Erdbahnparameter

Aus Klimawandel
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Skizze der wesentlichen Änderungen in Position und Umlaufbahn der Erde mit den jeweiligen Periodendauern

Als Erdbahnparameter (auch Erdbahnelemente) werden die Eigenschaften der Umlaufbahn der Erde um die Sonne bezeichnet. Die Erde bewegt sich nicht gleichmäßig wie ein Uhrwerk um die Sonne, sondern weist aufgrund der Anziehungskraft durch andere Planeten (insbesondere den massereichen Jupiter) und den Mond fast regelmäßige Abweichungen davon auf, die verschiedenen Zeitskalen folgen und sich für die nächsten etwa 5 Millionen Jahre vorausberechnen lassen. Dadurch unterliegt auch die Strahlung der Sonne Richtung Erde gewissen Schwankungen, die sich wiederum auf das irdische Klima auswirken. So wird die eigentliche Ursache für die verhältnismäßig regelmäßigen Schwankungen zwischen Kalt- und Warmzeiten im Quartär in der Variabilität der Erdbahnparameter gesehen. Diese Erklärung wird nach dem Pionier der Erforschung des orbitalen Antriebs auch als Milankovitch-Theorie bezeichnet.

1 Exzentrizität, Obliquität und Präzession

Es gibt zum einen die Abweichung der elliptischen Erdbahn von der Kreisbahn, die sog. Exzentrizität, die mit 2,4 W/m2 der Solarkonstanten den geringsten Effekt auf die Solarstrahlung hat, der sich allerdings auf den gesamten Globus und nicht nur auf bestimmte Breiten auswirkt. Einen größeren Einfluss hat mit ca. 20 W/m2 bei z.B. 50 °N die Variation in der Neigung der Erdachse gegen die Erdbahnebene, die Obliquität, allerdings nur in den höheren Breiten und so, dass die Effekte auf Nord- und Südhalbkugel sich weitgehend ausgleichen. Noch größer ist mit 70 bis 100 W/m2 bei 50 °N der Effekt der Präzession , die die Jahreszeiten auf der Erdbahn um die Sonne wandern lässt, so dass manchmal der Nord-Winter den sonnenächsten Punkt (Perihel) durchläuft wie gegenwärtig, manchmal der Nord-Sommer wie zu Beginn des Holozäns, was das Abtauen der eiszeitlichen Gletscher begünstigte. Der Sommer war damals auf der Nordhalbkugel etwas kürzer, dafür aber war die Einstrahlung größer. Das hängt damit zusammen, dass die Erde auf ihrer Umlaufbahn umso schneller ist, je näher sie der Sonne kommt. Vor einigen tausend Jahren war es in den hohen Breiten der Nordhalbkugel daher wärmer als heute und die Waldgrenze lag weiter nördlich.

In der Summe kommt es zu komplizierten Überlagerungen und Abhängigkeiten der einzelnen Effekte. So ist die Präzession von der Exzentrizität abhängig und verstärkt deren Wirkung, so dass der Wechsel von Warm- und Kaltzeiten im wesentlichen die 100.000-Jahresperiode der Exzentrizität widerspiegelt. Obliquität und Präzession sind für die globale Temperatur[1] allein wenig wirksam, da die gegensätzlichen Wirkungen auf Nord- und Südhemisphäre sich im globalen Mittel aufheben und die atmosphärische und ozeanische Zirkulation für einen verhältnismäßig raschen Energieausgleich sorgt. Um eine Eiszeit herbeizuführen ist aber nicht die mittlere Bestrahlung entscheidend, sondern die sommerliche Einstrahlung auf der Nordhalbkugel. Im Winter ist es ohnehin kalt genug für Eis in der Arktis. Wenn zusätzlich aber die Sommer so kalt sind, dass weniger Eis schmilzt als sich im Winter gebildet hat, kommt es zu einer Eiszeit.

2 Verstärkungseffekte

Der orbitale Antrieb kann jedoch nicht als einzige Ursache für den Beginn des Eiszeitalters und das Auslösen der einzelnen Kaltzeiten gesehen werden, da es in der Erdgeschichte auch lange Perioden ohne großflächige Eisschilde gegeben hat. Die Variationen der Erdbahnparameter waren Auslöser und geeignete Randbedingungen, deren Wirkung aber noch durch andere Faktoren verstärkt wurden. So werden als eine Ursache für den Beginn sowohl der antarktischen wie der nordhemisphärischen Vereisung tektonische Vorgänge und deren Einfluss auf die ozeanische Zirkulation angenommen.[2] Außerdem spielte der CO2-Gehalt der Atmosphäre eine wesentliche Rolle, der mit den Temperaturschwankungen eine enge Kopplung aufweist, wie verschiedene Untersuchungen von Eisbohrkernen der Antarktis und Grönlands belegen.[3] Danach soll die Konzentrationsabnahme des Treibhausgases Kohlendioxid (zusammen mit Methan und Distickstoffoxid) für ca. ein Drittel der Temperaturveränderung zwischen Warm- und Kaltzeit stehen,[4] nach einer jüngeren Veröffentlichung sogar für die Hälfte.[5] Erklären lässt sich dieser Zusammenhang mit der Löslichkeit von CO2 im Ozean: Die anfänglich schwache Klimaänderung durch den veränderten Erdorbit lässt die Temperatur im Ozean sinken, so dass die Löslichkeit von CO2 sich erhöht. So wird zusätzlich Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnommen, was über den verminderten Treibhauseffekt eine weitere Abkühlung zur Folge hat.

