Solar forcing: Solare Einflüsse auf das Klimasystem der Erde

Universität Augsburg
Fakultät für Angewandte Informatik
Institut für Geographie
Solar forcing: Solare Einflüsse
auf das Klimasystem der Erde
Hauptseminar: Klimavariabilität (WS 2012/2013)
Leitung: Dr. Andreas Philipp
Erik Petersen
Bachelor Geographie
[email protected]
1128958
Abgabedatum: 19.10.2012
Abstract
There has always been climate changes in history, which obviously must have
had natural cause. However, natural effects on climate are not beeing discussed
to be the cause of current global warming. Everybody talks about human impact
on climate, especially caused by carbon dioxide. The influence of the sun on
climate instead is not in media at all.
Some scientists, however, believe that the sun got more impact on current
climate change. They found evidence that cosmic ray flux can interact with
building of aerosols. This might have impact on cloudcoverage which surrounds
earth. This is not proven yet, but current experiments at CERN may deliver an
answer to the question if this is possible soon.
Although the media claims that the global warming gets worse every year, latest
researches confirm no rise of global temperature during the last century (Malberg
2012). Instead temperatures have been stable or even decline.
This thesis will give a short overview of weather phenomena within the
troposphere and how change in solar activity influences these. Furthermore it will
be explained how solar activity changes and solar cycles will be mentioned.
Additionally this thesis will show several arguments pro and contra a solar impact
on climate and discusses possible solutions.
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ....................................................................................... IV
1
Einleitung ...................................................................................................... 1
2
Funktionsweise eines Sterns ........................................................................ 2
2.1
Aufbau .................................................................................................. 2
2.2
Lebenszyklus eines Sterns .................................................................... 3
2.3
Solare Strahlung .................................................................................... 4
2.4
Schwankungsursachen .......................................................................... 6
2.4.1
Magnetfeldschwankungen .............................................................. 6
2.4.2
Fackeln, Flares und Protuberanzen ................................................ 7
2.4.3
Sonnenflecken ................................................................................ 8
2.5
3
4
Zyklik der Sonne .................................................................................... 9
Solarbedingte Klimaschwankungen in der Historie ..................................... 11
3.1
Nachweismethoden und Modelle ......................................................... 12
3.2
Das „faint-young-sun“-Paradoxon ........................................................ 13
Solarer Einfluss auf das Erdklima ............................................................... 15
4.1
Einfluss auf die obere Atmosphäre ...................................................... 15
4.2
Einfluss auf die Troposphäre ............................................................... 16
4.3
Verstärkermechanismus Wasserdampf ............................................... 19
5
Kosmische Strahlung und Wolkenbildung ................................................... 20
6
Diskussion .................................................................................................. 21
7
Zusammenfassung und Ausblick ................................................................ 23
Literaturverzeichnis ............................................................................................ 24
III
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1 schematischer Aufbau der Sonne ............................................................. 2
Abb. 2 Strahlungsspektrum der Sonne ................................................................ 4
Abb. 3 Magnetsektoren der Sonne....................................................................... 6
Abb. 4 Schmetterlingsdiagramm ........................................................................ 10
Abb. 5 Temperaturentwicklung der letzten 10000 Jahre .................................... 11
Abb. 6 Schematisierung des faint-young-sun-Paradoxons ................................. 14
Abb. 7 Zeitliche Entwicklung der Tageslänge ..................................................... 15
Abb. 8 Korrelation zwischen Dürreereignissen und Hale-Zyklus ........................ 18
IV
Einleitung
1 Einleitung
Die Sonne ist das wichtigste für das Leben auf dem Planeten Erde. Ohne die
Sonne hätte sich wohl nie ein solch hoch entwickeltes Leben bilden können. Der
Stern, der unserem Planeten am nächsten ist, spendet täglich Energie in Form
von Strahlung und Wärme.
Die Auswirkungen der Sonne sind seit jeher in der Geschichte der Menschheit
vorzufinden. Wenn die Sonne schwach ist, gab es in der Vergangenheit
Hungerkatastrophen. Ein Beispiel: das sogenannte Mounderminimum (siehe
Kapitel 3). Die Sonnenfleckenzahl war in der Zeit von 1645 bis 1715 extrem
gering, wenn nicht gleich null. Es scheint also einen Zusammenhang zwischen
der Anzahl der Sonnenflecken und der Intensität der Sonne zu geben.
Kritiker führen allerdings häufig an, dass die Sonne gerade in der heutigen Zeit
kaum mehr Einfluss auf die Erde hat. Denn in Zeiten des Klimawandels werden
die Klimaschwankungen, vor allem die Klimaerwärmung, Klimagasen wie dem
Kohlenstoffdioxid zugeschrieben. Es ist klar, dass der Eintrag von solchen
klimaschädlichen Gasen einen Effekt auf das globale Klima hat, doch ist nicht
belegt, wie stark dieser ist, noch inwieweit die Sonne und andere klimawirksame
Prozesse wie Meeres- und Atmosphärenströmungen zu der Erwärmung der
letzten Jahrzehnte beitragen.
Die Vergangenheit lehrt allerdings, dass die Sonne durchweg großen Einfluss auf
das Erdklima hatte. Nun stellt sich die Frage, inwieweit dieser in der Gegenwart
zum tragen kommt.
Auch geht die Forschung mittlerweile in eine Richtung hin zu sogenannten
Verstärkermechanismen
(Svensmark
2008).
Die
Auswirkungen
solcher
Mechanismen auf den Temperaturanstieg, welcher CO2 geschuldet als auch
sonnenbedingt stattfindet, werden in Kapitel 0 genauer analysiert.
Die Thematik Sonne wird in der aktuellen Klimaforschung immer häufiger
kontrovers diskutiert. Diese Hauptseminararbeit soll einen Überblick der aktuellen
Forschung, der Kritikpunkte sowie neue Ansatzmethoden der Forschung liefern.
1
Funktionsweise eines Sterns
2 Funktionsweise eines Sterns
Um die Auswirkungen der Sonne auf das Erdklima beschreiben zu können,
müssen zunächst der Aufbau und die Funktionsweise dieses Sternes erläutert
werden. Zudem wird ein kurzer Einblick in den Lebenszyklus eines Sternes
gegeben.
2.1
Aufbau
Vereinfacht kann sich der Aufbau der Sonne wie in Abb. 1 vorgestellt werden.
Abb. 1 schematischer Aufbau der Sonne (Mattson 2012)
Im inneren Kern der Sonne findet die Fusion von Wasserstoff zu Helium statt. Die
dort entstehende Energie wird durch Strahlungstransport in die höheren
Schichten der Sonne verfrachtet. Dies vollzieht sich in der Strahlungszone
(radiative zone). In der Konvektionszone (convective zone) wird die Energie
durch Konvektion transportiert (Rozelot 2003). Die Konvektion entsteht aufgrund
sich unterschiedlich aufheizender Areale der Sonne. Wärmere Gebiete steigen
nach oben, kältere sinken ab. Dies führt zu der typischen gepunkteten Musterung
der Sonnenoberfläche. Der lichtdurchlässige Teil der Sonne heißt Photosphäre.
