Veranderingen in hoeveelheid zonnestraling Rechtstreekse input van zonnestraling De meest belangrijke externe factor die een invloed heeft op het klimaatsysteem is de zonnestraling. Men heeft lang gedacht dat de zon een constante hoeveelheid straling uitzond, die een energie opleverde van 1370 W/m², de zonneconstante. Metingen van de zonnestraling gebeuren dagelijks via satellieten sedert het einde van de jaren 1970. Satellietmetingen hebben aangetoond dat de zonneconstante meer varieert dan men eerder dacht. De best gekende oorzaak van variaties in de zonnestraling is het bestaan van zonnevlekken. Zonnevlekken zijn donkere, relatief koelere vlekken op het zonne-oppervlak. Het aantal zonnevlekken kan variëren van nul tijdens een minimum tot tweehonderd tijdens een maximum en volgt een elfjarige cyclus, ingebed in langere cycli van 22 jaar, 80-90 jaar, tot zelfs 180 jaar. Zonnevlekken blokkeren de stroom van warmte en energie van het binnenste van de zon naar het oppervlak, maar het negatieve effect van zonnevlekken op de energie output van de zon wordt overgecompenseerd door het tegelijkertijd optreden van witte, hetere gebieden op het zonsoppervlak, de fakkelvelden, die zorgen voor een grotere energiestroom. Het netto-effect is een hogere hoeveelheid uitgezonden straling als er meer zonnevlekken zijn en omgekeerd. Er waait voortdurend een stroom van geladen deeltjes van de zon naar de aarde, de zonnewind, die intenser is als er meer zonnevlekken zijn. In de bovenste gebieden van de atmosfeer veroorzaakt de zonnewind de vorming van koolstof-14 en stikstofoxiden, die de ozonlaag aantasten. Een mooie correlatie tussen het aantal zonnevlekken en de temperatuur op Aarde is waar te nemen tijdens de Kleine IJstijd. Van 1650 tot 1730 daalde het aantal zonnevlekken bijna tot nul. Deze periode, ook wel het Maunder Minimum genoemd, komt overeen met de strengste winters tijdens de Kleine IJstijd. Tijdens de elfjarige cyclus is er in de voorbije eeuw een variatie opgetreden van 0,1% in de uitgezonden straling. Deze factor kan verantwoordelijk zijn voor maximaal 1/3 van de globale temperatuurstoename tijdens de eerste helft van de 20ste eeuw. Aardbaanparameters Er zijn 3 factoren die cyclische variaties veroorzaken in de manier waarop de Aarde rond de Zon draait. Excentriciteit De Aarde beschrijft een ellipsvormige baan rond de Zon. In een periode van ongeveer 96 000 jaar verandert de excentriciteit (mate waarin die baan afwijkt van een cirkel) waardoor de afstand tussen Aarde en Zon verandert. Op dit moment staat de Aarde het dichtst bij de zon (perihelium) op 2-3 januari, als het winter is in het noordelijk halfrond. De Aarde staat het verst van de zon (aphelium) op 5-6 juli. De Aarde ontvangt 7% meer zonnestraling in januari (1400 W/m²) dan in juli (1311 W/m²). Op het moment dat de Aarde in zijn meest elliptische baan beweegt, kan dit verschil oplopen tot 25%. Het is wel zo dat voor elke plaats op Aarde de totale jaarlijkse hoeveelheid ontvangen energie niet verandert, alleen de seizoenale verschillen veranderen. Obliquiteit De as waarrond de Aarde draait maakt een hoek met het vlak waarin de Aarde om de Zon draait. Dit veroorzaakt het ontstaan van seizoenen. Deze hellingshoek (obliquiteit) is niet constant, en de verandering kent een cyclus van ongeveer 41 000 jaar. Op dit moment bedraagt de obliquiteit 23,5°. Dit heeft tot gevolg dat op 21 juni de Zon ’s middags loodrecht op de Kreeftskeerkring (23,5°N) staat en dat op 21 december de Zon ’s middags loodrecht op de Steenbokskeerkring (23,5°Z) staat. In een volledige cyclus varieert de hoek tussen 21,8° en 24,4°. Dit heeft een effect op de contrasten tussen de seizoenen; bij een grotere hellingshoek zijn de hogere breedtes verder weggekeerd van de zon tijdens hun winter en meer naar de zon toe gekanteld tijdens hun zomer. Precessie De aardas schommelt ook, zoals een draaiende tol. Dit noemt men precessie van de aardas (periode van ongeveer 23 000 jaar). Op dit moment is de aardas naar de Poolster gericht, maar door de precessie verandert dit in de loop van de tijd; de aardas zal in de toekomst gericht zijn naar de ster Vega en dan terug naar de Poolster. Tengevolge van deze precessie draait ook de elliptische baan rond en bewegen het perihelium en aphelium. Deze drie aardbaanparameters werken samen met elkaar en veroorzaken op lange termijn cyclische veranderingen in de intensiteit van de ontvangen zonnestraling op bepaalde breedtes en in bepaalde seizoenen, en zijn daarmee in belangrijke mate verantwoordelijk voor de variaties van het klimaat op lange termijn. Men spreekt van de Milankovitch parameters; Milankovitch probeerde de invloed van de aardbaanparameters op het klimaat te berekenen. Volgens zijn theorie zijn de variaties van de aardbaanparameters verantwoordelijk voor de 100 000 jarige cyclus van IJstijden.