Andere positive Feedbackprozesse wie die Eis-Albedo-Rückkopplung, die Vegetationsbedeckung und die Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Atmosphäre spielten eine zusätzliche Rolle: Sinkt einmal die Temperatur in den hohen Breiten der Nordhalbkugel durch die veränderte Erdumlaufbahn, so wird es mehr Eis im Arktischen Ozean geben. Dieses Eis reflektiert mehr Sonnenlicht, was die Abkühlung dann verstärkt. Da das große Wärmereservoir des Ozeans zudem lange Zeit braucht, sich zu erwärmen, können auch die Sommer trotz höherer Einstrahlung kälter werden, denn der Ozean ist dann wegen des vorangegangenen Winters noch kalt und mit viel Eis bedeckt. In Zeiträumen von ein paar hundert Jahren reagiert außerdem die geographische Verteilung des Waldes. Wird es zu kalt, kann er nicht mehr wachsen und stirbt ab. Die freigegebenen Flächen sind dann mit hellem Schnee statt dunklen Baumwipfeln bedeckt, was die Abkühlung und damit das Vorrücken der Eis- und Schneemassen weiter begünstigt.

Da die maximal mögliche Menge an Wasserdampf in der Luft stark mit der Temperatur ansteigt, befindet sich in einer solchen Kaltzeit deutlich weniger Wasser in der Atmosphäre. Der Treibhauseffekt ist so weiter reduziert, was die Abkühlung noch weiter verstärkt. Andererseits ändert sich natürlich auch die Bewölkung und damit die am Boden einfallende Sonnenstrahlung; genauere Abschätzungen dazu sind allerdings schwierig und eher unsicher.

Für die Schwankungen innerhalb der Kaltzeiten zwischen sogenannten Stadialen und Interstadialen werden Rückkopplungseffekte im Zusammenhang mit der thermohalinen Zirkulation angenommen.

3 Einzelnachweise

  1. Vgl.hierzu P. D. Jones et. al.: SURFACE AIR TEMPERATURE AND ITS CHANGES OVER THE PAST 150 YEARS, Seite 24 von 28 der PDF-Datei, Figure 7
  2. Haug, G., R. Tiedemann und R. Zahn (2002): Vom Panama-Isthmus zum Grönlandeis, Spektrum der Wissenschaft Dossier 1/2002, 50-52
  3. neuerdings über die letzten 800 000 Jahre: Dieter Lüthi, Martine Le Floch, Bernhard Bereiter, Thomas Blunier, Jean-Marc Barnola, Urs Siegenthaler, Dominique Raynaud, Jean Jouzel, Hubertus Fischer, Kenji Kawamura und Thomas F. Stocker (2008): High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present, in: Nature, Vol. 453, S. 379-382, online
  4. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.4.1 und Figure 6.5
  5. Hansen, J. et al. (2008): Target Atmospheric CO2: Where Should Humanity Aim?

4 Unterricht

  • Ein Experiment zur Präzession: Wie man sich eine Präzessionsbewegung vorstellen soll, kann man gut mit einem Spielzeugkreisel ausprobieren. Man drehe den Kreisel ganz normal, dann gebe man der Achse einen leichten Schlag zur Seite. Am besten ein Lineal oder einen Stock nehmen und damit gegen den Stiel tippen. Die Drehachse des Kreisels wird daraufhin selbst Kreisbewegungen ausführen. Um das Bild vollständig zu machen, kann man noch eine Lampe danebenstellen, die die Sonne darstellt. Ist der Kreisel von ihr weg geneigt, bekommt seine Unterseite mehr Licht, zeigt die Achse zu ihr hin, bekommt die Oberseite mehr Licht. So eine Umdrehung der Achse dauert bei einem Kreisel meist weniger als eine Sekunde, bei der Erde aber etwa 23000 Jahre (die Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist also im Experiment nicht enthalten).

5 Weblinks

6 Lizenzhinweis

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  • http://www.webgeo.de/k_021/ Erde, Erdbahn, astronomische Jahreszeiten] Lernmodul zur Entstehung der Jahreszeiten und zum Kennenlernen der Erdbahnelemente“ kann nicht als Seitenname in diesem Wiki verwendet werden.
  • http://www.klimedia.ch/kap2/a2.html Umlaufbahn der Erde] interaktives Lernmodul (Uni Bern)“ kann nicht als Seitenname in diesem Wiki verwendet werden.

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