Dort nimmt die Dichte so rapide ab, dass sich Photonen frei bewegen können,
und schließlich ungehindert entweichen (Nicolson 1982). Außerhalb der
Photosphäre grenzt die Chromosphäre und danach die Korona. Diese weißt
2
Funktionsweise eines Sterns
Temperaturen um eine Million Kelvin auf. Sie ist also bedeutend wärmer als die
Oberfläche der Sonne mit circa 6000K (Rozelot 2003).
Komplexer wird der Aufbau, wenn die mathematischen Grundgleichungen für den
Aufbau der Sonne betrachtet werden.
Von den Grundgleichungen existieren mehrere, die mit unterschiedlicher
Betrachtungsweise versuchen zu erklären, weshalb die Sonne nicht kollabiert. Zu
den
Grundannahmen
zählen
das
hydrostatische
Gleichgewicht,
die
Masseerhaltung und die Kugelsymmetrie (Scheffler 1990).
Bei der Theorie des hydrostatischen Gleichgewichts, auch mechanisches
Gleichgewicht liegt die Annahme zugrunde, dass der Gravitationsdruck gleich
dem inneren Druck des Sternes ist. Theorien zur Masseerhaltung und der
Kugelsymmetrie gelten nur für Hauptreihensterne von einer Größe der Sonne.
Diese besitzen die Eigenschaften, im Gegensatz zu jungen Sternen, nur langsam
zu rotieren und kaum Masse zu verlieren (Scheffler 1990).
2.2
Lebenszyklus eines Sterns
Der Lebenszyklus eines Sternes geht von der Entstehung über das
Hauptreihenstadium hin zum „Tod“ eines Sternes.
Sterne entstehen an Orten an denen sich interstellare Materie vermehrt
ansammeln. Diese Materie sammelt sich meist in dichten interstellaren Wolken
an und es ist nachgewiesen, dass die Sternentstehung nicht einmalig war,
sondern stetig neue Sterne in solchen Wolken entstehen (Scheffler 1990).
Aufgrund der chemischen Zusammensetzung von interstellarer Materie und
jungen Sternen, die nahezu identisch sind, kann davon ausgegangen werden,
dass das interstellare Gas der Ursprung der Sterne sein muss.
Für die Entstehung der Sterne ist die Zusammensetzung der Gaswolken und
deren Drehimpuls von Bedeutung. Sofern die Eigengravitation der Gasmasse
größer als der vorhandene Gasdruck wird, kommt es zu einer Kontraktion und es
bilden sich kugelförmige Gaswolken. Diese Kontraktion wird durch die, in der
Gaswolke vorhandene, thermische Instabilität begünstigt. Nach dem Kollaps wird
der Gasdruck durch das verringerte Volumen wieder zunehmen und es bildet
sich ein gravitatives Gleichgewicht. Im Kern wird durch Stoßprozesse zwischen
Atomen die Fusion eingeleitet und der Stern ist geboren (Scheffler 1990).
3
Funktionsweise eines Sterns
Während des Wasserstoffbrennens im Kern des Sternes befindet sich dieser im
Hertzsprung-Russel-Diagramm1 in der Hauptreihe. Er ist ein sogenannter
Hauptreihenstern. Nachdem der Wasserstoff im Kern aufgebraucht ist, werden
Sterne, mit einer ähnlichen Masse wie der Sonne sich aufblähen und es beginnt
das sogenannte Schalenbrennen. Der Stern wird aufgrund der Ausdehnung an
der Oberfläche kühler und sein Spektrum verschiebt sich in den roten Bereich. Es
entsteht ein Roter Riese (Nicolson 1982). Auf dem Hertzsprung-RusselDiagramm verlässt der Stern die Hauptreihe und geht in den Bereich der Riesen
über der Hauptreihe über. Sonnengroße Sterne bilden nach dem Stadium des
Schalenbrennens durch Abstoßen der äußeren Hüllen häufig planetare Nebel.
Der Kern selber wird zu einem Weißen Zwerg. Im Hertzsprung-Russel-Diagramm
befinden sie sich nun unterhalb der Hauptreihe (Scheffler 1990).
Da der Zyklus eines Sternes stark von der Masse abhängt, können andere
Entwicklungen entsehen. Da die vorliegende Seminararbeit jedoch einen Bezug
zur Sonne hat, sollen diese Entwicklungen hier nicht weiter beschrieben werden.
2.3
Solare Strahlung
Als Strahlung wird die Ausbreitung von energiereichen Teilchen und Wellen
bezeichnet (Molitor 2008). Die Energie der Strahlung hängt von der jeweiligen
Wellenlänge λ ab.
Abb. 2 Strahlungsspektrum der Sonne. Orange ist die tatsächliche Abstrahlung der Sonne. Die
kleinere schwarze Kurve zeigt den Strahlungsanteil der Sonnenstrahlung, welcher auf der Erde
gemessen werden kann. (Wikimedia Inc. 2012)
1
Diagramm der Verteilung von Sternen geordnet nach Größe und Farbe
4
Funktionsweise eines Sterns
Abb. 2 zeigt die Strahlungsintensität der Sonne in jeweiligem Spektralbereich.
Klar zu erkennen ist, das das Strahlungsmaximum in das, für uns sichtbare Licht
fällt. Das gesamte Spektrum erstreckt sich von ca. 10nm2 bis etwa 2300nm
(Rozelot 2003).
Das Spektrum der Sonne weißt Linien auf. Die sogenannten Frauenhofer Linien
bzw. Spektrallinien entstehen durch die Physik der Atome. Elemente absorbieren
Photonen, sofern die Energie der Photonen der Energiedifferenz zwischen zwei
Elektronenbahnen entspricht. In diesem bestimmten Wellenlängenbereich, wo
das der Fall ist, wird demnach keine elektromagnetische Strahlung emittiert und
das Spektrum weißt eine Linie auf. Diese Linien können insofern für
Beobachtungen interessant sein, da nachgewiesen werden kann welche
Elemente sich in einem Stern befinden (Nicolson 1982).
Strahlung wird in unterschiedliche Bereiche, je nach Energiegehalt unterteilt. Die
energiereichste Strahlung ist die Gammastrahlung. Nach dieser folgen die
Röntgenstrahlung und die ultraviolette Strahlung (UV). Zwischen circa 400 bis
700nm liegt das sichtbare Licht. Darüber kommt die Infrarotstrahlung, auch als
Wärmestrahlung bezeichnet und darauf folgen die Mikrowellenstrahlung und die
Ultrakurzwellen, die für den Funkverkehr verwendet werden (Halliday 2009).
Die Sonne emittiert vor allem Radio-, Infrarot-, Ultraviolett- und extreme
Ultraviolett- sowie Röntgenstrahlung.
Die Radiostrahlung der Sonne weißt drei Hauptkomponenten auf. Die
Untergrundstrahlung der ruhigen Sonne, welche thermischen Ursprungs ist, die
sogenannte S-Komponente3, welche ebenfalls thermisch entsteht jedoch von der
Aktivität der Sonne abhängt und lokal abgestrahlt wird und die Radiobursts.
Diese können im gesamten Radiospektrum nachgewiesen werden und weisen
eine zeitliche Dimension von Sekunden bis Stunden auf. Die Radiobursts können
die Sonnenintensität in der gleichen Wellenlänge um das 10 000fache
übersteigen. Sie leisten jedoch kaum Anteil zur Gesamtenergie der Sonne
(Nicolson 1982).
