NTV hatte am 12. Januar 2019 berichtet, Zitat:

„Bisher waren Forschungen zum SRM, auch solares Geoengineering genannt, auf das Labor und Computersimulationen beschränkt. Doch dieses Jahr wollen Wissenschaftler erstmals den Schritt nach draußen wagen: Forscher der Harvard-Universität planen ein Experiment, bei dem kleine Partikel in einer hohen Luftschicht ausgebracht werden, wie das Magazin „Nature“ berichtete. Untersucht werden soll so die „Stratospheric Aerosol Injection“ (SAI), eine Variante des solaren Geoengineerings, bei der ein Partikelmantel einen Teil der Sonnenstrahlen ablenkt und die Sonne so verdunkelt wird. Das Projekt mit dem Namen Stratospheric Controlled Perturbation Experiment (SCoPEx) hat mit Bill Gates einen berühmten Förderer und könnte schon in der ersten Jahreshälfte starten. Ein Ballon soll bis in die Stratosphäre aufsteigen, in rund 20 Kilometern Höhe soll er dann Wolken kleiner Partikel aus Kalziumkarbonat, also Kalk, ausstoßen. Anschließend messen Sensoren an dem Ballon, wie sich diese ausbreiten.“

Als Förderer des SCoPEx-Projekts werden angegeben:

“William and Flora Hewlett Foundation; The Open Philanthropy Project; Pritzker Innovation Fund; The Alfred P. Sloan Foundation; VoLo Foundation; The Weatherhead Center for International Affairs; G. Leonard Baker, Jr.; Alan Eustace; Ross Garon; Bill Gates; John Rapaport; Michael Smith; Bill Trenchard.”

Dem EIKE-Artikel „‚Klimaschutz‘: Riskantes Spiel mit dem Wetter“ vom 7. Februar 2021 war zu entnehmen, dass ein erster Praxistest im Rahmen des SCoPEx-Experiments offenbar bereits für Juni 2021 geplant gewesen sei. Aber aus diesem SCoPEx-Test wird nun offenbar vorerst nichts werden, wie die taz am 5. April 2021 unter dem Titel „Klimamanipulation abgeblasen“ gemeldet hatte, Zitat:

„Ende letzter Woche gaben Harvard und SSC [staatliche schwedische Raumfahrtgesellschaft] bekannt, dass die Pläne auf Eis gelegt würden: Es gebe in der internationalen Wissenschaft einen Bedarf nach weiterer Diskussion zu diesem Thema, denn bislang gebe es ‚keinen Konsens, inwieweit ein solcher Versuch angemessen ist‘. Die SSC-Mitteilung führt eine weitere Begründung an, die eine Beteiligung Schwedens am Test auf absehbare Zeit unmöglich machen dürfte: ‚Es fehlen heute internationale Abkommen bezüglich der Forschung im Geoengineering-Sektor.‘“

Bevor man mit dem solaren Klimaantrieb unserer Erde herumspielt kann uns ja vielleicht die Aga-Kröte mal erzählen, was bei nicht bis zu Ende gedachten menschlichen Eingriffen in natürliche Abläufe so alles passieren kann.

Schauen wir uns nachfolgend also einmal genauer an, ob ein solcher Eingriff in die terrestrische Temperaturgenese mit oder ohne ein internationales Abkommen tatsächlich angemessen wäre

Kiehl & Trenberth lassen in ihrem konventionellen IPCC-Modell KT97 die Vektor-Richtung der solaren Einstrahlung [1] mit einem Skalar-Trick verschwinden und fokussieren ihren Tag=Nacht-Faktor4-Flacherdeansatz für die Solarkonstante „So/4“ auf die radiale Abstrahlung der Erde [3]. Die gesamte Ursachen-Wirkungs-Kette für die terrestrische Temperaturgenese lautet aber,

Aussage 1:

Solare HF-Einstrahlung@PIR² [1]=> Erwärmung von Materie@2PIR² [2]=> IR-Abstrahlung@4PIR² [3]

Der EIKE-Artikel „Anthropogener Treibhauseffekt: nach wie vor zu schwach für die Klimakatastrophe!“ von Dr. Roland Ullrich enthält die bekannte KT97-Darstellung mit einer atmosphärischen Gegenstrahlung von 333W/m². Dort wurde auch eine Gleichung für die globale Verteilung der Sonneneinstrahlung aufgestellt:

GLEICHUNG 1: So + Evap + Erad + Konv + X = 0 (Dr. Roland Ullrich)

Die in einem späteren Artikel von Dr. Ullrich nachgereichte „realistische Darstellung der Energiebilanz der Erde“ verschleiert durch Prozentangaben wiederum die zugehörigen spezifischen Leistungen:

Durch die Prozentangaben in Abbildung 1 wird aber auch noch die Betrachtungsperspektive (PIR² oder 2PIR² oder 4PIR²) verschleiert. Allein der Term „Von Ozeanen und Land absorbiert 51%“ entspräche bezüglich der Solarkonstanten (So=1.367W/m²) einer spezifischen Strahlungsleistung von 697W/m² mit einem rechnerischen S-B-Temperaturäquivalent von 60°C. Und für die „atmosphärische Gegenstrahlung“ taucht dort lediglich der aufsteigende IR-Term „Von der Atmosphäre absorbierte Wärmestrahlung 15%“ (entsprechend 205W/m² von So) auf, der jedoch nicht auf die Erdoberfläche zurückgeführt wird. Von daher bleibt dort der fiktive atmosphärische Antrieb für den sogenannten „natürlichen atmosphärischen Treibhauseffekt“ rechnerisch völlig im Dunklen. Und damit fehlt wiederum jede Erklärung, wie die Lücke von 155W/m² in der konventionellen Faktor4-Klimatheorie zwischen einer fehlerhaft abgeleiteten „natürlichen Gleichgewichtstemperatur“ unserer Erde von (-18°C) und der sogenannten „gemessenen globalen Durchschnittstemperatur“ (NST) von ca. (15°C) geschlossen werden sollte.

