Milanković-Zyklen und Asymmetrie der Sonneneinstrahlung sinnvoll erklärt

Symbolbild: Unmittelbar nach der letzten Eiszeit überlagerten sich zwei der Milanković-Zyklen in einer Weise, die ein Klimaoptimum hervorrief – eine Warmzeit, in der die Temperaturen in Deutschland um etwa 3 °C über dem heutigen Niveau lagen. In dieser nahezu paradiesischen Phase entwickelte sich unsere heutige Landwirtschaft in ihren wesentlichen Grundformen.

Warum dieses Wissen nützlich ist

➡️ Wer sich ernsthaft mit der Kultur- und Zivilisationsgeschichte der Menschheit beschäftigt – in meinem Fall besonders mit der Agrargeschichte – oder wer beim Thema Klimawandel mitreden möchte, sollte die Grundlagen der sogenannten Milanković-Zyklen kennen.

Auf Wikipedia und in zahlreichen Erklärvideos finden sich dazu ausführliche Darstellungen. Dennoch gehen in diesen Darstellungen oft jene Zahlen und Zusammenhänge unter, die für das Verständnis der klimatischen Rahmenbedingungen menschlicher Entwicklung entscheidend sind.

Im Folgenden habe ich die wesentlichen Punkte komprimiert und zugleich in einen historischen Kontext gestellt.

Die astronomischen Grundlagen

➡️ Worum es hier geht: Die sogenannten Milanković-Zyklen beschreiben drei langsame, aber regelmäßige Veränderungen in der Bewegung der Erde um die Sonne.
Diese Veränderungen wirken zusammen und verändern die Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde – also wann und wo wie viel Sonnenlicht ankommt.

Die drei maßgeblichen Einzel-Zyklen lauten:

Die Milanković-Zyklen, welche der jugoslawische Mathematiker und Geowissenschaftler Milutin Milanković (1879–1958) in einer Gesamtschau für wichtig hielt, waren die:

1. Exzentrizität – die Veränderung der Bahnelipse (Zyklen von ca. 100.000 und 405.000 Jahren)
2. Obliquität – die Schwankung der Neigung der Erdachse (Zyklus von ca. 41.000 Jahren)
3. Präzession – die Taumelbewegung der Erdachse (Zyklus von ca. 23.000–26.000 Jahren)

In diesem Beitrag geht es nicht in erster Linie um das Klima, sondern darum, diese drei Bewegungen verständlich zu machen – mit einfachen Beispielen und Zeitpunkten, an denen man sich die Folgen besser vorstellen kann. Beispiele und Quellen sind als Anhaltspunkte für weitere Recherchen genannt.

Erst im zweiten Schritt lässt sich zeigen, wie diese Zyklen die Eiszeiten und Warmzeiten beeinflussten – also nicht direkt auslösen, sondern Rahmenbedingungen schaffen, unter denen sich Klimaänderungen entfalten können. (siehe auch [7b]).

Die Asymmetrie der Sonneneinstrahlung

➡️ Wesentlich ist die Erkenntnis, dass die Verteilung der Sonnenenergie zwischen Nord- und Südhalbkugel nicht konstant ist.

Wenn die Erdachse im Verlauf der Präzession so steht, dass der nördliche Sommer in das Perihel* fällt – also in die Phase der größten Sonnennähe –, erhält die Nordhalbkugel bis zu 7 % mehr Strahlung als die Südhalbkugel.

Das war zuletzt um etwa 8700 v. Chr. (10.700 BP) der Fall [4]. Europa und große Teile der Nordhemisphäre bekamen damals ein deutliches Plus an Solarenergie, während der Süden vergleichsweise abgeschwächt bestrahlt wurde. Diese Asymmetrie erklärt, warum die nördlichen Breiten während des frühen Holozäns klimatisch bevorzugt waren.

