Een draaiend hemellichaam in een gewichtsloze ruimte kent potentieel meer vrijheidsgraden van beweging dan slechts de omloop om een ander hemellichaam en de rotatie om de eigen as. Deel 2 van ‘Baanmechanica van de aarde’ behandelt de meer complexe cyclische bewegingen van de aarde in relatie tot hun klimaatinvloeden.
Klimaatinvloeden die hoofdzakelijk worden bepaald door de mate en verdeling van de zonne-instraling over de verschillende breedtegraden van onze aarde. Met dit artikel wil ik op een intuïtieve en toegankelijke wijze inzichtelijk maken hoe de baanmechanica van de aarde het klimaat beïnvloedt. Dat wil zeggen zonder gebruik te maken van ontoegankelijke algebra of ingewikkelde geometrische vergelijkingen.
Doordat de aarde geen homogene verdeling van continenten en oceanen over beide halfronden kent, wordt het effect van de zonne-instraling op beide halfronden in relatief opzicht hetzij versterkt hetzij gedempt. Dit leidt tot verschillende of uiteenlopende regionale temperatuursgradiënten bij eenzelfde zonne-instraling. Het noordelijk halfrond met zijn met name rond 65 graden noorderbreedte bijna aaneengesloten landmassa’s warmt hierdoor enerzijds sterker op of koelt hierdoor anderzijds sterker af. Het zuidelijk halfrond met daarentegen meer oceanen warmt hierdoor enerzijds langzamer op of koelt hierdoor anderzijds langzamer af.
Daarnaast is er ook binnen de respectievelijke halfronden sprake van verschillende of uiteenlopende regionale temperatuursgradiënten bij eenzelfde zonne-instraling, zijnde het gevolg van de ongelijke verdeling van continenten en oceanen over de breedte- en lengtegraden.
Binnen deel 1 gaf ik aan dat de ‘axiale precessie’ tot gevolg heeft dat op een willekeurige datum en tijdstip de positie van de aarde ieder jaar ongeveer 20 minuten opschuift in zijn omloopbaan om de zon met de wijzers van de klok mee. Dit is het direkte gevolg van het feit dat de ‘axiale precessie’ de aarde qua scheefstaande positie ten opzichte van de zon beïnvloedt.
Nu zou je zeggen, dat het niets zou mogen uitmaken waar in de omloopbaan om de zon de aarde zich bevindt, zolang de seizoenen en het kalenderjaar maar synchroon lopen met het ’tropisch jaar’, zoals dit inderdaad het geval is. Deze veronderstelling gaat er echter uitdrukkelijk vanuit dat de omloopbaan van de aarde om de zon perfect cirkelvorming is.
De omloopbaan van de aarde om de zon is daarentegen licht ellipsvormig of excentrisch, wat tot gevolg heeft dat er in deze omloopbaan sprake is van zowel een perihelium (meest nabije punt) als een aphelium (meest verre punt) in relatie tot de afstand aarde-zon. Je kunt je voorstellen dat de zonne-instraling over de breedtegraden in het perihelium hierdoor ietsje groter is dan in het aphelium. Het betekent ook dat de seizoenen zich ten opzichte van het perihelium en aphelium verplaatsen.
In de periode dat een zomerzonnewende op een willekeurig halfrond relatief nabij samenvalt met het perihelium is er op dat desbetreffende halfrond sprake van relatief hetere zomers en koudere winters. Op het tegenoverliggende halfrond is er daarentegen dan sprake van relatief koelere zomers en warmere winters. Bij afwezigheid van enige excentriciteit zou de precessiecyclus overigens geen enkele invloed op de intensiteit van de zonne-instraling hebben.
De afbeelding hieronder geeft een extreem voorbeeld weer van een excentrische omloopbaan met hierin het perihelium en aphelium. De baan van de aarde om de zon is overigens veel minder excentrisch.