Die Vektorrichtung der parallelen solaren HF-Einstrahlung kann nämlich nur über die Erwärmung von Materie in eine radiale terrestrische IR-Abstrahlungsrichtung transformiert werden. Denn Photonen wandeln sich nun mal nicht freiwillig von kurzwelliger HF-Strahlung (solar=niedrige Entropie) zu langwelliger IR-Strahlung (terrestrisch=hohe Entropie) um; dazu bedarf es vielmehr in einem Zwischenschritt der Erwärmung von Materie (Aussage1: [2]), und das ist nur auf der Tagseite der Erde möglich. Dazu passt auch die Aussage von Prof. Dr. Heinz Fortak aus seinem Buch Meteorologie von 1971, Sekundärzitat aus einer Email vom 21.05.2021 um 21:08 Uhr an einen reduzierten Skeptiker-Email-Verteiler mit Dank an Dr. Gerhard Kramm:

„Der Strahlungsanteil in Hoehe von 3.52 kWh/(m2 d) (42 %), welcher das System Erde – Atmosphaere effektiv erwaermt, besteht aus der kurzwelligen Strahlungsabsorption in der Atmosphaere und am Erdboden (17 % + 47 % = 64 %) abzueglich des Energiebetrages, der zur Verdunstung des Wassers benoetigt wurde. Der „Kreislauf“ der langwelligen Strahlung zwischen Erdoberflaeche und Atmosphaere traegt nicht zur Erwaermung des Systems bei. Die effektive langwellige Ausstrahlung nach oben von 64 % dient zur Aufrechterhaltung des Strahlungsgleichgewichts an der Obergrenze der Atmosphaere.“

Damit können wir für einen (IN=OUT)-Gleichgewichtszustand feststellen,

Aussage 2:

(Solare HF-Einstrahlung [1] @2PIR² [2] = terrestrische IR-Abstrahlung @4PIR² [3]) @ NST=CONST

Und wenn wir in Ermangelung von Alternativen mit Durchschnittswerten argumentieren, führt die Gleichsetzung NST=T_phys zu

Aussage 3:

Hinweis zur Temperatur auf der Nachtseite: Die Umgebungsgleichung des S-B-Gesetzes stellt die Ausgangssituation für meine Betrachtung der Nachtseite unserer Erde dar. Dadurch werden die Temperaturverhältnisse und die daraus abzuleitenden Flussrichtungen der Energie von warm zu kalt eindeutig definiert, aber der physikalische Ausgleichsmechanismus kann und wird selbstverständlich alle Arten des Energietransportes umfassen, wie ich das in der Vergangenheit bereits mehrfach ausgeführt hatte (beispielsweise hier: Land-Seewind-System und hier: 6. ERKENNTNIS).

Kommen wir jetzt noch einmal zu dem Modell KT97 von Kiehl & Trenberth zurück. Es ist klar hervorzuheben, dass der Ausdruck „S₀“ in der Wissenschaft eindeutig für die Solarkonstante von 1.367 W/m² steht; das Faktor-4-Derivat von Kiehl & Trenberth leitet sich dagegen aus (S₀/4) her. Und schließlich wäre hier von den KT97-Anhängern noch zu klären, wie ein IR-Spektrum von bis zu 120°C (@ S₀) auf der Tagseite unserer Erde (generell S₀ (1-ALBEDO)*COS(Zenitwinkel)) mit dem ominösen „Faktor4“ gemittelt wird, um so 4x das IR-Spektrum von -18°C (@235W/m²) zu erzeugen; insbesondere, wo dabei die höheren, ausschließlich auf der Tagseite erzeugten IR-Frequenzen abbleiben sollen (hier in Abbildung 6 dargestellt). Auf der anderen Seite kann Energie nicht einfach so verschwinden. In der Gleichung 1 sind aber Kondensation („Kond“) und Advektion („Adve“) nicht enthalten, es sei denn implizit in „Evap“ und „Konv“, was diese Terme dann allerdings mit („Evap“=„Evap“-„Kond“) und („Konv“=„Konv“-„Adve“) selbst auf „0“ bringen würde. Klarer wird vielleicht eine hemisphärische Betrachtung:

Es ergibt sich daraus die nachfolgend in Tabelle 1 dargestellte Situation:

 

Der Bodenwärmefluss sowie der Term „X“ aus Gleichung 1 sind hier nicht aufgeführt. Setzen wir einmal anstelle von Term „X“ einen Albedo-Antrieb ein:

Tabelle 1: Die Temperaturgenese auf unserer Erde [1]=>[2]=>[3] wird durch die ozeanischen Wärmespeicher mit einer Mitteltemperatur von etwa 15°C gestützt.

Die orbitalen Milanković-Zyklen stellen die einzige bekannte unabhängige Zeitreihe dar, die mit ihrem Frequenzspektrum die Schwankungen der paläoklimatischen Temperaturproxys für die letzten 420.000 Jahre in etwa abbilden können. Die Albedo unserer Erde ist dagegen die einzige bekannte Variable, die über eine Beeinflussung des reflektierten Anteils der Sonnenstrahlung die dafür notwendigen Schwankungen des solaren Klimaantriebs verursachen kann. Der Antrieb „X“ kann daher als +/-DELTA ALBEDO durch ein Albedo-Forcing beschrieben werden:

Gleichung 3: (S₀ – S_0*ALBEDO +/- S_0*DELTA ALBEDO)@PIR² = (Merw + Evap + Konv)@2PIR²

Die linke Seite der Gleichung 3 bestimmt also, welche spezifische solare Strahlungsleistung überhaupt für die terrestrische Temperaturgenese zur Verfügung steht, und zwar zwischen einer Albedo von „0“=Schwarzkörper und „1“=Diskokugel, respektive 1.367W/m² und 0W/m². Manchmal wird die Zeit (t) ebenfalls eingebunden, aber das würde insofern zu Komplikationen führen, weil die Verweildauer von Wärme in den globalen Strömungssystemen von Atmosphäre und Ozeanen sehr unterschiedlich ist. Verstehen wir die Gleichungen 2 und 3 also eher als Ergebnis einer langjährigen Durchschnittsbetrachtung. An einer Weltformel für die Temperatur hatte ich mich hier einmal versucht, und hier an einem natürlichen Klimamechanismus.

