Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung: Steuert die
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Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung: Steuert die Sonne das Erdklima ? Manfred Schüssler Max-Planck-Institut für Aeronomie Katlenburg-Lindau Planetarium Stuttgart Astronomisches Seminar 14. Dezember 2001 Die Sonne als “Klima-Maschine” Die Sonnenstrahlung als Wärmequelle treibt Winde und Meeres-Strömungen Zeitliche Veränderung der einfallenden Sonnenstrahlung ■ ■ ■ Tag und Nacht Jahreszeiten Langfristige Variationen: Erdbahn, Neigung der Erdachse Globale Erwärmung 1903 1924 1940 1956 Hintereisferner-Gletscher (Österrreich) Die globale Erwärmung... Globale Temperatur ...und der Anstieg von CO2 CO2-Gehalt (ppm) der Atmosphäre Im letzten Jahrhundert ist die mittlere Temperatur um etwa 0.6O C gestiegen, der CO2 - Gehalt um etwa 30%. … und in der Zukunft ? Prognose auf der Basis von Klimamodellen Der Treibhauseffekt Energiebilanz 1: ohne Atmosphäre Energiebilanz 2: mit Atmosphäre, ohne Treibhausgase Energiebilanz 3: mit Treibhausgasen nicht ausgeglichen Energiebilanz 4: mit Treibhausgasen Gleichgewichtsrechnung Energiebilanz 5: ausgeglichen Das komplexe Klimasystem Zweifel am Treibhauseffekt ? ... Klimaschwankungen in der “jüngeren” Vergangenheit Ist die Sonne selbst veränderlich? ■ Die Sonne ist ein “aktiver” Stern! Eine große Sonnenfleckengruppe Sonnenflecken Was sind Sonnenflecken ? Rauchwolken ? Löcher ? Wirbelstürme ? Das Spektrum des Sonnenlichts Sonnenflecken sind magnetisch Sonnenfleck mit Spektrographenspalt Durch das Magnetfeld aufgespaltene Spektrallinie Der Aufbau der die Sonne Granulation und Sonnenfleck Die Sonne ist magnetisch Magnetische Karte der Sonne Magnetfelder auf der rotierenden Sonne Heißes Gas zeichnet Feldlinien nach... Wo kommt die Magnetfelder her ? Die veränderliche Sonne Minimum Die Aktivität der Sonne schwankt in einem etwa 11-jährigen Rhythmus Maximum Maximum Der 11-jährige Sonnenzyklus “Maunder-Minimum” “Dalton-Minimum” Die Aktivität der Sonne schwankt in einem Rhythmus von etwa 11 Jahren. Längerfristige Variationen sind diesem Zyklus überlagert. Die “kleine Eiszeit” im 17. Jh. Die niederländischen Maler schufen ihre berühmten “Winterbilder”. Die “kleine Eiszeit” im 17. Jh. Auf der zugefrorenen Themse wurden Märkte abgehalten Der Sonnenzyklus und... • 1843: Samuel Heinrich Schwabe entdeckt den 11-jährigen Sonnenzyklus • In der Folge werden alle möglichen “Zusammenhänge” gefunden... Der Wasserstand des Victoria-Sees Sonnenflecken Pegelstand 11-jähriger Zyklus und Klima ? Sonnenflecken Pegelstand • Kein eindeutiger Zusammenhang • Korrelationen kommen und gehen • Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur 11-jähriger Zyklus und Klima ? Sonnenflecken Pegelstand • Kein eindeutiger Zusammenhang • Korrelationen kommen und gehen • Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich • Aber: Deutlicher Zusammenhang in der oberen Atmosphäre (Stratosphäre und darüber) Physikalische Mechanismen ? ■ Schwankung der UV-Strahlung Die veränderliche Sonne Röntgenstrahlung Minimum Die kurzwellige Strahlung derder Die Aktivität Sonne Sonneschwankt schwankt im stark: in Zyklus einem etwa vom Faktor 2 11-jährigen im UV (<100 nm) Rhythmus bis Faktor 100 im Röntgengebiet. Maximum Maximum Die Erdatmosphäre “atmet” Die Temperatur und die Höhe der äusseren Schichten Sonnenaktivität der Atmosphäre schwanken Die Ausdehnung der Erdatmosphäre im Takt des Sonnenzyklus. durch verstärkte Sonnenaktivität führte 1979 zum (unkontrollierten!) Absturz des Weltraumlabors “Skylab”. 