Unser Leben dreht sich buchstäblich um Zyklen: Reihe von Ereignissen, die regelmäßig in der gleichen Reihenfolge wiederholt werden. Es gibt Hunderte von verschiedenen Arten von Zyklen in unserer Welt und im Universum. Einige sind natürlich, wie der Wechsel der Jahreszeiten, jährliche Tierwanderungen oder die zirkadianen Rhythmen, die unser Schlafmuster bestimmen., Andere sind vom Menschen produziert, wie Anbau und Ernte von Getreide, musikalische Rhythmen oder wirtschaftliche Zyklen.
Zyklen spielen auch eine Schlüsselrolle für das kurzfristige Wetter und das langfristige Klima der Erde. Vor einem Jahrhundert stellte der serbische Wissenschaftler Milutin Milankovitch die Hypothese auf, dass die langfristigen kollektiven Auswirkungen von Veränderungen der Erdposition im Verhältnis zur Sonne ein starker Treiber für das langfristige Klima der Erde sind und für den Beginn und das Ende von Eiszeiten (Eiszeiten) verantwortlich sind.,
Speziell untersuchte er, wie Variationen in drei Arten von Erdorbitalbewegungen beeinflussen, wie viel Sonnenstrahlung (bekannt als Sonneneinstrahlung) die Spitze der Erdatmosphäre erreicht und wo die Sonneneinstrahlung erreicht. Diese zyklischen Orbitalbewegungen, die als Milankovitch-Zyklen bekannt wurden, verursachen Schwankungen von bis zu 25 Prozent der einfallenden Sonneneinstrahlung in den mittleren Breiten der Erde (den Gebieten unseres Planeten, die sich zwischen etwa 30 und 60 Grad nördlich und südlich des Äquators befinden).,
Die Milankovitch-Zyklen umfassen:
- Die Form der Erdumlaufbahn, bekannt als Exzentrizität;
- Der Winkel Der Erdachse ist in Bezug auf die Erdumlaufbahnebene geneigt, bekannt als Schrägstellung; und
- Die Richtung Die Rotationsachse der Erde ist spitz, bekannt als Präzession.
Werfen wir einen Blick auf jeden (lesen Sie weiter, warum Milankovitch-Zyklen die aktuelle Erwärmung der Erde hier nicht erklären können).,
Exzentrizität – die Erde jedes Jahr um die Sonne ist nicht kreisrund, aber es ist ziemlich nah. Im Laufe der Zeit führt der Zug der Schwerkraft von den beiden größten Gasriesen unseres Sonnensystems, Jupiter und Saturn, dazu, dass die Form der Erdumlaufbahn von fast kreisförmig bis leicht elliptisch variiert. Exzentrizität misst, wie sehr die Form der Erdumlaufbahn von einem perfekten Kreis abweicht., Diese Variationen beeinflussen den Abstand zwischen Erde und Sonne.
Exzentrizität ist der Grund, warum unsere Jahreszeiten etwas unterschiedlich lang sind, mit Sommern in der nördlichen Hemisphäre derzeit etwa 4,5 Tage länger als Winter und Quellen etwa drei Tage länger als Herbst. Wenn die Exzentrizität abnimmt, gleicht sich die Länge unserer Jahreszeiten allmählich aus.,
Der Unterschied in der Entfernung zwischen der Annäherung der Erde an die Sonne (bekannt als Perihel), die jedes Jahr am oder um den 3.Januar stattfindet, und ihrer weitesten Abweichung von der Sonne (bekannt als Aphelion) am oder um den 4. Juli beträgt derzeit etwa 5,1 Millionen Kilometer (etwa 3,2 Millionen Meilen), eine Variation von 3,4 Prozent. Das bedeutet, dass jeden Januar etwa 6,8 Prozent mehr ankommende Sonnenstrahlung die Erde erreicht als jeden Juli.,
Wenn die Erdumlaufbahn am elliptischsten ist, erreicht etwa 23 Prozent mehr ankommende Sonnenstrahlung die Erde bei der nächsten Annäherung unseres Planeten an die Sonne jedes Jahr als bei seiner weitesten Abreise von der Sonne. Derzeit ist die Exzentrizität der Erde in der Nähe ihrer am wenigsten elliptischen (kreisförmigen) und nimmt sehr langsam ab, in einem Zyklus, der sich über etwa 100.000 Jahre erstreckt.
