De Noord-Afrikaanse klimaatcyclus bestaat uit een afwisseling van duizenden jaren droogte en duizenden jaren met een natter klimaat. De cyclus heeft een geschiedenis die tot miljoenen jaren terug gevolgd kan worden. Het klimaatpatroon van de Sahara wordt gekenmerkt door belangrijke veranderingen in de sterkte van de Noord-Afrikaanse moesson. Als deze moesson op zijn sterkst is, komt de tropische regenzone in de zomer verder naar het noorden en nemen de jaarlijkse neerslag en de vegetatie in de Sahara toe. Dit resulteert in wat wel de "groene Sahara" wordt genoemd. In een periode met een zwak ontwikkelde moesson gebeurt het omgekeerde en ontstaat de "woestijn-Sahara". Geraadpleegd 20 mei 2018 Het grootste deel van het gebied kent sinds 4000 à 5000 jaar geleden een woestijnklimaat. De verandering van een groene Sahara naar de grootste woestijn ter wereld is een van de grootste omgevingsveranderingen van de laatste 10.000 jaar.Climate-driven Ecosystem Succession in the Sahara, Science (2008) vol. 320 Geraadpleegd 4 juni 2018
Variaties in het klimaat van noordelijk Afrika kunnen toegeschreven worden aan wijzigingen in de instraling van de zon. Die worden veroorzaakt door variaties in de baan van de aarde zoals omschreven in de theorie van Milankovitch. Geraadpleegd 20 mei 2018 Deze cyclische variaties worden wel de Milanković-parameters genoemd: de precessie van de aardas; een tollende beweging in de draaiing van de aarde (periode van 23.000 jaar) variaties in de excentriciteit van de aardbaan (perioden van 100.000 en 400.000 jaar); de baan van de aarde om de zon is geen zuivere cirkel maar een ellips, de ellips als geheel maakt enigszins een zwabberbeweging obliquiteit: verandering van de hoek van de aardas ten opzichte van de omloopbaan; deze schommelt tussen 22,0° en 24,5° in een periode van ongeveer 41.000 jaar Precessie wordt beschouwd als de belangrijkste factor. De andere factoren versterken de precessie als de "pieken" toevallig ermee samenvallen; vallen de pieken niet samen dan wordt de invloed van precessie gedempt. De parameters bepalen de intensiteit en verdeling van zonne-instraling op aarde, daarmee zijn ze medeverantwoordelijk voor de (langetermijn)variaties in het klimaat.
Langetermijn-moessonhypothese Ontstaan hypothese De gedachte dat veranderingen in zonne-instraling, veroorzaakt door parameters van de baan en omwenteling van de aarde, een sturende factor zijn bij langetermijnvariaties in de moesson werd voor het eerst aan het eind van de 19e eeuw geuit door Rudolf Spitaler. Milankovitsj deed zijn onderzoek in het 1e deel van de 20e eeuw; de hypothese werd in 1981 getoetst door de meteoroloog John Kutzbach. Geraadpleegd 21 mei 2018 De bevindingen van Kutzbach over de invloed van zonnekracht op wereldwijde moessonpatronen zijn breed geaccepteerd geraakt. In 2001 gaf Ruddiman er de naam "Orbital Monsoon Hypothesis" aan.
Instraling Instraling, de hoeveelheid zonnestraling die door een bepaald oppervlak in een periode wordt ontvangen, is de fundamentele factor achter de langetermijn-moessonhypothese. Omdat continenten naar de zomer toe sneller opwarmen dan oceanen, en naar de winter toe sneller afkoelen, ontstaat het windpatroon bekend als de moesson. De hoeveelheid instraling in de zomer is belangrijker voor het klimaat van een gebied dan de hoeveelheid in de winter. Dat komt omdat de winterperiode altijd droog is. De flora en fauna in een moessonklimaat worden bepaald door de hoeveelheid neerslag in de zomerperiode. Over perioden van tienduizenden jaren verandert de instraling in een complexe cyclus gebaseerd op de parameters van de omwenteling en baan van de aarde. Dat leidt tot een toe- en afname van de sterkte van de moesson en de neerslaghoeveelheid in de zomer. Diverse geologische vondsten tonen dat de Noord-Afrikaanse moesson gevoelig is voor (langzame) variaties in instraling waardoor langetermijntrends in de moesson ontstaan. De tamelijk snelle veranderingen van "groene Sahara" naar "woestijn-Sahara" worden er echter niet geheel door verklaard.Science daily, juli 1999 Geraadpleegd 20 mei 2018
Precessie thumb|De Milanković-parameters Precessie kan in twee fasen worden onderscheiden. De eerste is het wiebelen van de rotatie-as van de aarde, als bij een draaiende tol. De tweede is de precessie van de ellips, het is de langzame rotatie van de elliptische baan om de zon. Gecombineerd leveren de twee fasen een sterke cyclus op die 23.000 jaar duurt, afgewisseld met zwakke cycli van ongeveer 19.000 jaar.
