Himmlische Determinanten des Klimas

Henrik Svensmark vom Center for Sun-Climate Research am National Space Institute der Technical University of Denmark (DTU), hat nachgewiesen, dass die von der Sonne regulierte Intensität der kosmischen Strahlung das Ausmaß der Wolkenbildung und damit das Klima bestimmt. Die folgende Grafik zeigt den Wirkungsmechanismus (Bildquelle: Vortrag Die klimatische Rolle der Sonne und der kosmischen Strahlung von H. Svensmark im November 2011):

Die nächste Grafik (Bildquelle s.o.) verdeutlicht den engen Zusammenhang zwischen der Intensität der kosmischen Strahlung (rot) und der niederen Wolkendecke (blau), die für das Klima entscheidend ist:

Die anfangs sehr gute Übereinstimmung der beiden Kurven verschlechtert sich zu Beginn der 1990er Jahre. Der Grund dafür dürfte in einer unsachgemäßen Eichung der Messinstrumente liegen, die zu einer Verzerrung der Daten führte. Das wäre nichts Neues, denn bei den Temperaturmessreihen sind schon viele Abweichungen von den anerkannten Messregeln aufgedeckt worden. Aber auch die vorliegenden Daten beweisen die große Abhängigkeit der beiden Größen voneinander.

In seiner bisher letzten Arbeit Evidence of nearby supernovae affecting life on Earth, die in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen ist, weist Henrik Svensmark für die letzten 500 Millionen Jahre nach, dass die Artenvielfalt auf der Erde von der Intensität der kosmischen Strahlung abhängt (Bildquelle):

Siehe dazu die Pressemitteilung der Royal Astronomical Society Did exploding stars help life on Earth to thrive? und den Artikel von Nigel Calder Svensmark’s Cosmic Jackpot: Evidence of nearby supernovae affecting life on Earth.

Globale Abkühlung zu erwarten

Die Sonne ist der entscheidende Klimafaktor, siehe dazu auch: Die Sonne bestimmt das Klima. Der Sonnenwind bestimmt, wieviel der galaktischen Strahlung auf der Erde eintrifft und dort zur Wolkenbildung beiträgt, die ihrerseits das Rückstrahlvermögen des Planeten beeinflusst. Dieser sonst unsichtbare Teil der Sonnenaktivität wird durch das Polarlicht sichtbar, das entsteht, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes auf die Erdatmosphäre treffen und dort die Luftmoleküle zum Leuchten anregen. Das folgende Bild zeigt ein Nordlicht über Bear Lake, Alaska, am 18. Januar 2005 (Quelle: US Air Force, Joshua Strang):



Diese Lichterscheinungen sind an beiden magnetischen Polen zu sehen, d. h. nördlich 60° nördlicher Breite und südlich 60° südlicher Breite. Auf dem nächsten Bild sieht man ein Südlicht über der Antarktis, aufgenommen am 22.04.2006 durch Samuel Blanc (Quelle: Image Editor):



Dänischen Wissenschaftlern ist es nun gelungen, weitere Beweise für den Einfluss der Sonne auf das Klima zu sammeln, siehe dazu die Pressemitteilung Scientists at Aarhus University (AU) and the National Space Institute (DTU Space) show that particles from space create cloud cover. Es konnte in einem Experiment gezeigt werden, dass die galaktische Strahlung in der Erdatmosphäre zur Bildung von Aerosolpartikeln führt, die Kondensationskerne für die Wassertropfen darstellen, aus denen die niedrigen Wolken bestehen. Die folgende Zeichnung zeigt das Auftreffen energiereicher galaktischer Strahlen auf die Atmosphäre und die dadurch ausgelöste Erzeugung von Kaskaden neuer Partikel, darunter auch energiereicher Elektronen, die in der Lage sind, die Kondensationskerne von Wolken zu bilden (Bild: NASA Images):



Die folgende Grafik zeigt die Wirkung der galaktischen Strahlung auf die Wolkenbildung (Quelle: Technical University of Denmark, National Space Institute):



