Wie beeinflusst der Jupiter das Klima der Erde?

Keine Sorge, dieser Artikel wird weder astrologisch noch sonst irgendwie esoterisch. Aber es geht tatsächlich um die Frage, wie der Jupiter das Klima der Erde beeinflusse kann. Direkt geht das natürlich nicht. Es gibt keine relevante elektromagnetische Strahlung die vom Jupiter bis zur Erde kommt und hier direkt in unser Klima eingreift. Aber indirekt hat der größte Planet unseres Sonnensystems durchaus Auswirkungen auf das, was auf der Erde passiert.

Grundsätzlich wird das Klima natürlich die Sonneneinstrahlung auf die Erde bestimmt und hängt erst mal massiv vom Abstand zur Sonne ab. Auch die Neigung der Erdachse sorgt dafür, dass sich die auf den Erdboden auftreffende Energiemenge im Laufe des Jahres unterschiedlich verteilt und erzeugt so die Jahreszeiten. Und die Zusammensetzung der Atmosphäre beeinflusst das Klima selbstverständlich auch maßgeblich – seit wir Menschen angefangen haben die Zusammensetzung der Atmosphäre zu verändern merken wir das ja recht deutlich. Und dann sind da noch die Plattentektonik, der Vulkanismus und jede Menge andere Einflüsse.

Die Menge an Sonnenlicht das auf die Erde trifft spielt aber weiterhin die wichtigste Rolle. Wenn sich hier etwas fundamental ändert, dann ändert sich auch das Klima. Kurzfristig tut sich in der Hinsicht nichts, denn der Abstand zwischen Erde und Sonne bleibt mehr oder wenig gleich. Aber langfristig ändert sich die Bahn der Erde sehr wohl!

Die gravitativen Störungen der anderen Planeten sorgen dafür, dass die Erdbahn in periodischen Abständen immer ein wenig größer und kleiner wird. Die Bahn wird außerdem mal mehr und mal weniger kreisförmig und schwankt im Raum hin und her. Je nachdem wie diese verschiedenen Veränderungen zusammenspielen, kann es auf der Erde zu Warm- oder Eiszeiten kommen. Die periodischen Veränderungen der Erdbahn nennt man Milankovic-Zyklen und ich habe mich hier und hier schon mal ausführlicher damit beschäftigt.

Im Prinzip hat jeder der 7 anderen Planeten einen Einfluss auf die Veränderungen der Erdbahn; in der Praxis ist es aber vor allem Jupiter, der die Erdbahn stört. Wie genau Jupiter nun das Klima auf der Erde beeinflusst, wollen Jonathan Horner von der University of New South Wales und seine Kollegen herausfinden. Sie sind vor allem an der Frage interessiert, was man von Erde und Jupiter über andere Sonnensysteme lernen kann. Wenn demnächst die neuen großen Teleskope jede Menge erdähnliche Planeten entdecken, dann wollen wir natürlich wissen, wo sich eine genauere Betrachtung lohnt wenn wir Leben finden wollen. Viele Faktoren die die Habitabilität eines Planeten beeinflussen lassen sich nicht so einfach untersuchen. Wir werden noch sehr lange nicht in der Lage sein, die Plattentektonik oder den Vulkanismus auf Exoplaneten zu untersuchen. Wir werden auch noch einige Zeit brauchen, bevor wir die Atmosphären analysieren können. Aber wir können nachsehen, ob es in den Systemen noch weitere, große Planeten gibt. Und wenn wir dann wissen, wie sich die Anwesenheit eines großen Gasriesen auf das Klima eines kleinen erdähnlichen Planeten auswirkt, dann hilft uns das schon weiter.

Horner und seine Kollegen haben daher in Computermodellen genau untersucht, wie der Jupiter die Erde beeinflusst und die vorläufigen Ergebnisse kürzlich veröffentlicht („The role of Jupiter in driving Earth’s orbital evolution“). Dazu haben sie am Computer die Veränderung der Erdbahn unter dem gravitativen Einfluss der restlichen Planeten verfolgt. Allerdings nicht nur mit dem realen Jupiter sondern mit vielen verschiedenen „Kopien“ um zu sehen, was passieren würde, wenn Jupiter sich auf einer anderen Bahn befinden würde.