Die Infrarotstrahlung wird in der Photosphäre und unteren Chromosphäre
emittiert. Sie entsteht bei Temperaturen von 4000 bis 6000 Kelvin und hat
Wellenlängen von 750nm bis ca. einem Millimeter (Nicolson 1982).
2
3
-9
nm: Nanometer entspricht 10 Meter
Langsam veränderliche Komponente
5
Funktionsweise eines Sterns
Der Ursprung der Ultraviolettstrahlung ist die Chromosphäre. Das extreme UVLicht und die Röntgenstrahlung stammen aus der oberen Chromosphäre und der
Übergangszone zur Korona. Diese Strahlung wird durch Kondensationen bei
Temperaturen von 106K erzeugt. Harte Röntgenstrahlung entsteht in der Regel
bei Flare-Ereignissen. Diese Strahlung hat Auswirkungen auf die höhere
Erdatmosphäre (Nicolson 1982).
2.4 Schwankungsursachen
Der Einfachheit halber wird in der Physik des Öfteren die Sonne als Konstante in
der Strahlungsbilanz der Erde angesehen. Seit Langem ist jedoch bekannt, das
die Sonne eben keine Konstante ist, sondern ihre Intensität schwankt. Für diese
Schwankungen gibt es mehrere Ursachen.
2.4.1
Magnetfeldschwankungen
Das Magnetfeld der Sonne ist bei Weitem größer als das der Erde. Doch genau
wie auch die Stärke des Erdmagnetfeldes schwankt, tut dies auch das
Magnetfeld der Sonne.
Abb. 3 Magnetsektoren der
Sonne. Errechnet aus den IMP
1
Satellitenbeobachtungen.
Pluszeichen (Magnetfeld weg
von der Sonne), Minuszeichen
(hin zur Sonne). Messungen
wurden alle drei Stunden
durchgeführt. (Herman 1978)
Das Sonnenmagnetfeld wird in mehrere Sektoren eingeteilt, in denen sich die
Polarität des Magnetfeldes ändert (Abb. 3).
Die Magnetfeldsektoren drehen sich, wie in Abb. 3 zu sehen ist mit dem
Drehimpuls der Sonne. Aufgrund dieser Drehung befindet sich die Erde im
Wechsel zwischen negativer und positiver Polarität des Sonnenmagnetfeldes. Es
zeigt sich die Tendenz, das der Wechsel zwischen den Polaritäten alle 27 Tage
6
Funktionsweise eines Sterns
vollzogen wird (Herman 1978). Flares und Protuberanzen treten nach Svalgaard
1973
am
Fuß
der
MSB4
auf.
Auswirkungen
dieser
4
Magnetfeldsektorgrenzenüberschreitung auf das Erdklima werden in Kapitel 4.2
aufgezeigt.
Die Schwankungen des Sonnenmagnetfeldes unterliegen zudem mehrerer
Zyklen, die in Kapitel 2.5 beschrieben werden.
2.4.2
Fackeln, Flares und Protuberanzen
Fackeln sind Gebiete der Sonne mit erhöhter Helligkeit, die vor allem in
Verbindung mit Sonnenflecken stehen (Kapitel 2.4.3). Es sind chromosphärische
und photosphärische Fackeln zu unterscheiden. Am deutlichsten lassen sich die
chromosphärischen Fackeln im UV und Röntgenbereich identifizieren. Durch die
abnehmende Wellenlänge kommt es zu einer Zunahme des Kontrastes, was
zudem das Vordringen der Fackel in größere Höhen der Chromosphäre belegt.
Photosphärische Fackeln lassen sich nur im weißen Licht und am Sonnenrand
ausmachen. Diese Art von Fackeln müssen überhitzte Gebiete der oberen
Photosphäre sein, da eine kontinuierliche Strahlung ausschließlich aus den
randnahen Bereichen der oberen und kühleren Schichten der Photosphäre
kommt. Die Dauer einer Fackel beträgt um die 15 Tage und übersteigt somit die
Lebensdauer der meist angrenzenden Sonnenflecken um das dreifache
(Scheffler 1990).
Flares sind eruptive Ausbrüche aus der Sonnenoberfläche. Sie entstehen häufig
in Verbindung mit Sonnenflecken. Die Magnetfeldbögen der Flares bestehen aus
heißem Plasma und sind in der Chromosphäre der Sonne vorzufinden (Greiner
1994). Eine Sonneneruption dauert zwischen zehn und 90 Minuten. Die Dauer
hängt von der Größe des Eruptionsgebietes und der Magnetfeldstärke ab. Sie
werden in unterschiedliche „Importanz-Klassen“ eingestuft. Die Stufen reichen
von 1- (Subflares) über 1, 2, 3 bis hin zu Klasse 3+. Flares, welche um die
1000km Größe vorweisen werden, Mikroflares genannt und sind nicht in den
Importanz-Klassen verzeichnet (Scheffler 1990).
Protuberanzen treten in der inneren Korona auf und können mehrere 100 000 km
hochreichen. Es handelt sich dabei um Materiekondensationen. Es wird zwischen
zwei unterschiedlichen Arten von Protuberanzen unterschieden: Aktive und
ruhende. Aktive Protuberanzen können wiederum zwischen aktivierten, ehemals
ruhenden
4
und
Fleckenprotuberanzen
unterschieden
werden.
Ruhende
Aus dem Englischen: magnetic sector boundary (MSB)
7
Funktionsweise eines Sterns
Protuberanzen weisen eine weitaus längere Dauer auf, so überdauern sie häufig
mehrere Sonnenrotationen. Sie entstehen in ehemals aktiven Regionen der
Sonne nahe bei ausklingenden Sonnenflecken und Fackeln. Die Größe solcher
Erscheinungen ist gigantisch. Sie weisen durchschnittlich eine Dicke von
7000km, eine Höhe von 40 000km und eine Länge von 200 000km auf (Scheffler
1990).
2.4.3
Sonnenflecken
Auf der Photosphäre können immer wieder dunkle Flecken beobachtet werden.
Diese Sonnenflecken wurden erstmals im 17. Jahrhundert von Galileo Galilei,
Johannes Fabricius und Christoph Schreiner unabhängig voneinander entdeckt
(Kirstein 1981), können also mit bloßem Auge aber vor allem mit dem Teleskop
identifiziert werden.
Sonnenflecken treten häufig in Gruppen auf. Meist existieren zwei Hauptflecken,
die von kleineren, sich nicht weiter entwickelnden Flecken begleitet werden. Die
Lebensdauer von Flecken hängt von ihrer Größe ab. Kleinere Flecken weisen
häufig eine Lebensdauer von wenigen Tagen vor, während die gesamten
Gruppen und die Hauptflecken mehrere Monate (bis 100 Tage) existieren. Die
Temperatur in den Sonnenflecken ist gegenüber der Photosphäre um etwa
2000K kühler (Höppner 2008).
Sonnenflecken bestehen aus einem Kern, der Umbra und der helleren
Penumbra. Die Penumbra ist im Gegensatz zum Kern etwas heißer. Sie weißt
eine Temperatur von 5600K (im Gegensatz zu 4000K) auf. Aufgrund der
geringeren Temperaturen (verglichen mit der Photosphäre) emittiert die Umbra
nur 20% und die Penumbra nur 70% der Strahlungsenergie der Photosphäre ab
(Nicolson 1982).
