Inhaltsverzeichnis
2 Erforschung der Auswirkungen der Erdbahnbewegungen
3 Änderungen globaler Strahlungsbilanz durch Erdbewegungen
3.1 Beeinflussung durch die Exzentrität
3.2 Beeinflussung durch die Nutation
3.3 Beeinflussung durch die Präzession
1 Einleitung
Klimaphänomene, wie die Jahreszeiten oder auch der Tag- und Nachtwechsel gehören für uns Menschen zum alltäglichen Leben. Sie werden als selbstverständlich wahrgenommen, jedoch in den seltensten Fällen weiter hinterfragt. Dennoch beeinflussen sie maßgeblich das Leben auf der Erde. So steuern die natürlich bedingten Zyklen unser Leben. Der Mensch, aber auch Pflanzen und Tiere passen sich an das Leben mit wechselnden Bedingungen an. Sowohl der Tag- und Nachtwechsel, als kürzeste immer wiederkehrende Periode, aber auch die Entstehung von Eiszeiten lassen sich hierbei vor allem mit der Veränderung der Erdbahnparameter, also der Veränderung der Lage von der Erde zur Sonne, erklären (Uhlig 2020: 9 ff.). Um sich dem Thema anzunähern, soll zunächst ein kurzer Einblick in die Erforschung der Klimageschichte und der Erdbahnparameter gegeben werden. Damit die Auswirkungen der Erdbahnparameter greifbarer werden, wird zunächst die allgemeine Strahlungsbilanz der Erde oberflächlich erläutert. Anschließend werden die Erdbewegungen und ihre Auswirkung auf die Strahlungsbilanz dargelegt. Infolgedessen lassen sich die klimatischen, für den Menschen spürbaren Auswirkungen dieser herleiten und genauer umschreiben und erklären. Abschließend wird ein kurzes Fazit gezogen und ein Ausblick auf weitere im Zusammenhang stehende Themenfelder gegeben.
2 Erforschung der Auswirkungen der Erdbahnbewegungen
Klimaveränderungen, die unser zukünftiges Leben beeinflussen, beschäftigen die Menschheit schon seit langem. Um Klimaprognosen treffen zu können, stellt sich zunächst die Frage, ob der aktuelle Klimawandel anthropogen bedingt ist oder natürlichen Klimaschwankungen unterliegt. Dies ist die Kernfrage, die zur Erforschung der Klimageschichte führt. Nur das Wissen über die bisherige Klimaentwicklung kann Auskunft darüber geben, ob es zyklische klimatische Schwankungen gibt, die den aktuellen Klimawandel erklären. Weiterhin ermöglicht dies Prognosen für die Zukunft zu treffen und das Klima zu modellieren. In Folge der Forschungen von Alfred Wegener, gelang es Milutin Milankovitch bereits in den 1930er Jahren bahnbrechende Fortschritte zum Klimaverständnis der Erdgeschichte zu erzielen (Thiede 2000: 9). So konnten Veränderungen der Erdbahnparameter festgestellt werden, die heute als Milankovitch-Zyklen bezeichnet werden. Die Milankovitch-Zyklen umschreiben drei, sich in Zyklen verändernde, Erdbahnparameter. So kommt es zur Veränderung der Erdbahn um die Sonne (Exzentrität), der Ausrichtung der Erdachse (Präzession) und der Erdachsenneigung (Nutation). Mit Hilfe dieser Bewegungen versucht Milankovitch die Schwankungen von Kalt- und Warmzeiten der Erde zu erklären. Aus natürlichen Klimaarchiven, wie beispielsweise Tiefseesedimenten oder Eisbohrkernen, lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf die Klimageschichte ziehen. Bei Analyse dieser, kann aufgrund der sich wandelnden Ablagerungsbedingungen, die durch Klimaveränderungen ausgelöst wurden, der Klimawandel rekonstruiert werden. Die Milankovitch-Zyklen decken sich hierbei weitestgehend mit den Analysen der Klimaarchive, wodurch sie zu einem Teil zu der Erklärung des natürlichen Klimawandels beitragen (Thiede 2000: 15f).
