Sonnenaktivität und Erdklima
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Elektromagnetische Strahlung Solare Einstrahlung Thermische Strahlung am Boden 0.25 0.003 Ausstrahlung der Erdoberfläche am Atmosphärenoberrand 0.20 Strahlung in W/cm≤µm Auswirkung menschlichen Handelns auf das Klima Strahlung in W/cm≤µm am Erdboden 0.15 Materie sendet elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen in Form von Photonen aus (Emission), und zwar um so mehr je wärmer der emittierende Körper ist. So sorgt z.B. die Emission von der ca. 6000° heissen Sonne für das sichtbare Licht auf der Erde. Andererseits wird einfallende elektromagnetische Strahlung von Materie verschluckt (Absorption) und trägt dadurch zur lokalen Energieerhöhung bei, die sich meist in einer Erwärmung ausdrückt. So wird z.B. das Licht der Sonne in der irdischen Atmosphäre und am Erdboden absorbiert und erwärmt diese. Moleküle und Aerosole Einstrahlung aus der Atmosphäre 0.002 Sonnenaktivität und Erdklima Die Sonne ist der Motor des Wetters. Ihre magnetische Aktivität beeinflusst wahrscheinlich das Klima der Erde. 0.05 H 2O H 2O O3 0.00 0.000 0.5 1.0 1.5 2.0 5 10 15 Wellenlänge in µm 20 25 Wellenlänge in µm Treibhauseffekt nde e l l fa ein nnen g So hlun a str n xio e l f Re den in aum ltr We 2 m / W ne s236 oh hau eib se Tr ga 2 /m 6W 23 -18 CO 2 CFCs STRATO SPHÄ (~ 40 km RE ) N2 O CH4 H O3 2O Dagegen absorbieren Wasserdampf und in geringerem Maße auch CO2 (und andere Spurengase) Teile der Sonnenstrahlung und geben selbst Wärmestrahlung ab. In Richtung zum Erdboden übertrifft diese zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre die Absorption der Sonnenstrahlung in der Atmosphäre stark und bewirkt so am Erdboden eine höhere Energieeinstrahlung, als dies ohne solche Gase der Fall wäre. Diese vermehrte Einstrahlung führt zu einer Erwärmung des Erdbodens und (infolge verschiedener Transportvorgänge) auch der unteren Atmosphäre. -10 °C -60 TRO POS P (8-16 HÄRE km) 390 W/m2 °C Bei einer Erde ohne Atmosphäre wäre die Oberflächentemperatur durch die Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten Wärmestrahlung festgelegt. Diese Oberflächentemperatur würde im globalen Mittel etwa -20 °C betragen. Selbst eine Atmosphäre nur aus Sauerstoff und Stickstoff würde daran wenig ändern, da diese Gase kaum strahlungsaktiv sind. STR ATO PAU SE Wärmestrahlung 236 W/m2 °C TR OP OP AU S Diese Erwärmung des Bodens verursacht aber auch eine erhöhte Abstrahlung, die nur zum kleineren Teil direkt in den Weltraum gelangt. Überwiegend wird sie durch die atmosphärischen Treibhausgase absorbiert, die dafür selbst Strahlung emittieren. E Tu Ko rbul n e 11 vek nz + 0 W tio /m 2 n 15 °C Der Treibhauseffekt Diese ist aber wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe in der Atmosphäre geringer als die des Erdbodens und sie gleicht daher die AberStrahlungsbilanz auch die Sonne ist in den letzten 100 Jahren um etwa 0.2 Proam Aussenrand der Atmosphäre aus. Für diesen zentAusgleich heller geworden. hierfür ist ihre verstärkte magnetische ist vor allem dasUrsache atmosphärische Strahlungsfenster entscheidend, der Spektralbereich 10 µm Wellenlänge innerhalb Aktivität. Dies beeinflusstbeimöglicherweise auch das Klima der Erde. dessen dieBeitrag Strahlung von der Oberfläche bei wolkenloser AtmosphäWelchen könnte die veränderliche Sonne zur globalen Erre nur leicht geschwächt in den Weltraum entweichen kann. Die Erwärmung der Erde wird gewöhnlich auf die Zunahme des KohNettowärmestrahlung lendioxids in der Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Treibstoffe und den0.003 dadurch verstärkten Treibhauseffekt zurückgeführt. wärmung seit 1900 geleistet haben? Zu dieser lebenserhaltenden Erwärmung trägt Wasserdampf (H2O) etwa zu zwei Drittel bei; es folgen Kohlendioxid (CO2) mit einem Anteil von ca. 15%, Ozon mit etwa 10% und schließlich Distick-stoffoxid (N2O) und Methan (CH4) mit je etwa 3%. Darüber hinaus ist aber auch die Wirkung der Bewölkung und der Schwebeteilchen (Aerosole) auf die Sonnen- und Wärmestrahlung zu beachten, deren Zunahme eine im Mittel abkühlende Wirkung auf das Klimasystem hat. am Atmosphärenoberrand am Erdboden am Erdboden ohne Treibhausgase (bei 15°C) 0.002 Spektrale Helligkeit und hohe Atmosphäre O 3 Ultraviolette Strahlung und Ozon Wegen der Analogie mit den Vorgängen in einem Treibhaus, dessen Glasdach ebenfalls die Sonnenstahlung gut durchlässt, die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche aber nicht entweichen lässt, ist das hier beschriebene Phänomen auch als natürlicher Treib-hauseffekt bekannt. Beim Gebrauch dieser Treibhausanalogie ist aber Vorsicht geboten vor der allzu direkten Übertragung des Bil-des auf die reale Atmosphäre. Gerade die Vernachlässigung von gleichzeitiger Absorption und Emission von Wärmestrahlung durch die Treibhausgase in verschiedenen Höhen der Atmosphäre führt hier immer wieder zu Verwirrung. Ausserdem sind natürlich die Verhältnisse in der strömenden Atmosphäre mit Bewölkung viel komplizierter als im Treibhaus eines Gärtners. CO 2 0.001 H2O H2O 5 10 15 20 25 30 Wellenlänge in µm 1368 250 1367 1366 50 1363 1980 1700 1800 Jahr 1900 2000 Die magnetische Aktivität der Sonne schwankt in einem etwa 11jährigen Zyklus. Sie macht sich unter anderem durch Sonnenflecken, Fackeln, Protuberanzen und Eruptionen bemerkbar. 1985 1364 –0.2 –0.4 1362 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Jahr Eine indirekte Bestimmung der Helligkeit der Sonne aus ihrer magnetischen Aktivität zeigt einen ähnlichen Verlauf wie die mittlere Temperatur auf der Erde von 1860 bis 1980. Dies deutet einen Einfluss der Sonne auf das Erdklima an. Allerdings lässt sich der deutliche Anstieg der Temperatur seit 1980 nicht mehr auf die Sonne zurückführen. Es ist ein Indiz für die Verstärkung des Treibhauseffekts durch den steigenden Kohlendioxid-Gehalt der Luft. 0 8 <<1 Tatsächlich hat ja die Konzentration langlebiger Treibhausgase in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Hierdurch wird eine langfristige Erwärmung der unteren Atmosphäre und der Erdoberfläche Deren Ausmaß istwird aber stark von der Reaktion Ozon in angestoßen. der Stratosphäre durch die mit der Sonnenaktivität des Wasserkreislaufs (Wasserdampf, Bewölkung, Nieder-schlag, schwankende ultraviolette Strahlung der Sonne gebildet und abgeVerdunstung, Schneebedeckung, Meereisausdehnung, usw.) bebaut.stimmt. Erhöhte Werte von Erwärmung der StratoDer Wasserkreislauf kannOzon sowohl führen verstärkendzur als auch dämpfend weilin viele seiner Zweige stark temperatur-absphäre, dieeingreifen, sich bis die Troposphäre auswirken und unser Klima hängig sind. Die daraus folgenden Auswirkungen vermehrter Treibbeeinflussen kann. Bei verminderter Ozonkonzentration erhöht sich hausgase auf das regionale und globale Klima können nur mit die Gefahr von Hautschädigung durch die UV-Strahlung der Sonne. möglichst vollständigen und daher aufwändigen Klimamodell-rechnungen untersucht werden. 11 T anomaly CR(14C) 12 -0.2 13 -0.3 14 6 -0.4 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 15 2000 0 4 T anomaly 60 SN(14C) -0.1 40 -0.2 2 20 -0.3 0 1860 5 22200 Werden die natürlich vorhandenen Treibhausgase durch menschlichen Einfluß vermehrt oder um neue Stoffe (z.B. FCKW) ergänzt, so muss sich die Temperatur des Bodens und der unteren Atmosphäre weiter erhöhen. Sonnenaktivität in den letzten 11400 Jahren Sonnenaktivität und Klima in den letzten 1800 Jahren T anomaly (K) 0.0 (in Jahren) Jahr Konzentrationsanstieg (in %/a) 0.4 die Sonnenhelligkeit 1.0 0.25 im Verlauf ~ 0 eiIm ultravioletten Licht variiert Treibhauspotential 100 Jahren nesnach Aktivitätszyklus sogar1 um 100 24 Prozent. Dies zu deut360 führt 10600 im Vergleich zulichen CO2 Schwankungen der Ausdehnung der oberen Erdatmosphäre Anteil am anthropogenen im Rythmus der Sonnenaktivität. 