Helmholtz-Zentrum Geesthacht, 2016-07-25
http://www.hzg.de/030987/index_0030987.html.de

Klimawandel während der industriellen Ära: Einfluss der solaren Variabilität oder Effekt von Treibhausgasen?

Autor: Prof. Guy Brasseur, Climate Service Center, Helmholtz Zentrum Geesthacht
Die Rolle der Sonne bei der Verursachung des Klimawandels wird immer wieder lebhaft diskutiert. Im Zentrum dieser Diskussionen steht die Frage, welchen Anteil die Sonnenaktivität im Vergleich zum Einfluss der Treibhausgase am Klimawandel hat. Mit dem aktuellen Stand der Forschung lassen sich weitgehend gesicherte Antworten darauf geben. Im Folgenden wird gezeigt, dass sowohl die Sonneneinstrahlung als auch der Treibhauseffekt wichtige Parameter für das Klimageschehen sind. Beide Antriebsmechanismen beeinflussen dabei die beobachteten Temperaturveränderungen jedoch auf sehr unterschiedliche Weise.

Frage 1:

Welche Rolle spielen die solare Aktivität und der Treibhauseffekt für die klimatischen Bedingungen?

Abb. 1: Mittlere globale und temporäre Energieflüsse im System Erde-Atmosphäre (K.E. Trenberth, J.T. Fasullo, J. Kiehl , Am.Meteor.Soc, March 2009) Abb. 1: Mittlere globale und temporäre Energieflüsse im System Erde-Atmosphäre (K.E. Trenberth, J.T. Fasullo, J. Kiehl , Am.Meteor.Soc, March 2009)

Im Mittel empfängt die Erde eine solare Strahlung von 341 Watt pro Quadratmeter (W/m2) (Abb. 1). Etwa 30 Prozent dieser Energie (102 W/m2) wird zurück in den Weltraum reflektiert. Der verbleibende Anteil (239 W/m2) wird von dem System Erde / Atmosphäre absorbiert und heizt den Planeten auf. Diese absorbierte Energie wird kompensiert durch die Abstrahlung der unsichtbaren Infrarotstrahlung ins All. Die Infrarotstrahlung wird teilweise von Treibhausgasen in der Atmosphäre (Kohlendioxid, Methan, Stickoxide, Chlorfluorkohlenstoffe, Ozon) absorbiert und wieder zur Erdoberfläche zurück emittiert (333 W/m2).

Dieser Mechanismus ist der Treibhauseffekt, der schon 1824 von dem französischen Mathematiker Joseph Fourrier entdeckt wurde. Das Gleichgewicht zwischen solarer und terrestrischer Strahlung bestimmt die mittleren Temperaturen auf der Erdoberfläche (15 °C). Ohne das Vorhandensein dieser Treibhausgase in der Atmosphäre, würde die Erdoberfläche 33 Grad kälter als die beobachtete Durchschnittstemperatur sein. Die Erdoberfläche wäre gefroren und Leben wäre nicht möglich.

Frage 2:

Verändert sich die solare Strahlung mit der Zeit?
Die Intensität der solaren Strahlung und somit die Energiemenge, die unser Planet von der Sonne empfängt, hat sich während der Entwicklungsgeschichte des Sonnensystems verändert.
Erstens hat sich die Sonne, wie jeder Stern, kontinuierlich entwickelt. Sie strahlt heute mehr Energie ab als in ihrer Frühphase vor Milliarden von Jahren.
Zweitens verändert sich die Umlaufbahn der Erde um die Sonne in langen Zeiträumen, typischerweise in Zyklen von 10.000 und 100.000 Jahren. Diese Veränderungen beeinflussen nicht die Intensität der Sonnenstrahlung, sie modifizieren aber die Strahlungsenergie, die auf die Erde trifft. Es wird angenommen, dass dadurch der Wechsel zwischen Eiszeit- und Warmzeitklimaten ausgelöst wird. Langperiodische Änderungen der solaren Einstrahlung auf das Erdsystem sind demnach wichtige Einflussgrößen für die Beurteilung des Paläoklimas. Eisanalysen an Bohrkernen aus der Antarktis zeigen sowohl eine Korrelation zwischen der Sonnenaktivität und der Temperatur als auch zwischen dem Klima und der Konzentration von Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre (Abb. 2). Individuelle Antriebsmechanismen oder Rückkoppelungsprozesse des Systems Erde / Atmosphäre können deshalb nicht isoliert voneinander betrachtet werden, sondern laufen gleichzeitig ab.