3 Änderung globaler Strahlungsbilanz durch Erdbewegungen
Um in diesem Kapitel in weiteren Unterpunkten auf die Beeinflussung des Strahlungshaushaltes der Erde als Folge der Erdbahnparameter eingehen zu können, soll zunächst einleitend die Energiezufuhr der Erde erklärt werden. Die Energiezufuhr der Erde erfolgt durch die von der Sonne abgegebenen elektromagnetischen Wellen. Im globalen Mittel beträgt diese am äußeren Rand der Erdatmosphäre 340 Watt pro Quadratmeter. Jedoch gelangt nur ein Teil dieser Energie auch bis zur Erdoberfläche. Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre wird ein großer Anteil der einfallenden Strahlung reflektiert und ein Teil auch absorbiert. Die Reflexion erfolgt hierbei sowohl zurück ins Weltall, aber auch weiter in Richtung Erde in Form von diffuser Himmelsstrahlung. Bei der Absorption der Strahlung kommt es zur Erwärmung der absorbierenden Teilchen und somit zu Erwärmung der Erdatmosphäre. Durch die stattfindenden Prozesse erreichen von den ursprünglichen 340 Watt pro Quadratmeter im globalen Mittel noch 185 Watt pro Quadratmeter die Erdoberfläche, wovon wieder ein Teil durch die Erdoberfläche reflektiert wird. So führen die durchschnittlich übrigen 161 W pro m2 zur Erwärmung der Erdoberfläche Die genannten Werte stellen jedoch nur den globalen Durchschnitt dar (maribus gGmbh 2019: 29). Aufgrund der annährend kugelförmigen Gestalt der Erde, nimmt die einfallende Sonnenenergie pro Flächeneinheit zu den Polen hin jedoch ab. Dies hängt im Zusammenhang mit dem Einfallwinkel der Strahlung. Je flacher der Winkel ist, mit dem die Solarstrahlung auf die Erde trifft, auf desto mehr Fläche verteilt sich die Strahlung. Pro Flächeneinheit trifft somit weniger Strahlung auf die Erdoberfläche. Sie kann sich hier also nicht so stark erwärmen (maribus gGmbh 2019: 60).
In Abbildung 2 ist dieser Effekt deutlich zu erkennen. Die Strahlenbündel, die in den verschiedenen Regionen auf die Erde treffen, sind identisch und transportieren somit die gleiche Energie. Zu erkennen ist jedoch, dass sich diese Energie bei dem oberen Lichtkegel auf eine viel größere Fläche verteilen muss als bei dem unteren Lichtkegel. Hierdurch kann sich die Äquatornahe Region stärker erwärmen als die in Polnähe.
3.1 Beeinflussung durch die Exzentrität
Die Erde bewegt sich auf der Erdumlaufbahn, nahezu kreisrund um die Sonne. Sie ist in Abb.1 als durchgängige hellgraue Linie dargestellt. Die Umlaufzeit der Erde beträgt hierbei ungefähr 365,25 Tage. Durch Beeinflussung der Gravitationsfelder anderer Planeten kommt es jedoch dazu, dass sich die Erdbahn in bestimmten Zyklen ändert. Diese Bewegung der Erdbahn wird Exzentrität genannt. Sie umschreibt hierbei die Abweichung der Erdbahn von der kreisrunden Form und ist in Abb. 1 mit einer hellblau gestrichelten Linie dargestellt. Die Exzentrität kann hierbei theoretisch Werte von 0, welches einer perfekten Kreisform entspricht, bis zu einem Wert von unter 1 annehmen, was eine Ellipsenform darstellt. Aktuell ist die Erdbahn nahezu kreisrund und ihre Exzentrität beträgt einen Wert von 0,017. Im Perihel, also der Stellung, die der Sonne am nächsten ist, beträgt der aktuelle Abstand zur Sonne 147,1 Mio. km. Die sonnenfernste Stellung wird Aphel genannt und beträgt momentan 152,1 Mio. km. Im Zyklus von 100.000 Jahren kommt es jedoch zur Änderung der Exzentrität. So kann diese auch höhere Werte bis zu 0,06 annehmen (Uhlig 2020: 9f). In diesem Fall ist die Differenz der Sonnenentfernung, also von Perihel zu Aphel aufgrund der stärkeren ellipsenform, höher, welches ebenfalls Einfluss auf die einfallende Strahlungsenergie der Sonne hat. Das Abstandsquadratgesetz besagt, dass die Strahlungsenergie einer punktförmigen Strahlungsquelle, in dem Fall der Sonne, proportional zum Quadrat des Abstands abnimmt. Das bedeutet, dass die Strahlungsunterschiede zwischen innerhalb eines Jahres bei höherer Exzentrität deutlicher als bei geringerer Exzentrität sind (Uhlig 2020: 10 f.). Doch nicht nur die Erdbahn selbst ändert sich, sondern auch die Geschwindigkeit der Erde auf dieser. Als Folge der Konstanz des Bahndrehimpulses bewegt sich die Erde in Perihelnähe etwas schneller. Dies hat zur Folge, dass der aktuelle Nordwinter/Südsommer, mit 179 Tagen sieben Tage kürzer ist als der Nordsommer/Südwinter, was jedoch nicht entscheidend für die Entstehung der Jahreszeiten ist (Roedel 2000: 2).
