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Insolation

Insolation

Die Insolation bezeichnet die Sonnenbestrahlung der Erde in Watt pro Quadratmeter [W/m²]. Klimaforscher berechnen Zeitreihen der Insolation durch Entnahme und Analyse von Bohrkernen, welche im Eis der Arktis bei etwa 65 Grad nördlicher Breite gewonnen werden. Die Insolation ist zeitlich variant, weil sich die Erdumlaufbahn im Laufe der Jahrmillionen ändert. Drei Effekte, die hier komprimiert wiedergegeben sind, fließen ein:

• Die Exzentrizität: Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne weist eine wechselweise kreis- bzw. elliptische Form auf. Ein Zyklus dauert etwa 100.000 Jahre. Eine weitere Periodizität beträgt 413.000 Jahre. Die Exzentrizität bezeichnet das Verhältnis , also das Verhältnis der Strecke zwischen dem Mittelpunkt der Umlaufbahn zum sonnennächsten Punkt und der Strecke zwischen dem Mittelpunkt zu einem der Brennpunkte der Umlaufbahn, siehe Abbildung. Der Effekt ist allerdings sehr schwach und sollte nicht sichtbar sein.
• Die Erdachse steht nicht senkrecht, sondern gegenüber der Umlaufbahn geneigt. Der Winkel verändert sich um einige Grad (ca. 21.39 … 24.63 Grad innerhalb der letzten 2 Millionen Jahre) mit einer Periode von 41.000 Jahren. Dieser Effekt muss stark sichtbar sein.
• Die Lage der Äquinoktien und Präzession des Erdkreisels: Ähnlich wie ein Kreisel beim Ablaufen ins Schwanken gerät, bewegt sich auch die Erdachse kreisförmig. Als Resultat zeigt sie manchmal gegen den Polarstern, dann wieder etwas daneben. Dies geschieht mit einer Doppelperiode von 23.000 und 19.000 Jahren.

Die Menge der Sonnenbestrahlung über lange Zeiträume hinweg kann das Klima beeinflussen.

Abbildung: Die Einflüsse auf die Insolation der Erde - (Grafik entnommen aus Claußen, Martin: Paläoklimatologie, Kurs, Potsdam-Institut für Klimaforschung, 2004, Kapitel 2: Das Klima des Pleistozäns)

Ein geeignetes Analyseverfahren sollte möglichst alle der oben genannten Periodizitäten nachweisen können, also Periodizitäten von etwa

• 413.000 Jahren
• 100.000 Jahren
• 41.000 Jahren
• 23.000 Jahren und
• 19.000 Jahren.

Darüber hinaus sollte eine eventuelle Variation der Periodizitäten nicht nur feststellbar, sondern auch genau messbar sein.

Mit der Software TFA, die den Algoritmus DXP-Spektralanalyse enthält, ist das einfach möglich, siehe Beispiel 3.1 Geophysik: Insolationsforschung.

Folgende Übersichts-Abbildung zeigt zwei Insolations-Spektrogramme: Links mit FFT-Berechnung, rechts mit DXP.

Abbildung: Analyse der Insolation über der Zeit: - Links: FFT - Rechts: DXP bei genauer Messung der Erdachsenbewegung

Literatur

• Laskar, J., 1990. The chaotic motion of the solar system: a numerical estimation of the size of the chaotic zones. Icarus 88, 266-291.
• Laskar e tal. 2004, A long term numerical solution for the insolation quantities of the Earth. Astron. Asyrophys. 428, 261-285.
• Claußen, Martin: Paläoklimatologie, Kurs, Potsdam-Institut für Klimaforschung, 2004, Kapitel 2: Das Klima des Pleistozäns