Klima Sonne

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Klaus-Eckart Puls
15.05.2016
Die unruhige Sonne - Klima-Macher Nummer Eins !
Historisches
Unser Sonnensystem - bestehend aus Sonne, Planeten, deren Monden, Asteroiden,
"Trümmern", Gas, Staub ... - entstand vor rund 4,5 Milliarden Jahren aus einer rotierenden
Gas-Staub-Scheibe, einer sogenannten "Akkretions-Scheibe".
Unsere Sonne ist ein Stern wie Milliarden andere im Weltraum auch. Die Menschheit hat mit
der Entwicklung ihres Verstandes ("Bewußtseins") frühzeitig begriffen, daß alles Leben auf
der Erde von der Sonnen-Wärme abhängt. Was Wunder, daß in fast allen antiken Kulturen die
Sonne der "höchste Gott" war.
Die Sonne galt als kultisches Ideal einer himmlischen Erscheinung und war "makellos". Was
für ein "Schreck", als nach der Erfindung des Linsenfernrohrs (1608, Holland) mehrere
Himmelsforscher zeitgleich in den Jahren 1610-1612 auf der Sonne dunkle Flecken
entdeckten:
Der Engländer Thomas Harriot, der Ostfriese Johannes Fabricius, der Mathematik-Professor
Christoph Scheiner in Ingolstadt und Galileo Galilei in Florenz. Insbesondere Galilei und
Scheiner haben den Rest ihres Lebens erbittert darum gestritten, wer der "Erstentdecker" sei,
und sich gegenseitig des Plagiats beschuldigt. Ein sinnloser und überflüssiger Streit, wie wir
heute wissen, denn wahrscheinlich gelang die erste Flecken-Beobachtung schon weit vorher,
zumindest den Chinesen schon einige Jahrzehnte v.Chr.!
Daß die Sonne nun "befleckt" sein sollte, veranlaßte die Katholische Inquisition dazu, Galilei
1615 der Ketzerei anzuklagen - zusätzlich zu seinem Eintreten für das heliozentrische
Weltbild.
Die heiße Sonne
Warum war und ist die Sonne grell und heiß? Brannte dort ständig irgend etwas, zum Beispiel
Kohle? Davon war man bis Anfang des 19. Jahrhunderts(!) überzeugt. Die Sonnenflecken
wurden folglich als Schlacke oder Rauchfahnen gedeutet. Erst die moderne Chemie zeigte
auf, daß eine aus Kohle und Sauerstoff bestehende Sonne schon nach wenigen Jahrtausenden
ausgebrannt sein muß. Nach den physikalische Entdeckungen von Fraunhofer, Bunsen und
Kirchhoff begriff man dann schon, daß die Sonne außen eine heiße Gaskugel ist, in der
einzelne chemische Elemente spezifische Wellenlängen ("Fraunhofer'sche Linien") des
Sonnen-Lichtes absorbieren. Die Anregung der Atome in der Sonne geschieht durch den
Graviationsdruck, der ein Plasma (=Planckschen Strahler) erzeugt. Die Energie wird dann
ausschließlich als Strahlung emittiert.
Hermann von Helmholtz stellte dann 1884 die These auf, daß die Sonne ihre Energie durch
kontinuierliche Kontraktion ("Wärme-Zunahme durch Druck-Erhöhung") erzeuge. Jedoch auch hier ergab sich bald ein rechnerischer Widerspruch zwischen theoretischer KontraktionsDauer und Erdzeitalter.
