De winter is weer begonnen, 21 en 22 december zijn de kortste dagen. En afgelopen week werd er volop geschaatst. Hoe komt het dat het elk jaar weer winter wordt en is dat altijd zo geweest? Alles is feitelijk gebaseerd op natuurkunde. Ik maakte op 21 december deze foto om 8 uur in de ochtend: de zon zou pas drie kwartier later opkomen. We zitten in de donkere dagen voor Kerstmis.

Seizoenen

De oorzaak van het ontstaan van de seizoenen wordt gevormd door de hellingshoek van de aarde t.o.v. zijn omloopvlak om de zon. (Obliquiteit). De aarde hangt als het ware een beetje scheef in zijn baan om de zon. Dat doen alle planeten, de hellingshoek is niet bij al deze planeten hetzelfde, maar behalve bij Uranus komt die toch aardig in de buurt van hoe het bij de aarde is: 23,45 graden, Bij Uranus is deze 98 graden. Alle planeten zijn in dezelfde tijd ontstaan, maar bij Uranus moet er iets gebeurd zijn: hij heeft een aardige opzwieper gehad. Maar dat is weer een ander verhaal.

Het omloopvlak van de aarde en van de andere planeten om de zon blijft steeds hetzelfde. Deze hellingshoek veroorzaakt de seizoenen. Door die hoek is in zijn baan om de zon de aarde voor de ene helft meer van de zon afgekeerd, krijgt minder licht, de andere helft krijgt dan juist meer licht. Rond 21 december valt er op het noordelijk halfrond het minste licht. Op de noordpool zelfs helemaal geen licht. Een half jaar later is dat omgekeerd.

De evenaar is afgeplat

Dan is er nog iets. De hellingshoek schommelt in de loop van de eeuwen enigszins. Bij een maximum van ongeveer 24,5⁰ graden zijn de dagen in de winter nog korter en de zomers nog langer. Bij een minimum van 22,1⁰ is dat omgekeerd. Op onderstaande afbeelding kun je zien hoe deze schommeling plaats vindt. Hij schommelt op en neer, elke zwiep duurt zo’n 13.000 jaar, dan gaat hij weer de andere kant op.

De aarde is dus enigszins te vergelijken met een tol die niet precies rechtop staat. De schommeling wordt veroorzaakt doordat de aarde in de buurt van de evenaar platter is dan bij de polen. De zon oefent een kracht uit op het massaoverschot dat zich door de afplatting van de aarde rondom de evenaar bevindt. Deze kracht zal proberen de hellingshoek kleiner te maken, deze kracht werkt dus tegengesteld aan de zwaartekracht op een speelgoedtol.

Precessie

Doordat de aarde om haar as draait, is het resultaat dat de aardas zelf een kegel rondom de pool van de ecliptica beschrijft. (De ecliptica is de hemel zoals wij die zien met daarin ’s nachts dus de sterrenbeelden. De pool van de ecliptica is op dit moment het punt waar wij de poolster zien). Dit uit zich in een uiterst langzame verplaatsing van de noordpool aan de hemel, zij beschrijft een cirkel van 23,5 graden rondom de pool van de ecliptica. Hierdoor schuift t.o.v. de sterren het punt van de noordpool op. Nu zien we het noorden bij de poolster. Maar in de loop van de tijd verschuift de pool langzaam langs allerlei andere sterrenbeelden, totdat hij na 26000 jaar weer bij de poolster is. Deze verschuiving noemen we de precessie. De periode van de precessie is 26.000 jaar.

De dagen waarop de winter in de lente overgaat of waarop de zomer in de herfst overgaat vallen samen met de momenten waarop de aardas noch naar de zon toe, noch van de zon af wijst. De dagen en nachten zijn dan overal even lang. Doordat de baan van de aarde om de zon geen volmaakte cirkel is, betekent die precessie ook dat de lengte van de zomers ten opzichte van die van de winters varieert. Tegenwoordig is op het noordelijk halfrond de zomer daardoor 7 dagen langer dan de winter, maar over 10.000 jaar is dat als gevolg van de precessie net andersom, dan zijn de zomers op het zuidelijk halfrond juist langer.

IJstijden

De hellingshoek (obliquiteit), de precessie en de onvolmaaktheid van de cirkelbaan (excentriciteit) zijn samen de parameters die er voor zorgen dat er een zeker ritme ontstaat bij het ontstaan van de ijstijden. Ze kunnen elkaar versterken en ze kunnen elkaar tegenwerken. Daarnaast zijn er ook nog een aantal factoren die van invloed kunnen zijn. Zonnevlekken maken dat het iets warmer op aarde kan worden. Vulkaan uitbarstingen kunnen het zonlicht temperen (het wordt kouder), maar tegelijk wordt er CO2 uitgestoten waardoor het op de lange termijn juist warmer wordt. Maar de factoren die onafwendbaar steeds maar weer invloed hebben in een vast regelmatig patroon zijn de excentriciteit, de obliquiteit en de precessie.
Excentriciteit: In een periode van 100.000 jaar schommelt de aarde in zijn baan van een bijna volmaakte cirkelbaan naar een ellipsvormige. In de “cirkelperiode” smelt er meer ijs op het noordelijk halfrond dan tijdens de “ellipsperiode”.
Obliquiteit: deze zorgt ervoor dat bij een minimale hellingshoek van 22,1 graden minder zonlicht op aarde komt en er minder ijs smelt, bij 24.5 graden juist veel meer. De obliquiteit wisselt om de 41.000 jaar.
Precessie: Veroorzaakt de verschillen in de lengte van de zomer op noordelijk of zuidelijk halfrond in een patroon dat zich na 26.000 jaar weer herhaalt.
Al deze factoren kunnen elkaar versterken of juist tegenwerken. Als ze allemaal dezelfde kant uitwijzen komt er een grote ijstijd.