Der Einfluss der Sonnenaktivität auf die Wolkenbildung lässt sich empirisch belegen. Durch Neutronenzählungen an verschiedenen Stationen, z. B. in Oulu (Finnland) seit 1960, weiß man, dass es ein inverses Verhältnis zwischen Sonnenzyklus und der auf der Erdoberfläche eintreffenden galaktischen Strahlung gibt: im Maximum des Sonnenzyklus wird das Minimum der galaktischen Strahlung erreicht. Ein Sonnenzyklus ist normalerweise 11 Jahre lang, er kann aber auch 9 bis 16 Jahren dauern. Es gibt eine Korrelation zwischen der Länge des Sonnenzyklus und seiner Amplitude: je kürzer der Zyklus, desto höher die Amplitude. Ein hoher Ausschlag bedeutet viele Sonnenflecken und einen starken Sonnenwind, der die Erde stärker von der galaktischen Strahlung abschirmt. Das folgende Bild verdeutlicht die Größenordnungen, indem es einen Sonnenflecken maßstabsgetreu zur Erde in Beziehung setzt (Quelle: Institute for Solar Physics der Schwedischen Akademie der Wissenschaften (Sonnenfleck) und NASA Apollo 17 (Erde). Das Foto des Sonnenflecken wurde im Mai 2010 mit dem Swedish 1-m Solar Telescope des Observatoriums auf La Palma, Kanarische Inseln, aufgenommen):



Friis-Christensen und Lassen fanden eine Korrelation zwischen der Länge des Sonnenzyklus und den globalen Temperaturen (Friis-Christensen, E. and Lassen, K., 1991. Length of the solar cycle: An indicator of solar activity closely associated with climate, Science, 254:698-7001991). An einigen der wenigen Temperaturmessreihen, die sich über einen langen Zeitraum erstrecken, konnte diese Beziehung ebenfalls nachgewiesen werden, so z. B. für Armagh in Nordirland durch Butler und Johnson (Butler, C. J. und Johnston, D. J., 1996. A provisional long mean air temperature series for Armagh Observatory, Journal of Atmospheric Terrestrial Physics, 58:1657-1672), für De Bilt, Niederlande, durch Archibald (Archibald, D., 2006. Solar Cycles 24 and 25 and predicted climate response, Energy and Environment, 17:29-38) und für Temperaturdaten aus dem Nordosten der USA ebenfalls durch Archibald (Archibald, D., 2009. Solar cycle 24: Expectation and implications. Energy and Environment, 20:1-11). In diesen Untersuchungen wurde eine starke Korrelation von 0,7° C pro Jahr der Abweichung des Sonnenzyklus von der Dauer seines Vorgängers festgestellt.

Der letzte Sonnenzyklus, in der Zählung der Solarphysiker die Nummer 23, war bereits deutlich schwächer als seine Vorgänger. Er endete im Mai 2009 und erreichte damit eine Dauer von 13 Jahren. Dadurch wurde er 3,4 Jahre älter als der Sonnenzyklus 22. Der oben erwähnte Zusammenhang zwischen Zykluslänge und Temperatur lässt in den mittleren Breiten eine Abkühlung von circa 2,2° C während der Dauer des gegenwärtigen Sonnenzyklus 24 erwarten. Die thermische Trägheit der Ozeane verlangsamt die Abkühlung, kann sie aber nicht verhindern.

Die American Astronomical Society hat am 14. Juni auf dem jährlichen Treffen ihrer Solar Physics Division bekannt gegeben, dass die Ergebnisse von drei unabhängigen Zweigen ihrer Solarforschung auf eine drastische Abschwächung des gegenwärtigen und des nächsten Sonnenzyklus hinweisen, siehe dazu: All three of these lines of research to point to the familiar sunspot cycle shutting down for a while. Es wurde festgestellt, dass der Strahlstrom im Sonneninneren stark nachgelassen hat, die Sonnenflecken auf der sichtbaren Oberfläche der Sonne abnehmen und schwächer werden, und auch die Sonnencorona und -pole Veränderungen in diese Richtung aufweisen, siehe dazu: Sun’s Fading Spots Signal Big Drop in Solar Activity.