Hier ist ein Beispiel:

Oben links sieht man, wie sich die Exzentrizität der Erdbahn im Laufe der Zeit verändert. Sie schwankt mit einer Periode von ein paar tausend Jahren zwischen einer fast kreisförmig Bahn (Exzentrizität=0) und einer immer noch fast kreisförmigen Bahn (Exzentrizität=0,05). Das Bild rechts oben zeigt genau das gleiche – nur wurde die Simulation diesmal nicht mit dem echten Jupiter durchgeführt sondern einer Kopie. Dieser kopierte Jupiter befindet sich nicht auf seiner üblichen kreisförmigen Bahn sondern hat eine deutliche Exzentrizität von 0,2. Das wirkt sich auch auf die Erde aus: Diesmal schwankt ihre Exzentrizität zwischen 0 und 0,25. Die beiden Bilder rechts und links unten zeigen das gleiche, nur diesmal mit der Bahnneigung (Inklination) der Erdbahn. Hier hat die Veränderung in der Bahn des Jupiters allerdings so gut wie keine Auswirkungen.

Wie komplex der Einfluss von Jupiter ist, zeigt dieses Diagramm:

Hier sieht man die gesammelten Ergebnisse von jeder Menge Simulationen. Jeder Datenpunkt in diesem Bild entspricht einer Simulation, also einer bestimmten Kopie des Jupiters. Verändert wurde sein Abstand zur Sonne („Semi-Major Axis“) und seine Exzentrizität. Die Farbe des Datenpunkts zeigt, welchen Maximalwert die Exzentrizität der Erde in dieser Simulation erreicht hat (auf einer logarithmischen Skala). Blaue Regionen zeigen an, wo die Exzentrizität der erde wenig schwankt; rote Bereiche zeigen an wo sie stark schwankt und wo ein dementsprechend instabiles und chaotisches Klima herrschen würde. Die Simulation die dem echten Sonnensystem entspricht ist mit einem schwarzen Kreis markiert.

Man erkennt zuerst, dass die Variation der Erd-Exzentrizität um so stärker wird, je weiter Jupiter von der Sonne weg rückt; d.h. in rechten Bereich des Diagramms ist es eher rot/gelblich und links ist es blau. In der vertikalen Richtung gibt es aber keine solche Ordnung. Hier wechseln rote und blaue Regionen ab und es gibt keine klare Regeln, welche Exzentrizität des Jupiters zu welchem Verhalten der Erde folgt. Der Grund für diese Komplexität sind sogenannte säkulare Resonanzen, die ich hier genauer erklärt habe. Kurz gesagt geht es darum, dass Störungen besonders stark oder schwach werden können, wenn die Geschwindigkeiten mit der sich die Bahnen zweier Planeten verändern in einem ganzzahligen Verhältnis stehen.

Horner und seine Kollegen haben noch ein paar andere Simulationen durchgeführt und zum Beispiel gezeigt, dass es im Prinzip keine Rolle spielt, was Jupiter treibt wenn es nur um die Inklination der Erdbahn geht. Die Neigung der Erdbahn ändert sich kaum, egal auf welcher Bahn sich Jupiter bewegt. Die veröffentlichten Ergebnisse sind allerdings nur vorläufig. Es soll noch eine viel ausführlichere Analyse folgen und das ist meiner Meinung nach auch dringend nötig.

Die hier vorgestellten Daten sind zwar interessant, aber auch nicht wirklich außergewöhnlich. Simulationen dieser Art werden schon seit Jahrzehnten gemacht und es ist nicht wirklich sonderlich kompliziert – so etwas bekommen auch schon Studenten hin, die sich ein bisschen mit den entsprechenden Computerprogrammen beschäftigt haben. Fragen der Art „Wie verändert sich die Bahn von Planet X wenn sich die Bahn von Planet Y verändert“ sind quasi das tägliche Brot der Himmelsmechaniker und gerade bei Planeten des Sonnensystems hat man das schon mehr als ausführlich untersucht (hab ich früher natürlich auch gemacht). Wirklich interessant wäre es hier aber, wenn man nicht nur die Veränderungen in der Erdbahn berechnet, sondern auch gleich ein paar Rechnungen mitlaufen lässt, die bestimmen, wie sich die Sonneneinstrahlung auf den Planeten verändert. Dann hat man ein Maß für die Stabilität des Klimas und das ist es ja, um das es geht. Das ist natürlich ein bisschen komplexer und braucht mehr Zeit. Die Autoren sagen allerdings auch am Ende ihres Artikels, dass sie für die Zukunft genau solche Arbeiten geplant haben. Ich bin gespannt!