Afhankelijk van waar in de omloopbaan om de zon de aarde zich bevindt, variëren de zonne-instraling over de breedtegraden en verschillende of uiteenlopende regionale temperatuursgradiënten op beide halfronden dus bovenop de seizoenen in een cyclus van ongeveer 26.000 jaar. De ‘axiale precessie’ heeft daarmee een significante invloed op de mate waarin de seizoenen zich op beide halfronden manifesteren.
Naast ‘axiale precessie’ bestaat er ook nog zoiets als ‘apsidale precessie’. ‘Apsidale precessie’ hangt samen met de mate van ellipsvormigheid van de omloopbaan van de aarde om de zon en wordt hoofdzakelijk beïnvloed door Jupiter en Saturnus. In een spirograaf-achtige beweging verandert de ruimtelijke oriëntatie van de omloopbaan van de aarde om de zon ten opzichte van de sterren voortdurend. De positie van de aarde in zijn omloopbaan om de zon schuift daarmee eveneens voortdurend op ten opzichte van een willekeurige datum en tijdstip binnen ons kalenderjaar. Wat concreet inhoudt dat de seizoenen zich ten opzichte van het perihelium en aphelium verplaatsen.
‘Apsidale precessie’ beïnvloedt overigens uitdrukkelijk niet de positie van de aarde qua scheefstaande positie ten opzichte van de zon. Als zodanig heeft het dus geen invloed op de lengte van ons ’tropisch’ of kalenderjaar, zoals ‘axiale precessie’ dat wel heeft. Maar met het ten opzichte van het kalenderjaar verschuiven van de aarde in de omloopbaan om de zon – en daarmee dus de verplaatsing van de seizoenen ten opzichte van het perihelium en aphelium – beïnvloedt ‘apsidale precessie’ wel de zonne-instraling over de breedtegraden op beide halfronden bovenop de seizoenen. De ‘apsidale precessie’ heeft daarmee een significante invloed op de mate waarin de seizoenen zich op beide halfronden manifesteren.
Beide vormen van precessie gecombineerd (axiale en apsidale precessie) leiden tot een gemiddelde precessie. De afbeelding hieronder geeft een voorbeeld weer van de verschuiving van de positie van de aarde in zijn omloopbaan om de zon. Waarbij de stippellijnen de hypothetische lijnen tussen het perihelium en aphelium voorstellen (i.c. ‘line of apsides’).
De mate van ellipsvormigheid of excentriciteit van de omloopbaan van de aarde om de zon kent verschillende cycli (zie de link) van minder ellipsvormig tot meer ellipsvormig. Deze cycli zijn hoofdzakelijk het gevolg van de aantrekkingskracht van Jupiter en Saturnus. De excentriciteit van de omloopbaan in combinatie met de gemiddelde precessie beïnvloedt per saldo de zonne-instraling over de breedtegraden – en verschillende of uiteenlopende regionale temperatuursgradiënten – bovenop de seizoenen. Een grotere excentriciteit heeft tot gevolg dat de periodieke variatie in zonne-instraling als gevolg van de precessie toeneemt. Bij afwezigheid van enige excentriciteit zou de precessiecyclus overigens geen enkele invloed op de intensiteit van de zonne-instraling hebben.
Ook de concrete lengte van de seizoenen van zonnewende tot equinox en vice versa varieert periodiek met de mate van ellipsvormigheid. Dit houdt verband met de verplaatsing van de seizoenen ten opzichte van het perihelium en aphelium en de hiermee variërende afstand van de aarde tot de zon. De baansnelheid van de aarde is namelijk altijd hoger in de nabijheid van het perihelium en lager in de nabijheid van het aphelium. Dit is namelijk hoe ellipsvormige banen werken. De afbeelding hieronder geeft een extreem voorbeeld weer van een excentrische omloopbaan. De baan van de aarde om de zon is overigens veel minder excentrisch.
Obliquiteit of de hoek van de aardas in relatie tot de lijn loodrecht op het baanvlak aarde-zon vertaalt zich in het Engels in het intuïtief veel duidelijkere ‘axial tilt’. Daarom zal ik verder consequent spreken over ‘axial tilt’. Het is de ‘axial tilt’ die er überhaupt voor zorgt dat de aarde uitgesproken seizoenen op met name de hogere breedtegraden kent.
