Erdbahnparameter

Die eigentliche Ursache für die verhältnismäßig regelmäßigen Schwankungen zwischen Kalt- und Warmzeiten im Quartär wird in der Variabilität der Erdbahnparameter gesehen. Diese Erklärung wird nach dem Pionier der Erforschung des orbitalen Antriebs auch als Milankovitch-Theorie bezeichnet. Sie besagt, dass sich die Erde nicht gleichmäßig wie ein Uhrwerk um die Sonne bewegt, sondern aufgrund der Anziehungskraft durch andere Planeten und den Mond quasiregelmäßige Abweichungen davon aufweist, die verschiedenen Zeitskalen folgen und sich vorausberechnen lassen.

Skizze der wesentlichen Änderungen in Position und Umlaufbahn der Erde mit den jeweiligen Periodendauern

Es gibt zum einen die Abweichung der elliptischen Erdbahn von der Kreisbahn, die mit 2,4 W/m² der Solarkonstanten den geringsten Effekt auf die Solarstrahlung hat, der sich allerdings auf den gesamten Globus und nicht nur auf bestimmte Breiten auswirkt. Einen größeren Einfluss hat mit ca. 20 W/m² bei z.B. 50 °N die Variation in der Neigung der Erdachse gegen die Erdbahnebene, die Obliquität, allerdings nur in den höheren Breiten und so, dass die Effekte auf Nord- und Südhalbkugel sich weitgehend ausgleichen. Noch größer ist mit 70 bis 100 W/m² bei 50 °N der Effekt der Präzession, die die Jahreszeiten auf der Erdbahn um die Sonne wandern lässt, so dass manchmal der Nord-Winter den sonnenächsten Punkt (Perihel) durchläuft wie gegenwärtig, manchmal der Nord-Sommer wie zu Beginn des Holozäns, was damals das Abtauen der eiszeitlichen Gletscher begünstigte.

In der Summe kommt es zu komplizierten Überlagerungen und Abhängigkeiten der einzelnen Effekte. So ist die Präzession von der Exzentrizität abhängig und verstärkt deren Wirkung, so dass der Wechsel von Warm- und Kaltzeiten im wesentlichen die 100 000-Jahresperiode der Exzentrizität widerspiegelt. Obliquität und Präzession sind für die globale Temperatur allein wenig wirksam, da die gegensätzlichen Wirkungen auf Nord- und Südhemisphäre sich im globalen Mittel aufheben und die atmosphärische und ozeanische Zirkulation für einen verhältnismäßig raschen Energieausgleich sorgt.

Der orbitale Antrieb kann jedoch nicht als einzige Ursache für den Beginn des Eiszeitalters und das Auslösen der einzelnen Kaltzeiten gesehen werden, da es in der Erdgeschichte auch lange Perioden ohne großflächige Eisschilde gegeben hat. Die Variationen der Erdbahnparameter waren Auslöser und geeignete Randbedingungen, deren Wirkung aber noch durch andere Faktoren verstärkt wurden. So wird der Beginn sowohl der antarktischen wie der nordhemisphärischen Vereisung in tektonischen Vorgängen und deren Einfluss auf die ozeanische Zirkulation gesehen. Außerdem spielte der CO₂-Gehalt der Atmosphäre eine wesentliche Rolle, wie eine jüngere Interpretation der antarktischen Vostok-Eiskerndaten der letzten 420 000 Jahre nahe legt. Danach soll die Konzentrationsabnahme des Treibhausgases Kohlendioxid (zusammen mit Methan und Distickstoffoxid) für ca. die Hälfte der Temperaturveränderung zwischen Warm- und Kaltzeit stehen. Andere positive Feedbackprozesse wie die Eis-Albedo-Rückkopplung und die Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Atmosphäre spielten eine zusätzliche Rolle. Für die Schwankungen innerhalb der Kaltzeiten zwischen sogenannten Stadialen und Interstadialen werden Rückkopplungseffekte im Zusammenhang mit der thermohalinen Zirkulation angenommen.