Über die Einflüsse der Sonne auf das Klimasystem der Erde

Über die Einflüsse der Sonne auf das Klimasystem der Erde

Martin DamerisDeutsches Zentrum für Luft- und RaumfahrtInstitut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen

Institut für Physik der Atmosphäre

Jüngste Beispiele aus Focus-/Spiegel-online:

Klimawandel: Skeptiker versus Forscher

Streit um die Temperaturentwicklung

Rätselhafte Sonnenaktivität

Das Schwächeln der Sonne

Forscherstreit um die Sonne

Sonne ohne Flecken:Aufnahme der Sonde "SOHO" vom 6. Juli 2009

(SOHO: Solar and Heliospheric Observatory)


Was sind die derzeit aktuellen Fragen?

Inwieweit ist der letzte Sonnenaktivitätszyklus außergewöhnlich?

Welche Bedeutung hat das anhaltende Sonnenaktivitätsminimum auf das Klima bzw. die Chemie der Atmosphäre (Ozonschicht)?

Bekommen wir ein neues Maunder Minimum? Welche Konsequenzen hätte ein neues Maunder

Minimum auf das Klima?


Was bestimmt unser Klima?

Einstrahlung der Sonne Konzentration von Treibhausgasen (natürliche und anthropogene) und

anderer strahlungsaktiver Substanzen Orographie, Land-See-Verteilung, Bodeneigenschaften Vulkanausbrüche . . .


Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung - Variation der Erdbahnparameter





Jahre v.h.

CO

2-M

isch

ungs

verh

ältn

is [p

pmv]

Tem

pera

turä

nder

ung


http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant

Zeitliche Variabilität der solaren Strahlung - Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus

Jahr

Sol

are

Str

ahlu

ng [

Wm

-2]


Spektrale Verteilung und Variabilität der SonnenstrahlungV

aria

bilit

ät d

er s

olar

en E

inst

rahl

ung

[%]

Lean et al., 1997

Wellenlänge [nm]


11-jähriger Sonnenzyklus:Änderungen des Ozongehalts (Messungen)

Hood (2004)

6 %

SBUV/SBUVII (1980-1997)

Höherer Ozongehalt in der oberen Stratosphäre infolge stärkerer UV-Strahlung bei hoher Sonnenaktivität.


11-jähriger Sonnenzyklus:Änderungen der Temperatur (Messungen)

Bei hoher Sonnenaktivität ist die Stratosphäre wärmer als bei niedriger Sonnenaktivität.

SSU/MSU4 (1979-2003)

+0.8 K

+0.25 K

Scaife et al. (2000); update Bill Randel


Strahlungsantrieb: Maßstab für den Einfluss, den ein einzelner Faktor

auf die Veränderung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre hat

Str

ahlu

ngsa

ntrie

b [

Wm

-2]

Str

ahlu

ngsa

ntrie

b [

Wm

-2]

+2.4 Wm-2

+0.25 Wm-2

seit 1750


Simulationen mit Klimamodellen für IPCC(a) natürliche Antriebskräfte (b) anthropogene Antriebskräfte

(c) alle Antriebskräfte

Jahr Jahr

Jahr

Tem

per

atur

abw

eich

ung

[°C

]

Tem

per

atur

abw

eich

ung

[°C

]

Tem

per

atur

abw

eich

ung

[°C

]


Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly)

Jahr

Vol

umen

mis

chun

gsve

rhäl

tnis

CO

2 un

d N

2O [

ppm

v]

Vol

umen

mis

chun

gsve

rhäl

tnis

CH

4 un

d C

l y [p

pbv]


Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus

1950 2007

10.7

cm

Rad

ioflu

ss [

10-2

2 W

m-2]

50

100

150

200

250

300

350

JahrAgung El Chichón Pinatubo


Entwicklung der globalen mittleren Jahrestemperatur in der unteren Stratosphäre (20 km)

Beobachtung: 0.77 °C/Dek.

CCM-Mittelwert: 0.64 °C/Dek.

WMO, 2007

Jahr

An

om

alie

[°C

]


Trend + Sonnenzyklus + Vulkane

Variabilität und Trend der Temperatur in der Stratosphäre

Linearer Trend

Sonnenzyklus

Vulkane "stufenweise" Abkühlung der unteren Stratosphäre

(siehe auch Dall'Amico et al., 2009)


Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050)O

zona

nom

alie

[D

U]

Jahr

60°N - 60°S

Loyola et al., 2009; Dameris, 2010


Solare Aktivitätszyklen

18 19



20 21



22 23


Solare Aktivitätszyklen (Schwabe: ~11 J.; Gleissberg: ~ 80-90 J.)




Aktuelle Situation (11. Juni 2010)


A. P. van de Venne: „Winter“ Gemäldegalerie Berlin, SMPK

Einfluss des Maunder Minimums auf das Klima

Waren die Winter in NW Europa kälter im 17. Jahrhundert ?