Und jetzt schauen wir einmal genauer auf unser Eiszeitalter:

Wir leben gegenwärtig in einem Interglazial der gegenwärtigen Eiszeit, also irgendwo zwischen der letzten Kaltzeit und der nächsten, wie die nachfolgende Abbildung mit den Temperaturproxys der antarktischen Vostok-Bohrung zeigt:

In den vergangenen 420.000 Jahren beschränkten sich die sogenannten Warmzeiten oder Interglaziale auf Zeiträume von jeweils 10.000 bis 15.000 Jahren. Unser aktuelles Interglazial besteht nun bereits seit etwa 12.000 Jahren, hat also voraussichtlich noch zwischen 0 und 3.000 Jahre Bestand. Und dann wird es wieder für etwa 100.000 Jahre lang ziemlich kalt, mit Gletschern im norddeutschen Tiefland und allem was so dazu gehört. Damit sollte uns aber auch die Frage interessieren, was genau den Wechsel von einer Warmzeit zu einer Kaltzeit hervorruft.

Köppen und Wegener machen in ihrem Werk „Die Klimate der geologischen Vorzeit“ (Bornträger 1924, Nachdruck bei Schweizerbart) die sommerliche Sonneneinstrahlung in höheren geographischen Breiten für den Wechsel von Warm- und Kaltzeiten verantwortlich.

Nach Köppen und Wegener kommt es bei einer Kaltzeit nämlich gar nicht darauf an, wie extrem kalt es im Winter wird, sondern wie viel Schnee und Eis über den Sommer liegen bleibt. Das gilt insbesondere für die polaren Regionen in den höheren geographischen Breiten, wo durch eine solche Erhöhung der sommerlichen Albedo dann weitere Sonneneinstrahlung reflektiert wird, sodass dadurch keine Materie mehr erwärmt werden kann und folglich die Temperaturen sinken.

Die dänischen Forschungseinrichtungen für die Arktis präsentieren auf ihrem Polar Portal die Daten über den Zustand zweier Hauptkomponenten der Arktis, der grönländischen Eisdecke und des Meereises. Die nachfolgende Abbildung von diesem Portal zeigt, wie die Oberfläche des grönländischen Eisschildes täglich an Masse gewinnt und verliert, also die Oberflächenmassenbilanz. Die Massenverluste durch Abkalben von Gletschern sind dort nicht enthalten.

Das hellgraue Band in Abbildung 4 zeigt die jährlichen Masseunterschiede von Jahr zu Jahr für den Zeitraum 1981-2010, wobei die niedrigsten und höchsten Werte für jeden Tag weggelassen worden sind. Wir können deutlich erkennen, dass der Masseverlust des Grönländischen Eisschildes erst Anfang Juni beginnt und bereits in der 2. Augusthälfte endet, also auf etwa drei Monate im Jahr beschränkt ist und im Maximum auf den Juli fällt. Wenn sich dieser kurze Zeitraum der Schmelze in den höheren geographischen Breiten noch weiter einschränken würde, bliebe dort dann von Jahr zu Jahr etwas mehr Schnee und Eis liegen und es würde immer mehr Sonnenstrahlung reflektiert und trüge nicht mehr zur terrestrischen Temperaturgenese bei. Wir erinnern uns an den Unterschied zwischen der spezifischen Strahlungsleistung und der übertragenen Wärmemenge:

In den höheren geographischen Breiten ist also die solare Arbeit im Sommerhalbjahr sogar noch größer als in den Tropen, die maximal mögliche S-B-Gleichgewichtstemperatur folgt allerdings immer dem höchsten Sonnenstand zwischen den beiden tropischen Wendekreisen des Krebses und des Steinbocks, wobei diese Temperatur aufgrund von Konvektion und Verdunstung nirgendwo erreicht wird. Einen möglichen Wirkmechanismus für ein natürliches Klimaforcing hatte ich hier auf KS beschrieben.

Es gibt auf unserer Erde keine Energiequelle, die den Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten verursachen kann. Die orbitalen Milanković-Zyklen stellen die einzige bekannte unabhängige Zeitreihe dar, die mit ihrem Frequenzspektrum die Schwankungen der paläoklimatischen Temperaturproxys für die letzten 420.000 Jahre in etwa abbilden können. Aber selbst die Schwankung der solaren Einstrahlung innerhalb dieser Zyklen reicht vom Betrag her als Erklärung für den Wechsel von klimatischen Kalt- und Warmzeiten nicht aus. Die Albedo unserer Erde ist die einzige bekannte Variable, die über eine Beeinflussung des reflektierten Anteils der Sonnenstrahlung die dafür notwendigen Schwankungen des solaren Klimaantriebs verursachen kann, und zwar, ganz generell nach Gleichung (3) betrachtet, zwischen den Extrema einer Albedo von „0“=Schwarzkörper und „1“=Diskokugel, entsprechend einer temperaturwirksamen spezifischen solaren Strahlungsleistung von 1.367W/m² respektive 0W/m².