Wir wollen hier zumindest auf eine der Studien näher eingehen, von denen in der Mitteilung der AAS die Rede war. Matt Penn, William Livingston und Leif Svalgaard berichten in ihrer Arbeit A Decade of Diminishing Sunspot Vigor von den Ergebnissen ihrer Solarforschung mit dem McMath-Pierce Telescope auf dem Kitt Peak in Arizona. Sie erwarten einen langfristigen Trend zur Abschwächung der Sonnenfleckenstärke und sagen voraus, dass im kommenden Sonnenzyklus 25 kaum oder überhaupt keine Sonnenflecken gebildet werden. Die folgende Grafik zeigt, dass die durchschnittliche Magnetfeldstärke der Sonnenflecken in den Sonnenzyklen 22, 23 und 24 ständig abgenommen hat und hierdurch die magnetische Grenze näher rückt, unter der keine Sonnenflecken mehr entstehen können (Quelle: Penn u. a.):



Die Solar Physics Division der AAS hat in ihrer Pressemitteilung WHAT’S DOWN WITH THE SUN? MAJOR DROP IN SOLAR ACTIVITY PREDICTED erklärt: "A missing jet stream, fading spots, and slower activity near the poles say that our Sun is heading for a rest period ..." Frank Hill, der stellvertretende Direktor des Solar Synoptic Network des National Solar Observatory sagte: "This is highly unusual and unexpected, but the fact that three completely different views of the Sun point in the same direction is a powerful indicator that the sunspot cycle may be going into hibernation." Hill zog aus der bisherigen Forschung den Schluss: "If we are right, this could be the last solar maximum we’ll see for a few decades. That would affect everything from space exploration to Earth’s climate."

Die abnehmende Sonnenaktivität lässt eine globale Abkühlung erwarten, die jener der Jahre zwischen 1645 und 1715 gleicht, als sich die Sonne im Maunderminimum befand, während dem keine Sonnenflecken beobachtet wurden. Diese Periode war der kälteste Zeitraum der Kleinen Eiszeit, in dem sehr kalte und lange Winter sowie kühle Sommer auf der Erde vorherrschten.

Die Sonne bestimmt das Klima

Es gibt viele Beweise für den bestimmenden Einfluss der Sonne auf das globale Klima. Die folgende Grafik zeigt die starke Korrelation von Sonnenaktivität und Temperaturen in der Arktis (Quelle: Willi Soon, "Variable solar irradiance as a plausible agent for multidecadal variations in the Arctic-wide surface air temperature record of the past 130 years", Geophysical Research Letters, vol. 32, L16712, 2005):



In der Arktis zeigen sich Klimaschwankungen besonders deutlich, deshalb sind die obigen Ergebnisse von großer Bedeutung. Einen weiteren Hinweis auf den Zusammenhang von Sonnenaktivität und Klima liefert die Messung der Konzentration von Beryllium 10 Isotopen (¹⁰Be) z. B. in Eisbohrkernen. Je aktiver die Sonne, desto weniger ¹⁰Be wird in der Atmosphäre produziert. Jürg Beer hat in Eisbohrkernen aus Grönland die Mengen dieses Isotops gemessen und sie mit den zeitgleichen Temperaturen verglichen. Die folgende Grafik zeigt für den Zeitraum von 1720 bis 1990 die große Übereinstimmung zwischen Sonnenaktivität und Temperatur (Quelle: Jürg Beer et al., "The role of the sun in climate forcing", Quaternary Science Reviews, vol. 19, 2000, 403-415):



Jürg Beer stellt dazu fest: "Based on the analysis of historical data we conclude that solar forcing indeed plays an important role in past and present climate change".

