De snelle opwarming van de aarde die we nu zien is het gevolg van de uitstoot van broeikasgassen door de verbranding van fossiele brandstoffen. De grote klimaatschommelingen uit het verleden die we kennen als ijstijden vonden hun oorzaak in variaties in de baan van de aarde rond de zon en de stand van de aardas. Hoe zit dat precies?
Sinds de overgang van het Plioceen naar het Pleistoceen, 2,6 miljoen jaar geleden, wisselen glacialen (ijstijden) en interglacialen elkaar af met grote schommelingen in de wereldgemiddelde temperatuur. De ijstijden zijn het gevolg van variaties in de hoeveelheid en de verdeling van de zonnestraling die de aarde bereikt. Pas toen de aarde aan het eind van het Plioceen voldoende was afgekoeld en er grote permanente ijskappen konden ontstaan, werden deze variaties in instraling voldoende om glacialen daadwerkelijk te laten beginnen en eindigen. Tijdens perioden met minder zomerinstraling op hoge breedten krijgen poolkappen en gletsjers de kans om aan te groeien tot aan lagere breedtegraden en zo de aanzet te geven tot een nieuwe ijstijd.
In 1920 beschreef de Servische wetenschapper Milutin Milankovitch hoe periodieke astronomische variaties in de aardbaan de verschillen in zonnestraling sturen en mogelijk aanleiding konden geven voor ijstijden. De variaties in de aardbaan worden veroorzaakt door de onderlinge aantrekkingskracht van de zon en de planeten in ons zonnestelsel en zijn nauwkeurig uit te rekenen. Het was een geweldige ontdekking in 1976 dat de timing van de ijstijden inderdaad goed samen bleek te vallen met de berekende variaties in de aardbaan.
De zogeheten Milankovitch-cycli bestaan uit drie componenten: excentriciteit, obliquiteit en precessie en kennen verschillende tijdschalen. Samen bepalen zij in grote mate het ritme van de klimaatschommelingen van het Pleistoceen.
De aarde draait niet in een perfecte cirkel rond de zon, maar in een subtiele ellips. De mate van ellipsvormigheid, excentriciteit genoemd, varieert langzaam elke 100.000 jaar, en in mindere mate elke 400.000 jaar. Momenteel is die excentriciteit klein, waardoor de aarde elk jaar bijna een perfect rondje om de zon maakt, maar over 50.000 jaar zal dat niet meer het geval zijn. Dat heeft gevolgen voor de lengte van de seizoenen.
Volgens de wetten van Kepler beweegt de aarde namelijk sneller wanneer zij dichter bij de zon staat (perihelion, 4 januari), en trager wanneer zij verder weg staat (aphelion, 5 juli). Daardoor duurt de zomer op het noordelijk halfrond iets langer dan de winter, en vice versa voor het zuidelijk halfrond. Momenteel is dat verschil niet zo groot, namelijk ongeveer 4,5 dagen, maar wanneer de excentriciteit toeneemt, worden deze verschillen groter.
De aarde staat gekanteld ten opzichte van haar baanvlak. De hoek die de draaias van de aarde maakt met de loodlijn van het baanvlak, oftewel de obliquiteit, is nu 23,5 graden. Dankzij de obliquiteit staat de aarde in de zomer naar de zon toe geheld. Met andere woorden, zonder deze kanteling waren er geen seizoenen op aarde geweest. De obliquiteit varieert in een cyclus van 41.000 jaar tussen 22,1 en 24,5 graden. Een grotere kanteling versterkt de seizoenen; de zomers krijgen dan meer zonnestraling en de winters minder. Een kleinere kanteling verzwakt de seizoenen, wat vooral bepalend is voor de hoeveelheid sneeuw die in de zomer wegsmelt. Obliquiteit is daarmee een belangrijke factor voor het blijven bestaan of afsmelten van grote ijskappen.
De aarde staat niet alleen gekanteld, maar maakt daarnaast ook een tolbeweging. Deze tolbeweging (precessie) bepaalt wanneer de seizoenen plaatsvinden ten opzichte van de baan de aarde. Op dit moment valt de winter op het noordelijk halfrond rond perihelion, de zomer rond aphelion wanneer de aarde verder van de zon afstaat. Dat betekent dat het noordelijk halfrond nu relatief zachte zomers heeft. Over ongeveer 13.000 jaar is het andersom en heeft het noordelijk halfrond weer warmere zomers. Precessie van de aarde heeft een cyclus van 26.000 jaar, en beïnvloedt het klimaat vooral wanneer de excentriciteit groot is, omdat het verschil in afstand zon-aarde tussen perihelion en aphelion dan het grootst is.
Niet alleen de aarde maakt een tolbeweging, maar ook de baan die de aarde rond de zon maakt kent een precessiecyclus. Deze twee bij elkaar opgeteld zorgen voor een precessiecyclus van 21.000 jaar.
Alle drie Milankovitch-cycli werken tegelijkertijd, elk met een eigen tijdschaal. Obliquiteit bepaalt de sterkte van de zomers op hoge breedten en is de primaire controle op sneeuwsmelt. Precessie verschuift zomer en winter ten opzichte van perihelion en versterkt of verzwakt zomers, wat cruciaal is voor de timing van het einde van glacialen. Excentriciteit verandert de instraling nauwelijks, maar bepaalt wel de kracht van precessie en structureert zo het ritme van grote ijstijden. De variaties in instraling alleen zijn niet genoeg om de ijstijden te verklaren, andere processen als de reflectie van zonlicht door sneeuw en ijs en variaties in de hoeveelheid co2 in de lucht versterken het effect van de variaties in instraling en zijn essentieel om een ijstijd in te luiden en te beëindigen. De variaties in instraling bepalen vooral de timing van de ijstijden, andere processen de intensiteit.
Het einde van de vorige ijstijd, zo’n 12.000 jaar geleden, werd ingeleid door een fase van toenemende obliquiteit, aangevuld door een gunstige precessiestand die de zomerinstraling verder verhoogde. De hoogste temperatuur werd bereikt zo'n 6000 jaar geleden tijdens het mid-holoceen maximum. Sindsdien daalt de zomerinstraling weer door precessie en neemt ook de obliquiteit af waardoor de aarde weer afkoelde totdat de uitstoot van broeikasgassen door de mens voor een opwarming zorgde. Zonder tussenkomst van de mens zou een eventuele nieuwe ijstijd weer mogelijk zijn wanneer een lage obliquiteit samenvalt met een precessiestand waarbij de zomer op het noordelijk halfrond optreedt in het aphelion. Over 15000 of 45000 jaar vanaf nu.