Abb 2: Quasi-periodische Schwankungen im Klimasystem traten in den letzten 400.000 Jahren als Folge von Änderungen der auf der Erde absorbierten Sonnenenergie auf. Dies konnte aus Analysen von Eisbohrkernen aus der Antarktis abgeleitet werden (Nach Petit et al., Nature, 399, 429-436, 1999). Obwohl diese Änderungen und insbesondere die Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten wahrscheinlich durch den solaren Strahlungsantrieb ausgelöst wurden, kommt es in der Folge zu deutlichen Veränderungen in der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid und Methan und somit einem Treibhausgas-Effekt. Die im letzten Jahrhundert beobachteten Veränderungen sind in keiner Weise mit den natürlichen Schwankungen zuvor zu vergleichen. Abb 2: Quasi-periodische Schwankungen im Klimasystem traten in den letzten 400.000 Jahren als Folge von Änderungen der auf der Erde absorbierten Sonnenenergie auf. Dies konnte aus Analysen von Eisbohrkernen aus der Antarktis abgeleitet werden (Nach Petit et al., Nature, 399, 429-436, 1999). Obwohl diese Änderungen und insbesondere die Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten wahrscheinlich durch den solaren Strahlungsantrieb ausgelöst wurden, kommt es in der Folge zu deutlichen Veränderungen in der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid und Methan und somit einem Treibhausgas-Effekt. Die im letzten Jahrhundert beobachteten Veränderungen sind in keiner Weise mit den natürlichen Schwankungen zuvor zu vergleichen.

Drittens verändert sich die von der Sonne abgestrahlte Energiemenge mit einer Periode von etwa elf Jahren in Abhängigkeit vom Magnetfeld der Sonne. Die Schwankungen der gesamten auf die Erde abgestrahlten Energiemenge liegen dabei in der Größenordnung von 0,1 Prozent. Diese Änderungen, die sehr exakt mit Hilfe von Satelliten gemessen werden, sind im wesentlichen periodischer Natur und sind nicht durch einen fortschreitenden Langzeit-Trend gekennzeichnet. Sie sind eng verknüpft mit der Anzahl von Sonnenflecken (dunkle Gebiete) auf der Sonnenoberfläche, die seit ihrer Entdeckung durch Galileo im 17. Jhd. regelmäßig beobachtet werden (Abb. 3).

Abb. 3: Anzahl der beobachteten Sonnenfleckenereignisse seit dem 16. Jahrhundert Abb. 3: Anzahl der beobachteten Sonnenfleckenereignisse seit dem 16. Jahrhundert

Frage 3:

Beeinflusst der elfjährige Sonnenzyklus das Klima?
Die Auswirkungen des elfjährigen Sonnenzyklus auf die Atmosphäre wurden eingehend studiert. Ein deutlicher und starker Effekt wird vor allem in der oberen Atmosphäre (oberhalb 100 km Höhe) gemessen, wo die Temperatur beim Übergang von ruhigen zu aktiven solaren Perioden üblicherweise um etwa 800 °C ansteigt. Am Übergang von der Erdatmosphäre zum Weltall ist die Temperatur nicht „spürbar“, wegen der im Vergleich zur Erdoberfläche millionenfach geringeren Luftdichte. Sie ist lediglich durch die schnelle Bewegung der Gasteilchen messbar. Die Temperaturwerte in der sogenannten Thermosphäre (80-500 km Höhe) liegen im Bereich zwischen 300 und 1500 °C)
Verursacht wird die starke Aufheizung in diesem Bereich durch die kurzwellige Sonnenstrahlung (extreme Ultraviolett- und Röntgenstrahlung), deren Intensität sich während eines Sonnenzyklus um mehrere Größenordnungen verändert.