In den Flecken sind starke Magnetfelder nachweisbar. Die magnetischen Nordund Südpole sind in Fleckengruppen bipolar angeordnet. Die Hauptflecken
werden aufgrund ihrer Reihenfolge benannt. Der vorangehende Fleck wird pFleck5, der folgende f-Fleck6
genannt. Der p-Fleck ist in der Regel in einer
niedrigeren Breite als die nachfolgenden Flecken und der f-Fleck angesiedelt. In
niedrigen heliographischen Breiten ist die Verbindungsachse der beiden
Hauptflecken wenig zum Sonnenäquator hin geneigt (ca. 1°), in höheren Breiten
hingegen um bis zu 20° (Nicolson 1982).
5
6
p für preciding
f für follower
8
Funktionsweise eines Sterns
Die Flecken können in der Größe extrem unterschiedlich sein. Sie variieren von
kleinen Poren (etwa 1000km im Durchmesser) bis hin zu großen Fleckengruppen
mit einem Durchmesser um die 200 000km (Kirstein 1981).
Die Sonnenflecken weisen während ihrer Lebensdauer eine typische Wanderung
über die Sonnenoberfläche vor. So entstehen die Flecken in höheren Breiten und
wandern mit der Rotation der Sonne langsam in Richtung Sonnenäquator, wo sie
dann verschwinden. Die Anzahl der Flecken hängt stark mit der Sonnenaktivität
zusammen und ist einem 11 jährigen Zyklus unterworfen, der in Kapitel 2.5
erläutert wird (Kirstein 1981).
Die Häufigkeit der Sonnenflecken wird durch die Sonnenfleckenrelativzahl7
angegeben (Höppner 2008).
2.5 Zyklik der Sonne
Bereits
1843
entdeckte
Heinrich
Schwabe
nach
seinen
17
jährigen
Sonnenfleckenbeobachtungen, dass die Flecken einem Zyklus unterliegen. So
sind
in
einem
ungefähr
11
jährigen
Zyklus
die
Schwankungen
der
Sonnenfleckenzahl von nahezu null bis über 100 zu beobachten. Die Länge des
Zyklus schwankt seit Beginn der Aufzeichnungen zwischen sieben und 17
Jahren. Ebenfalls interessant ist die Beobachtung, dass die Sonnenflecken zu
Beginn eines Zyklus in hohen heliographischen Breiten zwischen 30° und 40°,
während des Zyklusmaximums um die 15° und am Ende des Zyklus bei circa 5°
entstehen. Nach einem Sonnenfleckenminimum wandern die Flecken nicht
wieder zurück, sondern entstehen um 40° heliographischer Breite neu. Die Zyklik
der Entstehung in Abhängigkeit mit der Zeit und der durch die Sonnenflecken
prozentual zur Sichtscheibe abgedeckten Fläche wird in Abb. 4 deutlich. Gut zu
erkennen ist, dass die Verteilung der Sonnenflecken auf der nördlichen wie
südlichen Hemisphäre gleich ist (Höppner 2008).
In Abb. 4 ist zudem der 11 jährige Zyklus gut zu erkennen. Das Maß der Fläche
der Sonnenflecken dient als Indikator der Sonnenaktivität. Während Zyklus 19
und 22 relativ aktive Zyklen waren, ist die Sonnenaktivität in den letzten 10
Jahren (Zyklus 23 und 24) gering. Interessant ist zudem der Aspekt, dass aktive
Zyklen häufig von kürzerer Dauer sind (kleiner 11 Jahre) und weniger aktive eine
Dauer von mehr als 11 Jahren aufweisen.
7
Die Sonnenfleckenrelativzahl ist von dem Direktor des Züricher Observatoriums Rudolf
Wolf (1816-1893) zur Bewertung der Sonnenfleckenaktivität eingeführt worden und wir zu
seinen Ehren häufig auch „Wolf-Zahl“ genannt.
9
Funktionsweise eines Sterns
Abb. 4 Schmetterlingsdiagramm. Dieses Diagramm zeigt die Häufigkeitsverteilung von
Sonnenflecken. Durch die Wanderung der Flecken hin zum Sonnenäquator und den 11 jährigen
Schwabezyklus entstehen die Schmetterlingsähnlichen Strukturen. Die Farben stehen für die
prozentual abgedeckte Fläche der Sonne
(oben). Jeder Zyklus wird seit Anbeginn der
Aufzeichnungen nummeriert. Momentan befindet sich die Sonne im 24. Zyklus. Der
Durchschnittsprozentsatz der durch Sonnenflecken abgedeckten Fläche wird in einem
Balkendiagramm (unten) angegeben (Höppner 2008).
Neben dem 11 jährigen Sonnenfleckenzyklus (Schwabezyklus) können noch
weitere Zyklen der Sonnenintensitätsschwankung festgestellt werden. Es
existieren Zyklen mit der Periode von 22 Jahren (Hale-Zyklus), 87 Jahren
(Gleißbergzyklus), 210 Jahren (Suess/de Vries Zyklus), der Eddyzyklus mit einer
Periode von 1000 Jahren und der Hallstattzyklus mit einer Periode von 2300
Jahren.
Die Perioden unterliegen gewissen
Schwankungen im
kleinen
Prozentbereich und überlagern sich teilweise abschwächend und teilweise
verstärkend (Knudsen 2009).
Während
des
22
jährigen
Hale-Zyklus
dreht
sich
die
Polarität
des
Sonnenmagnetfeldes um 360°. So ist der 11 jährige Schwabezyklus mehr eine
Folge des Hale-Zyklus, in der sich die Magnetfeldrichtung umkehrt (Nicolson
1982). Wie die Prozesse, welche zu diesen Schwankungen führen genau
ablaufen ist bis heute nicht komplett verstanden.
10
Solarbedingte Klimaschwankungen in der Historie
3 Solarbedingte Klimaschwankungen in der Historie
Wie in der Einleitung schon beschrieben, gab es in der Erdgeschichte zahlreiche
Ereignisse von Klimaschwankungen, welche vermutlich durch die schwankende
Sonnenaktivität verursacht worden sind.
In diesem Kapitel werden die Klimaschwankungen seit dem letzten Glazial, also
etwa die letzten 10 000 Jahre betrachtet. Ausnahme ist Kapitel 3.2. In diesem
Kapitel wird die Entwicklung der Sonne bis zum Hadaikum8 behandelt.
Abb. 5 Temperaturentwicklung der letzten 10000 Jahre (Kehl 2011)
Wie in Abb. 5 zu erkennen ist, gab es während der letzten 10 000 Jahre recht
häufig Schwankungen im Erdklima. Die wärmste Phase, das Holozäne
Klimaoptimum war im Schnitt bis zu einem Grad wärmer als heute. Kältere
Phasen wie die sogenannte Kleine Eiszeit oder das Holozäne Klimapessimum
stellen das Gegenteil dar. Ebenfalls in Abb. 5 zu erkennen ist, dass die
menschliche Entwicklung immer in wärmeren Zeiten stattgefunden hat, während
in den Kaltphasen Hungerkrisen und die Völkerwanderung stattfanden.
