8.2.Hochatmosphäre
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Klimaseminar WS 2009/2010 Wolfgang Gebhardt; Andreas Schäfer Thema: Der mögliche Einfluss der galaktischen kosmischen Strahlung auf unser Klima Referentin: Katharina Umminger Übersicht: I. Einführung: Ein Themenüberblick II. Hauptteil: 1. Eine kurze Einführung in das Thema kosmische Strahlung 2. GCR und Wolkenbildung 3. Der Einfluss der Sonne auf die kosmische Strahlung: a) Sonnenzyklus, Forbush decrease und Svensmark's Theorie b) Klimawandel aufgrund lang anhaltender Fluktuationen der Sonne: Messungen mit 14C und 10Be 4. Aktuelle Forschung a) Neueste Messungen durch die ISCCP D2 cloud data b) Gegenstimmen zu Svensmark c) Das CLOUD-Experiment III.Schluss: Blick in die Zukunft IV. Bibliografie 1 I. Einführung: Wenn man in der Suchmaschine „Google“ die Stichworte „Kosmische Strahlung“ und „Klima“ eingibt, so bekommt man 23 600 Ergebnisse angezeigt. Das Angebot beginnt bei populärwissenschaftlichen Magazinen wie focus.de und welt.de bis hin zu anspruchsvolleren Physik-Zeitschriften wie „Science“ und Artikeln von verschiedenen Universitäten. Und immer wird dieselbe Frage diskutiert: Beeinflusst kosmische Strahlung, die auf unsere Atmosphäre trifft, die Wolkenbildung und somit unser Klima? Da die kosmische Strahlung fast die einzige Ursache für die Produktion von Ionen in der tieferen Atmosphäre ist, könnte die Wolkenbildung von diesem Prozess abhängen. Das magnetische Feld der Heliospähre, welches auf Grund der Verdrängung der interstellaren Materie durch den Sonnenwind entsteht, dient als „Schild“ gegen ankommende galaktische kosmische Strahlung. Ändert sich nun dieses magnetische Feld, so ändert sich auch die Rate der auf der Erde einfallenden Teilchen. Da die Sonnenaktivität Fluktuationen unterworfen ist, könnte dies auch eine Änderung des Wolkenbildes in der Troposphäre nach sich ziehen. Wolken beeinflussen unser Klima. Sollte es einen Zusammenhang zwischen Höhenstrahlung und Wolkenbildung geben, so ist das Verständnis dieses Prozesses wichtig, um näheres über die Dynamik unseres Klimas zu erfahren. Bild 1: Quelle: http://www.sciencebits.com/ice-ages II. Hauptteil: 1. Eine kurze Einführung in das Thema kosmische Strahlung Die kosmische Strahlung ist ein hochenergetischer Teilchenstrahl aus dem Weltall. Der Begriff „Strahlung“ ist irreführend, da elektromagnetische Strahlung nicht zur kosmischen Strahlung gerechnet wird. Die galaktische kosmische Strahlung besteht zu zirka 87% aus Protonen, 12% αTeilchen und 1% schweren Atomkernen. Auch Elektronen, Gammastrahlung und Neutrinos tragen geringfügig dazu bei. Auf Englisch heißt die kosmische Strahlung „Cosmic Ray“, ich werde von nun an diesen Begriff also mit „CR“ abkürzen. Man unterteilt sie in drei Bereiche, ausgehend von ihrem wahrscheinlichsten Ursprung: 2 a) Extragalaktische CR: Die Quellen liegen in anderen Galaxien (Energien oberhalb von 1016 eV bis 1020 eV) Eventuell könnten diese Energien durch Urknallrelikte entstehen. Teilchen mit großer Masse würden dann in hochenergetische Folgeprodukte zerfallen. Für diese Vermutung gibt es allerdings bisher noch keine Hinweise. Auch sogenannte „Jets“, ein Gasstrom, könnten dazu beitragen. Jets entstehen, wenn ein Objekt (schwarzes Loch, Protostern) Gas aus einer rotierenden Scheibe ansammelt. Bild 2: Quelle: http://www.astronomie.de/fachbereiche/radioastronomie/mpifr/2009/radiosignale/index.htm Das Bild zeigt die Galaxie Centaurus A. Man kann die Materiejets erkennen, die im Bereich des zentralen Schwarzen Lochs ihren Ursprung haben. b) Galaktische kosmische Strahlung (GCR): Quellen liegen in der Milchstraße (Energien von 1010 bis 1016 eV). Bei einer Supernovaexplosion entstehen Störungen, die sich mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit des Mediums, in dem es sich bewegt. (Sogenannte Schockwellen). Diese treffen auf interstellares Gas und beschleunigen dieses. Auch Pulsare und Doppelsternsysteme können zur Beschleunigung beitragen. c) Solare kosmische Strahlung: Ursprung ist unsere Sonne (Energien bis zu 109 eV) Der Sonnenwind ist ein permanenter Strom geladener Teilchen, das sogenannte Plasma. Plasmateilchen werden stark erhitzt und auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Folge ist ein stetiger, die Sonne verlassender Strom von Materie (ca. 10 9 kg/s). Der Einfluss des Sonnenwindes macht sich auch noch 200 AE von der Sonne entfernt bemerkbar. (Weiter entfernt als Neptun). Hier ist die sog. Heliosphäre anzusiedeln. Der GCR-Fluss durch unsere Galaxie wird durch den abschirmende Effekt des Sonnenwindes moduliert, besser ausgedrückt, das magnetische Feld der Heliosphäre dient als „Schild“ gegen einfallende GCRs. Ein sich ändernder Sonnenwind bedeutet also auch eine sich ändernde GCR-Rate und somit eine Änderung des Stroms der auf die Erde treffender Teilchen. Das irdische Magnetfeld hält den Teilchenschauer zum größten Teil ab. 3 Bild 3: Heliosphäre (blau). Inerstellares Medium (orange). Quelle: http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a010400/a010499/index.html -> (Goddard Space Flight Center, NASA) Bild 4: Die Magnetosphäre schirmt die Erdoberfläche von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab. Quelle. Wikipedia.de → http://de.wikipedia.org/w/index.phptitle=Datei:Magnetosphere_rendition.jpg&filetimestamp=20050619100947 2. GCR und Wolkenbildung In neuesten Forschungsberichten (H. Svensmark, E.Friis-Christensen 1997 und viele mehr) wird vermutet, dass es einen Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung und dem Erdklima gibt. Die atmosphärische Ionisation, deren Ursache GCR sind, soll die Eigenschaften der Wolkenbildung beeinflussen. GCR ist die dominante Ursache für atmosphärische Ionisation. Am häufigsten tritt sie in Höhen von 1-35km über Land und 0-35km über dem Meer auf. Ihr Maximum tritt bei ca. 15km auf. Dies entspricht genau der Höhe, in der sich vermehrt Wolken bilden, die sogenannte Troposphäre. Wolken sind äußerst wichtig für den Wärmehaushalt. Durch das Reflektieren einfallender kurzwelliger Sonnenstrahlen kühlen sie die Atmosphäre ab, während sie auf der Unterseite wärmend wirken, da sie hier die abgestrahlten Langwellen gefangen halten. Hohe, optisch dünne Wolken bewirken eine Erwärmung in der Gesamtbilanz, während niedrige Wolken eher abkühlend wirken. Bild 5: Quelle: http://www.nasa.gov/images/content/57913main_Cloud_Effects.jpg → (nasa.gov) 4 Um den Mechanismus der Wolkenbildung durch Aerosole genauer erklären zu könne, möchte ich zuerst den Begriff des Aerosols definieren. Def.: Aerosol Aerosole sind flüssige oder feste Teilchen, die einen Durchmesser von 0.001 – 1 μm haben. Atmosphärische Aerosole schließen Staub, Meeressalz, Ruß, Sulfate (v.a. H2SO4 und (NH4)2SO4, Nitrate (v.a. HNO3 ) ein. Aerosolkonzentrationen variieren normalerweise von ~ 100 cm-3 in maritimer Luft bis zu ~ 1000 cm-3 in nicht verschmutzter Luft über Land, wobei die Werte großen Schwankungen unterworfen sind. Die Anzahl und die Größenordnung der Wolkentröpfchen hängen von der Zusammensetzung und der Größe der Aerosolpartikel ab, an denen Wasserdampf kondensieren kann. Je größer ein Partikel ist, desto mehr wasserlösliche Einzelkomponenten sind in ihm enthalten und desto mehr Wasser kann an ihm kondensieren. Größere Partikel bilden früher Wolkentröpfchen als kleinere. Es kommt aber auch auf die Zusammensetzung der Partikel an. Gäbe es keine Aerosolpartikel, so bräuchte man bis zu 300 % Luftfeuchtigkeit, um eine Tröpfchenbildung herbeizuführen. Sobald die Wolkenkondensationskeime Tröpfchen bilden, sinkt die Luftfeuchtigkeit, da das zuvor in der Luft gelöste Wasser an den Partikeln kondensiert hat. Wird die Luftfeuchtigkeit also geringer, hören die Tröpfchen irgendwann auf zu wachsen, da nicht mehr genügend Wasser in der Luft vorhanden ist. Sind also wenig Partikel in der Luft vorhanden, bilden sich große Tröpfchen, die dann mit großer Wahrscheinlichkeit auch zusammenstoßen, es kommt schnell zu Regen. Sind aber sehr viele Partikel vorhanden, bilden sich nur kleine Tröpfchen, deren Wahrscheinlichkeit, zusammen zu stoßen, gering ist. Es bildet sich eine sehr große Wolke, die aber kaum, wenn überhaupt, Regen abgibt. GCR verursacht in der Atmosphäre Ionen, die wiederum die Produktion neuer Aerosole in der Troposphäre beeinflussen und somit die Wolkenbildung modulieren. Neue Aerosole bestehen aus kleinen Clustern, die nur aus wenigen (ab zwei) Molekülen bestehen. Diese können durch an ihnen kondensierenden Wasserdampf zu einer kritischen Größe heranwachsen. Sie könnten auch verdampfen, bevor sie diesen kritischen Punkt erreicht haben. Haben sie diesen aber einmal erreicht, dann ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass weiterhin Wasserdampf am Aerosol kondensiert und Wolken können sich bilden. Die durch GCR hervorgerufenen Ionen stabilisieren die Cluster aufgrund von Coulomb-Anziehung und reduzieren so die kritische Größe. Wolkenbildung wird somit wahrscheinlicher. Man nennt diesen Prozess „ion-induced nucleation“. Die elektrische Ladung beschleunigt das Wachstum der Aerosole aber auch dadurch, dass sie Kollisionen mit anderen geladenen Aerosolen wahrscheinlicher macht. Wenn durch die GCR sehr stark geladene Wassertröpfchen verdampfen, dann hinterlassen sie stark geladene „Verdampfungskerne“. Einige dieser Kerne werden zu Eiskernen, die zu Eispartikeln wachsen können. Nun muss man wissen, dass man an der Wolkenoberseite flüssiges Wasser bei Temperaturen von bis zu -40° C finden kann. Die geladenen aerosolen Eispartikel können dort ein Gefrieren einleiten. Dies verändert natürlich die Zusammensetzung der Wolke und somit auch die weitere Wolkenbildung. Freie Radikale können auch von GCR erzeugt werden. Diese geladenen Teilchen interagieren mit den atmosphärischen Gasmolekülen und werden somit in komplexe positive und negative ClusterIonen umgewandelt und sind nun chemisch reaktionsfreudig. 