Erdklima und Globalstrahlung

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Sonnenflecken und umgebende Faculae
Globaltemperatur, Sonnenstrahlung und CO2 (Quelle: [2])
Temperatur, Sonnenflecken und CO2 (Quelle:Wikipedia)
Diagramm: Globalstrahlung und Globaltemperatur bis 2015
TSI-Werte von 1975 bis Oktober 2009 (Quelle:[3])
Fernseh-Meteorologe Donald Bäcker

Die Sonne und ihre Strahlungsaktivität haben einen bekannten Einfluss auf die Temperaturen der Erdoberfläche und der Erdatmosphäre sowie auf das Erdklima. Die Sonne ist der alleinige Energielieferant für die Erde, Wärmebildung im Erdkern durch Kernzerfallsprozesse spielt keine nennenswerte Rolle. Aufgrund komplexer Vorgänge innerhalb der Sonne ist die gesamte von der Sonne ausgehende Strahlung und auch die von der Sonne ausgehende Partikelstrahlung (Sonnenwind) periodischen Schwankungen unterworfen, denen wiederum übergeordnete (und teilweise nicht berechenbare) Aktivitätszyklen überlagert sind.

Die Aktivität der Sonne hat wiederum Auswirkungen auf das Erdmagnetfeld und steht in einem Zusammenhang mit den so genannten Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche. Die beobachtete Sonnenfleckenanzahl ist dabei in etwa proportional zur Sonnenaktivität. Die Sonnenfleckenrelativzahl drückt die jeweilige Anzahl der Sonnenflecken aus. Die Anzahl der Sonnenflecken unterliegt einem elfjährigen Zyklus, der jedoch selbst längerdauernden Schwankungen und Unregelmäßigkeiten unterliegt.

Einer der bedeutesten beachteten Parameter der Sonne ist die Solarkonstante oder total solar irradiance (TSI), die pro Quadratmeter bestimmbare, ungehindert die Erde erreichende Strahlungsleistung der Sonne. Über die letzten 30 Jahre sind die Werte durch direkte Satellitenmessungen recht genau quantifiziert worden. Für die Zeit vor Einführung der Satellitenmessungen liegen Beobachtungen zu Sonnenflecken vor. Der Wert der Solarkonstante liegt derzeit im Mittel bei 1366 W/m2, wobei die Unterschiede zwischen Maximum und Minimum während der Dauer des elfjährigen Sonnenfleckenzyklus bei 3 W/m2 liegen. Diese Schwankungen durch die elfjährige Periodizität der Sonnenfleckenzahlen zwischen solarem Maximum und solarem Minimum liegen in der Größenordnung von 0,1% der Solarkonstante. Auf Höhe des Oberrandes der Troposphäre ergeben sich durch die Sonnenfleckenperiodizität schwankende Energieflüsse von 0,1 bis 0,2 W/m2, was Größenordnungen unter dem so genannten "Treibhausgas-Forcing"' liegt.

Je nach Erdentfernung und Sonnenaktivität können die Werte der Globalstrahlung allerdings zwischen den Extremwerten von 1.325 W/m2 und 1.420 W/m2 schwanken. Da jedoch stets nur ein Teil der Erdoberfläche von der Sonne beschienen wird, und die Sonnenstrahlung mit einem unterschiedlichen Winkel auf die Erdoberfläche trifft, ergibt sich eine tatsächliche Einstrahlung von 340 Watt pro Quadratmeter.