Da
davon
ausgegangen
werden
muss,
dass
anthropogen
verstärkte
Klimaeinflüsse erst seit der Industrialisierung von Bedeutung sind, stellt sich die
Frage, woher diese Schwankungen kommen. In gängigen wissenschaftlichen
Theorien werden mehrere Ursachen erörtert. Während im IPCC 2007 und
Kasting 2007 zu lesen ist, dass die Temperaturzunahmen durch erhöhte
Treibhausgaskonzentrationen wie CO2 und NH4 (Methan) und die Kältephasen
durch Vulkanausbrüche und dem damit verbundenen Eintrag von Aerosolen
ausgelöst worden sein könnten, geht Svensmark 1997 davon aus, dass Einflüsse
8
Ältestes Erdzeitalter vor 4,5 bis 3,8 Milliarden Jahren
11
Solarbedingte Klimaschwankungen in der Historie
der Sonne und deren Schwankung für diese Klimaänderung verantwortlich sein
kann.
Belege für solch eine Vermutung sollen in einer Korrelation von einer relativen
niedrigen Globaltemperatur und einer nahezu sonnenfleckenlosen Sonne
während des Mounderminimums gezeigt werden. In der Tat war die
Sonnenaktivität in der Zeit von 1645 bis 1715 gering. Während dieser Zeit gab es
nahezu keine Sonnenflecken und das Sonnenmagnetfeld war dementsprechend
schwach was sehr außergewöhnlich und mit momentanem Kenntnisstand
einzigartig ist (Balmaceda 2007). Eine weitere Ursache könnte eine Veränderung
der Lage der Erde zur Sonne sein. Herterich 2002 geht davon aus, das
Präzession, Nutation, Exzentrizität und Periheldrehung eine Ursache für
Klimaschwankungen sein können. Dies wird in der Hauptseminararbeit
„Astronomical
forcing:
Klimawandel
durch
Veränderungen
der
Erdbahnparameter“ von Florian Müller thematisiert und aus diesem Grund hier
nicht weiter erläutert.
3.1 Nachweismethoden und Modelle
Da erste Klimamessungen erst im 18. Jahrhundert durch die Sociatas
Meteorologica Palatina9 eingeführt worden sind, müssen für Zeiten vor 1780
andere Quellen und Referenzen dazu dienen das historische Klima zu
rekonstruieren.
Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine davon wäre die Verwendung
sogenannter
Proxydaten.
Proxydaten
sind
unter
anderem
gewonnene
10
Klimadaten aus der Dendroklimatologie , Eisbohrkernen, Chroniken und
Mitschriften sowie Sedimentanalysen.
Bei der Dendroklimatologie, oder Dendrochronologie, wird versucht anhand der
Wachstumsrate
eines
Baumes
unter
Betrachtung
der
Baumringe,
auf
Klimaeinflüsse Rückschlüsse zu ziehen. Bei schlechten Klimabedingungen wird
ein Baum kaum wachsen und ein Jahresring ist relativ schmal. Bei guten
Klimabedingungen allerdings werden die Jahresringe breiter, da der Baum im
Sommer schneller wachsen kann. Durch das Erkennen von Mustern in den
9
Mannheimer Meteorologische Gesellschaft gegründet 1780 von Kurfürst Karl Theodor.
Bildung des ersten Messnetzes (u.a. Messstation Hohenpeißenberg) und Beginn der
Verwendung geeichter und genormter Messinstrumente.
10
Baumringklimatologie
12
Solarbedingte Klimaschwankungen in der Historie
Baumringdaten kann so durch Überschneidung unterschiedlich alter Bäume das
Klima bis mehrere 1000 Jahre zurückverfolgt werden (Hughes 1982).
Ähnlich verhält es sich mit Eisbohrkernen. Während kalter Witterung ist ein
schneller Eiszuwachs zu verzeichnen, während wärmerer Bedingungen weniger.
So entstehen Schichten im Eis die auf das Klima schließen lassen. Das Alter
einer Schicht wird durch die
zerfallende Isotop
14
C-Datierung11 oder mit Beryllium 10 bestimmt. Das
14
C hat eine Halbwertzeit von circa 5730 Jahren. Diese
Methode kann bis zu einem Alter von 50 000 bis 60 000 Jahren verwendet
werden.
Eine weitere Möglichkeit wäre die Rekonstruktion der Klimageschichte unter der
Verwendung von Klimamodellen. Cubasch 2002 hat solche Modellierungen der
Klimaschwankung,
bis
in
das
17.
Jahrhundert
zurück,
anhand
von
Sonnenfleckenzahlen durchgeführt. Unter Verwendung des ECHAM3/LSGModells12 kam Cubasch 2002 zu den Ergebnissen, dass der 11 jährige
Sonnenfleckenzyklus in den bodennahen Luftschichten nicht erkennbar ist,
allerdings die Lufttemperatur dem solaren Antrieb folgt. Seine Modellierung
konnte die Temperaturkurve des 19. Jahrhunderts mit kleinen Unterschieden
rekonstruieren und ebenso die Gleißbergzyklik der Sonne im 30hP Höhenfeld
nachweisen. Allerdings bemängelt Cubasch 2002 die fehlende Genauigkeit der
Modelle im Bereich der Stratosphäre und schreibt, dass solche Modelle in diese
Richtung verbessert werden müssten, damit valide Aussagen getroffen werden
können.
3.2 Das „faint-young-sun“-Paradoxon
Das faint-young-sun Paradoxon beschreibt die Widersprüchlichkeit zwischen
einer vermuteten schwachen jungen Sonne und der zu Zeiten des Archaikums
vorherrschenden Warmzeit. Wenn angenommen wird, dass die Sonne vor 3,8
Gyr13 nur 70 Prozent der heutigen Strahlungsleistung erbracht hat, hätte der
Planet Erde eine Eiskugel sein müssen. Allerdings zeigen befunde aus der
Geomorphologie, das zu dieser Zeit flüssiges Wasser existiert haben muss.
11
Radiokarbonmethode zur Datierung von organischen Substanzen
Gekoppeltes Ozean-Atmosphären Zirkulationsmodell
13
Gigayears: Milliarden Jahre
12
13
Solarbedingte Klimaschwankungen in der Historie
In Abb. 6 wird das faint-young-sun-Paradoxon nochmals schematisch illustriert.
Es ist zu erkennen, dass die Strahlungsintensität der jungen Sonne bis 2 Gyr vor
heute nicht ausgereicht hätte, um Wasser schmelzen zu lassen.
Abb. 6 Schematisierung des faint-young-sun-Paradoxons. Die schwarze Linie
repräsentiert die solare Intensität relativ zu heute, die gestrichelten Linien zeigen die
effektive
Abstrahlungstemperatur
(Te)
und
die
tatsächliche
Durchschnittsoberflächentemperatur (TS). Diese ist aufgrund des Treibhauseffektes
höher als Te (Kasting 2006).
Kasting 2006 geht davon aus, dass dies mit einer erhöhten Konzentration von
klimawirksamen Spurengasen zu erklären ist. Zu diesen Gasen zählen CO2 und
CH4. Diese haben in der noch jungen Atmosphäre einen Großteil des
Luftgemischs ausgemacht und so den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt.
Eine andere Vermutung zur Erklärung dieses Phänomens ist, dass die Sonne zu
diesem Zeitpunkt eine um 10% größere Masse hatte und der Sonnenwind stärker
war als heute. Dieser würde die kosmische Strahlung zugunsten wärmeren
Klimas auf der Erde modulieren (Shaviv 2003). Wie kosmische Strahlung das
Klima auf der Erde laut Shaviv 2003 und Svensmark 2008 verändern soll, wird in
Kapitel 5 genauer erläutert.