Nachdem 1938 Hans Bethe und Carl-Friedrich von Weizäcker die Kernfusion von
Wasserstoffkernen und die dabei gewaltige Energie-Freisetzung entdeckt hatten, übertrug
man diese Erkenntnis rasch auch auf die Sonne: Dort verschmelzen in einem komplizierten
Prozeß mit vielen Zwischenschritten vier Wasserstoff-Atome zu einem Helium-Atom. Das
heizt die innere Sonne auf Millionen Grad auf, und noch an der Oberfläche sind es rund
5.500°C. Dabei wird pro Sekunde eine Leistung von 4x1026 Watt erbracht, womit man
Europa vier Millionen Jahre mit Energie versorgen könnte. Aber leider - wir beherschen
2
diese Technik der Sonne auf der Erde noch nicht. Immerhin - die Physiker arbeiten intensiv
daran, z.B. mit den Projekten JET, TOKAMAK, ITER ( web). Es wäre die Lösung all
unserer Energie-Probleme und der "menschgemachten Klima-Ängste" zugleich - weder
Radioaktivität noch CO2 werden freigesetzt!
Die unruhige Sonne
Der "Fusions-Reaktor" Sonne arbeitet sehr ungleichmäßig. Die Sonnen-Oberfläche verändert
sich ständig, sowohl in der variablen Zahl der Flecken, als auch durch allerlei Explosionen
und Eruptionen - die sgn. Fackeln, Flares, Protuberanzen, Filamente...
Abbildung 1
Sonnen-Flecken und Protuberanzen+Fackeln
(Quelle: NASA/SOHO)
Im Mantel der Sonne laufen ständig vertikale (konvektive) und horizontale (advektive)
Transport-Prozesse ab ( Abbildung 2), deren Intensität sich infolge von Umpolungen,
Bündelungen und Entbündelungen solarer Magnetfelder verändert.
Abbildung 2:
Transport-Vorgänge im Mantel der Sonne
(Quelle: PressReleaseSSRC1-2008)
3
Dabei entstehen auch die sgn "Sonnenflecken", sowie deren Veränderungen in Zahl, Größe
und Kombination. Infolge der Magnetfeld-Änderungen wird in einigen Bereichen die
Konvektion verlangsamt, beendet oder sogar umgekehrt ("Absinken"?). Nun fehlt an solchen
Stellen der "Nachschub" an heißem Plasma, und die Oberfläche wird kühler - für das Auge
entsteht ein "dunkler Fleck". Aufgrund der Strahlungs-Gesetze (Wien und Stefan-Boltzmann)
erscheinen für das menschliche Auge wärmere Flächen heller und intensiver als kühlere. Der
Kernbereich eines Sonnenflecks, die so genannte Umbra ("Kernschatten“) hat "nur" eine
Temperatur von rund 4000 °C, der Randbereich (Penumbra, Hof, Halbschatten) eine solche
von 5000-5500 °C..
Durch Aufzeichnungen seit Galilei, Scheiner et al. sowie aus sgn. "Proxi-Daten" wissen wir
heute, daß es bei der Auf-und-Ab-Entwicklung der Sonnen-Flecken Perioden/Rhythmen gibt.
Die bekannteste Periode ist - über die Jahrhunderte gemittelt - der rund 11-jährige
"Schwabe-Zyklus" (genau: 11,04, im 20.Jh. 10,02, bei einer Streuung von 9-13 Jahren) ". Dieser wurde
in der Schweiz von dem Apotheker S.H.Schwabe entdeckt (um 1840) und von dem
Astronomen J.R.Wolf bearbeitet, zurück verfolgt und numeriert - beginnend mit "Nr.0" im
Jahre 1749. Ein jeweils neuer Zyklus wird ab dem Flecken-Minimum gezählt, derzeit
(Frühjahr 2008) beginnt der Zyklus Nr.24.
Länger-periodisch über den Schwabe-Zyklus übergreifend werden in der Literatur immer
wieder zwei weiter Zyklen genannt:
Der ca. 80-jährige Gleißberg-Zyklus1 und der ca. 200jährige De-Vries-Zyklus2. Beide
Zyklen sind jedoch nicht unumstritten ( Abb.3).
Abbildung 3:
Sonnenflecken seit 1600
(Quelle: Wikipedia)
Dunkle Flecken - kühle Sonne ?