Einen weiteren Beweis für die Sonne als dominanten Klimafaktor lieferten U. Neff und sein Team, die in Stalagmiten (stehenden Tropfsteinen) im Oman die Konzentration von Sauerstoff 18 Isotopen (¹⁸O) als Indikatoren für Monsunregen bestimmten und diese Werte mit Kohlenstoff 14 Isotopen (¹⁴C) aus Baumrinden als Indikatoren für die Sonnenaktivität verglichen. Die folgende Grafik zeigt die enge Wechselbeziehung zwischen Sonne und Klima für den Zeitraum von 9.600 bis 6.200 Jahren vor heute (Quelle: U. Neff et al., "Strong coherence between solar variability and the monsoon in Oman between 9 and 6 kyr ago", Nature 411, 2001, 290-293):



U. Neff schreibt dazu: "The excellent correlation between the two records suggests that one of the primary controls on centennial- to decadal-scale changes in tropical rainfall and monsoon intensity during this time are variations in solar radiation."

Der Einfluss der Sonne auf das Klima erfolgt einerseits über die veränderliche Sonneneinstrahlung (Licht und Wärme), andererseits dadurch, dass die Sonne durch ihren Magnetismus und den von ihr ausgehenden Sonnenwind darüber entscheidet, wieviel kosmische Strahlung die Erdatmosphäre erreichen kann.

In der Aktivität der Sonne sind mehrere Zyklen erkennbar. Der auffälligste ist die in einem Zeitraum zwischen 8 und 15 Jahren sich verändernde Anzahl von Sonnenflecken. Dieser im Durchschnitt elfjährige Sonnenfleckenzyklus wurde erstmals von Heinrich Schwabe ausführlich beschrieben. Während des Maximums dunkler Flecken ist die Sonne heller als während des Fleckenminimums. Zwar verringern die Sonnenflecken die Strahlung, aber die gleichzeitig auftretenden Sonnenfackeln übertreffen im Endergebnis den verdunkelnden Einfluss der Flecken. "Nach den von Satelliten in den vergangenen 20 Jahren gelieferten Strahlungsdaten betrug die Änderung der Sonneneinstrahlung während der Höhepunkte [des Sonnenfleckenzyklus] 1980 und 1990 etwa 1,3 W/m² [Watt je Quadratmeter], was bedeutete, dass sie 0,1% höher als während der jeweils nachfolgenden Tiefpunkte 1986 und 1996 war. Das ist ein Wert, der dem errechneten Energieeintrag durch die vom Menschen erzeugten Treibhausgase während der gleichen Zeit entspricht." (Ulrich Berner und Hansjörg Streif, "Klimafakten. Der Rückblick - ein Schlüssel für die Zukunft", 4. Auflage, 2004, Seite 21)

Zusätzlich zu dieser Schwankung der Sonneneinstrahlung von 0,1% während des Schwabe-Zyklus gibt es noch Hinweise auf eine langfristige Steigerung der Sonneneinstrahlung während des letzten Jahrhunderts, siehe z. B. die Nachricht: NASA STUDY FINDS INCREASING SOLAR TREND THAT CAN CHANGE CLIMATE, in der berichtet wird, dass eine Forschergruppe unter der Leitung von Richard Willson bei der Analyse der Daten von 3 verschiedenen ACRIM-Satelliten der NASA eine Erhöhung der Sonneneinstrahlung um 0,05% je Jahrzehnt seit den späten 1970er Jahren festgestellt hat. Richard Willson schreibt dazu: "This trend is important because, if sustained over many decades, it could cause significant climate change ... Historical records of solar activity indicate that solar radiation has been increasing since the late 19th century. If a trend, comparable to the one found in this study, persisted throughout the 20th century, it would have provided a significant component of the global warming the Intergovernmental Panel on Climate Change reports to have occurred over the past 100 years."

Einen noch größeren Einfluss auf die globalen Klimaschwankungen als die Variabilität der Sonneneinstrahlung hat die Fähigkeit der Sonne, die Menge an kosmischer Strahlung zu regulieren, welche die Erde erreicht. Die Sonne gibt ständig einen Strom geladener Teilchen ab, den Sonnenwind, der die Erde teilweise von der kosmischen Strahlung abschirmt. Der Sonnenwind verändert sich im Gleichklang mit der Sonnenstrahlung. Bei schwacher Sonnenaktivität ist auch der Sonnenwind weniger mächtig. Je schwächer er ist, desto mehr kosmische Strahlen können in die Atmosphäre eintreten, wo sie die Bildung von Kondensationskernen für niedrige Wolken stark fördern. Dieser Wolkentyp hat eine kühlende Wirkung, weil er die Reflektion der Sonnenenergie verstärkt.