Siehe auch: Grüne Sahara, Afrika: Um 10000 BC 

[*Perihel ist der Punkt auf der Umlaufbahn der Erde 🌍, an dem er der Sonne ☀️ am nächsten ist. Der Gegensatz dazu ist das Aphel, der sonnenfernste Punkt. Die Erde erreicht ihr Perihel derzeit etwa am 3. Januar (!) eines jeden Jahres.]

Das Atlantikum als Beispiel

➡️ Um 8000 v. Chr., zu Beginn des Atlantikums (einer Warmzeit, auch Holozän-Optimum genannt), lag der Punkt der Erdumlaufbahn, an dem die Erde der Sonne am nächsten kommt – das Perihel – im nördlichen Sommer.

Dadurch erhielt die Nordhalbkugel in der warmen Jahreszeit ein extra Portion Energie: Die Sonneneinstrahlung lag um bis zu 50 W/m² höher als heute.

Zugleich befand sich die Neigung der Erdachse (Obliquität) nahe ihrem Maximum von 24,2° [5], was die saisonalen Kontraste weiter verstärkte – also heiße Sommer, aber milde Winter [6].

Auf der Südhalbkugel dagegen fiel der Sommer in das Aphel – den Punkt der größten Sonnenferne. Dort war die Einstrahlung geringer, während der Winter ins Perihel fiel und dadurch vergleichsweise mild blieb (weil in Sonnennähe).

Das Ergebnis war ein energetisches Ungleichgewicht, das die Nordhemisphäre bevorzugte – und jene warmen, stabilen Bedingungen schuf, unter denen sich Landwirtschaft und frühe Kulturzentren erstmals großflächig entfalten konnten.

Die physikalische Logik der Zyklen

1️⃣ Die Exzentrizität verändert die Form der Erdumlaufbahn und damit den Unterschied zwischen Sonnennähe und -ferne. Sie wirkt nicht direkt auf die Asymmetrie, sondern moduliert lediglich, wie stark die präzessionsbedingten Unterschiede überhaupt ausfallen können.

2️⃣ Die Obliquität, also die Neigung der Erdachse, bestimmt die Stärke der saisonalen Kontraste insgesamt. Eine größere Neigung führt zu ausgeprägteren Sommern und Wintern auf beiden Hemisphären, eine geringere Neigung zu gemäßigten Jahreszeiten.

3️⃣ Die Präzession schließlich  bewirkt die asymmetrische Verteilung der Jahreszeiten zwischen Nord- und Südhalbkugel. Sie verschiebt, wann im Jahreslauf die Erde der Sonne am nächsten steht. Dadurch können sich die Jahreszeiten auf beiden Hemisphären entweder gegenseitig verstärken oder abschwächen – ein Effekt, der den Unterschied zwischen nördlichem und südlichem Klima über Jahrtausende hinweg rhythmisch verändert.

Heute befindet sich die Erde in einer gegenläufigen Phase: Der Perihelpunkt liegt im nördlichen Winter (siehe oben*). Dadurch sind die saisonalen Unterschiede auf der Nordhalbkugel abgeschwächt, während die Südhalbkugel etwas ausgeprägtere Sommer erfährt – ein natürlicher, zyklischer Wandel, der sich über viele Jahrtausende hinweg vollzieht.

Schlussbetrachtung

➡️ Die Milanković-Zyklen sind kein bloßes Detail astronomischer Mechanik, sondern der Taktgeber des Erdklimas.

Die daraus entstehenden asymmetrischen Einstrahlungsmuster bestimmten wesentlich die klimatischen Bedingungen, unter denen sich die menschliche Kultur entwickelte.

Wer diese Zyklen versteht, begreift, dass der Klimawandel der Erdgeschichte kein lineares, sondern ein zyklisches Geschehen ist – mit erheblichen Folgen für Vegetation, Landwirtschaft und Zivilisation.

