Externe Klimaschwankungen

Externe Klimaschwankungen

Änderungen der Sonneneinstrahlung

Das Klimasystem der Erde bezieht seine Energie grundlegend von der Einstrahlungsenergie der Sonne. Die Schwankungen der Sonneneinstrahlung können über größere Zeiträume von mehreren Jahrtausenden auch durchaus einen starken Einfluss auf das Klima haben, vor allem weil sie Rückkopplungsprozesse bei der Eisbedeckung der Erde und der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre anstoßen. So werden die Unterschiede zwischen Warm- und Kaltzeiten im gegenwärtigen Eiszeitalter durch die Unterschiede in der Einstrahlung erklärt, die durch die Veränderung der Erdbahnparameter verursacht werden (Milankovitch-Theorie). Allerdings hatte die Sonneneinstrahlung dabei nur einen direkten Einfluss von 0,5 °C gehabt, während die Temperaturen in Kalt- und Warmzeiten etwa 4 °C auseinanderliegen. Dieser Unterschied wird hauptsächlich durch Rückkopplungsprozesse verursacht. Ein kälterer Ozean nimmt mehr Kohlendioxid auf, wodurch sich die Atmosphäre zusätzlich abkühlt. Und geringere Temperaturen bewirken eine größere Bedeckung der Erdoberfläche mit Eis und Schnee, wodurch mehr Sonnenstrahlen reflektiert werden und die Atmosphäre sich zusätzlich abkühlt usw. In Zeitskalen von Jahrzehnten und Jahrhunderten, über die man bei der globalen Erwärmung spricht, spielen diese Prozesse allerdings keine Rolle.

Eine mögliche Erklärung für die gegenwärtige Erwärmung des Klimas kann jedoch in der Aktivität der Sonne liegen. Dabei sind direkte Wirkungen der Einstrahlung von indirekten Effekten von UV-Strahlung auf die Stratosphäre zu unterscheiden. Messungen der direkten Solarstrahlung durch Satelliten gibt es seit November 1978. Für die Zeit davor wird die Solarstrahlung auch aus der Sonnenfleckenzahl und den Isotopen 14C und 10Be abgeleitet, die man in verschiedenen Klimaarchiven wie Baumringen und Eisbohrkernen findet. Aufgrund der Kugelgestalt der Erde und der Sonnenabgewandtheit jeweils einer Erdhälfte sowie der Reflexion eines Drittels der Sonnenstrahlung durch Atmosphäre und Erdboden erreichen jedoch nur 16% der Schwankungen der Solarkonstanten an der Obergrenze der Atmosphäre den Boden. Entsprechend gering ist grundsätzlich die Temperaturveränderung durch die Schwankung der Solarstrahlung.

Sonneneinstrahlung und Vulkanismus in den letzten 1000 Jahren


Abb. 2: Die Abbildung zeigt die Veränderung der natürlichen externen Antriebe Sonneneinstrahlung und Vulkanismus in den letzten 1000 Jahren sowie die Temperaturentwicklung (Modell und Beobachtung). Es ist deutlich erkennbar, dass der Temperaturanstieg im 20. Jahrhundert nicht aus den natürlichen externen Antriebskräften erklärt werden kann.B1

Die Rekonstruktion der Sonneneinstrahlung der letzten 1000 Jahre vermag zusammen mit dem Klimaantrieb durch Vulkanausbrüche die Temperaturentwicklung vom Mittelalter bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts einigermaßen gut zu erklären (Abb. 2). Insbesondere können die ‚Mittelalterliche Warmzeit' und die sog. Kleine Eiszeit im 17. Jahrhundert mit ca. 1 °C geringerer Temperatur als in der Gegenwart daraus abgeleitet werden. Auch an dem Temperaturanstieg zu Beginn des 20. Jahrhunderts hat ein leichter Anstieg der Sonneneinstrahlung wahrscheinlich mitgewirkt. Seit Beginn der Industrialisierung hat die Solarstrahlung nach dem Bericht des Weltklimarates IPCC von 2013 insgesamt jedoch lediglich um 0,05 W/m2 zugenommen, im Vergleich zum Strahlungsantrieb sämtlicher vom Menschen emittierten Treibhausgase von ca. 3 W/m2.1  Vor allem die seit 1980 durch Satelliten exakt gemessene Solarstrahlung zeigt bei den Minima und Maxima des Schwabe-Zyklus im Gegensatz zur Entwicklung der globalen Temperatur in dieser Zeit keinen Anstieg (Abb. 3). Das jüngste Minimum 2009/10 liegt sogar unter den beiden vorhergehenden Minima in dem 11-Jahres-Zyklus, und es lässt sich bei den Minima ein leichter Abwärtstrend ausmachen.2 Die direkte Solareinstrahlung scheint auf die Temperaturentwicklung der letzten Jahrzehnte allenfalls einen modulierenden Einfluss zu haben. Der Temperaturtrend ist davon nicht beeinflusst.

