Milanković

Al decennia is in de klimaatwetenschap geaccepteerd dat de relatie tussen zon en aarde van grote invloed is op het klimaat op aarde. Logisch natuurlijk, als je bedenkt dat vrijwel alle processen aan het aardoppervlak gestuurd worden door zonne-energie. In het hoofdstuk over de stralingsbalans is daar al ruim aandacht aan geschonken. Merkwaardig is het dan zeker dat de afgelopen jaren de aandacht vooral is uitgegaan naar terrestrische (aardse) oorzaken van klimaatveranderingen (vooral broeikasgassen) en nauwelijks naar extra-terrestrische oorzaken. Daar komt nu langzamerhand verandering in, met name door het onderzoek van Svensmark c.s.  Maar de grote pionier op dit gebied was ongetwijfeld Milutin Milanković, een Servische wetenschapper.

Milanković theorie beschrijft de effecten van de beweging van de planeet aarde op het wereldklimaat. Milutin Milanković (Dalj, 1879 – 1958), civiel ingenieur en wiskundige, beschrijft in een publicatie in 1941 dat de variaties in de baan van de aarde rond de zon (excentriciteit), de variaties in de aardashoek (obliquiteit) en de tolbeweging van de aardas (precessie) van invloed zijn op de temperatuur op aarde. Als gevolg van deze variaties varieert de temperatuur op aarde en zijn de ijstijden gedurende het Kwartair  (2,5 miljoen jaar – heden) te verklaren.

milankovic

De onderste curve toont het berekende effect van de excentriciteit, precessie en obliquiteit op de hoeveelheid ontvangen zonne-energie die op een zomerse dag aan de buitenkant van de dampkring  op een vierkante meter wordt ontvangen op 65 graden NB. Omdat de periodiciteit van de 3 factoren bekend is kan ook berekend worden wat het effect in de toekomst zal zijn. De grafieken lopen dan ook van -800.000 jaar A.D. tot +800.000 jaar A.D.

berger

Bovenstaande grafiek toont de juni-instraling op 65 graden NB  gedurende de afgelopen 600.000 jaar, zoals berekend door Berger c.s.  (A. Berger and M.F. Loutre, 1991, Insolation values for the climate of the last 10 million years. Quaternary Science Reviews, 10: 297-317).

De reacties vanuit de wetenschappelijke wereld waren grotendeels negatief en afwijzend. Het duurde tot 1976 voordat een studie van Hays, Imbrie en Shackleton naar boorkernen in diepzeesedimenten het gelijk van Milanković aantoonde en de wetenschappelijke wereld Milanković theorie aanvaardde ( J. D. Hays, John Imbrie and N. J. Shackleton,1976, Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages, Science Vol. 194. no. 4270, pp. 1121 – 1132).

De waarde van Milancović theorie werd nogmaals bevestigd door onderzoek aan ijskernen van Antarctica in 2007. De in de ijskeren aanwezige luchtbelletjes werden onderzocht op de aanwezigheid van zuurstof en stikstof. De waardes daarvan worden direct bepaald door de grootte van de instraling ter plaatse  (Kawamura et al., Nature, 23 August 2007, vol 448, p912-917) .

Excentriciteit, obliquiteit en precessie beïnvloeden de  stralingsbalans van de aarde als gevolg van variaties in de  hoeveelheid zonnestraling en de oriëntatie van landmassa’s ten opzichte van de zon. Dit verschijnsel staat bekend al solar forcing.

Excentriciteit.

excentr           excentr2

De baan van de aarde rond de zon is een ellips. Excentriciteit is de mate waarin deze ellips afwijkt van een cirkel. Deze excentriciteit varieert in de tijd van bijna cirkel (excentriciteit van 0,005) tot licht elliptisch (excentriciteit 0,028). De huidige excentriciteit bedraagt 0,017. De periodiciteit van de excentriciteit kent 2 schalen: een van 413.00 jaar en een tweede van grofweg 100.000 jaar.

Deze variaties in excentriciteit ontstaan door de invloed van de zwaartekracht van de planeten Saturnus en Jupiter. Momenteel is het verschil in afstand tussen het punt van de aardbaan dat het dichtst bij de zon ligt (perihelion) en het punt dat het verst van de zon verwijderd ligt (aphelion) 5,1 miljoen kilometer, resulterend in een verschil van inkomende zonnestraling van 6,8%. Als de baan zijn maximale excentriciteit heeft bereikt bedraagt dit verschil zelfs bijna  23%.

Obliquiteit

obliquiteit

De hoek die de aardas maakt met het vlak waarin de aarde rond de zon draait varieert van 22,1° tot 24,5°, met een periodiciteit van 41.000 jaar. De invloed van obliquiteit op de temperatuur op aarde is het gevolg van het feit dat de landmassa’s ruimtelijk bezien niet gelijkmatig verdeeld zijn over de aarde. Bij een grotere hoek nemen de verschillen tussen de seizoenen voor wat betreft de instraling van de zon toe. Zowel op het noordelijk als het zuidelijk halfrond worden de zomers dan warmer en de winters kouder. Momenteel neemt de obliquiteit af en is 23,44° , waarmee we ons grofweg halverwege de beweging bevinden.

Echter, deze verschillen tussen zomer en winter zijn niet even groot. Bij toenemende obliquiteit neemt de gemiddelde jaarlijkse instraling op hogere breedte toe, terwijl op lagere breedte de instraling afneemt. Op hogere breedte veroorzaakt een lage obliquiteit derhalve zowel een lagere gemiddelde instraling op deze breedte als de afname van instraling in het zomerseizoen. Koele zomers kunnen dan het begin van een ijstijd triggeren doordat minder sneeuw smelt en de albedo in sommige gebieden sterk verandert.

Precessie

precessie

Precessie is de tolbeweging van de aardas, en heeft een periodiciteit van ongeveer 26.000 jaar. Precessie is het gevolg van de getijdekrachten die zowel de zon als de maan op de aarde uitoefenen, versterkt door het feit dat de aarde niet perfect rond is. Net zoals bij obliquiteit is het effect van precessie op de temperatuur op aarde het gevolg van het feit dat de landmassa’s ruimtelijk bezien niet gelijkmatig verdeeld zijn over de aarde.

Als de aardas gedurende het perihelion (zie hiervoor) naar de zon wijst zal het ene polaire  halfrond grotere seizoensverschillen kennen, terwijl het andere halfrond kleinere verschillen kent. Momenteel kent het zuidelijk halfrond wat grotere verschillen tussen zomer- en wintertemperatuur als gevolg van de precessie dan het noordelijk halfrond.