14
Solarer Einfluss auf das Erdklima
4 Solarer Einfluss auf das Erdklima
Das die Sonne ein Einfluss auf das Erdklima hat steht außer Frage. Ohne die
Energie der
Sonne (Solarkonstante:
1325W/m²
am
oberen Rand der
Atmosphäre) würde es kein Leben auf der Erde geben und der Planet wäre ein
Eisball. Einflüsse der Sonne und deren obengenannten Schwankungen auf das
Klimageschehen werden in den folgenden Kapiteln Fehler! Verweisquelle
onnte nicht gefunden werden. bis 4.2 beschrieben.
4.1 Einfluss auf die obere Atmosphäre
Höppner und Bittner 2008 stellten in OH*-Messungen14 fest, dass die
Hydroxyltemperaturen eine gewisse Periodizität vorweisen. Die Temperaturen
werden in der sogenannten Airglowschicht in einer ungefähren Höhe von 87km
gemessen. Dies ist die obere Mesosphäre im Übergang zur Mesopause
Abb. 7 Zeitliche Entwicklung der Tageslänge (Schwarze Punkte), 22 jähriger Hale-Zykus (blau)
und Standardabweichung der OH*-Temperaturen in der Airglowschicht (rot) (Höppner & Bittner
2008)
(Höppner 2007).
Abb. 7 zeigt ein Diagramm mit der aufgetragenen Änderung der Tageslänge (in
ms) von 1973 bis 2005. Wie zu sehen ist, scheint das solare Magnetfeld Einfluss
auf
die
Rotation
der
Erde
zu
nehmen.
Die
rote
Linie
stellt
die
Standardabweichung der OH*-Temperatur dar, die mit dem 22 jährigen HaleZyklus korreliert (Höppner & Bittner 2008).
14
OH*: radikales Hydroxyl. Gemessen durch ein GRIPS-Gerät (Ground Based Infrared PBranch Spectrometer) in Wuppertal.
15
Solarer Einfluss auf das Erdklima
Versuche den Schwabezyklus in eine Korrelation mit der Hydroxyltemperatur zu
bringen scheiterten. In den Messdaten von 1981 bis 2005 konnte bis 1991 zwar
eine Korrelation zwischen Schwabezyklus und OH*-Temperatur festgestellt
werden, welche jedoch nach 1991 in eine Antikorrelation überging. Somit kann
keine statistisch signifikante Korrelation in den Messdaten von 1981 bis 2005
zwischen der Aktivität der Sonne und den Temperaturen in der oberen
Mesosphäre nachgewiesen werden (Höppner 2008).
In der Stratosphäre trägt die Sonne maßgeblich zur Bildung von atomarem
Sauerstoff durch Fotodissoziation15 bei. Dieser Prozess hilft bei der Erzeugung
von Ozon in der Ozonschicht. Die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der
Ozonkonzentration haben demnach ihren Ursprung in der Sonnenaktivität. Es ist
eine
Korrelation
zwischen
Ozonkonzentration
und
dem
11
jährigen
Schwabezyklus zu erkennen. Die Erwärmung der Lufttemperatur in der oberen
Stratosphäre im Bereich der Ozonschicht wird durch die solare UV-Strahlung
angeregt. Da Ozon das UV-Licht absorbiert wird diese Energie an die
Umgebungsluft abgegeben. So entsteht das typische, vertikale Temperaturprofil
der Erdatmosphäre mit einem abrupten Anstieg der Temperatur in der
Stratosphäre (Mégie 1991).
4.2 Einfluss auf die Troposphäre
Der für das Wettergeschehen bedeutende Teil der Atmosphäre ist die
Troposphäre. Hier spielen sich nahezu alle Wetterereignisse ab. Die Sonne hat in
diesem Teil der Atmosphäre eine sehr große Bedeutung. Als Energielieferant
dient
sie
in
gewisser
Weise
sämtlichen
Witterungserscheinungen.
Veränderungen des Wetters aufgrund Schwankungen der Sonnenstrahlung
haben ein unterschiedlich großes zeitliches Ausmaß. Diese können von sehr
kurzer Dauer aber auch von einer mehrjährigen Periode sein. Da das Klima eine
statistisch gemittelte Größe über mindestens 30 Jahre ist, muss zwischen
Klimavariabilität und Wettererscheinungen unterschieden werden. Schlussendlich
wird zunächst das Wetter moduliert, was schließlich in die Klimastatistik einfließt.
Aus diesem Grund werden die Einflüsse der Sonnenstrahlung auf das
Wettergeschehen der Erde vereinfacht dargestellt, um die Wichtigkeit der Sonne
zu zeigen.
Das kleinräumigste Phänomen im Wettergeschehen was durch solare Strahlung
ausgelöst wird ist die thermische Konvektion. Aufgrund sich unterschiedlich
15
Spaltung durch ein Photon
16
Solarer Einfluss auf das Erdklima
schnell aufheizender Oberflächen eines bestimmten (lokalen) Raumes wird ein
darüberliegendes Luftpaket schneller erwärmt als die umliegende Luft. Aufgrund
des Dichteunterschiedes zwischen kalter (dichter) Luft und warmer, weniger
dichten
Luft
kommt
es
zu
einer
Aufwärtsbewegung
des
durch
die
Sonnenstrahlung erwärmten Luftpaketes. An der Erdoberfläche entsteht aus der
sich aufwärtsbewegenden Luft ein lokales Tiefdruckgebiet und die umliegende
Luft gleicht dies durch eine Ausgleichsströmung, auch Wind genannt aus.
Sobald das aufsteigende Luftpaket den Taupunkt16 erreicht hat, beginnt die
Luftfeuchte in der Luft zu kondensieren. Es bilden sich Wolken. Eine ausreichend
hohe Luftfeuchtigkeit und intensive Sonneneinstrahlung, und ein damit
verbundener
sogenannten
schneller
Aufstieg
eines
Überentwicklungen
erwärmten
führen.
Wenn
Luftpaketes
eine
kann
zu
Cumuluswolke
überentwickelt, kommt es häufig zu schauern bis hin zu extremen Hitzegewittern.
Dies ist vor allem im Sommer der Fall, da die Sonnenstrahlung mehr Energie auf
die Erdoberfläche liefert (Weischet 2008).
Eine weitere Wettererscheinung die durch Sonneneinstrahlung entsteht ist das
Land-See-Windsystem. Aufgrund der unterschiedlichen Speicherfähigkeit von
Wasser und Landoberfläche kommt es zu einem am Tage landeinwärts
gerichteten Luftstrom und nachts zu einem Landauswärts gerichteten.
Dies geschieht wie folgt: Auf der sich schneller erwärmenden Landoberfläche
entsteht aufgrund Konvektion (siehe oben) ein lokales Tiefdrucksystem an der
Erdoberfläche. Der Luftdruck in größeren Höhen nimmt aufgrund des Aufstieges
zu und es bildet sich ein Hoch. Aufgrund der Trägheit des Wassers erwärmt sich
die Wassermasse im Gegensatz zur Landoberfläche nur langsam und es
entsteht ein Druckgefälle, und demnach ein Wind hin zum Land. Die über Land
aufgestiegene
Luftmasse
beginnt
über
der
Wasseroberfläche
als
Ausgleichsbewegung wieder abzusinken und ein Kreislauf entsteht. In der Nacht
dreht sich der Kreislauf
um. Dies geschieht, da Wasser relativ zur
Landoberfläche gesehen ein guter Wärmespeicher ist. Die Wärmestrahlung wird
von den Landmassen relativ schnell abgestrahlt und verliert so schnell an
Energie, während das Speichermedium Wasser relativ warm ist. Somit dreht sich
der Kreislauf um, da die Luftmassen über dem Wasser wärmer werden als über
der Landoberfläche (Schönwiese 2008).