3.2 Beeinflussung durch die Nutation
Auch die Neigung der Erdachse führt mit der Zeit zu Veränderungen im Strahlungshaushalt. In Abb. 1 ist die Erdachse im aktuellen Zustand durch die durchgängige schwarze Linie dargestellt. Die Achsenneigung beträgt aktuell 23,4° (Uhlig 2020: 11). Sie bedingt, dass sich der Einfallwinkel der Sonne, auf einen Punkt auf der Erde, im Verlaufe eines Jahres durch die Erdbewegung um die Sonne ändert. Zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis, wo der Einfallwinkel generell hoch ist, hat dies geringere Auswirkungen. Je weiter man sich jedoch den Polen nähert, desto stärker wird der Effekt, im Jahresverlauf. Mit dem Einfallwinkel der Sonnenstrahlung ändert sich auch die einfallende Energie pro Flächeneinheit, wodurch sich die Erdoberfläche besonders polwärts im Winterhalbjahr nicht mehr so stark erwärmen kann (Roedel 2000: 3f). Auch die Erdachse steht nicht starr, sondern bewegt sich in zwei verschieden Zyklen. Die Nutation beschreibt hierbei die Änderung des Achsenwinkels. In Abbildung 1 ist die Nutation durch den grünen Pfeil dargestellt. Im Zyklus von etwa 41.000 Jahren schwankt dieser von 22° bis 24,5° zur senkrechten der Bahnebene (Herterich 2002: 118). Je höher der Neigungswinkel der Erdachse ist, desto höher ist die Differenz der minimalen bzw. maximalen Solarstrahlung, die im Aphel bzw. Perihel erreicht werden. Dies bedeutet, dass bei einem hohen Achsenwinkel sowohl eine stärkere Erwärmung begünstigt wird, jedoch auch eine höhere Abkühlung im Winterhalbjahr stattfinden kann. Gegenteiliges gilt für eine geringe Achsenneigung (Uhlig 2000: 11).
3.3 Beeinflussung durch die Präzession
Eine weitere Bewegungsrichtung der Erdachse ist die Präzession. Die Präzession umschreibt das Taumeln der Erdachse um die gedachte Mittelsenkrechte. Die Mittelsenkrechte wird in Abb. 1 durch die hellgrau gestrichelte Linie dargestellt und die Präzessionsbewegung wird durch die braunen Pfeile dargestellt. Um sich die Bewegung besser veranschaulichen zu können, lässt sich die Präzession mit einem taumelnden Kreisel vergleichen. Setzt man diesen schräg auf eine Oberfläche beginnt die Achse sich ebenfalls um den Auflagepunkt zu rotieren. Im Zyklus von 19.000 bis 23.000 Jahren ändert sich durch die Präzession die Ausrichtung der Erdachse zur Sonne. Somit ändert sich auch der Bereich der Erde, der bei Erreichen des Aphels, beziehungsweise Perihels, der Sonne zugewandt ist. Dies hat zur Folge, dass sich der Zeitpunkt, zu dem der höchste Strahlungsgenuss herrscht, verschiebt. Somit auch die Periode, in der sich die Erdoberfläche in Folge des Strahlungsgenusses, am meisten erwärmen kann. Aufgrund des höheren Festland Anteils auf der Nordhalbkugel, zeigen sich hier die Unterschiede deutlicher als auf der Südhalbkugel (Uhlig 2020: 12).