Die Klimasensitivität der Sonnenstrahlung

Den „Antrieb X“ aus Gleichung (1), Zitat: „Man sieht in der Tabelle, dass der Antrieb X um ca. 7 Watt/m2 wächst für jeweils 1 Grad Temperaturerhöhung“, hatte ich nicht übernommen. Stattdessen hatte ich in Gleichung (3) den variablen Term (+/- S_0*DELTA ALBEDO) mit der Erd-Albedo eingeführt. Wie ich hier auf KS bereits einmal ausführlich dargestellt hatte, können die Schwankungen des natürlichen Paläo-Klimaantriebs als (+/-DELTA ALBEDO) durch ein Albedo-Forcing beschrieben werden, und zwar mit 13,67 [W/m²] pro Prozent Albedo und 9 [W/m²] pro Kelvin:

Douglas und Clader [2] geben die Klimasensitivität k der Sonneneinstrahlung aus eigenen Versuchen zu

Gleichung 4: Delta T/Delta F = k = 0,11 +/- 0,02  [°Celsius / Wm²]  an.

Damit ergibt sich für die Vostok-Temperaturproxys von 5,44°C bis 18,06°C um die sogenannte globale Durchschnittstemperatur (NST) von 14,8°C eine Schwankungsbreite der spezifischen solaren Strahlungsleistung von:

Gleichung 5: DELTA F_V@NST = +29,36 [W/m²] und -85,36 [W/m²]

Dieser Betrag stimmt in etwa mit den Berechnungen von Lascar et al. [3] überein, die für 65°N / 120°E eine Schwankung der Sonneneinstrahlung von bis zu +/- 50 [W/m²] über orbitale Zyklen angeben. Aus der Solarkonstanten von 1.367 [W/m²] und der Albedo von Douglas und Clader [1] mit a = 0,3016 ergibt sich eine reflektierte/refraktierte Energiemenge von 412,29 [W/m²], die nicht zur Klimaentwicklung beiträgt. Daraus wiederum lässt sich ein Beitrag von 13,67 [W/m²] pro Prozent Albedo ermitteln und, umgerechnet auf die Extremwerte der absoluten Vostok-Temperaturproxys, eine Schwankungsbreite für die Albedo der Erde von:

Gleichung 6: F_@amin =  412,29  – 29,36  [W/m²]  =   382,93 [W/m²]  mit dem Albedo  a_min =  0,2801

Gleichung 7: F_@amax =  412,29  + 85,36  [W/m²]  =  497,65 [W/m²]  mit dem  Albedo  a_max = 0,3640

In der nachfolgenden Abbildung sind die Vostok-Temperaturproxys in Albedoschwankungen umgerechnet worden, und zwar beginnend mit einer Albedo von 0,3016 für die aktuelle „gemessene“ globale Durchschnittstemperatur (NST) von 14,8° Celsius:

Übrigens: Kaltzeiten dürften jeweils in einem Zeitabschnitt beginnen, in dem die Nordsommer auf das Abhel der elliptischen Erdbahn fallen, weil dort die Sommersonne schwächer ist als im Perihel; und genau in diesem Abhel befinden wir uns gerade. Und wenn Sie jetzt die Abbildung 6 auf Sich wirken lassen, würden Sie da auf die Idee kommen, die Albedo unserer Erde künstlich zu erhöhen?

Die Menschheit hat mit der Albedo unserer Erde möglicherweise erstmals einen echten „Kipp-Punkt“ für unser globales Klima zu fassen bekommen. Und im heiligen Klimawahn sollten wir jetzt nicht wie unwissende Kinder an dieser Stellschraube herumpfuschen und das Klimaparadies unserer Warmzeit zerstören.

Aber eine Stimme aus dem Off sagte, „Beruhige Dich, denn es könnte schlimmer kommen…“

Und natürlich kommt es noch schlimmer. In einem EIKE-Artikel erklärt Professor Valentina Zharkova, wie sich aus dem zyklischen Wechsel des Solardynamos zwischen einem poloidalem und einem toroidalem Magnetfeld durch deren Interferenz eine Schwebungsfunktion ergibt. Diese Schwebung verursacht Schwankungen der Gesamtabstrahlung unserer Sonne (Total Solar Irradiance =TSI), die wiederum zu Großen Solarzyklen von 350-400 Jahren führen sollen, wie die nachstehende Abbildung zeigt:

Und das ist immer noch nicht alles. V.M. Velasco Herrera, W. Soon und D.R. Legates haben gerade einen neuen Artikel mit dem Titel, “Does Machine Learning reconstruct missing sunspots and forecast a new solar minimum?” veröffentlicht. In der Presseerklärung heißt es dazu u.a., Google-übersetztes Zitat:

„Die drei Wissenschaftler haben einem Algorithmus für maschinelles Lernen beigebracht, wie man zugrunde liegende Muster und Zyklen in den Sonnenflecken der letzten 320 Jahre erkennt. Der Algorithmus entdeckte dann eine bisher unbemerkte Wechselwirkung zwischen den 5,5-jährigen Sonnenhalbzyklen (blau) und den 120-jährigen Gleissberg-Doppelzyklen […], die es ihm ermöglichte, die früheren Vorhersagen eines ruhigen halben Jahrhunderts zu bestätigen – Vorhersagen, die jetzt von Sonnenphysikern geteilt werden.“

Die nachfolgende Abbildung zeigt eines der Ergebnisse von Velasco Herrera et al.:

Auch nach diesen Ergebnissen einer KI-Signalanalyse der Sonnenflecken steht uns offenbar ein solares Minimum bevor. Und sogar die NASA rechnet für die kommenden Jahre mit einem neuen solaren Minimum, Zitat aus einem EIKE-Artikel:

„Die neue Untersuchung wurde von Irina Kitiashvili geleitet, einer Forscherin des Bay Area Environmental Research Institute am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. Sie kombinierte Beobachtungen von zwei NASA-Weltraummissionen – dem Solar and Heliospheric Observatory und dem Solar Dynamics Observatory – mit Daten, die seit 1976 vom bodengestützten National Solar Observatory gesammelt wurden.“

Man macht sich also grundsätzliche Gedanken über eine Verminderung der Globaltemperatur durch eine künstliche geotechnische Verringerung der solaren Einstrahlung, und zwar ausgerechnet zu einem Zeitpunkt, wo

• das gegenwärtige Interglazial in seinem letzten Drittel steht,
• die Nordsommer auf das Aphel der elliptischen Erdbahn mit den größten Sonnenabstand fallen
• und für die nächsten Jahrzehnte durch mehrere unabhängige Forschungsergebnisse ein solares Minimum vorausgesagt wird.