5 Bild 6: Quelle:http://clo ud.web.cern.ch /cloud/ → CLOUD proposal S. 21 2. Der Einfluss der Sonne auf die kosmische Strahlung: a) Forbush decrease, Sonnenzyklus und Svensmark's Theorie 1997 kündigten Svensmark und Friis-Christensen ihre erstaunliche Entdeckung an, dass die globale Wolkendecke mit der Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung eng zusammenhängt. Diese Strahlung variiert wiederum stark mit den Sonnenflecken. Sonnenflecken sind Gebiete auf der Sonne, an denen starke lokale magnetische Felder von meist 0,25 Tesla vertikal austreten. Sie entstehen aufgrund der unterschiedlichen Rotation der Sonne in Bezug auf deren Breite. Sie wandern von den hohen Breiten zum Äquator und wieder zurück. Dies dauert im Schnitt 11 Jahre. William Herschel beobachtete 1801, dass der Getreidepreis in England niedriger war, wenn es mehr Sonnenflecken gab und andersherum. Das bekannteste Beispiel hierfür ist das sogenannte „Maunder-Minimum“, eine kleine Eiszeit zwischen 1645 und 1715 – ironischerweise genau während der Regentschaft des Sonnenkönigs Ludwig XIV (1643 – 1715). In diesem Zeitraum gab es so gut wie keine Sonnenflecken! Befinden wir uns an einem Maximum des 11- Jahres-Zyklus, so ist der Sonnenwind am stärksten und weniger kosmische Strahlung erreicht die Erde. Satellitenmessungen zeigen, dass dann auch die Wolkenbildung geringer ist. Doch nicht die Strahlungskraft der Sonne variiert mit den Zyklen, sonder nur die Intensität der GCR. 6 Grafik 1: Satellitenmessungen einer Veränderung der Sonnenbestrahlungsstärke (solar irradiance) innerhalb zweier Sonnenfleckenzyklen. Das Maximum der Sonnenflecken trat ca. Anfang 1981 und in der Mitte der 1990er auf, das Sonnenfelckenminimum trat Anfang 1986 und 1996 auf. Die schnellen Schwankungen entstanden durch das Rotieren der Sonnenflecken in das Beobachtungsfeld der Messinstrumente. Die schwarze durchgezogene Linie repräsentiert die geglätteten Daten. Die Daten stammen aus den ACRIM I und II (active cavity irradiance monitors), den „Solar Maximum Mission Satellites“ , den HF- Typus Radiometern von „Nimbus 7 Earth Radiation Budget (ERB)“ und von „ Earth Radiation Budget Satellite (ERBS) . Grafik 1: Quelle: http://cloud.web.cern.ch/cloud/ → CLOUD proposal S. 4 Grafik 2: Veränderungen der Zykluslänge Sonnenflecken (rote, durchgezogene Linie) und der anormalen Temperatur der nördlichen Hemisphäre (blaue, gestrichelte Linie). Die Temperatur wurde über Land gemessen, da das Wasser eine größere Wärmekapazität hat und somit kleine Änderungen langsamer registriert. Die Daten stammen aus der IPCC. Grafik 2: Quelle:http://cloud.web .cern.ch/cloud/ → CLOUD proposal S.4 7 Grafik 3: Zeitliche Veränderung der Zahl der Sonnenflecken(grüne, unten) und des Flusses der galaktischen kosmischen Strahlung (blau, rosa, grün, oben). Der Fluss wurde an auf dem Boden stationierten Neutronenzählern gemessen. Die Neutronendaten stammen von der Universität Chicago: „ Neutron monitor stations at Climax, Colorado (3400 m elevation; 3 GeV/c primary charged particle cutoff) (blaue Linie). Die Daten der rosa Linie stammen aus Huancayo, Peru (3400 m; 13 GeV/c cutoff) and schließlich zeigt die grüne Linie Messungen aus Haleakala, Hawaii (3030m; 13 GeV/c cutoff). Grafik 3 Quelle: http://cloud.web.cern.ch/cloud/ → CLOUD proposal S.6 Im Mittel variiert die Fluss der GCR um 15% global zwischen dem Maximum und dem Minimum der Sonnenaktivität. 8 Grafik 4: In dieser Grafik wird die Veränderung der globalen Wolkenbedeckung in Prozent angegeben. Die Messungen erfolgten durch Satelliten ( gepunktete Linie, linke y-Skala). Verglichen wird dies mit der Veränderung der Veränderung des Flusses der CR (auch in Prozent) (rote, durchgezogene Linie). Die Kurve wurde auf den Mai 1965 normiert. Die blaue gestrichelte Linie gibt den Fluss der solaren 10.7 cm Mikrowellen Strahlung. (Einheit: W/m2*1/Hz) Die „Wolkendaten“ beziehen sich auf Ozeane. Die Dreiecke repräsentieren Daten von Nimbus 7, die Rauten von DMSP. Sie beziehen sich auf die südliche Hemisphäre. Die Quadrate repräsentieren Daten der ISCCP-C2 über den Ozeanen, die Tropen ausgeschlossen. Die Fehlerbalken stehen für statistische Fehler. Die Daten der kosmischen Strahlung wurden von Neutronenmessungen in Climax entnommen.. Alle Daten wurden geglättet und auf 12 Monate gemittelt. Quelle: Grafik 4: Quelle: http://cloud.web.cern.ch/cloud/ → CLOUD proposal S.7 Grafik 5: Quelle: www.dsri.dk 9 Ein schneller Abfall der Intensität von GCR innerhalb von ein bis zwei Tagen und eine allmähliche Erholung innerhalb von fünf bis sieben Tagen nennt man Forbush decreases (Fds) (Forbush, 1937). Sie entstehen nach intensiven koronalen Massenabstößen der Sonne. Dadurch wird die Sonnenaktivität erhöht. Deshalb gelangen für eine kurze Zeit weniger GCRs auf die Atmosphäre.Das Forscherteam des National Space Institute der Technischen Universität von Dänemark(DTU) haben 26 Fds seit 1987 beobachtet und ausgewertet. Und tatsächlich wurden sie fündig. Zwei oder drei Tage nach den Fds konnte man einen Rückgang der Wolkenbildung erkennen. In diesen Tagen haben sich also weniger Aerosole zu Kondensationskeimen ausgebildet, die wie „Samen“ auf einem Feld wirken. Svenmark: „(...) it's like noticing bare patches of field, where a farmer forgot to sow the seeds. „ (…) „Three independent sets of satellite observation all tell a similar story of clouds disappearing, about a week after the minimum of comsic rays.