Allerdingshaben wir mit diesen drei Zyklen (drei astronomische Parameter) nur einen Teilaspekt der Klimaschwankungen auf unserem Planeten erklärt. Weitere zyklische Ereignisse, mit verschiedensten Ursachen sind – um nur einige zu nennen die sogenannten:

1. Milanković-Zyklen → siehe Wikipedia
2. Dansgaard-Oeschger-Ereignisse (DO-Ereignisse); abrupte Klimaschwankungen während der letzten Kaltzeit, die zuerst in Eisbohrkernen aus dem Grönländischen Eisschild identifiziert wurden. → siehe Wikipedia
3. Heinrich-Ereignisse (HE-Ereignisse; Ice flow surges); Perioden beschleunigter Eisvorstöße und derer Abflüsse ins Meer. → siehe Wikipedia
4. Bond-Ereignisse (Im Zusammenhang mit DO und HE); Episoden in der Nacheiszeit, in denen kühleres Oberflächenwasser und Treibeis aus dem Arktischen Ozean, dem Europäischen Nordmeer und der Labradorsee nach Süden und Osten bis tief in wärmere subpolare Gewässer getrieben wurden; meist in Zyklen von 1500 Jahren.→ siehe Wikipedia
5. Langfristige solare Variabilität: Es gibt Hinweise auf solare Aktivitätsminima (z. B. Maunder‐Minimum ca. 1645-1715) und -maxima im vergangenen Jahrtausend. https://www.whoi.edu/cms/files/gray10regv_240624.pdf
6. Langfristige solare Variabilität: Studien schlagen Zyklen oder Beat-Muster von z. B. ~61, ~115, ~983 Jahren vor (z. B. in der Arbeit von Nicola Scafetta) https://arxiv.org/abs/1203.4143
7. Iron Hypothesis (Eisen-Hypothese) … Info folgt

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Quellen und Erläuterungen

[1] https://svalgaard.leif.org/ Forschungsseite von Dr. Leif Svalgaard, einem bekannten Forscher im Bereich der Sonnenphysik und der Sonnen-Erd-Beziehungen. Die Seite dient als umfassendes Archiv und zentrale Anlaufstelle für seine wissenschaftlichen Arbeiten und Daten. Forschungsschwerpunkt: Die Seite ist dem Studium der Sonnenaktivität und ihrer Auswirkungen auf das interplanetare und Erdmagnetfeld gewidmet. Schlüsselthemen sind Sonnenflecken, Sonnenzyklen, die solare Magnetosphäre und die langfristige Variation der Sonnenaktivität.

[2] Milanković, M. (1941): Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem.

[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Milutin_Milankovi%C4%87

[3a] Bildquelle; https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Milutin_Milankovi%C4%87_2.jpg

[4] Obliquität (Achsenneigung): Ihr Maximum war tatsächlich um 8700 v. Chr., was die saisonalen Kontraste global verstärkte. Das trug zur Erwärmung bei, war aber nur ein Faktor.
Präzession (Wackelbewegung): Der Peak für die nördliche Sommerinsolation (Perihel im Sommer) lag um 8000–7500 v. Chr., was den stärksten Einfluss auf das Schmelzen der Eisschilde hatte – bis zu +50 W/m² mehr als heute.
Kombiniertes Maximum: Die Überlagerung beider (plus Exzentrizität) ergibt das effektive Insolationsmaximum für die Nordhemisphäre um 7000 v. Chr.), was das Holozän-Klimaoptimum antrieb.

[5] Die Neigung der Erdachse – auch Obliquität genannt – verändert sich langsam in einem Rhythmus von etwa 41.000 Jahren zwischen rund 22,1° und 24,5°.
Zurzeit beträgt sie etwa 23,4° und nimmt allmählich ab. Wenn die Achse flacher steht, werden die Jahreszeiten weltweit milder: Die Sommer in den hohen Breiten sind weniger heiß, die Winter etwas wärmer. Dadurch kann sich Eis langfristig leichter halten oder neu bilden. Wir leben also derzeit in einer Phase leicht abnehmender Achsneigung, die unter natürlichen Bedingungen eine langsamer werdende Abkühlung begünstigen würde – überlagert allerdings von der heutigen, menschlich verursachten Erwärmung.