In der mittleren Atmosphäre zwischen 15 km und 100 km Höhe sind die Temperaturauswirkungen, die in Verbindung mit der Sonnenaktivität stehen, deutlich geringer (typischerweise 1°C oder weniger). Der Grund dafür ist, dass diese Schicht durch ultraviolette Strahlung eines anderen Wellenlängenbereichs aufgeheizt wird, deren Intensität sich im Verlauf eines Sonnenzyklus nur vergleichsweise wenig ändert.

In der unteren Atmosphäre unterhalb 15 km Höhe, wo die eingehende Sonnenstrahlung (nahes Infrarot- und sichtbares Licht) nicht signifikant durch die Sonnenaktivität beeinflusst wird, sind keine wesentlichen Änderungen aufgrund unterschiedlicher Sonnenaktivität zu erwarten.

Trotzdem haben Klimawissenschaftler ein kleines elfjähriges Signal in der Oberflächentemperatur identifiziert, das auf die Sonnenaktivität zurückzuführen sein könnte. Die Meteorologen Harry van Loon (NCAR, Boulder, Colorado) und Karin Labitzke (Freie Universität Berlin) berichteten von Variationen im meteorologischen Muster innerhalb eines dekadischen Zeitrahmens. Mit Hilfe eines globalen Klimamodells hat der Klimawissenschaftler Jerry Meehl (NCAR, Boulder, Colorado) gezeigt, dass eine Zunahme der solaren Strahlung die Niederschlagsstärke in äquatorialen Regionen erhöhen und Dürren in den subtropischen Wüstengürteln verstärken kann. All diese Störeinflüsse sind jedoch periodischer Natur und können keinen langfristigen Trend wie die globale Erwärmung erklären.

Frage 4:

Was sind die jeweiligen Effekte der Sonnenvariabilität und der Treibhausgase auf das Klima während des 20. Jahrhunderts?
Die Sonnenphysikerin Judith Lean (Naval Research Laboratory, Washington, DC) hat die Entwicklung der mittleren Oberflächentemperatur seit 1980 untersucht. Dazu hat sie das Temperatursignal in verschiedene Komponenten zerlegt: einen über einen langen Zeitraum anhaltenden Trend, der in Verbindung mit dem Anstieg der Treibhausgas-Konzentration steht, eine elfjährige periodische Komponente, die dem Sonnenzyklus zuzuordnen ist, sporadisch auftretende vulkanische Aktivitäten und zusätzliche dynamische Schwankungen, die auf El-Niño-Ereignisse im pazifischen Raum sowie die Nordatlantik-Oszillation zurückzuführen sind.

Abbildung 4 zeigt, dass das Temperatursignal großen und schnellen Schwankungen unterliegt, die in Verbindung stehen mit der internen (chaotischen) Atmosphärendynamik und die überlagert werden von einem kleinen, aber nachhaltigen Langzeittrend, der mit dem anthropogenen Treibhausgas-Antrieb in Zusammenhang steht. Der solare Antrieb steuert kleine, periodische Schwankungen bei, aber keinen substanziellen Langzeittrend. Klima ist der statistische, mittlere Zustand der meteorologischen Bedingungen über einen Zeitraum von 30 Jahren. Die Zerlegung des Signals zeigt deutlich, dass der langzeitliche Temperaturtrend nicht auf die solare Aktivität zurückzuführen ist. Vielmehr ist die beobachtete Temperaturerhöhung der Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre zuzuschreiben.