400 Jahre Sonnenfleckenbeobachtung

Zunahme der TSI von 1600 bis heute: ~2,8 Wm-2 (0,2 %) (Lean, 2000)

~1645-1715

~1770-1790Grand maximum


Klima während des Maunder Minimum

Beobachtungen

Maunder Minimum

Nordhemisphärische Anomalien der Bodentemperatur aus Proxydaten

Rekonstruktion der NH Bodentemperatur: 0.6 - 1.0 °C niedriger als die Referenzperiode 1901-1950

(Palmer, 2002)


Lean, 2000

5-8 %

• 0.2 % change in TSI• 1 % change at 300-400 nm• 6 % change at 210-250 nm• 15 % change at 280 nm

Lean et al., 1997

Solare Variabilität

11-jähriger Sonnenfleckenzyklus Maunder Minimum

>50% in 121,6 nm (Lyman-α)

5-12% in 175-240 nm

3-5% in 240-260 nm

• 0.1 % change in TSI• 3-5 % change at 240-260 nm• 5-12 % change at 175-240 nm• > 50 % change at 121,6 nm


FUB-CMAM: Temperaturanomalien in MMNH, 1000 hPa, Jahresmittel

FUB-CMAM: T = -0.86°C Proxy data: T = -0.6 to -1°C NH:

Palmer, 2002

FUB-CMAM: T = -1°C Proxy data: T = -1 to -1.5°C NW-Europa: Pfister, 1992

Langematz et al., 2005


Neue Publikationen zu dem Thema!


Feulner und Rahmstorf (2010): Beschreibung der Simulationen

CLIMBER-3 (Klimamodell mit Ozean-GCM sowie Land-Oberflächenwechselwirkungen einschließlich Vegetation):

6 Modellsimulationen1. IPCC A1B/A2 11-jähriger Sonnenzyklus wiederholt bis

21002. IPCC A1B/A2 "grand minimum"3. IPCC A1B/A2 "grand minimum (low irradiance)"


Feulner und Rahmstorf (2010): Ergebnisse

Sonnenaktivität(Reiner et al., 2004)



Temperaturanomalien relativ zum Zeitraum 1961-1990

4.5°C (A2)3.7°C (A1B)

-0.1°C für GMbzw.-0.26°C für GMli.

Grand Minimum (GM) TSI (1-0.08%)

Grand Minimum (lowirradiance) (GMli) TSI (1-0.25%)



Difference of annual mean surface temperatures between a new grand minimum (TSI 0.08% below 1950) in the 21st century and a continued cyclic solar activity for the IPCC A1B scenario. Temperatures are averaged over the period 2071-2100.

Difference of annual mean surface temperatures between a future grandminimum under the A1B scenario and the historic Maunder Minimum. Averages are performed over the periods 2071-2100 and 1681-1710, respectively.


Feulner und Rahmstorf (2010): Zusammenfassung

Für das Jahr 2100 (hier: IPCC Szenarien A1B, A2) wird eine moderate Ab-kühlung von nicht mehr als -0.3°C gefunden für Maunder Minimum ähnliche Bedingungen relativ zu Bedingungen mit einer Sonnenaktivität vergleichbar zu der in den vergangenen Dekaden.

Dies ist gering im Vergleich zu einem berechneten Temperaturanstieg bis zum Ende dieses Jahrhunderts von 3.7-4.5°C relativ zu 1961-1990 unter der Annahme der IPCC A1B und A2 Emissionsszenarien.

Ein zukünftiges "großes" Sonnenaktivitätsminimum kann die erwartete globale Erwärmung durch erhöhte Treibhausgaskonzentrationen nicht ausgleichen.


Song et al. (2010): Beschreibung der Simulationen

Idealisierte Gleichgewichtssimulationen über 50 Jahre (NCAR CAM3, coupled with a mixed-layer slab ocean model)

Vorindustrielle Bedingungen vs. IPCC B1 Szenario jeweils zwei Simulationen:

1. Kontrollsimulation TSI = 1367 Wm-2 2. Maunder Minimum Simulation TSI(1-0.2%) = 2,7 Wm-2


Song et al. (2010): Vorindustrielle Bedingungen

PIMM:PreindustrialMaunder Minimum

PICTL:PreindustrialControl simulation

Global gemittelte Abkühlung: 0.35°C


Song et al. (2010): IPCC "B1" Szenario

B1MM:IPCC B1 scenarioMaunder Minimum

B1CTL:IPCC B1 scenarioControl simulation

Global gemittelte Abkühlung: 0.25°C


Song et al. (2010): Zusammenfassung der Ergebnisse

Der globale, jahresgemittelte Abkühlungseffekt beträgt aufgrund einer um 0.2% reduzierten solaren Einstrahlung (MM-CTL)

- 0.25°C im IPCC B1 Szenario und- 0.35°C im vorindustriellen Szenario.

Die regionalen Temperaturänderungen sind jedoch in einem wärmeren Klima viel größer. (Hier: deutlich verstärkte negative NAO.)

Die Reduzierung des globalen Abkühlungseffekts in einem wärmeren Klima kann einer unterdrückten Seeeis-Strahlungsrückkopplungzugeordnet werden.


Was wird vorhergesagt?

Wann gibt es das nächste "grand minimum"?

Analysen von Grönländischen Eisbohrkernen zeigen, dass in den letzten 10.000 Jahren das längste "grand maximum" solarer Aktivität etwa 95 Jahre andauerte. Da das derzeitige "grand maximum" seit etwa 70 Jahren besteht ist es wahrscheinlich, dass im Verlauf dieses Jahrhunderts ein "grand minimum" kommen wird (Abreu et al., 2008). Vorhersagen auf der Grundlage von statistischen Charakteristika der Sonnenaktivität sowie der nicht-linearen Physik des solaren Dynamos, der das Magnetfeld erzeugt, ergeben ein Ende des "grand maximum" des 20. Jahrhunderts und ein Übergang zu geringerer Sonnenaktivität gefolgt von einem "grand minimum" am Ende des 21. Jahrhunderts (de Jager and Duhau, 2009).

Documents

Über die Einflüsse der Sonne auf das Klimasystem der Erde