Die Milanković-Zyklen beschreiben Veränderungen in der Bewegung der Erde über lange Zeiträume, die einen signifikanten Einfluss auf das Erdklima haben. Einer der drei Hauptzyklen ist die Veränderung der Neigung der Erdachse, auch als Obliquität bekannt. Diese Neigung variiert zwischen etwa 22,1 und 24,5 Grad in einem Zyklus von ungefähr 41.000 Jahren und ist entscheidend für die Intensität und Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche. Geologische Daten und Eisbohrkerne zeigen, dass Änderungen in der Neigung der Erdachse mit wichtigen klimatischen Ereignissen wie Eiszeiten korrelieren.
Die Sonne als Klimafaktor: Sonnenaktivität und ihre Zyklen
Als Sonnenaktivität werden veränderliche Eigenschaften der Sonne bezeichnet, die mit Turbulenzen ihres Gases und Änderungen ihres Magnetfeldes zusammenhängen. Diese Veränderungen können zyklischer oder unregelmäßiger Natur sein. Der bekannteste Zyklus ist der Sonnenfleckenzyklus, der eine durchschnittliche Periode von 11,1 Jahren hat, aber im Laufe eines Jahrhunderts zwischen 9 und 14 Jahren schwanken kann. Die Sonne befindet sich seit dem Jahreswechsel 2019/2020 im 25. Sonnenfleckenzyklus.
Die mittlere monatliche Zahl der Sonnenflecken schwankt erheblich. Obwohl Sonnenflecken eine geringere Temperatur aufweisen als die umgebende Sonnenoberfläche, strahlt die Sonne während des Aktivitätsmaximums mit einer geringfügig höheren Leistung als im Minimum. Dies liegt an heißeren Gebieten wie den Sonnenfackeln. Die Sonnenaktivität ist verantwortlich für Ereignisse des Weltraumwetters und beeinflusst sowohl Satelliten als auch technische Einrichtungen auf der Erde.
Die Sonnenaktivität wird durch verschiedene Indizes quantifiziert, die auf direkten Beobachtungen (z. B. Sonnenflecken-Relativzahl, Radiointensität) oder indirekten Effekten basieren. Direkte Indizes reichen nur bis zum Beginn des 17. Jahrhunderts zurück, während indirekte Indizes eine Rekonstruktion über längere Zeiträume ermöglichen.
Längere Zyklen der Sonnenaktivität
Neben dem 11-jährigen Zyklus gibt es weitere, längerfristige Zyklen:
- Gleißberg-Zyklus (85 ± 15 Jahre): Entdeckt von Wolfgang Gleißberg, möglicherweise verbunden mit Perioden geringer Sonnenaktivität.
- 1470-Jahreszyklus: Möglicherweise verbunden mit den Bond- und Dansgaard-Oeschger-Ereignissen.
- Hallstatt- oder Bray-Zyklus (2400 ± 200 Jahre).
Indirekte Messung der Sonnenaktivität und Rekonstruktion der Vergangenheit
Energiereiche kosmische Strahlung aus dem Weltall wird durch den Sonnenwind und das solare Magnetfeld abgeschwächt. Bei geringerer Sonnenaktivität kann mehr kosmische Strahlung die Erde erreichen und in die Atmosphäre gelangen. Dort führt sie zu Wechselwirkungen, bei denen die Nuklide 14C (Kohlenstoff-14) und 10Be (Beryllium-10) erzeugt werden.
Diese Radionuklide gelangen in natürliche Klimaarchive. 14C ist in der Biosphäre nachweisbar (z. B. in Baumringen), und 10Be lagert sich an Aerosole an oder wird durch Niederschläge auf die Erdoberfläche gebracht. Aus den Konzentrationen dieser Nuklide in Eisbohrkernen oder Baumringen lässt sich auf die vergangene Sonnenaktivität schließen. Dabei müssen Transportprozesse, klimatische Einflüsse, das Erdmagnetfeld und Änderungen der galaktischen kosmischen Strahlung berücksichtigt werden. Die Genauigkeit der Rekonstruktion liegt in der Größenordnung eines Jahrzehnts.
Die Milanković-Zyklen im Detail
Die Milanković-Zyklen (benannt nach Milutin Milanković) beschreiben quasi-periodische Variationen der Erdbahnparameter, die zu Änderungen der Sonneneinstrahlung führen und als Modell zur Erklärung von Kalt- und Warmzeiten dienen. Sie basieren auf Vorarbeiten von James Croll und umfassen:
1. Präzession der Erdachse
Die Erdachse beschreibt eine Kreisbewegung um die gedachte Senkrechtstellung zur Ekliptikebene mit einer Periode von etwa 26.000 Jahren. Diese Taumelbewegung wird durch Gezeitenkräfte von Sonne und Mond verursacht. Sie beeinflusst, zu welcher Jahreszeit die Erde ihren sonnennächsten Punkt (Perihel) erreicht. Dies führt zu extremeren oder milderen Jahreszeiten auf der Nord- und Südhalbkugel im Wechsel. Die Überlagerung mit der Apsidenpräzession der Erdbahn führt zu einem Zyklus von durchschnittlich rund 21.000 Jahren (tropische Apsidendrehung).