Frühzeitig war es eine naturwissenschaftlich logische Schlußfolgerung, daß sich mit den
Flecken-Zyklen auch die Sonnen-Strahlung zur Erde hin verändern müsse. So war es
1
Cubasch, U.:Variabilität der Sonne und Klimaschwankungen, Wissenschaftsmagazin der Max-PlanckGesellschaft, 4/2001, S.78-83
2
Malberg, Berl.W-Karte, SO v.06.11.07, S.8
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naheliegend, daß die Meteorologen seit mehr als 150 Jahren versuchten, den 11-JahresRhythmus im Witterungsverlauf wieder zu finden, um ihn dann für Prognosen zu nutzen.
Aber leider - bis heute blieb das ohne überzeugenden Erfolg! Die Rückkoppelungen im
gesamten Klima-System, wozu man Atmosphäre, Hydrosphäre(Meere), Kryosphäre(Eis),
Lithosphäre(Gesteine+Erdboden) und Biosphäre rechnet, sind offensichtlich zu kompliziert das innerhalb von 11 Jahren zu- und wieder abnehmende Sonnen-Signal verschwindet im
"Rauschen".
Anders beim Klima: Veränderungen der Sonnenstrahlung über Jahrhunderttausende bis
herunter zu Jahrhunderten finden sich in den sgn. Poxi-Daten der Meeres-Sedimente und
Eisbohrkerne ( Abb.4).
Abbildung 4: Relative Temperaturen
nach Isotopen-Analyse 18O/16O
Quelle: NR 9/2004, S.505
Bis weit in das 20. Jh. hinein mußten die meisten Solarforscher aufgrund der
Strahlungsgesetze (s.w.o.) davon ausgehen, daß bei hoher Fleckenzahl und damit insgesamt
etwas dunklerer Sonnen-Oberfläche sich die Energie-Abstrahlung der Sonne vermindert, und
damit auch der Energiefluß auf die Erde.
Das ergab allerdings keinen rechten Zusammenhang mit dem Erdklima. Eher im Gegenteil: In
Phasen geringer Sonnenaktivität war es kühler, in Phasen hoher Fleckenzahl war es wärmer vgl. Abbildungen 3 und 5.
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Abbildung 5
Klimawandel
Seit etwa 30 Jahren wissen wir warum, denn Satelliten messen u.a. auch die StrahlungsEnergie der Sonne oberhalb der Atmosphäre. Wenn die solare Aktivität und damit die Zahl
der Sonnenflecken steigt, dann kommt auch mehr Strahlungs-Energie an der Obergrenze der
Atmosphäre an, und umgekehrt ( Abb.6). Die verminderte Abstrahlung der Umbra wird
offensichtlich überkompensiert durch erhöhte Strahlung der Penumbra und der anderen
Bereiche während der allgemeinen Aktivitäts-Steigerung der Sonne ("Flecken-Maxima").
Abbildung 6
Sonnenflecken und Strahlungs-Energie
an der Obergrenze der Erd-Atmosphäre
(Quelle:
http://www.eawag.ch/publications/eawagnews/www_en58/en58d_screen/en58d_vonmoos_s.pdf
6
An der Obergrenze der Atmosphäre kommen im Mittel 1.367 W/m2 an (Festlegung WMO,
Genf, 1982). Die Schwankungsbreite in der Klimageschichte der Erde durch die
Überlagerungen (Milankovic'-Zyklen) der veränderlichen Erdbahn-Elemente
betrugen/betragen3 < 1.325 - 1.420 > W/m2 .
Im Vergleich dazu sind die (heutigen) Schwankungen4 innerhalb der Schwabe- und
Gleißberg-Zyklen mit Variationen an der Erdoberfläche von ± 0.10 bzw. ± 0,24-0,30 %
entsprechend 0,15 bzw. 0,50-0,75 W/m2 gering, aber trotzdem Klima-wirksam (s.w.u.). Dazu
U.Cubasch4: "Die Sonnenstrahlungsvariationen des 80-jährigen Gleissberg-Zyklus führen zu
einer Variabilität der an der Erdoberfläche absorbierten Sonneneinstrahlung von 0,50 bis
0,75 Watt/m². Diese Zahl muss man im Vergleich zu der Abschätzung des Strahlungsantriebs
durch das Anwachsen der anthropogenen Treibhausgase von der vorindustriellen Zeit (1850)
bis heute sehen - der ungefähr 2,4 Watt/m² ausmacht."