“ (Quelle: Cosmic meddling with the clouds by seven- day magic, page 2 ll. 6-8, dieser Artikel bezieht sich aber auf die Arbeit : „Cosmic ray decreases affect atmospheric aerosols and clouds“ by Henrik Svensmark, Torsten Bondo, and Jacob Svensmark,National Space Institute, Technical University of Denmark, Juliane Marie Vej 30, 2100 Copenhagen Ø, Denmark, Geophysical Research Letters, Vol. 36, L15101, 2009) Grafik 6: Quantitativer Vergleich des Effektes der Stärke des „Forbush Decreases“ anhand der Wolkenbildung mit dem Einfall der galaktischen kosmischen Strahlungen.. Die rote gestrichelte Linie sind Daten der GCRs, gemessen in Climax, Colorado. Das Erste Bild zeigt die Daten der 26 Fds. Gemessen wurde der Wassergehalt der Wolken (cloud water content cwc in kg/m2) (SSM/I). Bild 2 zeigt 13 Fds für Anteile flüssigen Wassers in Wolken (cloud fraciont CF)(MODIS), 26 Fds, Messung der Wolkenbedeckung im tief infraroten Wellelängenbereich, gemessen in einer Höhe von 3.2 km mit der ISCCP und 13 Fds für feine Aerosole (AERONET= ground stations of the aerosol robotic network) Quelle: Cosmic ray decreases affect atmospheric aerosols and clouds“ by Henrik Svensmark, Torsten Bondo, and Jacob Svensmark, National Space Institute, Technical University of Denmark, Juliane Marie Vej 30, 2100 Copenhagen Ø, Denmark Geophysical Research Letters, Vol. 36, L15101, 2009 Svensmark und andere Forscher scheinen einen Zusammenhang zwischen GCR und der Wolkenbildung gefunden zu haben. Doch die Fds stören das Wolkebild nur kurzzeitig, und auch die Modulation durch den Sonnenzyklus haben auf längere Sicht keine Einfluss auf den Klimawandel, da wir hier ja von einer Periodizität sprechen, nicht von einem Anstieg. Es gäbe also keine Langzeitauswirkungen. 10 Nun stellt sich die Frage, wie stark die Auswirkung der GCRs auf unser Klima wäre, wenn es eine langfristige Änderung der Magnetosphäre von Sonne und Erde gäbe. Kann man weit in die Vergangenheit zurückblicken, dorthin, wo wir wissen, dass es eine Eiszeit gab? Wenn wir dort herausfänden, dass es in dieser Zeit eine geringere Intensität an GCRs gab, könnten wir auch Prognosen für unsere Klimazukunft machen? b) Klimawandel Aufgrund lang anhaltender Fluktuationen der Sonne: Messungen mit 14C und 10Be Im Verlauf dieses Jahrhunderts hat der Fluss der kosmischen Strahlung beständig abgenommen. Heute ist sein Maximum schwächer als es sein Minimum um 1900 war. Dies kann man aus Messungen und Analysen der 10Be Konzentration im grönländischen Eis und 14C Konzentrationen z.B. in Baumstämmen erkennen. Direkte Messungen der GCRs mit Teilchendetektoren liegen erst für die letzten 50 Jahre vor. Mit der Untersuchung dieser Radioisotope kann man das Zeitfenster auf 200 Jahrtausende erweitern. Beryllium gehört zu den Erdalkalimetallen. 10 Be ist sein radioaktives Isotop. Der Großteil von 10Be wird in der Atmosphäre durch Wechselwirkung von Neutronen mit Sauerstoff und Stickstoff erzeugt, wobei der Ursprung der Neutronen die sekundäre kosmische Strahlung ist. Vor allem durch Niederschlag und Schnee gelangt 10Be auf die Erdoberfläche, Jahreszeitliche Unterschiede im Niederschlag können also die Messungen verfälschen. Der Fluss der kosmischen Strahlung kann die Ablagerung von 10Be beeinflussen. Leider hat es eine 100-fach niedrigere Produktionsrate als 14 C und man kann es nur in den polaren Breiten, eingeschlossen in Eis vorfinden. Der Vorteil von 10 Be ist, dass es sich schnell absetzt und eine Halbwertszeit von 1.51*106 Jahre hat. Es dient also zur Bestimmung des Flusses der GCRs für (relativ) kurze Zeiträume. Grafik 7: a)Konzentration der 10Be in einem 300 m langen Eiskern aus Grönland. Der Eiskern ermöglicht eine Bestimmung des Flusses der GCRs für die letzten 150 Jahre auf der Erde. Die Daten wurden auf eine 10- Jahresmessung geglättet. b) Die Sonnenfleckenzyklen im selben Zeitraum. Man sieht deutlich die Gegenläufigkeit beider, vor allem ab 1960. Quelle: A STUDY OF THE LINK BETWEEN COSMIC RAYS AND CLOUDS WITH A CLOUD CHAMBER AT THE CERN PS, cloud, CERN/SPSC 2000-021, SPSC/P317, April 24, 2000; Seite 15 Grafik 8: Die rote, durchgezogene Linie repräsentiert die prozentuale Veränderung des GCR-Flusses für die letzten 140 Jahre. (Basis: der Mittelwert des Sonnenfleckenzykluses 21). Die gestrichelte Linie zeigt die Schwankungen der GCRs durch Messungen von 10Be Isotopen in grönländischen Eiskernen. Quelle: A STUDY OF THE LINK BETWEEN COSMIC RAYS AND CLOUDS WITH A CLOUD CHAMBER AT THE CERN PS, cloud, CERN/SPSC 2000-021, SPSC/P317, April 24, 2000; Seite 17 11 C wird in der Atmosphäre durch das Auftreffen von besagten Neutronen auf 14 N produziert. 