Wenn die Sonne sehr aktiv ist, dann ist auch der Solarwind stärker und ein größerer Teil der kosmischen Strahlung wird blockiert, weniger Wolken werden gebildet und die Erde erwärmt sich. Eine aktive Sonne bedeutet also globale Erwärmung, während eine schwache Sonne uns weniger vor der kühlenden kosmischen Strahlung schützt, was zu einer globalen Abkühlung führt.

Besondere Verdienste in der Aufklärung dieses Zusammenhangs hat der dänische Physiker Henrik Svensmark, der dazu schreibt: "The direct influence of changes in solar irradiance is estimated to be only 0.1 °C. The cloud forcing, however, gives, for the above sensitivity, 0.3–0.5 °C, and has therefore the potential of explaining nearly all of the temperature changes in the period studied." (Henrik Svensmark, "Influence of Cosmic Rays on Earth’s Climate", Physical Review Letters, vol. 81, no. 22, 1998)

Die folgende Grafik (Quelle: Eigil Friis-Christensen and Henrik Svensmark, "What do we really know about the Sun-climate connection?", Advanced Space Research, vol. 20, no. 4/5, 1997, 913-921) zeigt die starke Übereinstimmung zwischen Sonnenflecken (blaue Kurve) und kosmischen Strahlen (rote Kurve):



Die nächste Grafik (Quelle: U. Berner/H. Streif, Klimafakten, op. cit. Seite 21) zeigt die enge Beziehung zwischen kosmischer Strahlung und Wolkenbedeckung:



U. Berner und H. Streif schreiben dazu (Klimafakten, op. cit., Seite 22): "Zwischen Sonnenwind, Erdmagnetfeld und Wolkenbildung bestehen Wechselwirkungen, die über veränderliche Wolkenmengen zu stärkerer oder schwächerer Rückstrahlung der Sonnenenergie führen. Eine Änderung der Wolkenbedeckung (die durch Satellitenbeobachtungen dokumentiert ist) von 3% während eines mittleren elfjährigen Solarzyklus bewirkt nach einer groben Abschätzung eine Änderung im Strahlungsantrieb von 0,8 bis 1,7 Watt pro m². Eine erhöhte Wolkenbedeckung hat eine insgesamt kühlende Wirkung. Der durch Wolkenbildung ausgelöste Klimaeffekt erscheint bedeutend, insbesondere wenn man ihn mit dem gesamten Strahlungsantrieb der erhöhten bzw. steigenden atmosphärischen CO₂-Konzentration vom Jahr 1750 bis heute vergleicht, der auf 1,56 Watt pro m² geschätzt wird."

Henrik Svensmark und seinem Team ist es gelungen, einen experimentellen Nachweis für die Bildung von Wolken durch kosmische Strahlen zu geben, siehe: Henrik Svensmark, "Cosmoclimatology: a new theory emerges", Astronomy and Geophysics 48, 2007, 118-124. Darin heißt es: "This article so far has summarized the evidence for the climatic role of cosmic rays, which underpins cosmoclimatology:

• Observations of variations of low cloud cover correlated with cosmic-ray variations;


• Experimental evidence for the microphysical mechanism whereby cosmic rays accelerate the production of cloud condensation nuclei;


• The Antarctic climate anomaly as a symptom of active forcing of climate by clouds;


• Quasi-periodic climate variations over thousands of years that match the variations in radionuclide production by cosmic rays;


• Calculations that remove an apparent difficulty associated with geomagnetic field variations.

Eine gute populärwissenschaftliche Einführung in das Thema gibt das Buch: Henrik Svensmark & Nigel Calder, "The Chilling Stars: A Cosmic View of Climate Change", Totem Books, 2. Auflage, 2008.