16
Punkt an der das Luftpaket bei einer bestimmten Temperatur gesättigt, also 100%
Luftfeuchtigkeit erreicht und beginnt zu kondensieren.
17
Solarer Einfluss auf das Erdklima
Ein ähnliches Prinzip lässt sich in Gebirgen beobachten. Aufgrund der
exponierten Hangneigung erwärmen sich dort die Gebirgszüge schneller als das
umliegende Flachland. Mit dem gleichen Prinzip wie beim oben genannten LandSee-Windsystem entsteht ein Bergwind17. In der Nacht dreht sich dieses System
um, da das Flachland die Temperaturen besser speichert (Schönwiese 2008).
Makroklimatisch gesehen ist der Strahlungseintrag der Sonne Auslöser für
globale atmosphärische Zirkulationen.
Ein Beispiel ist die Innertropische Konvergenzzone. Aufgrund der Zenitstellung
der Sonne wird auf wenig Raum viel Energie eingetragen und es kommt zu einer
verstärkten
Konvektion
in
Äquatornähe.
Ähnlich
wie
bei
lokalen
Konvektionsvorgängen kommt es zu einer Tiefdruckausbildung um den Äquator,
der
sogenannten
äquatorialen
Tiefdruckrinne.
Ebenso
bildet
sich
eine
Ausgleichsströmung, die Passate aus. Die absinkenden Luftmassen über den
Wendekreisen hindern konvektive Ereignisse und es kommt zur Wüstenbildung.
Aufgrund der Schiefe der Ekliptik kommt es zu einer scheinbaren Wanderung der
Sonne zwischen den Wendekreisen. Die ITC18 wandert mit einer zeitlichen
Verzögerung dem Sonnenzenitstand hinterher (Kuttler 2009).
Weitere atmosphärische Zyklen wie die Walkerzirkulation und die Entstehung der
Westwinddrift,
welche
auch
größtenteils
durch
unterschiedliche
Sonneneinstrahlung entstehen, sollen hier nicht weiter erläutert werden.
Neben solchen Klimaereignissen, die auf Grundlage der Sonneneinstrahlung
beruhen, hat Herman 1978 Korrelationen zwischen dem Hale-Zyklus und dem
Abb.
8
Korrelation
zwischen
Dürreereignissen
und
Hale-Zyklus. Im oberen
Bereich der Grafik sind die
Jahre
der
Dürren
aufgetragen. Wie gut zu
erkennen ist, folgt kurz
nach
einem
Sonnenfleckenminimum
meist eine Dürre. Diese
Beobachtung weißt eine
Periode von 20-22 Jahren
auf, was dem Hale-Zyklus
entspricht (Herman 1978).
17
18
Wind zum Berg hin
Englische Kurzform für Innertropische Konvergenzzone
18
Solarer Einfluss auf das Erdklima
Niederschlag entdeckt. An drei verschiedenen Messstationen im südlichen Afrika
konnten in den Niederschlagsaufzeichnungen Schwankungen von bis zu 200mm
jährlichen Niederschlags in einem 22 jährigen Rhythmus nachgewiesen werden,
welcher eine Synchronität mit dem Sonnenzyklus aufweist. Eine 20 - 22 jährige
Periodizität ist ebenso für Dürren im Mittleren Westen der Vereinigten Staaten
von Amerika beobachtet worden (Herman 1978), welche mit dem Hale-Zyklus mit
einer leichten Phasenverschiebung korreliert (Abb. 8).
Weiterführend schreibt Herman 1978, dass die in Kapitel 2.4.1 beschriebenen
Magnetfeldsektorengrenzübergänge
Einfluss
auf
den
Luftdruck
der
Erdatmosphäre, die Wirbelstärke und atmosphärisch-elektrische Phänomene
haben.
4.3 Verstärkermechanismus Wasserdampf
Verstärkermechanismen sind Prozesse in der Physik der Atmosphäre, durch die
im ersten Moment kleine Ursachen eine relativ große Wirkung erzielen. Zu
diesen Verstärkern gehört vor allem der Wasserdampf. Inwieweit dieser ein
positiver, bzw. negativer Verstärker ist, wird in der Fachwelt kontrovers diskutiert.
Die wahrscheinlichste Antwort auf diese Fragestellung ist, dass Wasserdampf in
der Atmosphäre sowohl positiver als auch negativer Verstärker sein kann. Fakt
ist, dass in den Berechnungen und Modellen des IPCC 2007 Wasserdampf als
Verstärkermechanismus in Bezug auf die Klimawirksamkeit des CO2 angeführt
wird. Ohne diesen Verstärker würde eine Verdoppelung des CO2-Gehaltes in der
Atmosphäre einen Temperaturanstieg von 0,5-0,7°C bedeuten. Nur mit dem
Wasserdampfverstärker
sind
Modellergebnisse
von
bis
zu
4,5°C
Temperaturanstieg möglich (Lindzen 2009).
Inwieweit der Wasserdampfverstärker auf andere Einflussgrößen, insbesondere
Schwankungen der solaren Aktivität reagiert ist umstritten.
Weitere Verstärkermechanismen, die es in der Erdatmosphäre gibt, werden
durch die Hauptseminararbeit „Climate change feedbacks und Tipping points:
Verstärkungs- und Dämpfungsmechanismen im Klimasystem“ von Luca Kraus
erläutert und hier nicht weiter behandelt.
19
Kosmische Strahlung und Wolkenbildung
5 Kosmische Strahlung und Wolkenbildung
Svensmark 1996 und Shaviv 2007 behaupten eine Korrelation zwischen
kosmischer
Strahlung
und
Wolkenbildung
gefunden
zu
haben.
Dieser
Mechanismus stärkt vor allem den Einfluss der Sonnenaktivität auf das Erdklima.
Der Mechanismus wird folgendermaßen erläutert: Bei schwacher Sonne (wenig
Sonnenflecken) ist das Sonnenmagnetfeld relativ schwach und kann so weniger
kosmische Strahlung ablenken. Demnach kommt es zu einer erhöhten
kosmischen Strahlung auf der Erde. Diese kosmische Strahlung soll die
Wolkenbildung fördern. Hierbei muss beachtet werden, dass vor allem die
energiereichste Form der kosmischen Strahlung, die Myonen bis in die tiefere
Troposphäre eintritt und dort das Wachstum von Kondensationskeimen fördert,
was wiederum den Einfluss auf die Wolkenentstehung positiv anregt (Svensmark
1996).
Umgekehrt soll eine aktive Sonne mit starkem Magnetfeld die kosmische
Strahlung abschirmen und demnach die Wolkenbedeckung abnehmen. Dieser
Effekt hat gleich eine doppelte Wirkung. Es kommt zu einer geringeren
Bewölkung, woraufhin die aktivere Sonne ihre erhöhte Strahlung ungehinderter in
die Atmosphäre einbringen kann (Svensmark 2008).
