wäre zu erwarten, dass sich die Erde innerhalb von Zehntausenden von Jahren gemäß dem ~100.000-Jahres-Zyklus wieder einer neuen Eiszeit nähert. Doch anthropogene CO2 Emissionen und Treibhauseffekt können diesen Übergang deutlich verzögern oder sogar aufheben. Einige Studien zeigen, dass bei Erhaltung hoher CO2 das Niveau in der Atmosphäre, kann der Beginn einer weiteren natürlichen Eiszeit um Zehntausende von Jahren verschoben werden.
6.2 Langfristige Sonnenentwicklung
Über Hunderte von Millionen Jahren nimmt die Sonneneinstrahlung langsam zu. Schließlich wird dieser Faktor den Einfluss der Bahnzyklen auf die Lebensfähigkeit übertreffen. In etwa ~1–2 Milliarden Jahren kann die Sonnenstrahlung einen unkontrollierbaren Treibhauseffekt auslösen, der das durch Milanković-Zyklen modulierte Klima überdeckt. Dennoch bleiben die Bahnzyklen in den nächsten geologischen Zeiträumen (Tausende bis Hunderttausende Jahre) für das Erdklima wichtig.
7. Breitere Bedeutung und Relevanz
7.1 Wechselwirkungen im Erdsystem
Die erzwungenen Veränderungen der Bahnen, obwohl grundlegend, sind oft mit komplexen Rückkopplungen verflochten: Eis-Albedo, Austausch von Treibhausgasen mit Ozeanen und Biosphäre, Veränderungen der ozeanischen Zirkulation usw. Diese komplexe Wechselwirkung kann Schwellenwerte, plötzliche Veränderungen oder Übergangsepisoden verursachen, die normalerweise nicht allein durch den Milanković-Zyklus erklärt werden. Dies zeigt, dass Bahnvariationen als "Taktgeber" wirken, aber nicht die einzige Ursache für den Klimazustand sind.
7.2 Analogien zu Exoplaneten
Die Auswirkungen von Achsenneigung, Exzentrizität und möglichen Resonanzen sind auch für Exoplaneten relevant. Einige Exoplaneten können extreme Achsenneigungsänderungen erfahren, wenn sie keinen großen Mond zur Stabilisierung haben. Das Verständnis, wie Neigung oder Exzentrizität das Klima beeinflussen, hilft bei der Erforschung der Bewohnbarkeit von Exoplaneten, indem die orbitale Mechanik mit der Fähigkeit verbunden wird, flüssiges Wasser oder ein stabiles Klima zu erhalten.
7.3 Menschliches Verständnis und Anpassung
Das Wissen über orbitale Zyklen hilft, vergangene Umweltveränderungen zu interpretieren und zukünftige natürliche Zyklen vorherzusagen. Obwohl der vom Menschen verursachte Klimawandel in naher Zukunft dominieren wird, ist das Verständnis natürlicher zyklischer Trends entscheidend, um die Klimaentwicklung der Erde über Zeiträume von Zehntausenden bis Hunderttausenden von Jahren besser zu verstehen, die die Dauer der heutigen Zivilisation weit übersteigen.
8. Fazit
Die Klimazyklusse der Planeten (insbesondere der Erde) werden hauptsächlich durch Veränderungen der Orbitexzentrizität, Achsenneigung und Präzession bestimmt, die auch als Milanković-Zyklen bezeichnet werden. Diese langsamen und vorhersagbaren Veränderungen formen die Verteilung der Einstrahlung nach Breiten und Jahreszeiten und steuern den Wechsel von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten im Quartär. Obwohl Rückkopplungen durch Eisschilde, Treibhausgase und Ozeanzirkulation die direkte Ursache-Wirkungs-Beziehung erschweren, bleibt der orbitale „Rhythmus“ ein grundlegender Faktor für das langfristige Klima.
Aus der Perspektive der Erde haben diese Zyklen die Geschichte der pleistozänen Eiszeiten stark beeinflusst. Für andere Planeten können resonante Achsänderungen oder Exzentrizitäten ebenfalls die klimatischen Bedingungen beeinflussen. Das Verständnis der orbitalen Veränderungen ist von entscheidender Bedeutung, um die Klimarekorde der Erde in der Vergangenheit zu entschlüsseln, mögliche zukünftige natürliche Klimaphasen vorherzusagen und zu bewerten, wie Planetenbahnen und Rotationsachsen einen kosmischen Tanz erzeugen, der die Klimaentwicklung auf einer Skala bestimmt, die die Lebensdauer des Menschen weit übersteigt.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Milankovitch, M. (1941). Canon of Insolation and the Ice-Age Problem. K. G. Saur.
- Hays, J. D., Imbrie, J., & Shackleton, N. J. (1976). „Variationen der Erdumlaufbahn: Taktgeber der Eiszeiten.“ Science, 194, 1121–1132.
- Berger, A. (1988). „Milankovitch-Theorie und Klima.“ Reviews of Geophysics, 26, 624–657.
- Imbrie, J., & Imbrie, J. Z. (1980). „Modellierung der klimatischen Reaktion auf orbitale Variationen.“ Science, 207, 943–953.
- Laskar, J. (1990). „Die chaotische Bewegung des Sonnensystems: Eine numerische Schätzung der Größe der chaotischen Zonen.“ Icarus, 88, 266–291.
- Raymo, M. E., & Huybers, P. (2008). „Die Geheimnisse der Eiszeiten entschlüsseln.“ Nature, 451, 284–285.