Die Gesamtveränderung der globalen jährlichen Sonneneinstrahlung aufgrund des Exzentrizitätszyklus ist sehr gering. Da die Abweichungen in der Exzentrizität der Erde ziemlich gering sind, sind sie ein relativ geringer Faktor für jährliche saisonale Klimaschwankungen.,
Beckenschiefstellung – Der Winkel der Erde Drehachse geneigt ist, wie es um die Sonne kreist, ist bekannt als beckenschiefstellung. Obliquity ist, warum die Erde Jahreszeiten hat. In den letzten Millionen Jahren hat es zwischen 22,1 und 24,5 Grad senkrecht zur Erdumlaufbahnebene variiert., Je größer der axiale Neigungswinkel der Erde ist, desto extremer sind unsere Jahreszeiten, da jede Hemisphäre im Sommer mehr Sonnenstrahlung erhält, wenn die Hemisphäre zur Sonne geneigt ist, und weniger im Winter, wenn sie weggekippt ist. Größere Neigungswinkel begünstigen Perioden der Vereisung (das Schmelzen und Zurückziehen von Gletschern und Eisschildern). Diese Effekte sind weltweit nicht einheitlich – höhere Breiten erhalten eine größere Veränderung der gesamten Sonnenstrahlung als Gebiete näher am Äquator.
Die Erdachse ist derzeit geneigt 23.,4 Grad oder etwa auf halber Strecke zwischen seinen Extremen, und dieser Winkel nimmt in einem Zyklus, der sich über etwa 41.000 Jahre erstreckt, sehr langsam ab. Es war zuletzt bei seiner maximalen Neigung vor etwa 10.700 Jahren und wird seine minimale Neigung in etwa 9.800 Jahren erreichen. Wenn die Neigung abnimmt, trägt dies allmählich dazu bei, dass unsere Jahreszeiten milder werden, was zu immer wärmeren Wintern und kühleren Sommern führt, die im Laufe der Zeit allmählich Schnee und Eis in hohen Breiten zu großen Eisschichten aufbauen können. Wenn die Eisdecke zunimmt, reflektiert sie mehr Energie der Sonne zurück in den Weltraum und fördert so eine noch weitere Abkühlung.,
Präzession – Wenn sich die Erde dreht, wackelt sie leicht um ihre Achse, wie ein leicht außermittiges Spinnspielzeug oben. Dieses Wackeln ist auf Gezeitenkräfte zurückzuführen, die durch die Gravitationseinflüsse von Sonne und Mond verursacht werden, die dazu führen, dass sich die Erde am Äquator wölbt und ihre Rotation beeinflusst. Der Trend in Richtung dieses Wackelns relativ zu den festen Positionen von Sternen wird als axiale Präzession bezeichnet., Der Zyklus der axialen Präzession erstreckt sich über 25.771, 5 Jahre.
Die axiale Präzession macht saisonale Kontraste in einer Hemisphäre extremer und in der anderen weniger extrem. Derzeit tritt Perihel im Winter auf der Nordhalbkugel und im Sommer auf der Südhalbkugel auf. Dies macht Sommer der südlichen Hemisphäre heißer und mildert saisonale Schwankungen der nördlichen Hemisphäre., Aber in ungefähr 13.000 Jahren wird die axiale Präzession dazu führen, dass diese Bedingungen kippen, wobei die nördliche Hemisphäre mehr Extreme in der Sonnenstrahlung sieht und die südliche Hemisphäre moderatere saisonale Schwankungen erfährt.
Die axiale Präzession ändert auch allmählich den Zeitpunkt der Jahreszeiten, wodurch sie im Laufe der Zeit früher beginnen und allmählich ändert, auf welchen Stern die Erdachse am Nordpol (dem Nordstern) zeigt. Heute sind die Nordsterne der Erde Polaris und Polaris Australis, aber vor ein paar tausend Jahren waren sie Kochab und Pherkad.