Zum Vergleich: Die Erdwärme führt zu einer Abstrahlung von etwa 0,06 W/m2, und durch die Nutzung nicht regenerativer Energieträger kommt es zur Abstrahlung von etwa 0,026 W/m2 von der Erdoberfläche.[1]

Beobachtungen des Frequenzspektrums der Sonnenstrahlung zeigen jedoch, dass im UV-Bereich um den Faktor 10 stärkere Schwankungen der Intensität vorliegen als im sichtbaren Bereich. UV-Strahlung wiederum ist Antrieb photochemischer Reaktionen in der Stratosphäre und führt zu höheren Ozonwerten. Schwankungen der Ozonkonzentration haben sodann einen entsprechenden Einfluss auf die Absorption der Sonnenstrahlung insbesondere in der hohen Stratosphäre und einen Einfluss von geschätzten maximal 0,1 °K, die vom Elfjahreszyklus der Sonnenflecken beeinflusst sind.

Skeptiker menschenabhängiger Einflüsse auf das Erdklima und Leugner eines globalen Klimawandels (Beispiel Fritz Vahrenholt) behaupten immer wieder, dass - falls es überhaupt eine globale Erderwärmung gäbe - diese überwiegend oder ausschließlich durch die Aktivität der Sonne bedingt sei. Aus heutiger wissenschaftlicher Sicht geht insgesamt circa ein Viertel der aktuellen Erderwärmung auf natürliche Ursachen zurück.

Auch im deutschen Fernsehen sind Kommentare von Meteorologen zu beobachten, die auf Zusammenhänge zwischen Sonnenflecken und Klima verweisen (siehe Bild).

Sonneneinflüsse waren insbesondere in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu beobachten. Die Sonneneinstrahlung nahm über die letzten hundert Jahre nur um 0,12 (maximal 0,3) W/m2 zu. Seit etwa 1980 nahm die Sonnenaktivität ab, aber die Erderwärmung nahm global um 0,5 Grad zu. Die "Sonnenerwärmung", so die aktuellen Forschungsergebnisse, scheidet somit als relevante Ursache der gegenwärtigen Erderwärmung aus.[2] Laut verschiedenen Studien des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung im niedersächsischen Lindau [4] kann die Sonne höchstens für einen kleinen Teil der Erderwärmung der letzten 20 bis 30 Jahre verantwortlich sein.[3]

Im Vergleich: Anthropogene Einflüsse durch den Anstieg des Treibhausgases CO2 werden auf 1,7 W/m2 geschätzt.

Maunder-Minimum und globales Erdklima

Maunder-Minimum und Verlauf der Anzahl der Sonnenflecken[4]

Zwischen den Jahren 1645 und 1715 wurde zumindest regional eine Abkühlung beobachtet, die auch als kleine Eiszeit bezeichnet wird und in Chroniken erwähnt ist. In diese Periode fällt das (fast) sonnenfleckenfreie Maunder-Minimum. Eine analoge Periode ist das so genannte "Dalton-Minimum" von 1790 bis 1830, das ebenso eine Periode geringer Sonnenfleckenzahl war.

Der Zeitabschnitt des Maunder-Minimums korreliert in Europa, Nordamerika und China mit kalten Wintern. Ob dies jedoch auf die damalige gesamte Welt zutraf, ist nicht sicher bekannt. Für die gesamte Nordhalbkugel der Erde wird heute eine damalige Abkühlung von weniger als 1 °C angenommen.

In die Periode der "kleinen Eiszeit" fallen auch einige starke Vulkanausbrüche (Plinianische Eruptionen), die Staub und Asche sowie Gase, u.a. Schwefeldioxid, in die Erdatmosphäre verbrachten und somit (ähnlich wie der Ausbruch des Mt. Pinatubo 1992) die Erdtemperatur beeinflussen konnten.