2. Neigung der Erdachse (Obliquität)
Die Schiefe der Erdachse (Ekliptikschiefe) gegen die Normale zur Erdbahnebene ändert sich periodisch zwischen 22,1° und 24,5° mit einer Periode von ungefähr 41.000 Jahren. Eine größere Achsneigung führt zu stärkeren saisonalen Strahlungsschwankungen in höheren Breiten, mit kälteren Wintern und wärmeren Sommern. Bei geringerer Achsneigung sind die Voraussetzungen für die Bildung von kontinentalen Eisschilden günstiger, da die Sommer kühler sind und weniger Eis abschmilzt, während die Winter zwar milder, aber schneereicher sein können.
3. Exzentrizität der Erdbahn
Die Form der Umlaufbahn der Erde um die Sonne variiert von nahezu kreisförmig bis leicht elliptisch. Die Hauptkomponente dieser Abweichung tritt in einer Periode von 405.000 Jahren auf. Die Exzentrizität beeinflusst die Schwankung der Sonneneinstrahlung im Jahresverlauf. Bei einer elliptischeren Bahn wird die Erde im entfernteren Teil der Bahn länger unterdurchschnittlich stark bestrahlt.
Diese Zyklen erklären teilweise die natürlichen Klimaveränderungen, insbesondere während des Quartärs. Die von Milanković entwickelte Theorie wurde durch verschiedene paläoklimatologische Untersuchungen gestützt, darunter die marine Sauerstoff-Isotopen-Stratigraphie.
Korrelation von Sonnenaktivität und Erdtemperatur
Seit mindestens 200 Jahren besteht die Idee eines Zusammenhangs zwischen Sonnenaktivität und dem Erdklima. Satellitenmessungen zeigen Schwankungen der Solarkonstante (Strahlungsleistung der Sonne) um etwa 0,1 Prozent innerhalb des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus. Obwohl dieser Wert oft als zu gering für einen spürbaren Einfluss auf das Klima erachtet wird, fanden Forscher statistische Zusammenhänge zwischen langfristigen Schwankungen der Sonnenaktivität und der mittleren Temperatur auf der Erdoberfläche.
Rekonstruktionen der Sonnenaktivität, die bis ins Jahr 850 n. Chr. zurückreichen, zeigen, dass die mittlere Zahl der Sonnenflecken seit 1940 so hoch war wie niemals zuvor in den vergangenen 1000 Jahren. Es wurde eine große Ähnlichkeit zwischen der Sonnenaktivität und dem Temperaturverlauf auf der Erde festgestellt. Die Sonnenfleckenkurve korreliert mit Klima-Anomalien wie der mittelalterlichen Wärmeperiode und dem Maunder-Minimum (Ende 17. Jahrhundert), einer Periode mit fast keinen Sonnenflecken, die mit der kältesten Zeit der Kleinen Eiszeit zusammenfiel.
Die Analyse von radioaktivem Kohlenstoff (14C) in Baumringen ermöglichte die lückenlose Rekonstruktion der Sonnenaktivität bis ins Jahr 969. Diese Daten bestätigen den 11-jährigen Aktivitätszyklus und liefern Anhaltspunkte für bisher unbekannte Strahlungsausbrüche im Hochmittelalter, wie z. B. ein SEP-Ereignis (solar energetic particle event) im Jahr 993.
Moderne Erkenntnisse und menschlicher Einfluss
Die Sonnenaktivität hat sich in den letzten Jahrzehnten im Vergleich zu anderen sonnenähnlichen Sternen als relativ konstant erwiesen, mit Helligkeitsschwankungen von typischerweise 0,07 Prozent. Isotopenanalysen aus Eiskernen deuten darauf hin, dass die Sonnenaktivität seit mindestens 9000 Jahren ähnlich gering ist.
Während die Sonnenaktivität seit 1940 auf hohem Niveau etwa konstant geblieben ist, hat sich die Erdtemperatur ab 1980 von der Sonnenkurve abgekoppelt und steigt steil an. Dies deutet darauf hin, dass der aktuelle Temperaturanstieg wahrscheinlich nicht von der Sonne verursacht wird. Naheliegend ist hier der Einfluss des anthropogenen Treibhauseffekts durch die Emission von Treibhausgasen.
Die genauen Ursachen für Klimaschwankungen sind komplex und beinhalten nicht nur astronomische Faktoren, sondern auch Veränderungen der Erdatmosphäre (Aerosole, Treibhausgase) und Meeres-/Luftströmungen. Diese Faktoren können komplex wechselwirken und die Effekte der Milanković-Zyklen und der Sonnenaktivität modulieren.
Klimawandel: Auswirkungen für Mensch und Natur [Doku Klima 2015]
tags: #200 #jahre #zyklus #solareinstrahlung