14 N + n → 14 C + p 14 C wir zu 14CO2 oxidiert und zerfällt (ß-) mit einer Halbwertszeit von (5730 +/- 40) Jahren. Pflanzen nehmen es durch Photosynthese auf. In der Analyse von z.B. langlebigen Bäumen (hier die kalifornische Kiefer) kann man den GCR-Fluss anhand der 14 C Konzentration in den Jahresringen ablesen. Beide Methoden ergeben einen ständigen Rückgang des GCR- Flusses. Damit würde sich aber – laut Svensmark's Theorie - eine dauerhafte Erwärmung ergeben. Auch 14 Grafik 9: Verlauf der Abweichungen der relativen 14C Konzentration in der Atomsphäre. Die Punkte und die Kreise repräsentieren zwei unabhängige, sehr genaue Messungen. Die durchgezogene Linie ist eine Kombination weiterer, allerdings nicht so genauer Daten. Die ersten vier Perioden stimmen mit überlieferten Klimaanomalien überein. Quelle: http://cloud.web.cern.ch/cloud/;Orig inal CLOUD concept: Beam measurements of a CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) chamber, 24 February,1998, CERN-OPEN-2001028. Seite 14 Bei diesen Messungen treffen wir wieder auf das Maunder-Minimum aus dem Kaptiel 2.a). Damals gab es so gut wie keine Sonnenflecken und deshalb vermutlich weniger solare Teilchen aus dem Sonnenwind in der Atmosphäre. Aus der Grafik können wir auch ablesen, dass die Erde über die letzten 1000 Jahre immer wieder Erwärmungen und Abkühlungen durchgemacht hat. Bis auf den Suess-Effekt können die vorherigen Anomalien nicht auf anthropogene Treibhausgase zurückgeführt werden. Einige Forscher vermuten sogar, dass die heutige globale Erwärmung mehr durch den hier gezeigten Effekt verursacht wird, als vom Menschen (z.B. Jasper Kirkby, 1998, CERN). Wir wissen, dass sich das Erdmagnetfeld zirka alle 250 000 Jahre umkehrt und wir wissen auch, dass die Magnetosphäre den Einfall der geladenen Partikeln des Sonnenwindes auf der Erdoberfläche moduliert. In der Zeit der Umpolung wird die Erde also einen höheren Anteil an GCR empfangen. Stimmt Svensmark's Theorie, dann sollte sich die 14C Konzentration genau gegenläufig zum Erdmagnetfeld verhalten und sich mit ihm sozusagen ändern. P.E. Damon und C.P. Sonett haben dies untersucht und folgende Grafik dazu erhalten: ( P.E. Damon and C.P. Sonett, Solar and terrestrial components of the atmospheric 14C variation spectrum, in „The Sun in Time“, eds. C.P. Sonett, M.S. Giampapa and M.S. Matthews, University of Arizona Press, Tucson (1991). 12 Grafik 10: Verlauf der Änderung der Konzentration von 14C in der Atmosphäre. Die Zeitspanne reicht über die letzten 10 Millenia hinaus. Die Messungen sind relativ zu den Werten von 1850 zu sehen. Die „ Medieval Warm (MW), Wolf Maximum (W), Spörer Minimum (Sp), Maunder Minimum (M) und der Suess-Effekt (Su)“ sind eingezeichnet. Die Punkte (rechte Skala) zeigen das erdmagnetische Dipolmoment im selben Zeitraum. Quelle: Original CLOUD concept: Beam measurements of a CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) chamber, 24 February 1998, CERN-OPEN-2001-028. Seite 15 4. Aktuelle Forschung a) Neueste Messungen durch die ISCCP D2 cloud data E. Palle Bago und C.J. Butler untersuchten in ihrem Artikel in Astronomy und Geophysics im August 2000 (Issue 4, pp 18-22; The influence of cosmic rays on terrestrial clouds and global warming) die neuesten ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) D2 (kurz D2) Daten. Die D2 Daten bestehen aus einer Kombination von Messergebnissen von fünf geostationären und zwei den Pol umkreisenden Satelliten. Dadurch bekommt man alle drei Stunden eine globale Datenerfassung. Die Messungen werden im sichtbaren (λ~0.6μm) und infraroten ( λ~3.7μm und λ~10 -12μm) Bereich durchgeführt. Die IR Messungen haben den Vorteil, dass sie Tag und Nacht Daten liefern können. Außerdem wird die Wolkendeckentemperatur und der Druck gemessen. Bago und Butler kamen zu dem Ergebnis, dass nur die tiefen Wolken im Zeitraum von Juli 1983 bis September 1994 der Sonnenaktivität folgten. Deshalb vermuten diese beiden Wissenschaftler, dass man die Erderwärmung während des letzten Jahrhunderts quantitativ auf direkte und indirekte Effekte der Sonnenaktivität zurückführen kann. Da die atmosphärische Ionisation durch GCR ihr Maximum in großen Höhen erreicht, 12-15 km, würde man sofort vermuten, dass hier die größten Effekte in der Wolkenbildung zu erkennen wären. Tiefe Wolken befinden sich in einer Höhe von 0 – 3.2 km. Die neuen Daten lieferten also überraschende Ergebnisse! Ein Grund für diesen Zusammenhang könnte laut Bago und Butler sein, dass der gemessene Fluss in Bodennähe genauer ist als in der Atmosphäre, da die Neutronendetektoren auf Bodenhöhe befestigt sind. Außerdem sprechen die reinen Wasserwolken sehr gut auf die Variationen an, währen die Eiswolken (außer an den Polen) zeitlich konstant bleiben. Es kommt also auch auf den Wolkentyp an. Tiefe Wolken befinden sich vorwiegend in der flüssigen Phase. 