4 Folgen der Erdbewegungen
Aus den bereits beschriebenen Erdbewegungen, welche Änderungen des Strahlungshaushaltes zur Folge haben, lassen sich nun im Weiteren die für den Menschen spürbaren Effekte herleiten. Eine Bewegungsrichtung, auf die bisher nicht eingegangen wurde, ist die Erdrotation. Durch die annährend runde Form der Erde und den Fakt, dass diese nur von einer Seite beschienen wird, herrscht auf der sonnenzugewandten Seite Tag und auf der abgewandten Seite Nacht (siehe Abb.1). Die Tageslänge der irdischen Zeitrechnung beträgt, aufgrund der Rotationsdauer, 24 Stunden. Am Tag kann es so zum Strahlungsgenuss und somit zur Erwärmung kommen, wohingegen sich die Erdoberfläche mit eintreten der Nacht, aufgrund fehlender Einstrahlung abkühlt (Uhlig 2020: 11).
Einen längeren natürlich bedingten Zyklus stellen die Jahreszeiten dar. Sie entstehen durch die Schiefstellung der Erdachse zur Bahn um die Sonne. Abbildung 6a zeigt die Erde im Nordsommer. Die Nordhalbkugel ist der Sonne zugewandt und kann sich hier stärker erwärmen als auf der Südhalbkugel, wo nun Winter herrscht. Ein halbes Jahr später zeigt sich gegenteiliges. Nun ist die Südhalbkugel zugewandter, wodurch nun hier Sommer und auf der Nordhalbkugel Winter herrscht (Abb. 6b). Jedoch ist nicht immer eine Erdhälfte der Sonne zugewandter als die andere. Im Frühling oder Herbst werden beide Erdhälften gleich stark beschienen. In Äquatornähe zeigt sich der jahreszeitliche Wandel eher gering. Je weiter man sich jedoch den Polen annähert, desto stärker werden die Auswirkungen. So kommt es hier aufgrund der Achsenneigung zur Ausprägung von Polartag und Polarnacht (Roedel 2000: 2ff). Bedingt durch die Nutation ändert sich auch die Ausprägung der Jahreszeiten. Je höher die Achsenneigung ist, desto stärker ist eine Erdhälfte der Sonne zu- oder abgewandt. Die Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter zeigen sich bei einer höheren Erdachsenneigung umso deutlicher (Uhlig 2020: 11).
In Folge des Präzessionszyklusses kann es jedoch dazu kommen, dass sich Sommer- und Winterhalbjahr der Erdhälften vertauschen. Vor 10.000 Jahren war dies der Fall. Die Erdachse hatte ihre Ausrichtung maximal geändert, sodass der Nordsommer/Südwinter nahe des Perihels herrschte (Abb. 6d). Es ist davon auszugehen, dass die Sommer der Nordhalbkugel, aufgrund der näheren Stellung zur Sonne wärmer waren als heute. Die, im Vergleich zu heute, sonnenfernere Stellung im Winter führt hingegen zu einer höheren Abkühlung. Die Exzentrität war jedoch ähnlich zur heutigen (Herterich 2002: 118 f). Blickt man zeitlich etwas weiter zurück, so war die Exzentrität deutlich höher als heute. So erreichte diese während der letzten Eiszeiten Werte bis zu 0,06, was letztendlich aufgrund der höheren Differenz zwischen Perihel und Aphel zu größeren Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter führt (Uhlig 2020: 11). Ein weiterer Effekt, der zur Ausprägung der Eiszeiten geführt hat, ist der Neigungswinkel der Erde. Es zeigt sich, dass hierbei ein flacherer Neigungswinkel die Ausbildung von kontinentalen Eisschilden begünstigt. Zwar sind die Winter nicht so extrem, jedoch kalt genug, um Niederschlag in Form von Schnee zu bilden. Aufgrund der höheren winterlichen Temperatur findet über den Meeren eine höhere Verdunstung statt, sodass, im Vergleich zu kälteren Temperaturen, mehr Niederschlag fallen kann. Die Sommer hingegen werden nicht so warm wie bei einem höheren Neigungswinkel. Dies begünstigt das Bestehen der gebildeten Schnee- und Eismassen, da die Ablation, also das Abschmelzen des Niederschlages, aufgrund der geringeren Temperaturen nicht so schnell erfolgt (Uhlig 2020: 12).
