8.2.Hochatmosphäre

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.
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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
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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/
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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!
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IV. Bibliografie
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