Das Orakel von Delphi würde uns an dieser Stelle vielleicht weissagen, dass wir den befürchteten menschengemachten Hitzekollaps unserer Erde sicher vermeiden werden, wenn wir es durch Klimaengineering schaffen sollten, dass im Sommer der höheren geographischen Breiten in aufeinander folgenden Jahren zunehmend mehr und mehr Schnee und Eis liegen bleiben. Allerdings war das Orakel von Delphi auch immer so höflich, sich über die Konsequenzen eines vermeintlichen Erfolges auszuschweigen…

Referenzen

[1] Vostok ice-core data [NOAA]: Petit, J.R., et al., 2001, Vostok Ice Core Data for 420,000 Years. IGBP PAGES/World Data Center for Paleoclimatology Data Contribution Series #2001-076. NOAA/NGDC Paleoclimatology Program, Boulder CO

[2] Douglas and Clader (2002): Climate sensitivity of the Earth to solar irradiance. GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 29, NO. 16, 10.1029/2002GL015345, 2002

[3] Laskar et al.:  Orbital, precessional, and insolation from -20Myr to +10Myr. Astronomy & Astrophysics 270, 522-533 (1993) – Figure 5

Die folgende Arbeit kann nur einen kleinen Beitrag zur Klärung des solaren Einflusses auf unser Klima leisten. Sie zeigt schwerpunktmäßig Zusammenhänge zwischen Sonnenaktivität und den Häufigkeitsverhältnissen bestimmter Großwetterlagen in Mitteleuropa auf. Wo es möglich war, wurden die Bewölkungs-, Niederschlags-, Temperatur- und Sonnenscheinverhältnisse, aerologische Daten sowie die AMO in die Betrachtungen einbezogen.

Sonnenaktivität und Kosmische Strahlung

Für langfristige Betrachtungen (die Häufigkeitsverhältnisse der Großwetterlagen, Niederschlags- und Temperaturmittel reichen in Deutschland bis immerhin 1881 zurück) stehen nur die Sonnenfleckenzahlen zur Verfügung; sie bilden leider die solare Aktivität nur sehr grob ab. Ein besserer Indikator ist die leider erst seit etwa 1960 aufgezeichnete Intensität der so genannten Kosmischen Strahlung – keine Strahlung im physikalischen Sinne, sondern ein hochenergetischer Teilchenstrom, der von der Sonne, der Milchstraße und fernen Galaxien kommt. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, daneben aus Elektronen und vollständig ionisierten Atomen. Näheres dazu unter anderem beim Stichwort „SVENSMARK-EFFEKT“. Ihre Intensität verhält sich in etwa spiegelbildlich zur Sonnenaktivität; die Sonnenaktivität schirmt entsprechend ihrer wechselnden Stärke den Einfluss der galaktischen Strahlung von der Erde mehr oder weniger ab.

Fast identische Ergebnisse zeigen sich bei der Analyse der GCR-Reihe aus Oulu/Finnland. Weil diese aber nur bis 1964 zurückreicht, wird im Folgenden die Beobachtungsreihe der Kosmischen Strahlung aus Moskau verwendet.

Beeinflusst die Kosmische Strahlung die Bewölkungs- und Niederschlagsverhältnisse?

Grobe Zusammenhänge konnten nur für den Zeitraum Herbst und Winter gefunden werden; wobei die Datenlage hinsichtlich der Bewölkung aber sehr mangelhaft ist, denn ein DWD-Flächenmittel fehlt, und auch für Potsdam liegt nur das Gesamtmittel in Achteln vor; trotzdem zeigt sich ein signifikanter Zusammenhang:

Beim Niederschlag wird im selben Betrachtungszeitraum keine Signifikanz erreicht, doch deuten sich in Phasen erhöhter Kosmischer Strahlung etwas geringere Herbst- und Winterniederschläge über Deutschland an:

Auf den ersten Blick erscheint es merkwürdig – mehr Bewölkung, aber weniger Niederschlag in Phasen mit erhöhter Kosmischer Strahlung? Man kann vermuten, dass bei erhöhter Kosmischer Strahlung besonders mehr tiefe Bewölkung (Hochnebel) entsteht, aus der aber kein oder nur unbedeutender Niederschlag (Sprühregen, Schneegriesel) fällt – entscheidend für das Niederschlagsaufkommen ist aber die Art und Menge der Mittelhohen Bewölkung in etwa 2.000 bis 4.000 Metern Höhe. Und warum fehlen merkliche Zusammenhänge im Frühling und Sommer? Da könnten Austrocknungseffekte durch geänderte Landnutzung und die Luftreinhaltemaßnahmen, welche die Sonnenscheindauer stark erhöhten, mögliche Zusammenhänge verwischt haben. Ohnehin dominieren im Sommerhalbjahr konvektive Prozesse, deren chaotisches Verhalten bei der Wolken- und Niederschlagsentwicklung jedem selbst noch so erfahrenen Wetter-Prognostiker immer wieder ein Schnippchen schlägt – mögliche Zusammenhänge werden da quasi vom Zufall „weggewischt“.