50 20 5 10 Treibhauseffekt (in %) T anomaly (K) 1366 24.00 -0.1 Magnetischer Fluss (1014Wb) 0.2 Temperaturanomalie (oC) Sonnenhelligkeit (Wm–2) Erdtemperatur 2000 200 Anthropogener Treibhauseffekt 150 Wichtige langlebige Treibhausgase, die durch den Menschen zunehmen 23.95 CO2 CH4 N2O CFC-12 SF6 100 Konzentration (in ppm) 358 1.72 0.31 23.90 0.00032 4 10-6 50Menge Verweildauer einer zusätzlichen 100 198012 1990 120 100 3200 1960 1970 Interplanetares Magnetfeld, kosmische Strahlung und Wolken 1370 0.4 1995 Durch Messungen der Helligkeit der Sonne von Satelliten aus fand man, dass die Sonne im Aktivitätsmaximum um 0.1% heller ist als im Minimum. Dieser Helligkeitsüberschuss geht auf helle magnetische Fackelgebiete zurück, welche die dunklen Sonnenflecken überwiegen. Sonnenhelligkeit und Erdtemperatur Sonnenhelligkeit 1990 Jahr 24.05 Cosmic Rays (Hz) 1365 1364 0 1600 1368 Max 1880 1900 1920 1940 Jahr 1960 1980 2000 In den letzten 100 Jahren hat sich der magnetische Fluss im interplanetaren Raum (der “offene” magnetische Fluss der Sonne) verdoppelt. Dies führt zu einer vermehrten Abschirmung der kosmischen Strahlung und damit möglicherweise zu einer Abnahme der Wolkenbildung, verbunden mit einer Zunahme der Temperatur. -0.4 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Years AD 1800 Sunspot numbers 100 Min 30 hPa Hohe in km MaunderMinimum Max Solarer Fluss 10.7 cm 150 Sonnenhelligkeit (Wm–2) Sonnenfleckenrelativzahl 200 Min Emission und Absorption finden bei vielen Gasen, wie z.B. bei den wichtigsten Treibhausgasen Wasserdampf und CO2, in Spektrallinien und -banden (Ansammlungen von Linien) statt, die sehr stark von der Wellenlänge abhängen. Dagegen absorbieren und emittieren gerade die beiden Hauptgase der Atmosphäre Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2) in den hier betrachteten Bereichen des Spektrums nur unwesentlich. Sonnenaktivität 0.000 Max 30 Der Treibhauseffekt Helligkeitszyklus der Sonne 1369 Bei den Temperaturen der Erde und der Atmosphäre findet die Emission elektromagnetischer Strahlung (oft auch Wärmestrahlung genannt) überwiegend im sogenannten thermischen Bereich des Spektrums zwischen 3 und 50 µm statt. Da diese Wellenlängen viel größer als die der einfallenden Sonnenstrahlung (zwischen 0.3 und 3 µm) sind, kann man die beiden Strahlungsarten und Spektralbereiche getrennt betrachten. 0.001 H 2O und CO 2 Auf der Erde ist es in den letzten 100 Jahren im Mittel ein knappes Grad wärmer geworden. Dies zeigt sich in direkten Messungen und indirekten Indikatoren (z.B. dem Rückzug von Gletschern). Sonnenfleckenzyklus H 2O Strahlung in W/m≤µm Erwärmung der Erde Sonnenaktivität und Erdklima 0.10 CO 2 0 2000 Rekonstruktionen der Sonnenaktivität und der Erdtemperatur für die letzten 1800 Jahre legen einen Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität und dem Erdklima nahe. So fallen etwa der Höhepunkt der “Kleinen Eiszeit” und das “Maunder-Minimum” geringer Sonnenaktivität im 17. Jahrhundert zusammen. Mit Hilfe der Konzentration der radioaktiven Isotope C-14 in Baumringen und Be-10 in Eisbohrkernen, die durch die kosmische Strahlung in der Atmosphäre erzeugt werden, kann der langfristige Trend der Sonnenaktivität weit in die Vergangenheit zurückverfolgt werden. Es zeigt sich, dass die Sonnenaktivität in den letzten 60 Jahren im Mittel höher war als in den 9000 Jahren zuvor. DS & MS, MPS, Mai 2005