Abb. 4: Zerlegung des Temperatursignals für den Zeitraum 1980 bis 2000 in verschiedene Komponenten wie Sonnenstrahlung, Langzeittrend, optischer Aerosol-Index und dynamische Schwankungen inklusive El Niño-Ereignisse. Der Aerosol-Index steht zum größten Teil in Verbindung mit Vulkanausbrüchen. Die Temperatur-Zeitreihe, die sich aus der Kombination der Einzelkomponenten ergibt, bildet viele Schwankungen der tatsächlich beobachteten globalen Temperatur ab. Die senkrechten Linien A und B in den Jahren 2014 und 2019 stellen hypothetische Auswirkungen von vulkanischen Aktivitäten und ENSO-Ereignissen (ENSO= El Niño Southern Oszillation) dar. (Aus J. Lean und D.H. Rind, Geophys.Res.Lett., 36, L15708, 2009) Abb. 4: Zerlegung des Temperatursignals für den Zeitraum 1980 bis 2000 in verschiedene Komponenten wie Sonnenstrahlung, Langzeittrend, optischer Aerosol-Index und dynamische Schwankungen inklusive El Niño-Ereignisse. Der Aerosol-Index steht zum größten Teil in Verbindung mit Vulkanausbrüchen. Die Temperatur-Zeitreihe, die sich aus der Kombination der Einzelkomponenten ergibt, bildet viele Schwankungen der tatsächlich beobachteten globalen Temperatur ab. Die senkrechten Linien A und B in den Jahren 2014 und 2019 stellen hypothetische Auswirkungen von vulkanischen Aktivitäten und ENSO-Ereignissen (ENSO= El Niño Southern Oszillation) dar. (Aus J. Lean und D.H. Rind, Geophys.Res.Lett., 36, L15708, 2009)

Abbildung 5 vergleicht die Entwicklung von beobachteter mittlerer Oberflächentemperatur und der rekonstruierten Dauer der Sonnenzyklen zwischen den Jahren 1700 und 2000. Obwohl es in der Vergangenheit eine signifikante Korrelation beider Signale bis etwa zur Mitte der 1900er Jahre gab, wird diese Korrelation nach 1950 komplett zugunsten einer anhaltenden Temperatursteigerung überlagert, die sich völlig unabhängig von der solaren Variabilität entwickelt.

Abb. 5: Vergleich der globalen Temperaturanomalie und der Länge von Sonnenfleckenzyklen während der Zeit zwischen 1700 und 2000. Die deutliche Temperaturzunahme, die seit 1950 zu beobachten ist, entwickelt sich völlig unabhängig von der Dauer des Sonnenzyklus. Abb. 5: Vergleich der globalen Temperaturanomalie und der Länge von Sonnenfleckenzyklen während der Zeit zwischen 1700 und 2000. Die deutliche Temperaturzunahme, die seit 1950 zu beobachten ist, entwickelt sich völlig unabhängig von der Dauer des Sonnenzyklus.

Zusammenfassung

Schwankungen der solaren Einstrahlung haben das Klima insbesondere über lange Zeiträume in der Vergangenheit beeinflusst. Schwankungen der Sonnenaktivität waren wahrscheinlich Auslöser für die Abfolge von Eis- und Warmzeiten in einem typischen 100.000-jährigen Zyklus. Änderungen der solaren Einstrahlung beeinflussen direkt die obere Atmosphäre, aber die untere Atmosphäre und die Erdoberfläche dagegen nur unwesentlich. Kleine, indirekte Einflüsse, die sich aus der mittleren und unteren Atmosphäre fortpflanzen, sind allerdings möglich.

Obwohl die Sonne winzige periodische Schwankungen in der Oberflächentemperatur und in der Atmosphärendynamik verursachen kann, ist sie jedoch nicht in der Lage, die seit Beginn der Industrialisierung zu verzeichnende Temperaturentwicklung zu bewirken. Die beste Deutung ist demzufolge, dass der beobachtete Langzeittrend der Temperaturentwicklung aus der Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre resultiert. Diese Erklärung basiert auf bekannten und experimentell nachgewiesenen physikalischen Konzepten.
NASA-Video einer Sonneneruption vom 23.01.2012