Kosmische Strahlung und Großwetterlagenhäufigkeiten

Wie schon bei der Abbildung 1, werden im Folgenden monatsweise Analysen verendet, weil diese detailliertere Untersuchungen erlauben; außerdem musste dabei stets in Anomalien umgerechnet werden, weil sonst viele Größen, man denke nur an die Lufttemperaturen, sonst nicht vergleichbar sind. In den vergangenen Jahren häuften sich immer wieder so genannte Meridionale Lagen, welche zu Extremwetter neigen, weil bei ihnen, abweichend zur vorherrschenden Westdrift, die Luftmassen entlang der Längenkreise entweder aus nördlichen oder südlichen Regionen oder aus dem kontinental geprägten Osteuropa/Westasien („Ostwetterlagen“) nach Deutschland strömen. Schon ein Blick auf dieses freilich sehr große Wetterlagen-Cluster mit 18 Großwetterlagen zeigt einen groben Zusammenhang zur Kosmischen Strahlung – je höher deren Intensität (wie auch momentan), desto häufiger treten diese Lagen tendenziell auf:

Ein noch deutlicherer, signifikanter Zusammenhang ergibt sich bei Betrachtung nur bestimmter Wetterlagen aus dieser Gruppe, und zwar der Lagen mit Hohem Luftdruck über dem Nordmeer, den beiden Troglagen sowie den zyklonalen Nordost-, Hoch Nordmeer/Fennoskandien- und Südostlagen:

Da es sich bei den beeinflussten Wetterlagen um solche handelt, die in negativen NAO-Phasen auftreten, bietet sich ein Blick auf den Zusammenhang zwischen NAO und Kosmischer Strahlung geradezu an. Er ist nicht signifikant negativ, aber trotzdem erkennbar:

Für die langfristige Temperaturentwicklung in Deutschland ist die Höhenlage der 500-hPa-Fläche von Bedeutung – je höher sie liegt, desto wärmer ist es tendenziell, von wenigen Inversionswetterlagen abgesehen, in bodennahen Luftschichten. Die Höhenlage der 500-hPa-Fläche stieg in den letzten Jahrzehnten stark an, was den Temperaturanstieg in Deutschland erklärt, doch scheint der Anstieg in Phasen mit erhöhter Kosmischer Strahlung gebremst zu werden:

Doch was könnte nun verantwortlich für die massive Anhebung der 500-hPa-Fläche und der damit steigenden Lufttemperaturen in Deutschland sein? Eine mögliche Ursache ist die AMO; sie beeinflusst besonders im April und von Juni bis November die deutschen Temperaturverhältnisse und auch die Häufigkeitsverhältnisse bestimmter Großwetterlagen:

Als weitere Ursache kommt die seit Jahrzehnten steigende Sonnenscheindauer ernsthaft in Betracht – doch auch sie könnte zumindest teilweise von der AMO beeinflusst werden; ein Zusammenhang zur Kosmischen Strahlung ist hingegen nicht eindeutig erkennbar, aber auch nicht auszuschließen:

Weil die Daten des DWD-Flächenmittels der Sonnenscheindauer immerhin bis 1951 zurückreichen, bot sich die Errechnung eines zentralen Gleitmittels zusammen mit Temperatur- und AMO-Anomalie und der Häufigkeitsanomalie der insgesamt leicht kühlend wirkenden Nord- und Ostwetterlagen an:

Die Sonnenscheindauer wird auch von anderen Faktoren beeinflusst; ihr Minimum fällt mit dem Höhepunkt der Luftverschmutzung in den späten 1960er bis frühen 1980er Jahren zusammen; weitergehende Informationen zur Sonnenscheindauer hier https://eike.institute/2020/05/02/immer-mehr-aprilsonne-ueber-deutschland-fakten-und-hintergruende/

Langfristige Betrachtungen bis ins 19. Jahrhundert zurück

Zwar sind langfristig nur die Sonnenfleckenzahlen verfügbar, doch zeigen sich auch hier merkliche Einflüsse auf die Häufigkeitsverhältnisse bestimmter Großwetterlagen, die teilweise in den Signifikanzbereich reichen. Die zwei auffälligsten seien im Folgenden dargestellt:

Auch ein gewisser Einfluss der Sonnenaktivität auf die Niederschlagsmenge ist grob erkennbar; Zeiten mit inaktiver Sonne fallen tendenziell trockener aus:

Abschließend werfen wir noch einen Blick auf eine wegen ihrer Häufigkeitsentwicklung und ihrer starken Erwärmungswirkung besonders auffällige Wetterlagengruppe – die Südwestlagen und den Trog über Westeuropa. Diese seit der Mitte des 20. Jahrhunderts massiv häufiger werdenden drei Wetterlagen sind neben einer deutlich zunehmenden Sonnenscheindauer und den wachsenden Wärmeinseleffekten eine wesentliche Ursache der Erwärmung in Deutschland:

Mehr Extremwetter im 21. Jahrhundert?

Alle Untersuchungsergebnisse deuten in die gleiche Richtung: In Phasen geringerer Sonnenaktivität häufen sich Extremwetterlagen, Niederschläge fallen unregelmäßiger, es gibt abruptere Schwankungen zwischen sehr warmen und sehr kalten Phasen – alles Phänomene, die wir schon ab den frühen 2000er, besonders aber ab den 2010er Jahren, gehäuft erlebt haben. Entscheidend ist nun die weitere, freilich nur schwer abschätzbare Entwicklung der solaren Aktivität. Die meisten Prognosen gehen von einem ähnlich schwachen oder noch schwächeren 25. Sonnenfleckenzyklus im Vergleich zum aktuell endenden 24. Zyklus aus:

Ähnliches sieht auch der amerikanische Wetterdienst NOAA vorher – kein neues Maunder-Minimum, aber einen relativ schwachen 25. Sonnenfleckenzyklus.