5 Fazit
Es lässt sich festhalten, dass die Erdbahnparameter einen großen Einfluss auf das Klima der Erde haben. Die Erdrotation sorgt für den Tag- und Nachtwechsel, die Achsenneigung ist für die Entstehung der Jahreszeiten verantwortlich und die Exzentrität steuert die Menge der einfallenden Energie. Das Zusammenspiel aller Faktoren gleichzeitig steuert das Klima der Erde und reguliert so in langen Zeiträumen den Wechsel von Warm- und Kaltzeiten. Der Klimawandel unterliegt jedoch nicht nur den Bedingungen der Erdabahnparameter. Auch andere astronomische Prozesse, wie beispielsweise die Sonnenaktivität, können Einfluss auf das Klima haben. Neben den astronomischen Einflüssen finden auch innerhalb der Erdatmosphäre natürliche Prozesse statt, die das Klima beeinflussen. Globale Meeres- oder Windströme haben maßgeblichen Einfluss auf das Klima. Eine weitere Rolle können hierbei in längeren Zeiträumen auch die Verteilung von Land- und Wassermassen spielen, die durch plattentektonische Prozesse verändert werden. Einhergehend mit den tektonischen Prozessen kann auch Vulkanismus einen Einflussfaktor des Klimas darstellen (LANUV o. J.). Neben den natürlichen Einflussgrößen auf das Klima, lassen sich jedoch auch anthropogene Einflüsse feststellen. Die Menschheit verändert mit ihrer Existenz die natürlichen Gegebenheiten. So wirken Emissionen auf die Erdatmosphäre ein, wodurch sich ihre Zusammensetzung ändert. Ein verstärkter Treibhauseffekt und somit eine anthropogen geschaffene Erderwärmung ist die Folge. Diese lässt sich besonders seit dem 20. Jahrhundert beobachten. So hat sich das Klima im 20. Jh. Global um ca. 0,6 °C erwärmt. Prognosen des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gehen von einer Klimaerwärmung von bis zu vier Grad Celsius bis zum Ende des Jahrhunderts aus (BMU 2008: 10).
Quellenverzeichnis
Bildungsserver.de (2016): Erdbahnparameter. https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Erdbahnparameter (02.01.2021)
Herterich K. (2002): Variabilität der Erdbahnparameter und Klimaänderungen. In: promet, meteorologische fortbildung 28 (3/4): 117-122
Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz (o. J.): Globaler Klimawandel. https://www.lanuv.nrw.de/klima/klimawandel-in-nrw/hintergrund-globaler-klimawandel (07.01.2021)
maribus gGmbH (Hg.) (2019): world ocean review. 6. Arktis und Antarktis-extrem, klimarelevant, gefährdet. Hamburg
NASA (2020): Milankovitch (Orbital) Cycles and Teir Role in Earth´s Climate. https://climate.nasa.gov/news/2948/milankovitch-orbital-cycles-and-their-role-in-earths-climate/ (12.03.2021)
Roedel W. (2000): Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. 3. Überarbeitete und aktualisierte Aufl., Heidelberg.
Sachweh M. (2019): Das globale Windsystem der Erde – vom Profi erklärt. https://www.blauwasser.de/globale-windsysteme (09.01.2021)
Thiede J. (2000): Paläoklimaänderungen der jüngsten geologischen Vergangenheit – Raten und Maße natürlicher Klimawechsel. In: Wolfrum J., Wittig S. (Hg.): Energie und Umwelt. Wo liegen optimale Lösungen?, Heidelberg: 9-23
Uhlig S. (2020): Natürlicher Klimawandel-Fakten aus geologischer, archäologischer und astrophysischer Sicht. Karlsruhe.