Variaties in de sterkte van de Noord-Afrikaanse moesson bleken vooral gerelateerd aan de 23.000-jarige cyclus. Geraadpleegd 20 mei 2018 Geraadpleegd 20 mei 2018 De relatie van de moesson met deze cyclus wordt veroorzaakt doordat precessie de hoeveelheid ontvangen zonnewarmte beïnvloedt. De instraling op het noordelijk halfrond is maximaal als de precessiecyclus zodanig is dat het noordelijk halfrond naar de zon gekeerd is tijdens het perihelium. Daar wordt de moesson sterker van. Ongeveer 9.000 jaar geleden was dat het geval, het perihelium was rond eind juli. Anderzijds, als het noordelijk halfrond tijdens een aphelium naar de zon is gekeerd, is de zonne-instraling op een minimum en is de Noord-Afrikaanse moesson zwak. Tegenwoordig valt het perihelium begin januari.
Obliquiteit Obliquiteit betreft de hoek die de rotatie-as van de Aarde maakt met het draaivlak om de zon. Tegenwoordig is deze ongeveer 23,5 graden. Op de lange termijn varieert deze echter omdat de massa van de Aarde ongelijk over de planeet is verdeeld, en vanwege de zwaartekracht van andere hemellichamen. Als gevolg hiervan varieert deze hoek tussen 22,2° en 24,5° met een cyclus van 41.000 jaar.
Een kleinere respectievelijk grotere hoek verzwakt resp. versterkt de invloed van precessie. Een grotere obliquiteit vergroot het temperatuurverschil tussen de polen en de tropen en maakt de moesson actiever. Een tweede verklaring is dat obliquiteit de bandbreedte van de tropen afwisselend kleiner en groter maakt. Het gebied tussen de steenbokskeerkring en de kreeftskeerkring verschuift tussen 22,2° en 24,5° zuider- en noorderbreedte. Bij een maximumhoek kunnen in de zomer de tropische regens verder naar het noorden komen. Verdere bevestiging van dit proces is gevonden met een wereldwijd klimaatmodel, waarbij bleek dat precessie en obliquiteit in combinatie voor een hogere neerslag in Noord-Afrika kunnen zorgen door een grotere hoeveelheid zonnewarmte.
Excentriciteit Excentriciteit betreft de mate waarin de jaarlijkse baan van de aarde om de zon afwijkt van een perfecte cirkel. Bij een perfecte cirkel heeft de excentriciteit een waarde van nul, bij een parabool is de waarde gelijk aan 1. De Aarde heeft twee cycli van excentriciteit van resp. 100.000 en 400.000 jaar. De waarde varieerde in de loop van de tijd tussen 0,005 en 0,0607; tegenwoordig is deze ongeveer 0,0167. De waarde zegt iets over de variërende afstand tot de zon en heeft daarmee een versterkende (dichter bij de zon) of dempende (verderaf) invloed op de precessie. Als de baan meer ellipsvormig is, zal het halfrond dat in het perihelium naar de zon is gekeerd, iets warmere zomers en koudere winters hebben door een groter verschil in instraling. Het andere halfrond zal een kleiner temperatuurverschil tussen zomer en winter kennen door een kleiner instralingsverschil. In de 20e/21e eeuw valt het perihelium in januari. Het noordelijk halfrond heeft daarmee een iets kleiner temperatuurverschil tussen zomer en winter, wat bijdraagt aan de huidige droogte in Noord-Afrika.
Excentriciteit wordt niet gezien als de primaire beïnvloeder van de moessonsterkte. Net als obliquiteit dempt of versterkt het de instralingsverschillen als gevolg van precessie. Dit wordt ondersteund door onderzoek aan door de wind vanuit de Sahara aangevoerde stoflagen in het oostelijk Middellandse zeegebied. Perioden van kleinere en grotere hoeveelheden hematiet corresponderen met de cycli van 100.000 en 400.000 jaar. Perioden met een vochtiger klimaat tonen een kleinere hoeveelheid stof.