Die gute Nachricht wäre das Ausbleiben eines neuen „Maunder-Minimums“ mit all seinen negativen Konsequenzen. Trotzdem dürften auch die 2020er Jahre eher zu Extremwetter neigen. Welche Rolle dabei Coronale Löcher auf der Sonne spielen, welche (mit hoher Wahrscheinlichkeit) die überlangen Schönwetterperioden der vergangenen Jahre mit verursacht haben, bedarf noch einer Klärung. Und was nach 2030 passiert, steht buchstäblich in den Sternen.

Die NASA überwacht die Lage mittels eines Strahlungs-Sensors im Mondorbit. Das Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CraTER) befindet sich seit dem Jahr 2009 auf einer Mond-Umlaufbahn. Forscher haben jüngst im Journal Space Weather eine Studie veröffentlicht, in welcher die jüngsten Ergebnisse der CRaTER-Messungen veröffentlicht werden.

„Die insgesamte Abnahme der Sonnenaktivität in diesem Zeitraum hat zu einer Verstärkung des Flusses energetischer Partikel geführt, und zwar auf ein Niveau, welches sich dem Niveau des vorigen solaren Minimums 2009/2010 nähert, das schon das tiefste Minimum des Raumfahrt-Zeitalters war“, schreiben die Autoren unter Leitung von Cary Zeitlin vom Johnson Space Flight Center. „Die Daten weisen Implikationen auf für die menschliche Erkundung der Tiefen des Weltalls“.

Während eines solaren Minimums ist Derartiges regelmäßig der Fall. Wenn sich die Sonnenaktivität abschwächt, verstärkt sich der Zufluss kosmischer Strahlung. Die letzten beiden solaren Minima waren ungewöhnlich ruhig, was zu hohem kosmischem Strahlungsfluss 2008 bis 2010 und dann wieder 2018 bis 2019 führte. Dies sind die schlechtesten Jahre seit Menschen erstmals in den sechziger Jahren die Erde verlassen haben.

„Es mag etwas unlogisch klingen“, sagte einer der Autoren, nämlich Nathan Schwadron, Weltraumphysiker an der University of New Hampshire. „Solare Minima könnten tatsächlich gefährlicher sein als solare Maxima“.

In ihrer Studie beschreiben Zeitlin et al. ein interessantes Experiment der NASA, durch welches die relativen Gefahren durch Sonnen-Flares im Vergleich zu kosmischen Strahlen beleuchtet werden. Im Jahre 2011 schoss die NASA den Curiosity Rover auf den Mars [curiosity = Neugier. Anm. d. Übers.] Innerhalb seines Raumschiffs war der Rover genauso stark gegen Strahlung abgeschirmt wie es ein menschlicher Astronaut wäre (20 gm/cm²). Ein Strahlungssensor zeichnete die Strahlung auf, welche auf den Rover einwirkte.

Die Ergebnisse waren eine Überraschung. Während der 9-monatigen Reise zum Mars machte die Strahlungsbelastung durch Sonnen-Flares (einschließlich des stärksten Flares des vorangegangenen Sonnenzyklus‘) nur etwa 5% der Strahlenbelastung aus. Die übrigen 95% gingen auf das Konto kosmischer Strahlen.

Warum dieses Ungleichgewicht? „Sonnen-Flares der Größenordnung, wie wir sie im Raumfahrt-Zeitalter erlebt haben, können weitgehend abgeschwächt werden durch machbare Abschirmungen des Raumschiffs“, erklärt Zeitlin. „Wir können jedoch nicht die energiereichen kosmischen Strahlen abschirmen. Sie durchdringen jedwede Abschirmung einer Raumkapsel“.

Sonnen-Flares sind nach wie vor problematisch. Falls ein Astromaut außerhalb der Kapsel einem solchen intensiven, unerwarteten Flare ausgesetzt wäre, würden akute Auswirkungen wie Erbrechen, Müdigkeit und niedriger Blutdruck auftreten. Eine rasche Rückkehr zur Erde für ärztliche Behandlung kann erforderlich sein. Kosmische Strahlen sind heimtückischer. Sie wirken langsam, wobei sich Folgekrankheiten wie Krebs oder Herzkrankheiten erst Jahre nach dem Ausgesetztsein dieser Strahlung auswirken.

Mit dem fortschreitenden Jahr 2019 sieht es so aus, als würde sich das solare Minimum immer mehr vertiefen. Kosmische Strahlung haben zwar noch nicht den Rekord des Raumfahrt-Zeitalters 2009-2010 gebrochen, liegt aber nur noch wenige Prozentpunkte unter den höchsten, jemals von CraTER gemessenen Werten.

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Die ganze Story steht hier.

Link: https://www.thegwpf.com/one-of-the-deepest-solar-minima-in-100-years-underway-now/

Übersetzt durch Chris Frey EIKE

Solare Aktivität and Klima

Hiroko Miyahara, The University of Tokyo

Professor Miyamara und sein Team legen in ihrer Präsentation dar, dass sowohl die solare geomagnetische Aktivität als auch deren Polarität deutliche Effekte auf die Kosmische Strahlung und die Wolkenbildung haben. Die Polarität der solaren geomagnetischen Aktivität kehrt sich in einem 22-jährigen Zyklus um, wobei Perioden negativer Polarität [wie z. B. im derzeitigen solaren Zyklus] einen größeren Effekt auf die kosmische Strahlung und Wolkenbildung haben.
Die Autoren haben eine bemerkenswerte Korrelation zwischen den solaren Rotationssignalen, der Wolkenhöhe und der Madden-Julian Oszillation gefunden. Das könnte einen weiteren Mechanismus darstellen, durch welchen kleine Veränderungen in der solaren Aktivität zu Verstärkern von großen Veränderungen beim Klima werden könnten. Weitere Verstärkungsmechanismen finden sich auch in Meeres-Oszillationen, im Ozon und dem Verhältnis von Sonnenscheinstunden zu Bewölkung.