13 (SFC entspricht: Messungen in den Bereichen: Ozeane in den mittleren Breiten, also werden die tropischen Breiten ausgeschlossen) Grafik 11: Quelle: The influence of cosmic rays on terrestrial clouds and global warming, E. Palle Bago and C. J. Butler. Paper appeared in Astronomy & Geophysics, August 2000. Vol 41, Issue 4, S. 18-22.; 14 b) Gegenstimmen zu Svensmark Die Autoren des Artikels „CLOUD Proposal: A study of the link between cosmic rays and clouds with a cloud chamber at the CERN PS“, April 2000, CERN/SPSC 2000-021;SPSC/P317 sind so sehr von ihrer Methode überzeugt, dass sie sogar vermuten, dass „ (…) a systematic decrease in the cosmic ray flux of the magnitude indicated by the 10Be and coronal magnetic flux measurements could have caused a reduction in cloud cover and consequent warming of the Earth comparable to the observed rise of 0.6° C in global temperatures last century, which is presently attributed predominantly to anthropogenic greenhouse gases.“ (Seite 16 unten) Doch da melden sich viele Forscher, die diesen Behauptungen sehr kritisch gegenüber stehen! Lockwood und Fröhlich finden nur Effekte für die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts, nach 1985 korrelieren die Datenkurven kaum. In ihrer Arbeit „Recent oppositely directed trends in solar climate forcings an the global mean surface air temperature“ (2007) warnen sie folgerichtig auch, voreilige Schlüsse zu ziehen. Der rapide Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur nach 1985 könne nicht durch die Schwankungen der Sonne erklärt werden. Kristjansson und Krsitiansen konnten sogar aufgrund der neuen ICCP D2 Daten zwischen 1989 und 1993 keinen Beweis für eine Verbindung zwischen GCRs und tiefen maritimen Wolken finden. Farrar analysierte die ISCCP C2 Daten und führte die Änderung der Wolkenbedeckung auf das Phänomen des „El Niῆo“ zurück. Barrie Pittock untersucht die Frage, warum das Thema solch großen Anklang findet (und auch so viele Forschungsgelder bekommt). Er geht sogar so weit, dass er den Forschern unterstellt, nur deshalb so viele Artikel über das Thema zu schreiben, damit sie mehr Geld für ihre eigentlichen Forschungsprojekte bekommen, die eben die Sonne oder die Ionosphäre betreffen. Pittock: „ It is tempting to justify one's disciplinary interest (…) by appealing to a hypotheses that suggests that one's discipline has practical application for wether forecasting. It may help get funding, (...)“. Vor allem die Industrie würde es sehr begrüßen, wenn sich herausstellen würde, dass nicht nur die Menschen an der globalen Erwärmung schuld sind. Auflagen der Bundesregierung zum Klimaschutz sind teuer und aufwendig. Außerdem bemerkt Pittock, dass es gefährlich ist, Daten zu glätten. Hierfür möchte ich einen weiteren kritischen Autor heranziehen, der sich mit eben dieser Thematik auseinandergesetzt hat. Peter Laut zeigt in seinem Artikel „Solar activity and terrestrial climate: an analysis of some purported correlations“ (Department of Physics, Technical University of Denmark, DK-2800 Lyngby, Denmark, February 2003) auf, wie sehr man Grafen verfälschen kann, wenn man die Daten glättet.(Siehe hierzu Grafik 11 : Peter Laut: Solar activity and terrestrial climate: an analysis of some purported correlations“ (Department of Physics, Technical University of Denmark, DK-2800 Lyngby, Denmark, February 2003) Hierfür möchte ich ein Beispiel aus seiner Arbeit heraus greifen. Die folgende Grafik 12a) kennen wir bereits. Svensmark hat sie verwendet. Man sieht die totale Wolkenbedeckung und den GCR-Fluss. Die blaue durchgehende Linie sind Daten aus Climax, Colorado, normalisiert auf Mai 1965. 15 Die Dreiecke repräsentieren die Wolkendaten von NUMBUS-7 CAMTRIX (südliche Hemisphäre über den Ozeanen, Tropen ausgeschlossen). Die Quadrate zeigen die Daten der ISCCP C2 und D2. Die Rauten zeigen die DMSP (das Defense Meteorological Satellite Program ist ein Wettersatellitenprogramm der US-amerikanischen Streitkräfte) Daten, die – laut Svensmark – die totale Wolkenbedeckung der südlichen Hemisphäre über den Ozeanen anzeigen. Dass dem nicht so ist, sieht man in Figur 12b). Hier sind die Quadrate die ISCCP – Daten und die rote Linie sind die DMSP-Daten. Im Gegensatz zu 12a) liegen beide Datensätze in derselben geografischen Region. Erst jetzt kann man eigentlich einen korrekten Vergleich anstellen. Man sieht, dass sie dort, wo sie sich treffen, völlig unterschiedliches Verhalten haben. Eine der beiden kann also nicht die totale Wolkenbedeckung anzeigen. In Figur 12c) sehen wir ein korrektes „Update“. Die Quadrate stehen für die ISCCP Daten und die blaue durchgezogene Linie zeigt die GCR Intensitäten, gemessen am Climax, Colorado. Nun sind sie aber korrekt eingezeichnet (also wie in 12b), ohne die DMSP-Daten). Wenn man 12a) mit 12c) vergleicht, so kann man keine Korrelation mehr erkennen. Zusammenfassend wird klar, dass man sehr genau lesen und die Grafen kritisch betrachten muss. Hier hat Svensmark die Daten so geglättet, dass sie in sein Konzept passen. Es liegt wohl am Leser, sich kritisch damit auseinander zu setzen. Kumala