30-hPa-Höhe Die Erdatmosphäre “atmet” Sonnenaktivität • verstärkte Aktivität der Sonne • mehr UV-Strahlung • Temperaturanstieg in der Stratosphäre 30-hPa-Höhe • Veränderung von Luftströmungen (Hadley-Zirkulation) Klima-Effekt? Die Höhe der Stratosphäre schwankt im Takt des Sonnenzyklus (Karin Labitzke, FU Berlin) Physikalische Mechanismen ? ■ ■ Schwankung der UV-Strahlung Variation der Gesamtstrahlung Die “Solarkonstante” schwankt! Die Gesamtstrahlung der Sonne variiert um etwa 0.1% im Takt des Aktivitätszyklus! Einfluss der Sonnenflecken Die Sonne wird dunkler, wenn sie Flecken hat Warum ist die Sonne heller, wenn sie mehr dunkle Sonnenflecken hat ? Sonnenflecken (dunkel) Fackeln (hell) Sonnenfackeln aus der Nähe... Sonne mit Flecken und Fackeln Einfluss der Fackelgebiete Die Sonne wird heller, wenn sie Fackeln hat Die Aufhellung durch Fackeln überwiegt die Verdunklung durch Sonnenflecken Ein grundsätzliches Problem ■ ■ ■ Verlässliche Daten nur für die letzten Jahrzehnte vorhanden “Rekonstruktion” von Daten, z.B. aus Sonnenfleckenzahlen, erforderlich oft unsicher! Variation der Gesamtstrahlung Klimamodelle: Temperaturschwankungen vor ~1950 von der Sonne beeinflusst, danach überwiegt der Treibhauseffekt. Physikalische Mechanismen ? ■ ■ ■ Schwankung der UV-Strahlung Variation der Gesamtstrahlung Veränderung der kosmischen Strahlung Das Magnetfeld der Sonne... - setzt sich fort in den interplanetaren Raum - und schwankt im Rhythmus des 11-jährigen Zyklus Das interplanetare Magnetfeld Die kosmische Strahlung schwankt! Die kosmische Höhenstrahlung variiert im Gegentakt des Aktivitätszyklus! Geladene Teilchen und Magnetfeld Warum ist die kosmische Strahlung schwächer, wenn die Sonne aktiver ist ? Ruhige Sonne Aktive Sonne Warum interessiert uns die kosmische Strahlung im Zusammenhang mit dem Klima ? Kosmische Strahlung: • erzeugt radioaktive Elemente (14C,10Be) → Aufschluss über die Sonnenaktivität in der Vergangenheit • erzeugt eventuell Kondensationskeime für die Bildung von Wolken → Klima-Wirkung ?? Wolken und Temperatur ■ ■ ■ ■ Wolkenphysik ist sehr komplex! Dünne, hochliegende Wolken heizen (Treibhauseffekt) Dicke, tiefliegende Wolken kühlen (erhöhte Reflektion des Sonnenlichtes) In der Summe wirken Wolken kühlend Wolken und kosmische Strahlung Hochliegende Wolken Marsh & Svensmark (2000) Wolken und kosmische Strahlung Tiefliegende Wolken Marsh & Svensmark (2000) Sonnenaktivität früher... Die kalifornische Borstenkiefer kann 5000 Jahre alt werden. Das durch kosmische Strahlung erzeugte 14C in ihren Jahresringen in ein Maß für die Aktivität der Sonne in der Vergangenheit. Sonnenaktivität früher... Radioaktives Beryllium (10Be) wird durch