Kosmische Strahlung und Wolkenbedeckung

GCT (schwarz) und Temperatur (rot)[5]
Henrik Svensmark[6]

In der Vergangenheit wurde die Möglichkeit erörtert, ob galaktische kosmische Strahlung (GCR) die Wolkenbildung beinflusst und somit einen Einfluss auf das Klima hat. Ein bekannter Vertreter der These ist der Däne Henrik Svensmark, der in wissenschaftlichen Veröffentlichungen[7] und in seinem populärwissenschaftlichen Buch "The Chilling Stars - A New Theory of Climate Change" (2007, dt. "Sterne steuern unser Klima. Eine neue Theorie zur Erderwärmung") die Ansicht vertritt, dass sowohl das gegenwärtige wie auch das Klima über die letzten Millionen Jahre primär von solaren oder kosmischen Einflüssen geprägt sei. Auch das dänische Fernsehen griff Svensmark in einer Dokumentation mit dem Titel "The Cloud Mystery" (TV2 2008) auf. Svensmark ist der Meinung, dass ressourcenschonende Klimaschutzmaßnahmen zwecklos seien: Mit dem Klima hat ein bewusster Umgang mit den Ressourcen aber sicher nichts zu tun, und ein wirkliches Desaster wäre, wenn es kälter würde.

Die die Erde erreichende kosmische Strahlung aus Bereichen außerhalb des Sonnensystems ist in ihrer Intensität durch das Magnetfeld der Erde beeinflusst, das wiederum durch die Partikelstrahlung der Sonne (Sonnenwind) beeinflusst (abgelenkt) wird. Insofern gibt es einen Einfluss der Sonnenaktivität auf die einfallende kosmische Strahlung. Vor ca. 40.000 Jahren kam es zu einer Fast-Umkehrung und Zusammenbruch des magnetischen Feldes der Erde (das so genannte Olby-Laschamps Ereignis) und einer entsprechenden Verdoppelung kosmogener Radioisotope. Trotzdem gab es zu dieser Zeit praktisch keine nennenswerte Klimavariabilität. Partikelstrahlung kosmischer Herkunft führt zu Kondensationskeimen (wie auch Staubpartikel) und kann somit prinzipiell die Wolkenbildung, die Wahrscheinlichkeit von Gewittern und andere Phänomen beeinflussen, was zur Formulierung diverser Hypothesen in diesem Bereich führte. In der jüngeren Vergangenheit (1984 und 1994) zeigten sich Korrelationen zwischen kosmischer Strahlung und Wolkenbedeckung, was Anlass für Klimaskeptiker war, hier eine ursächliche Wirkung zu unterstellen (Film: Great Global Warming Swindle). Für die letzten 40 Jahre zeigt sich jedoch keine Korrelation. Eine Zurückweisung der "Kosmoklima"-Hypothese findet sich in einer Veröffentlichunger der Forscher Peter Laut[8] und Sloan[9].

Literatur

  • Gray, Haigh, Harrison: Hadley Center Technical Note 62 The Influence of Solar Changes on the Earth's Climate
  • Beer J, Vonmoos M, Muscheler R: (2006) Solar variability over the past several millennia. Space Science Reviews 125 (1-4), 67-79

Weblinks

Quellennachweise

  1. Nakicenovic N., A. Grübler, A. McDonald (1998): Global Energy Perspectives, Cambridge University Press, New York
  2. Mike Lockwood, Claus Fröhlich: (2007) Recent oppositely directed trends in solar climate forcings and the global mean surface air temperature. Proceedings of the Royal Society A 463: 2447. doi:10.1098/rspa.2007.1880.
  3. http://www.mpg.de/english/illustrationsDocumentation/documentation/pressReleases/2004/pressRelease20040802/
  4. Quelle: Wikipedia
  5. Quelle: Wikipedia
  6. Quelle: Wikipedia
  7. Svensmark, Henrik (1998): Influence of Cosmic Rays on Earth's Climate, Physical Review Letters, Vol. 81, S. 5027-5030, doi:10.1103/PhysRevLett.81.5027
  8. Laut P: Solar activity and terrestrial climate: an analysis of some purported correlations, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 65 (2003) Seiten 801– 812
  9. Sloan T, Wolfendale, A.W.: (2008). Testing the proposed causal link between cosmic rays and cloud cover. Environmental Research Letters 3 (April-Juni 2008). [1]