Die hoch-aktive Sonne
Zwischen den Vertretern der anthropogenen Treibhaus-Effekt-These ("CO2-Debatte") auf der
einen und den sgn. "Skeptiker" auf der anderen Seite wird nun seit Jahrzehnten darüber
diskutiert und gestritten, welche Anteile CO2 bzw. die Sonne an der globalen
Temperaturerhöhung von etwa 0,7°C während der vergangenen 150 Jahre haben.
Dabei ist zunächst unstrittig, daß die Sonnen-Aktivität in der ersten Hälfte des 20. Jh.
erheblich angestiegen ist, um rund 1 W/m2 , und dann in der 2. Hälfte des 20. Jh. auf hohem
Niveau verblieb ( Abbildungen 3 + 6). Nach neueren Untersuchungen5 ist das
Sonnenaktivitätsmaximum der letzten Jahrzehnte sogar das ausgeprägteste seit mindestens
11.400 Jahren.
Im Vergleich zu den o.a. 1 W/m2 Energie-Zunahme: Die Klima-Modelle (IPCC-Basis)
rechnen mit einem athropogenen Treibhaus-Effekt (Abk. THE, engl. AGW) von etwa 2 W/m2 )6.
Die Energie-Mengen liegen also in gleicher Größenordnung!
F a z i t : Die sich verändernde Sonnenstrahlung ist ein hochwirksamer Klimafaktor !
Dabei ändert sich die an der Obergrenze der Atmosphäre und letztlich dann an der
Erdoberfläche ankommende Sonnenstrahlung sowohl durch die langzeit-periodischen
Veränderungen der Erdbahn-Elemente (Milankovi'c-Zyklen) als auch die kurzzeitperiodischen Sonnenflecken-Zyklen (11er, 80er, 200er - Perioden).
Seit ca. 10 Jahren wird ein weiterer Effekt diskutiert, den die Dänischen Forscher FriisChristensen und Svensmarck7 wie folgt begründen:
3
http://de.wikipedia.org/wiki/Solarkonstante
Cubasch, U.:Variabilität der Sonne und Klimaschwankungen, Wissenschaftsmagazin der Max-PlanckGesellschaft, 4/2001, S.78-83
5
Solanki, S. K., Usoskin, I. G., Kromer, B., Schüssler, M. & Beer, J., Unusual activity of the Sun during recent
decades compared to the previous 11,000 years, doi:10.1038/nature02995, 2004
6
http://www.oism.org/pproject/s33p36.htm
4
7
Bekanntlich bewirkt bei erhöhter Sonnenaktivität die direkt in die Atmosphäre und z.T. bis
zum Boden vordringende kurzwellige elektromagnetische Energie-Strahlung der Sonne eine
zusätzliche Erwärmung.
Dieser direkte Erwärmungs-Effekt wird begleitet/verstärkt durch einen indirekten Effekt:
Zunehmende Sonnenstrahlung (elektro-magnetisch und Partikeln) verstärkt das abschirmende
Magnetfeld der Erde, vermindert folglich das Eindringen der kosmischen Partikeln-Strahlung
in die Atmosphäre, vermindert in der Folge auch die Entstehung von Kondensationskernen für
Wolken, mindert damit die globale Bewölkung. Das führt letztlich ebenfalls zu einer
Erwärmung am Boden und in der Troposphäre.