kosmische Strahlung erzeugt und mit Niederschlag ausgewaschen. Das in den Jahresschichten des Grönlandeises gespeicherte 10Be ist ein Maß für die Sonnenaktivität in den letzten 100 000 Jahren. Eisbohrkern vom grönländischen Inlandeis 14 Sonnenaktivität aus C-Daten Sonnenflecken Dalton Maunder Mittelalterliches Maximum Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt. Sonnenaktivität und Erdklima Globale Temperatur W 14 C M D S Sonnenflecken Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt. 10Be und kosmische Strahlung Konzentration von 10Be Sonnenflecken Das interplanetare Magnetfeld Verdoppelung im letzten Jahrhundert Messungen Rekonstruiert ⇒ Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15% Sonnenflecken KLIMA-EFFEKT ?? Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur Wie lassen sich die langfristigen (“säkularen”) Veränderungen des Sonnenmagnetfeldes verstehen ? ■ ■ ■ ■ Zusammenhang zwischen Oberflächenfeld und interplanetarem Feld? Zeigt auch das Oberflächenfeld eine säkulare Variation? Bedeutung der variierenden Zykluslänge? Kann man die Entwicklung des Feldes aus vorliegenden Beobachtungen rekonstruieren? Die Bilanz des magnetischen Flusses ■ Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten Aktive Region/Sonnenfleckengruppe (wenige, groß: ~200 Mm, langlebig) „Ephemeral region” (viele, klein: ~5 Mm, kurzlebig) Die Bilanz des magnetischen Flusses ■ Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten – 1) aktive Gebiete (10-200 Mm) – 2) ephemeral regions (<10 Mm) – Eruptionsrate in 2) um einen Faktor 100 höher! ■ Verschwinden durch Polaritäts-Auslöschung Ephemeral regions: Zyklen überlappen! ephemeral regions active regions (K. Harvey, 1994) Ephemeral regions: Zyklen überlappen! ephemeral regions active regions (K. Harvey, 2000) Die Bilanz des magnetischen Flusses ■ Transport über die Sonne durch Zirkulation, differentielle Rotation, Diffusion ! globales Dipolfeld ! offenes (interplanetares) Feld:`Korona-Löcher´ Zyklische und nicht-zyklische Anteile ■ Zyklisch: 11-Jahres-Rhythmus ■ Nicht-zyklisch (‘säkular’): – lange Abklingzeit des offenen Feldes – Überlappung der Zyklen für ephemeral regions ! Länge der einzelnen Zyklen beeinflusst die Langzeitvariation des Hintergrundfeldes Modell für die Langzeitvariation des Flusses S.K. Solanki, M. Schüssler & M. Fligge Nature (2000), Astronomy & Astrophysics (im Druck) Zyklische Fluss-Eruption in aktiven Gebieten und kleinen ephemeral regions ! Sonnenflecken-Relativzahl (seit 1700) als Maß für die Eruptionsrate ! Längerer Zyklus für ephemeral regions: ■ ephemeral regions aktive Gebiete • ER starten früher • ausgedehntere, überlappende Zyklen Zeit Dynamo Eruption von magnetischem Fluss Ephemeral regions Aktive Gebiete 3 mon Zerfall 12 yr 72 yr Offenes Feld 3 yr Zerfall 14 h Zerfall facular flux sunspot flux Bf / Bs = 0.2 Eichung durch Vergleich mit direkten Messungen ab 1970 ■ active regions τ act = 0.2 yr, τ ta = 12 yr ■ ephemeral regions τ eph = 14 hr, τ te = 72 yr ■ open flux τ open = 3 yr X = 160 τ x = 2.5 yr Active region cycle stretched and amplified Ergebnis: Fluss-Entwicklung seit 1700 Aktive