‘Axial tilt’ heeft een periodiciteit van ongeveer 41.000 jaar. In die tijd beweegt de hoek van de aardas in relatie tot de lijn loodrecht op het baanvlak aarde-zon zich tussen zijn twee uitersten van 22,1 graden en 24,5 graden en weer terug. Zie de afbeelding hieronder. Het gevolg hiervan op de seizoenen moge duidelijk zijn. Een grotere hoek van de aardas resulteert in relatief hetere zomers en koudere winters op beide halfronden. Een kleinere hoek daarentegen in relatief koelere zomers en warmere winters op beide halfronden.
Een grotere hoek resulteert bovendien in een gemiddelde toename van de zonne-instraling op de hogere breedtegraden en een gemiddelde afname van de zonne-instraling op de lagere breedtegraden en andersom.
De zonne-instraling over de breedtegraden en verschillende of uiteenlopende regionale temperatuursgradiënten variëren op beide halfronden dus bovenop de huidige/actuele seizoenen in een cyclus van ongeveer 41.000 jaar. De ‘axial tilt’ heeft daarmee dus een significante invloed op de mate waarin de seizoenen zich op beide halfronden manifesteren.
Ook bestaat er nog zoiets als een licht variërende ‘orbital inclination’ van de omloopbaan van de aarde om de zon. Dit vertaalt zich in het variëren van de helling, inclinatie of glooiingshoek van het baanvlak aarde-zon. Zie de afbeelding hieronder. De periodiciteit hiervan bedraagt ongeveer 70.000 jaar. De ‘orbital inclination’ heeft slechts een relatief kleine invloed op de verdeling van de zonne-instraling over de breedtegraden van de aarde. Een iets grotere ‘orbital inclination’ resulteert in een lichte gemiddelde toename van de zonne-instraling op de hogere breedtegraden en een lichte gemiddelde afname van de zonne-instraling op de lagere breedtegraden en andersom.
Hiermee zijn ‘axiale precessie’ en ‘apsidale precessie’ in combinatie met de excentriciteit van de omloopbaan van de aarde om de zon, ‘axial tilt’ en ‘orbital inclination’ met hun respectievelijke periodiciteiten gezamenlijk verantwoordelijk voor een periodieke variatie in de verdeling van de zonne-instraling over de breedtegraden van de aarde. Deze specifieke factoren die rechtstreeks samenhangen met de baanmechanica van de aarde worden beschouwd als de Milanković-parameters. Waarbij vermeld moet worden dat Milanković zelf overigens nooit de ‘orbital inclination’ van de aarde heeft bestudeerd.
Het is intuïtief goed voor te stellen dat de Milanković-parameters en de verschillende cycli die hiermee samenhangen, leiden tot een zonne-instraling die periodiek varieert over de verschillende breedtegraden. Hiermee vertegenwoordigen de Milanković-parameters een klimaatfactor van betekenis.
Indien je de Engelse taal goed beheerst, is het overigens mijn aanbeveling om naar de Engelstalige versie van bovenstaande Wikipedia-pagina te switchen, omdat deze een stuk uitgebreider is.
Er bestaat daarnaast grotendeels wetenschappelijke consensus dat de combinatie van:
leidt tot een cyclus van gemiddeld 100.000 jaar met betrekking tot de ijstijden en interglacialen!!
Op deze manier wordt de baanmechanica van de aarde dus tevens geacht bij te (hebben ge)dragen aan de klimaatcyclus van de ijstijden en interglacialen. Voor meer informatie over de afwisseling tussen de ijstijden en interglacialen in dit kader verwijs ik je naar deze ankerlink binnen de Wikipedia-pagina over de Milanković-parameters.
Binnen het derde artikel zal ik tenslotte de oorzaken en consequenties van de – op een schaal van milliseconden – continu fluctuerende etmaalrotatie van de aarde om zijn eigen as bespreken.