Um den Effekt von Wolken auf die Globaltemperaturen nachvollziehen zu
können, ist es erforderlich zu wissen, dass tiefe Wolken (Stratusbewölkung)
aufgrund ihrer erhöhten Albedo eine kühlende Wirkung auf bodennahe
Luftschichten hat, wohingegen Cirruswolken einen wärmenden Effekt haben.
Diese werden nach Svensmark 2008 jedoch nicht durch kosmische Strahlung
angeregt, da in den Höhen um 10 000 Meter in der Regel ausreichend
hochenergetische Strahlung existiert.
Die Theorie der Anregung des Wachstums von Kondensationskeimen durch
kosmische Strahlung wird in aktuellen Forschungen am CERN19 überprüft. Das
sogenannte
CLOUD-Experiment20
untersucht
den
Einfluss
von
hochenergetischer Strahlung (kosmischer Strahlung) auf Aerosolbildung in der
Luft. Dazu untersuchen Wissenschaftler am CERN eine Nebelkammer, welche
mit einem luftähnlichen Gasgemisch befüllt ist dahin gehend, ob unter Beschuss
von kosmischer Strahlung eine erhöhte Produktion von Kondensationskeimen
19
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europäische Organisation für
Kernforschung)
20
Cosmics Leaving OUtdoor Droplets
20
Diskussion
bzw. Aerosolen zu verzeichnen ist. Zwischenergebnisse liefern in der Tat eine
mögliche Korrelation von erhöhter Strahlung mit vermehrter Aerosolbildung,
welche jedoch durch weitere Versuche bestätigt werden muss (CERN 2008).
Diese Erkenntnisse fließen jedoch nicht in die Modellierungen des IPCC 2007
ein. Die Vermutung kosmische Strahlung könnte die Wolkenbildung anregen wird
im 4. Klimabericht lediglich kurz erwähnt und als nicht wahrscheinlich angesehen.
6 Diskussion
Anhand der oben dargestellten wissenschaftlichen Befunde kann nun diskutiert
werden, was im späten 20. Jahrhundert und in der heutigen Zeit zu dem globalen
Temperaturanstieg geführt hat. Diese Diskussion wird in der Fachpresse seit
Längerem kontrovers diskutiert. Während der Großteil, darunter vor allem der
Weltklimarat davon ausgeht, dass 95% des verzeichneten Klimawandels
anthropogenen Ursprungs ist und lediglich die restlichen fünf Prozent natürlich,
gehen Wissenschaftler wie Svensmark 1996/2008 und Shaviv 2003 davon aus,
dass die Sonne mithilfe von Verstärkermechanismen die treibende Kraft der
Klimaerwärmung ist.
Veröffentlichte Experimente aus dem Jahr 2009 (Archer 2010) können anhand
von sogenannten Forbush-Ereignissen21 die Theorie Svensmarks belegen. Die
Forbush-Ereignisse
schirmen
durch
Plasmawolken
den
kosmischen
Strahlungsfluss auf der Erde ab was diesen innerhalb von 12 Stunden rapide
abfallen lässt. Archer 2010 konnte während solcher koronaler Massenauswürfe
eine Abnahme des flüssigen Wassers in Wolken von 7% verzeichnen.
Umgerechnet wären das ungefähr 3 Milliarden Tonnen Wasser (Archer 2010).
Akutelle Forschungsergebnisse am CERN, welche während des CLOUDExperimentes erzielt wurden (siehe Kapitel 5) lassen die Theorie von Svensmark
ebenso realistisch erscheinen.
Die These eines natürlichen, solaren Klimawandels unterstützt auch Malberg
2012, welcher aufzeigt, dass in den letzten 10 Jahren die Globaltemperatur, mit
Ausnahme von El Nino Jahren, stagnierte und momentan sogar kühler wird.
Malberg 2012 begründet dies mit der momentan schwachen Sonne. Die
Sonnenfleckenzyklen 23 und 24 sind äußerst schwach. Zudem behauptet
Malberg 2012, dass das aktuelle Klimaverhalten mit dem Vrieszyklus und dem
21
Starker koronaler Massenauswurf der Sonne
21
Diskussion
momentan synchronen Gleißbergzyklus übereinstimmt und ein „Grand Solar
Minimum“ zu erwarten sei.
Skeptiker dieser Theorie, unter anderem der Kieler Klimaforscher Latif,
begründen die momentan stagnierenden Temperaturen mit einer Zunahme von
anthropogen eingetragenen Spurenstoffen. Dieses Global Dimming verändert die
Durchlässigkeit der Atmosphäre für den solaren Fluss als auch die der
Ausstrahlung der Erde. Allerdings kann der Effekt von Aerosolen auf die
Globaltemperatur nicht quantifiziert werden. In Modellrechnungen weißt das
Global Dimming relative Unsicherheiten auf (IPCC 2007).
Relativ sicher ist sich der Weltklimarat jedoch bei der Beurteilung des Klimagases
CO2 in Betracht auf den globalen Klimawandel. Wie anfangs dieses Kapitels
geschrieben, soll das Klimagas für 95% des Temperaturanstieges verantwortlich
sein. Malberg 2012 hingegen weißt dem CO2 eine untergeordnete Rolle zu.
Aufgrund den momentan stagnierenden, bzw. absinkenden Temperaturen im
Gegensatz
zu
der
stetig
nahezu
linear
zunehmenden
Kohlenstoffdioxidkonzentration kann nicht von einer großen Klimawirksamkeit
von CO2 ausgegangen werden (Malberg 2012).
22
Zusammenfassung und Ausblick
7 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass noch viel Forschungsarbeit im Hinblick
auf die Frage nach der Ursache des Klimawandels getätigt werden muss. In der
vorliegenden Arbeit wurden Forschungen von Svensmark 1996/2008 aufgezeigt,
welche offensichtlich einen Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung und
Wolkenbildung entdeckt haben. Tief liegende Wolken beeinflussen die globale
Temperatur maßgeblich vor allem in Richtung kühlerer Temperaturen. Wenn
diese Theorie durch weitere Forschungsarbeit belegt werden könnte, kann davon
ausgegangen
werden,
dass
dies
ein
großer
Schritt
dahin
ist,
ein
Rückkopplungseffekt zwischen Sonnenaktivität und Erdklima nachgewiesen zu
haben. Mit der Theorie der wolkenbeeinflussenden kosmischen Strahlung könnte
auch eine Erklärung für das faint-young-sun-Paradoxon gefunden worden sein
(Shaviv 2003).
Weiterführend sollten weitere klimabeeinflussende Größen wie ozeanische
Schwankungen und Luftdruckschaukeln wie die NAO22 oder PDO23 beachtet
werden. In Verbindung mit dem solaren Einfluss könnte so unter Umständen der
aktuelle Klimawandel erklärt werden.
22
23
Nordatlantische Oszillation
Pazifische Dekaden Oszillation
23
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26
Eidesstattliche Erklärung
Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere, dass ich die vorliegende Arbeit ohne fremde Hilfe und ohne
Benutzung anderer als der angegebenen Quellen angefertigt habe, und dass die
Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde
vorgelegen hat. Alle Ausführungen der Arbeit, die wörtlich oder sinngemäß
übernommen wurden, sind als solche gekennzeichnet.
Petersen, Erik
Augsburg, 19.10.2012