Gebiete Gesamtfluss Ephemeral regions Offener Fluss Modeled and reconstructed open flux Ergebnisse: ■ ■ ■ Entwicklung sowohl des Gesamtflusses als auch des offenen Flusses kann bis 1700 verfolgt werden Der offene Fluss stimmt gut mit der Rekonstruktion von Lockwood et al. (1999) überein. Das Überlappen der Zyklen der ephemeral regions führt zur säkularen Variation des Gesamtflusses – Faktor 3 geringer wegen des Dalton-Minimums – Verdoppelung während der ersten Hälfte des 20. Jh. ■ Folgerungen für die Gesamthelligkeit der Sonne und die Schwankung der kosmischen Strahlung Rekonstruktion zurück bis 1700 10Be Quellfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur Zykluslänge und Magnetfeld Zykluslänge und Magnetfeld: Analogie Das interplanetare Magnetfeld Messungen Rekonstruiert Sonnenflecken Verdoppelung im letzten Jahrhundert ⇒ Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15% Kosmische Strahlung und Klima? Kosmische Strahlung: • nimmt ab bei hoher Sonnenaktivität • nimmt zu bei geringer Sonnenaktivität • beinflusst die Wolkenbildung durch Bildung von Kondensationskeimen ? • Wirkung auf das Klima ? Klimawirkung der Sonnenaktivität ■ ■ Allgemeiner Anstieg der Sonnenaktivität seit Ende des 19. Jahrhunderts Schwankung der UV-Strahlung – wirkt auf die Ozonkonzentration – 11-Jahres-Zyklus nachweisbar ■ Variation der Gesamtstrahlung – vor 1950 sichtbar in Klimamodellen – unsichere Rekonstruktion Klimawirkung der Sonnenaktivität ■ Veränderung der kosmischen Strahlung – – – wirkt eventuell auf die Wolkenbildung Wolkenbedeckung variiert im Gleichtakt recht zuverlässige Rekonstruktion Klimawirkung der Sonnenaktivität ■ ■ Seit ca. 1980 steigen die Wirkungen der Sonne im Mittel nicht mehr an Aber die Erdtemperatur hat deutlich weiter zugenommen!! Sonne, … … und Sterne Helligkeits-Schwankung Variation der Aktivität Die Sonne hat gegenwärtig geringere Schwankungen der Helligkeit als vergleichbar aktive Sterne. Wird das so bleiben ?? Aktivität Fazit: Sonne oder Treibhauseffekt ? Beide “Verdächtige” sind im Spiel: - bis 1980 deutlicher Einfluss der Sonne - danach gewinnt CO2 an Bedeutung Fazit: Sonne oder l l e n h c Treibhauseffekt? s ß ! n e r e i z u d e r o t s s u A 2 2 O C Weitere Entwicklung von Sonnenaktivität und Klima sind beunruhigend unsicher, also ist Forschung auf beiden Seiten notwendig, auf jeden Fall aber gilt: Ende... linmpi.mpg.de/~msch Das CLOUD-Experiment bei CERN Messung der Bildung von Kondensationskeimen Wie groß sind die Effekte ? heizend kühlend Der direkte solare Effekt (ca. 0.4 W/m2) entspricht 40% des übrigen Netto-Effekts (ca. 1 W/m2 ). Modeled and observed fluxes 1975 - 1994 Modeled and observed fluxes 1975 - 1994 Reconstructed open flux and 10Be Wo kommt die Magnetfelder her ? Das Induktionsprinzip ■ Bewegter elektrischer Leiter im Magnetfeld ■ elektr. Feld und Kraft ■ senkrechte Bewegung ■ elektrischer Strom ■ neues Magnetfeld ■ Lenzsche Regel! (sonst perpetuum mobile) Selbsterregter Dynamo ■ “Saatmagnetfeld” ■ radiales elektr. Feld ■ elektrischer Strom ■ Leiterschleife ■ Verstärktes Saatfeld ■ Energie kommt von der Rotation Der Dynamoprozess in der Sonne