Es gibt auch apsidale Präzession., Die Erdachse wackelt nicht nur, sondern die gesamte Umlaufbahnellipse der Erde wackelt auch unregelmäßig, hauptsächlich aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Jupiter und Saturn. Der Zyklus der apsidalen Präzession erstreckt sich über etwa 112.000 Jahre. Die apsidale Präzession ändert die Ausrichtung der Erdumlaufbahn relativ zur elliptischen Ebene.
Die kombinierten Effekte der axialen und apsidalen Präzession führen zu einem Gesamtpräzessionszyklus von durchschnittlich etwa 23.000 Jahren.,
A Climate Time Machine
Die kleinen Veränderungen, die Milankovitch Cycles in Bewegung setzt, wirken getrennt und zusammen, um das Klima der Erde über sehr lange Zeiträume zu beeinflussen, was zu größeren Veränderungen in unserem Klima über Zehntausende bis Hunderttausende von Jahren führt. Milankovitch kombinierte die Zyklen zu einem umfassenden mathematischen Modell zur Berechnung von Sonnenstrahlungsunterschieden in verschiedenen Erdbreiten zusammen mit entsprechenden Oberflächentemperaturen., Das Modell ist wie eine Klimazeitmaschine: Es kann rückwärts und vorwärts ausgeführt werden, um vergangene und zukünftige Klimabedingungen zu untersuchen.
Milankovitch nahm an, dass Veränderungen der Strahlung in einigen Breitengraden und in einigen Jahreszeiten für das Wachstum und den Rückzug von Eisschichten wichtiger sind als andere. Darüber hinaus war es seine Überzeugung, dass die Schrägheit der wichtigste der drei Zyklen für das Klima war, da sie die Sonneneinstrahlung in den nördlichen Regionen mit hohem Breitengrad der Erde im Sommer beeinflusst (die relative Rolle der Präzession gegenüber der Schrägheit ist immer noch eine Frage der wissenschaftlichen Untersuchung).,
Er berechnete, dass Eiszeiten etwa alle 41.000 Jahre auftreten. Nachfolgende Untersuchungen bestätigen, dass sie vor ein bis drei Millionen Jahren im Abstand von 41.000 Jahren auftraten. Aber vor etwa 800.000 Jahren verlängerte sich der Zyklus der Eiszeiten auf 100.000 Jahre, passend zum Exzentrizitätszyklus der Erde. Während verschiedene Theorien vorgeschlagen wurden, um diesen Übergang zu erklären, haben Wissenschaftler noch keine klare Antwort.
Milankovitchs Arbeit wurde von anderen Forschern seiner Zeit unterstützt und er verfasste zahlreiche Veröffentlichungen zu seiner Hypothese., Aber erst etwa 10 Jahre nach seinem Tod im Jahr 1958 begann die globale Wissenschaftsgemeinschaft, seine Theorie ernst zu nehmen. 1976 eine Studie in der Zeitschrift Science von Hays et al. die Verwendung von Tiefseesedimentkernen ergab, dass die Milankovitch-Zyklen Perioden des großen Klimawandels in den letzten 450.000 Jahren entsprechen, wobei Eiszeiten auftraten, als sich die Erde in verschiedenen Stadien der Umlaufbahnvariation befand.,
Mehrere andere Projekte und Studien haben auch die Gültigkeit von Milankovitchs Arbeit bestätigt, einschließlich der Forschung mit Daten aus Eiskernen in Grönland und der Antarktis, die starke Beweise für Milankovitch-Zyklen liefern, die viele Hunderttausende von Jahren zurückreichen. Darüber hinaus wurde seine Arbeit vom National Research Council der US National Academy of Sciences angenommen.
Die wissenschaftliche Forschung zum besseren Verständnis der Mechanismen, die Veränderungen in der Erdrotation verursachen und wie sich die Milankovitch-Zyklen auf das Klima auswirken, ist im Gange., Aber die Theorie, dass sie den Zeitpunkt der gletscher-interglazialen Zyklen vorantreiben, wird gut akzeptiert.