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Solare Aktivität and Klima

Hiroko Miyahara, The University of Tokyo

Abstract:

1. Einleitung.
Gemessene oder rekonstruierte Klima-Veränderungen aus der Vergangenheit zeigen oft eine positive Korrelation mit der solaren Aktivität auf Skalen mit langen Zeiträumen – von monatlich (Takahashi et al., 2010) bis tausenjährig (Bond et al., 2001). Die Mechanismen dieser Zusammenhänge sind noch nicht aufgeklärt. Mögliche solar-bezogene Parameter die einen Klimawandel antreiben können sind: Gesamt-Sonneneinstrahlung (TSI), solare UV-Strahlung (UV), Sonnenwind (SW) und galaktische kosmische Strahlungen (GCRs).

Die galaktischen kosmischen Strahlungen werden vom sich ändernden solar-magnetischen Feld in der Heliosphäre abgeschwächt, in jener Region, wo sich der Wind von solarem Plasma und die Magnetfelder ausdehnen. Der beobachtete Fluss von GCRs zeigt eine inverse Korrelation zur solaren Aktivität. Man weiß, dass aus einer Veränderung im  kosmischen Strahlungsflux eine Veränderung in der Ionisationsrate in der Atmosphäre resultiert. Wir vermuten, dass dies die Änderung in der Bewölkung verursachen könnte.

2. Änderung der Galaktischen Kosmischen Strahlung im Maunder Minimum.
Es ist schwierig, den exakten Anteil eines jeden der oben erwähnten solaren Parameter zu bemessen. Die Schwierigkeit liegt darin, dass die meisten von ihnen während des Zeitraums der Instrumentalmessungen mehr oder weniger synchronisiert verliefen. Aber die Veränderungen der solaren Strahlung und der GCRs hätte durchaus anders sein können während des Maunder Minimums (AD1645-1715). Das Maunder Minimum ist eine etwa 70-jährige Periode des Fehlens von Sonnenflecken.

Seit Beginn des 18. Jh. hat die Sonne periodische Veränderung mit einer  ~11-Jahres-Periode gezeigt. Als aber die Sonnenflecken fast verschwunden waren, hatte der ~11-Jahres-Zyklus im Maunder Minimum aufgehört. Das bedeutet, dass die solare Aktivität außergewöhnlich schwach war und dass die Umgebung der Heliosphäre anders war als heute. Wir haben erkannt, dass die Veränderung der GCRs während jenes Zeitraums ganz eigenartig war.

Die Veränderung der GCRs wurde entdeckt durch die Messungen der von der kosmischen Strahlung induzierten Verhältnisse in Baumringen und Eiskernen von Radio-Isotopen, wie z. B. Karbon-14 und Beryllium-10. Der Gehalt an Radio-Isotopen zeigt, dass der solare Zyklus andauerte während des langanhaltenden Fehlens von Sonnenflecken, aber mit einer ~14-Jahresperiode.
Es zeigte sich auch, dass der 22-jährige Zyklus – der Zyklus der periodischen Umkehrung des solaren bipolaren Magnetfeldes – auch weiterbestand, aber mit einer ~28-jährigen Periode, und er veränderte sich auch noch während jenes Zeitraums. Die Polarität der Sonne kippt auf den Maxima der solaren Zyklen und stellt so eine ~22-jährige Periode dar.
Ein ~22- jähriger Zyklus zeigt sich nicht in den Veränderungen der solaren Strahlung; er zeigt sich aber in den Veränderungen der GCRs, die hauptsächlich aus veränderten Partikeln bestehen. Die Veränderungen in der Umgebung der Heliosphäre haben vermutlich zu einer Ausdehnung des 22-jährigen Zyklus der GCRs geführt.

3. Veränderung des Klimas und die Beziehung zur kosmischen Strahlung.
Wir haben entdeckt, dass die rekonstruierten Klimadaten einzigartige Veränderungen aufweisen, ganz ähnlich denen bei den GCRs während des Maunder Minimums. So sind z. B. die Temperaturen auf der Nordhalbkugel deutlich abhängig von der Richtung des solaren dipolaren Magnetfeldes. In Phasen negativer Polarität des dipolaren Magnetfeldes, wenn die GCRs eine Zunahme-Anomalie zeigen, haben wir kälteres Klima. Die Abhängigkeit des Klimawandels vom solaren dipolaren Magnetfeld führt zur Herausbildung eines 22-jährigen Zyklusses beim Klimawandel.

Die Ursache von dekadischen bis hin zu multi-dekadischen Klima-Veränderungen ist bislang noch nicht aufgeklärt, aber unsere Studienergebnisse zeigen in die Richtung, dass für diese Zeiträume die GCRs eine wichtige Rolle beim Klimawandel spielen könnten.

Zusammenfassung.
Weitere detaillierte Studien sind nötig, um die Mechanismen des Einflusses der Sonne auf den Klimawandel zu klären; unsere Studie verweist auch darauf, dass nicht nur die Sonnenstrahlung, sondern auch die magnetischen Eigenheiten eine wichtige Rolle beim Klimawandel spielen durch die Veränderungen im Fluss der GCRs. In zukünftigen Studien sollte geklärt werden, wie die Mechanismen der kosmischen Strahlung die Bewölkungseigenschaften verändern.

Referenzen
G. Bond et al., Persistent Solar Influence on North Atlantic Klima During the Holocene, Science, 7, 294, 2130, 2001.
H. Miyahara, Y. Yokoyama & K. Masuda, Possible link between multi-decadal Klima Zykluss and periodic reversals of solar magnetisch field Polarität, Earth Planet. Sci. Lett., 272, 290-295, 2008.
Y. Takahashi, Y. Okazaki, M. Sato, H. Miyahara, K. Sakanoi, and P. K. Hong, 27-day Veränderung in Wolken amount and relationship to the solar Zyklus, Atmos. Chem. Phys., 10, 1577-1584, 2010.
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