Solarstrahlung und Temperatur 1977-2006


Abb. 3: Die Solarstrahlung zeigt seit 1977 den typischen 11-Jahres-Zyklus (Schwabe-Zyklus). Die Minima zeigen eine leicht fallende Tendenz, die sich bis 2010 noch verstärkt hat. Der Temperaturanstieg ist im Trend von der Solarstrahlung unbeeinflusst.B2

Indirekte Einflüsse der Solarstrahlung 

Neben der direkten Solarstrahlung gibt es noch indirekte Möglichkeiten der Einflussnahme der Sonne auf das Klima. Etwa 1% der gesamten Strahlungsenergie der Sonne wird von der UV-Strahlung eingenommen, die einen Einfluss auf die Ozon-Konzentration der Stratosphäre besitzt. Die Schwankungen im UV-Bereich sind wesentlich größer als die der Gesamtstrahlung bzw. der Solarkonstanten (8% gegenüber 0,2%). Bei hoher UV-Strahlung wird die stratosphärische Ozonkonzentration um 2-3% erhöht, was zu einer Erwärmung der Stratosphäre führt, die auch das Klima der Troposphäre beeinflussen könnte. Da sich die Stratosphäre aber seit Beginn der Satellitenmessungen abgekühlt hat, ist dieser Effekt offensichtlich nicht von relevanter Bedeutung für den gegenwärtigen Klimawandel.

Ein weiterer indirekter Einfluss der Sonne auf das Klima der Erde wird von einigen Forschern über die kosmische Strahlung behauptet. Diese hochenergetische Teilchenstrahlung aus dem Weltall wird durch das Magnetfeld der Sonne und die Sonnenaktivität beeinflusst: Eine starke Sonnenaktivität verringert die auf die Erde auftreffende kosmische Strahlung. Die kosmische Strahlung ist verantwortlich für die Bildung von Ionen in der Atmosphäre, die die Tröpfchenbildung von Wolken begünstigen soll. Bei geringer kosmischer Strahlung würde es hiernach weniger Wolken geben und damit mehr solare Einstrahlung, also eine Erwärmung der Atmosphäre. Die vermutete Korrelation von kosmischer Strahlung und Wolkenbildung hat sich jedoch durch Beobachtung nicht bestätigt.3 Zwar korrelierte von den 1960er Jahren bis zum Ende der 1980er Jahre die kosmische Strahlung mit der Temperaturentwicklung, nimmt seitdem aber wieder zu, während die Temperatur weiter ansteigt (Abb. 4). Die Schwankungen der kosmischen Strahlung sind zudem viel zu schwach, um die Erwärmung der letzten Jahrzehnte erklären zu können.4

Kosmische Strahlung und Temepratur 1960-2000


Abb. 4: Verlauf der kosmischen Strahlung und der bodennahen globalen Temperatur (jeweils gleitendes 11-Jahresmittel). Die kosmische Strahlung ist nach oben abnehmend dargestellt, da eine Abnahme der Strahlung eine Zunahme der Temperatur bewirken soll.B3

Anmerkungen:
1. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 8.4.1.2 und 8.5.1
2. Lockwood, M. & C. Fröhlich (2007): Recent oppositely directed trends in solar climate forcings and the global mean surface air temperature, Proceedings of the Royal society A, doi:10.1098
3. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 8.4.1.5
4. Sloan, T., A.W. Wolfendale (2013): Cosmic rays, solar activity and the climate, Environ. Res. Lett. 8, doi:10.1088/1748-9326/8/4/045022

Bildquellen:
B1. verändert nach IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis, Figure 12.1
B2. verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 6.10 und 6.13
B3. verändert nach Climate Press Nr. 19, Dez. 2004: http://www.proclim.ch/Products/ClimatePress/ClimatePress19D.pdf

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