Dazu sagt der Klimaforscher Ulrich Cubasch4:
"Ein heftig diskutiertes Problem stellt der Einfluss von interstellaren Teilchenströmen dar, die
von der Sonnenaktivität abhängen . Einige Veröffentlichungen zeigen, dass diese
Teilchenströme auf die Bewölkung wirken könnten und damit das Klima beträchtlich – mit
etwa 1,5 Watt/m2 – beeinflussen. Andere Publikationen stellen diese Hypothese in Frage,
denn der dahinter vermutete physikalische Mechanismus konnte bisher nicht nachgewiesen
werden... Der Teilcheneffekt wird zurzeit nicht in Modellen berücksichtigt, da dafür noch
keine gesicherte wissenschaftliche Grundlage besteht. Es gibt jedoch Pläne, diese Hypothese
bei CERN im Strahlenlabor zu überprüfen (Projekt CLOUD -http://xxx.lanl.gov/abs/physics/0104048)."
In der Debatte über die Klima-Wirksamkeit von Sonne und CO2 gibt es zwei wesentliche
Diskrepanzen:
1.) Die Global-Temperatur ist zwischen 1970 und 1998 weiter angestiegen ist, ohne daß es in
dieser Zeit einen über die 11-Jahres-Zyklen hinaus gehenden signifikanten Trend der SonnenEinstrahlung gegeben hat.
2.) Nach 1998 ist der atmosphärische CO2-Gehalt weiter angestiegen, ohne daß die
Temperatur dem weiter gefolgt ist ( Abb.7); das Temperatur-Signal hat sich abgekoppelt.
Nach 1998 - also seit 10 Jahren - hat es keinen weiteren Temperaturanstieg mehr gegeben,
sondern der Trend hat sich insgesamt umgekehrt. Gerät die anthropogene TreibhausHypothese ins Wanken ?
7
Svensmark, H.; Friis-Christensen, E.: Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage, a missing link in
solar-terrestrial Physics; J.Atm.Sol.Terr.Phys., 59 (11), 1997, S.1225-1232.
Abbildung 7
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Die Kontroverse
Gestritten wird folglich über den Anteil, den neuzeitliche Veränderungen der
Solar(un)konstanten und ggf. verzögerte Rückkoppelungen (steiler Anstieg der Solaraktivität
bis 1960) im Klima-System auf die derzeitige Erwärmung haben. Dazu gibt es in der
wissenschaftlichen Literatur sehr gegensätzliche Meinungen :
IPCC (2007) sagt dazu: "Änderungen in der Sonnenaktivität seit 1750 bringen, so wird
geschätzt (!??), einen Strahlungsantrieb von 0,12 W/m2. Dies ist deutlich geringer gegenüber
dem 2001-Bericht von ursprünglich 0,3 W/m2."
Dagegen8: "Seit dem vorherigen Bericht der UN schlagen Solarphysiker in ihren veröffentlichten Berichten vor, daß die Sonne einen viel größeren Einfluss gehabt haben könnte, als
oben verkündet. Diese könnte mehr als zwei Drittel der beobachteten Erwärmung verursacht
haben. Man erwartet auch, daß sich die Sonnenaktivität in den nächsten 50 Jahren verringern
wird."
Eine Literatur-Übersicht9 kommt zu dem Ergebnis: "Zusammenfassend ist festzuhalten, daß
die Sonne einen erheblichen Einfluß auf unser Klima hat. Für das 20. Jahrhundert geht das
IPCC (2001) von einem Anteil an der globalen Erwärmung von ca. 20% aus; Clausen
(2003) nimmt einen Anteil von 25 bis max. 40% an." Und weiter a.a.O. (S.40): daß "...die
Solarstrahlung in den vergangenen 60 Jahren ... auf hohem Niveau mehr oder minder
konstant geblieben ist..."