[6] Die beiden Erdhalbkugeln reagieren unterschiedlich auf Veränderungen der Sonneneinstrahlung, weil sie sehr verschieden aufgebaut sind.
Die Nordhalbkugel besteht zu großen Teilen aus Landmassen, die sich rasch erwärmen und ebenso schnell wieder abkühlen – ihr Klima reagiert daher besonders empfindlich auf Schwankungen der Sonnenenergie. Allerdings wird diese Wirkung regional abgemildert, etwa in Westeuropa, wo der Golfstrom als warmes Meeresband für ein vergleichsweise mildes Klima im Winter sorgt und die jahreszeitlichen Extreme deutlich abschwächt.
Die Südhalbkugel dagegen ist überwiegend von Ozeanen bedeckt. Deren Wassermassen speichern Wärme langfristig und geben sie nur langsam wieder ab. Diese hohe Wärmeträgheit wirkt wie ein Puffer: Änderungen in der Sonneneinstrahlung werden abgeschwächt, und das Klima bleibt insgesamt stabiler und ausgeglichener.

[7] Ausführlichere Erläuterung der Graphik: Erklärung der Milanković-Kurven (für 650.000 Jahre)

Diese Grafik, die auf den Berechnungen von Milutin Milanković basiert , zeigt, wie astronomische Zyklen die Eiszeiten (Kaltzeiten) und Warmzeiten unseres Planeten steuern. Die Hauptaussage: Das Klima ändert sich, weil die Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde – und nicht die Gesamtmenge – schwankt. Entscheidend ist die Sonneneinstrahlung im Sommer in den nördlichen Regionen. Grafik und These satmmen aus dem Jahr 1924 [siehe 7b].

I. Die Auslöser der Kaltzeiten (Unterer Diagrammteil)

• Der untere Teil zeigt die drei astronomischen Bewegungen der Erde, die den gesamten Zyklus antreiben:
• Exzentrizität (Form der Umlaufbahn),
• Achsneigung (\epsilon) (Grad der Achsenneigung), und
• Präzession (e \cdot \sin\Pi) (Taumeln der Erdachse).

II. Der Klimaschalter (Oberer Diagrammteil)

Zunächst zeigt der obere Teil, wie sich diese Bewegungen auf das Klima auswirken. Er misst die Stärke der Sonneneinstrahlung in den Nordsommern, dargestellt als „Breiten-Äquivalente“ (ein Maß dafür, wie warm oder kühl der Sommer war).
Kurven I, II, und III: Diese Kurven zeigen die Schwankungen der Einstrahlung für die kritischen geografischen Breiten (55^\circN, 60^\circN, 65^\circN). Ein niedriger Wert bedeutet einen kühlen Sommer, der Schnee vom letzten Winter nicht vollständig abschmelzen lässt \rightarrow Eiszeit.
Die Kurven IV und V unten (Solar Forcing): Die dicke, durchgezogene Linie ist das Gesamtergebnis („Solar Forcing“ oder solare Antriebskraft) aller Zyklen. Sie entsteht aus der Kombination der Achsneigung (\epsilon) und der Präzession (e \cdot \sin\Pi) (die dünnen Linien).

Der Nullpunkt ganz rechts im Bild (0 Jahre) bezieht sich auf die aktuelle Einstrahlung in unserer heutigen Warmzeit.

[7b] Heute wird davon ausgegangen, dass die Milanković-Zyklen zwar die Eiszeiten erklären, aber nur als taktgebebnder Teil. Sie bestimmen unter bestimmten Umständen komplexere Vorgänge, wann Glaziale (Eiszeiten) beginnen und enden.

[8] Weitere Literatur

• https://www.whoi.edu/cms/files/gray10regv_240624.pdf
• https://pro-physik.de/nachrichten/datierung-mit-kosmischer-strahlung