und Andere haben Aerosolmessungen an der SEMAR II Station in Finnland über einen Solarzyklus (1996 – 2008) durchgeführt und keinen Zusammenhang zwischen durch GCR induzierter Ionisierung und Aerosolbildung herausgefunden. („Cosmic rays and particle formation: atmospheric data over solar cycle“, M. Kulmala et al.,ACPD9, 21525–21560, 2009). Sie behaupten, dass kosmische Strahlung nur eine sehr kleine Rolle in der Aerosolbildung spielen und somit zum Klima kaum einen Beitrag leisten. T. Solan und A.W. Wolfendale von der Universität Lancaster, UK, glauben, dass weniger als 15% der Veränderung der Temperatur aufgrund des Sonnenfleckenzykluses auf die kosmische Strahlung zurückzuführen sei. Sie gehen sogar noch weiter und behaupten, dass GCR in den letzten 35 Jahre weniger als 2% zur Erwärmung beigetragen hat. (30th International Cosmic Ray Conference, Cosmic Rays and Global Warming, [astro-ph] 28 Jun 2007, T. Sloan, A.W. Wolfendale, Physics Department, University of Lancaster, Lancaster, UK) Die Reihe könnte noch sehr lange so weiter gehen. Die wenigen Daten, die zur Verfügung stehen, die komplexe Dynamik der Wolkenbildung bzw. die noch nicht richtig verstandene Rolle der Aerosole bei diesem Prozess und die fehlenden, stichhaltigen Beweise machen die Theorie angreifbar. Interessant ist, dass keiner der Forscher die These, dass galaktische kosmische Strahlung unser Klima beeinflusst, zurückweist. Ihr Ausmaß und ihr Anteil an der Klimaerwärmung ist allerdings hoch umstritten und reicht von kaum (z.B. Solan und Wolfendale) bis hin zu der Vermutung, dass sie für den jetzigen Klimawandel verantwortlich sein könnte (z.B. Svensmark). c) Das CLOUD-Experiment Eine Möglichkeit, die These zu bestätigen oder zu widerlegen, ist, eine Wolkenkammer zu bauen, in der exakt dieselben Bedingungen wie in der Troposphäre herrschen und einen Teilchenstrom ähnlich dem der galaktischen kosmischen Strahlung auf diese Kammer einwirken zu lassen. Genau das will man am Forschungszentrum CERN, Schweiz, versuchen. Denn schon Galileo Galilei sagte: „Die Neugier steht immer an erster Stelle eines Problems, das gelöst werden will.“ Das sogenannte CLOUD-Experiment (CLOUD ~ Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) will experimentell den Zusammenhang zwischen den kosmischen Strahlen und der Wolkenbildung testen und, falls er bestätigt wird, den mikrophysikalischen Mechanismus entschlüsseln. Auf die Wolkenkammer, die die atmosphärischen Konditionen dupliziert, wird ein Protonenstrahl aus dem CERN Proton Synchroton (PS) geschossen. Ein Team von Wissenschaftler aus 18 Instituten in 9 Ländern wird die Messungen durchführen. 16 Die Wolkenkammer ist mit vielen Messapparaten und Detektoren ausgestattet, um eine umfangreiche Datenerfassung zu erreichen. Die Ziele sind, die Bildung von Wassertropfen, Aerosolen und Eiskristallen durch ionisierte Strahlung zu messen, die mikrophysikalischen Prozesse zu verstehen und diese Effekte unter atmosphärischen Bedingungen zu simulieren. Bild 7 Bild 7 und 8: CLOUD Detektor. Quelle: http://cloud.web.cern.ch/cloud/ → Bild 7: Original CLOUD concept: Beam measurements of a CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) chamber, 24 February 1998, CERN-OPEN2001-028. Seite 22, Bild 8: CLOUD proposal: A study of the link between cosmic rays and clouds with a cloud chamber at the CERN PS , Seite 35 17 Bild 8 18 Der Detektor ist ein Zylinder mit 50 cm Höhe und 50 cm Durchmesser. Die Kammer wird von Wasser und dann Vakuum umgeben, um die Temperatur konstant zu halten. Elektroden (field cage) ermöglichen das Säubern der Kammer von geladenen Teilchen und Aerosolen, das Messen der Drift der geladenen Aerosole und ein Trennung der positiven und negativen Ionen für verschiedene Messungen. Mit dem CAMS (constant angle Mie scattering) Detektor und den CCD Kameras erfasst man die Messdaten im optischen Bereich. Damit dies möglich ist, sorgen ein Laser und eine Xenon Lichtblitzlampe für genügend Beleuchtung. In der „flow chamber“ sind externe Messungen möglich. Sie wir unter denselben atmosphärischen Bedingungen wie in der Kammer und demselben Teilchenstrom ausgesetzt. Es gibt Monitore, um die Temperatur und den Druck zu überprüfen.Weiter gitbt es ein System, dass die Luft mit Wassertropfen und Aerosolen versorgt, ein Massenspektrometer für die chemische und physikalische Analyse der ein- und austretenden Aerosol/Gasgemsiche, und viele andere Detektoren (Bild 9: Wolkenkammer) Der momentan geschätzte finanzielle Aufwand wird auf 2 300 000 CHF (Wechselkurs 6. Nov. 2009: 1 CHF = 0,66159 EUR), also ca, 1 500 000 € geschätzt. Dabei sind die Gehälter der Mitarbeiter noch nicht mit berechnet. Bild 9 und 10: Quelle: 2008 PROGRESS REPORT ON PS215/CLOUD, April 2009, S. 16 und 17 http://cloud.web.cern.ch/cloud/ 19 Nachdem bis Sommer 2009 mehrere „Testversuche“ und Vorversuche zum CLOUD-Expermient gemacht wurden, begannen die eigentlichen Messungen in September 2009. Vorerst verwendete man eine konstante Temperatur von 20°C. Im Winter 2009/2010 will man die Temperatur auf troposphärische und stratosphärische Temperaturen von -90°C bis +30°C bringen. Anfang 2010 wird die Wolkenkammer dann erst als solche wirklich verwendbar sein. Nun kann sie schnelle adiabatische Druckabfälle von 100 mbar in fünf Sekunden bewerkstelligen und somit Wolkentropfen und Eispartikel aktivieren. Hier die Kopie des Zeitplanes für 2009: 1. 