Es gibt aber offensichtlich auch andere Meßergebnisse10: "Das koronale Magnetfeld der
Sonne hat im vergangenen Jahrhundert um den Faktor 2.3, und seit 1964 um den Faktor 1.4
zugenommen – im Gegensatz zu Rahmstorfs Behauptung, es hätte in den letzen 60 Jahren
nicht zugenommen. Effekte des solaren Magnetfeldes haben die IPCC-Szenarien bisher außer
Acht gelassen"
Eine 2007 erschienene Studie11 geht noch weiter: "Die gesteigerte solare Aktivität in den
letzten 150 Jahren vermag zwei Drittel des globalen Temperaturverhaltens seit 1850 zu
erklären. Dieser dominante solare Einfluss auf die globale Erwärmung der letzten 150 Jahre
ist durch eine statistische Wahrscheinlichkeit von 99% abgesichert".
Ganz grundsätzlich heißt es in einer astronomischen Übersicht12 zur Sonnen-Aktivität: "Es
werden jedoch auch kurzzeitigere Klimaveränderungen durch die Sonne ausgelöst", und
weiter a.a.O. "Es wäre daher kein Fehler, der leicht variablen Sonne etwas mehr Raum in
den Klimamodellen einzuräumen".
Aus alledem folgt, daß ein erheblicher Anteil der beobachteten globalen Erwärmung
solare Ursachen hat.
8
www.scienceandpolicy.org, Deutsche Übers.: M. Limburg, 8.2.07, http://www.oekologismus.de/
9
Beising, R.: Klimawandel und Energiewirtschaft, VGB PowerTech Service GmbH, Essen, 2006, S.41
A.v.Alvensleben, http://www.schulphysik.de/klima/alvens/antwort.html; Daten aus: M. Lockwood, R. Stamper
& M. N. Wild, A Doubling of the Sun’s coronal magnetic field during the past 100 years, by, Nature Vol 399,
3.June 1999, 437 - 439
11
H.Malberg, Klimawandel unter der Lupe, Z.f.Nachhaltigkeit, H.5, S.4-21, 2007
10
12
Th.Günter, Die Sonne, SuW 8/2007, S.80
9
Sind die derzeit "gehandelten" Zahlen schon "das letzte Wort", oder kommt CO2 bei
weiteren Untersuchungen noch mehr runter von der "Anklage-Bank" ?
Neue "Kleine Eiszeit" ?
Jedenfalls - seit einigen Monaten haben die Sonnen-Forscher Spannendes zu berichten. Nach
den Ergebnissen der Zyklen-Forschung müßte etwa seit der Jahreswende 2007/2008 der
Schwabe-Zyklus Nr.24 beginnen, etwa auf dem Flecken- und Energie-Niveau der 3-4 letzten
Zyklen ( Abb.3), um dann etwa ab 2018 von einem deutlich schwächeren Zyklus im
Rahmen des 200-jährigen De-Vries-Zyklus" (s.w.o.) abgelöst zu werden.
Für die Prognosen dieser Art haben Sonnen-Forscher aufgrund neuer Erkenntnisse ein
verbessertes Verfahren entwickelt13. Damit ist es möglich, z.B. den nächsten und
übernächsten Zyklus abzuschätzen, wie es die Abb.8 zeigt.
Abbildung 8
In red, David Hathaway's predictions for the next two solar
cycles and, in pink, Mausumi Dikpati's prediction for cycle 24
Quelle: Fußnote )13
Jedoch14 - dieser 24. Zyklus "will nicht anspringen", die Sonne ist derzeit (11.03.08)15
fleckenfrei. Damit ergeben sich Anhaltspunkte, daß schon dieser 24. Zyklus das erst ab 2018
zu erwartende schwache Aktivitäts-Minimum einleiten könnte, mit der möglichen
(wahrscheinlichen?) Folge einer raschen globalen Abkühlung für die nächsten Jahrzehnte;
z.B.14: "No wonder there is so much talk recently about global cooling. I certainly hope
that’s wrong, because a Dalton type solar minimum would be very bad for our world
economy and agriculture".
13
www.spaceandscience.net/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/PressReleaseSSRC1-2008.doc
http://wattsupwiththat.wordpress.com/2008/02/13/where-have-all-the-sunspots-gone/
15
http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime/mdi_igr/512/
14