Vertraging Een vergelijking van klimaatgegevens laat zien dat er een vertraging is van 1000 tot 2000 jaar in het optreden van een maximum in de Noord-Afrikaanse moesson, vergeleken met wat verwacht mag worden. De reactie van het moessonsysteem op veranderingen in de zonne-instraling is niet onmiddellijk. Een eerste verklaring kan gegeven worden door te wijzen op een analogie met het hoogtepunt van de huidige moesson in de zomer, die gemiddeld na 21 juni valt. De langzame verschuiving veroorzaakt door een 23.000-jarige cyclus verloopt met een verhoudingsgewijs vergelijkbare vertraging.
Er zijn nog twee andere verklaringen aangedragen. De eerste is dat de ontwikkeling van de moesson in de (sub)tropen, na een wereldwijd koudere periode, wordt vertraagd door het langzame smelten van poolijs. De versterking van het moessonpatroon wordt pas merkbaar als het poolijs zodanig is afgenomen dat de invloed ervan op de moesson minimaal is. De tweede verklaring is dat de relatief koele tropische oceanen, aan het eind van een wereldwijd koudere periode, er lang over doen op temperatuur te komen en tot die tijd onvoldoende kunnen dienen als bron voor een toename van moessonregens.
Andere aanwijzingen Sedimenten In de oostelijke Middellandse zee komen lagen organische sedimenten voor die meer dan 2% koolstof bevatten. Deze komen wat betreft ouderdom overeen met perioden van maximale instraling van de precessiecyclus. Geraadpleegd 20 mei 2018 Geraadpleegd 20 mei 2018 In zo'n periode zorgt de sterkere en naar het noorden uitgebreide zone met moessonregens voor zware regen langs de boven- en middenloop van de Nijl. Dit regenwater stroomt naar zee waar de meegevoerde organische materialen bezinken. Geraadpleegd 20 mei 2018
Paleomeren Aanwijzingen voor het hebben bestaan van grote meren in de Sahara zijn te vinden in gegevens van geologisch onderzoek. De meren vullen zich als de instralingscyclus naar een maximum gaat en drogen naar het minimum toe weer op. Het grootste paleomeer was Lake Megachad, dat op zijn grootst 173 meter diep was en een gebied besloeg van 400.000 km2. Geraadpleegd 20 mei 2018 Het tegenwoordige overblijfsel ervan is het Tsjaadmeer, met een maximale diepte van 11 meter en een oppervlak van 1350 km2. Satellietfotos van de vroegere kustlijn tonen dat het meer heeft bestaan onder twee overheersende windrichtingen: een noordoostenwind die overeenstemt met het tegenwoordige windpatroon dat hoort bij een zwakke Noord-Afrikaanse moesson, en een zuidwestenwind die kenmerkend is voor een sterke moesson.
Zoetwaterdiatomeeën Een andere aanwijzing voor veranderingen in de moesson kan worden gezien in afzettingen van zoetwaterdiatomeeën in de oceaan ten westen van Afrika. Boorkernen uit dat gebied bleken duidelijke lagen van het zoetwaterdiatomee Aulacoseira Granulata, of Melosira Granulata te bevatten. Deze lagen zijn om de 23.000 jaar te zien, met een vertraging van 5000 tot 6000 jaar na een maximum van de precessie. Geraadpleegd 20 mei 2018 De grote vertraging is te verklaren uit het feit dat 1000-2000 jaar na een maximum, de meren in de Sahara hun grootste omvang hebben. Daarna begint het geleidelijke opdrogen waarbij langs de oevers het sediment met diatomeeën komt vrij te liggen. Als in de winter de overheersende noordoostenwind opsteekt, kan het als stof duizenden kilometers naar zee waaien. Dit proces kost dus veel tijd. Omdat deze elementen ook met rivierwater naar de oceaan worden gevoerd, dienen de boorkernen afkomstig te zijn uit een verder uit de kust gelegen gebied waar de invloed van uitstromende rivieren minimaal is. Geraadpleegd 20 mei 2018 Uit de onderzochte boorkernen is geconcludeerd dat de tegenwoordige droogte in een relatief korte tijd van enkele eeuwen, rond 3.500 v. Chr. is begonnen.
Opwellen koud Atlantisch water