1st physics run (Sep–Nov 2009): study of ion induced nucleation (IIN) for various H2 SO4 , H2O, and ion concentrations at room temperature; comparison with neutral nucleation conditions. 2. 2nd physics run (Spring 2010): IIN for various H2SO4 , H2O and ion concentrations at variable temperatures and with NH3 or volatile(~ flüchtige) organic compounds (VOCs) as additional parameters. Quelle: Quelle: 2008 PROGRESS REPORT ON PS215/CLOUD, April 2009, Seite 20 http://cloud.web.cern.ch/cloud/ Das CLOUD-Experiment hat noch keine vorzeigbaren Ergebnisse. Ihre Arbeiten stützen sich zu stark auf Svensmark's Theorie, die alles andere als bewiesen ist. Gerade an den neuen ISCCP D2 Daten hat man gesehen, wie sehr die Wissenschaftler noch im Dunklen tappen. Erst hieß es, die Theorie beziehe sich auf alle Wolken, nun soll sie nur für tiefe Wolken gelten. Für das CLOUDExperiment heißt das, einen ganz andern Schwerpunkt zu setzen. Außerdem ist nicht klar, ob getrennte Laborexperimente überhaupt sinnvoll sind. Die komplizierten Verhältnisse in der Atmosphäre sind bis heute nicht ganz verstanden. Die Verkettung einzelner Prozesse muss erst verstanden werden, um separate Messungen durchführen zu können. Man darf also auf die kommenden Ergebnisse gespannt sein! III.Schluss: Die Vermutung, dass Aerosole als „Keime“ für das Tropfenwachstum und somit für die Wolkenbildung verantwortlich sind, gibt es schon lange. Wenn kosmische Strahlung diesen Vorgang beeinflussen kann, dann könnten dies künstlich eingebrachte Aerosole vielleicht auch. Das dachte sich zumindest das US-amerikanische Militär. Im Vietnam-Krieg „impfte“ es Wolken über dem HoChi-Minh-Pfad, um so die Unterstützung feindlicher Truppen in Südvietnam zu verhindern. Und auch in China wird die Methode des „Wolkenimpfens“ verwendet. Der Spiegel berichtete am 4.8.2008 in seinem Artikel „Olympia Wetter: China schießt auf Regenwolken“ von Jens Lubbadeh, dass die Chinesen mit Silberjodid auf Regenwolken vor Peking schießen, damit diese sich noch vor dem Olympiastadion „abregnen“ und somit die Inszenierung perfekt wird. Erkenntnisse über die Rolle der Aerosole in der Wolkenbildung (und somit auch in der Entstehung und Entwicklung unseres Klimas), die im CLOUD-Experiment vielleicht gewonnen werden, könnten also auch zu Missbrauch durch den Menschen führen. Wenn wir anfangen, mit den neuen Informationen, die wir daraus ziehen, lokal selbst die Wolkenbildung zu beeinflussen, ist der Schritt zum „Wettergott spielen“ nicht mehr weit. Und davor sollten wir uns hüten, da die Auswirkungen bei einem dermaßen komplexen Sachverhalt nicht abschätzbar sind! 20 IV. Bibliografie • • • • • • • • • • • • • • • • • • 21 http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,569361,00.html European organization for nuclear research: COUD Proposal: A study of the link between cosmic rays and clouds with a cloud chamber at the CERN PS CERN/SPSC 2000-021;SPSC/P317;April 24, 2000 European organization for nuclear research: Jasper Kirkby: Beam Measurements of a CLOUD (Cosmic Leaving Outdoor Droplets) Chamber; CERN, Geneva, Switzerland; CERN-OPEN-2001-028 European organization for nuclear research: 2008 Progress Report on PS215/CLOUD April 15, 2009 CERN-SPSC-2009-015/SPSC-SR-046 Barrie Pittock: Can solar variatoin explain variations in the Earth's climate? Climate Change (2009) 96:483-487; DOI 10.1007/s10584-009-9645-8 Published online: 28. August 2009; Springer Science and Business Media B.V. 2009 Devendraa Siingh und R.P. 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Res. 105, 11851 (2000) Grafiken und Bilder: • • • • • • • • • • • • 22 http://www.sciencebits.com/ice-ages http://www.astronomie.de/fachbereiche/radioastronomie/mpifr/2009/radiosignale/index.htm http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a010400/a010499/index.html -> (Goddard Space Flight Center, NASA) http://www.nasa.gov/images/content/57913main_Cloud_Effects.jpg http://de.wikipedia.org/w/index.phptitle=Datei:Magnetosphere_rendition.jpg&filetimestamp =2005061910094 http://www.polarlichtinfo.de/cms/front_content.php?idcat=3 Henrik Svensmark, Torsten Bondo, and Jacob Svensmark, „Cosmic ray decreases affect atmospheric aerosols and clouds“ National Space Institute, Technical University of Denmark, Juliane Marie Vej 30, 2100 Copenhagen Ø, Denmark Geophysical Research Letters, Vol. 36, L15101, 2009 E. Palle Bago and C. J. Butler, Paper : „The influence of cosmic rays on terrestrial clouds and global warming“ appeared in Astronomy & Geophysics, August 2000. 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