Sonnenenergie

Die Sonne als Motor des Klimasystems

Die Sonne und die von ihr ausgehende Strahlungsleistung sind die Energielieferanten des irdischen Wetters und Klimas. Nur durch die verschieden starke Einstrahlung in Tropen und Polargebieten werden die globalen Zirkulationssysteme aufrecht erhalten und damit die Mechanismen, die die Klimazonen und unser tägliches Wetter prägen. Die Intensität sowie die räumliche und zeitliche Verteilung der Sonnenstrahlung bestimmen über ihren Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre auf der Erde ganz entscheidend das Klima.

Die Strahlungsleistung der Sonne am Oberrand der Atmosphäre beträgt bei senkrechter Einstrahlung etwa 1366 W/m², die so genannte Solarkonstante. Da die Erde jedoch nur zur Hälfte von der Sonne angestrahlt wird und keine Scheibe ist, sondern eine Kugelgestalt besitzt, wird sie im Mittel nur von 239 W pro m² angestrahlt. Die Solarkonstante ist nun allerdings keineswegs konstant, sondern unterliegt Schwankungen, welche auf unterschiedlichen Zeitskalen die Veränderung des Klimas mitbestimmen.

Änderungen der Solarstrahlung

Insgesamt gibt es drei wichtige Veränderungen der Solarstrahlung auf die Erde:

1. die Zunahme der Strahlung seit Bestehen der Erde um 30-35 %,
2. die Schwankungen der Solarstrahlung durch Änderungen der Erdbahnparamneter,
3. die Schwankungen der Solarstrahlung durch Aktivitäten auf der Sonne selbst.

Die langfristige Zunahme der Sonneneinstrahlung gehört zur Entwicklung der Sonne von ihrer Entstehung zum Roten Riesen und Weißen Zwerg. Auf das Klima der Erde hat sich diese Veränderung bis jetzt nicht wesentlich bemerkbar gemacht. Im Gegenteil: die Erdatmosphäre war in der ersten Milliarde Jahre ihrer Geschichte aufgrund der hohen Treibhausgaskonzentration deutlich wärmer als heute.

Eine wesentlich größere Bedeutung für das Klima haben Schwankungen der Sonneneinstrahlung, die durch Änderungen der Erdbahnparameter bedingt sind. Als Erdbahnparameter werden die Merkmale der Umlaufbahn der Erde um die Sonne bezeichnet. Die Erde bewegt sich nicht gleichmäßig wie ein Uhrwerk um die Sonne, sondern weist aufgrund der Anziehungskraft durch andere Planeten und den Mond fast regelmäßige Abweichungen davon auf, die sich auf die Einstrahlung der Sonne auswirken. Diese werden als eigentliche Ursache für die verhältnismäßig regelmäßigen Schwankungen zwischen Kalt- und Warmzeiten in den Eiszeitaltern der Erde gesehen. Dabei kommt es zum einen zu Abweichungen der elliptischen Erdbahn von der Kreisbahn, zweitens zu Variationen in der Neigung der Erdachse gegen die Erdbahnebene und drittens zu Pendelbewegungen der Achse der Erde. In der Summe entstehen dabei komplizierte Überlagerungen und Abhängigkeiten der einzelnen Effekte. So ist für die Entstehung einer Kaltzeit entscheidend, dass die Sonnenstrahlung auf die Kontinente der Nordhalbkugel im Sommer so gering ist, dass das Wintereis nicht mehr vollständig abschmilzt. So war die Sonneneinstrahlung auf die hohen Breiten der Nordhalbkugel vor 115 000 Jahren, bei Beginn der letzten Kaltzeit, um 10 % geringer als heute. Grund war vor allem eine in Bezug auf die Nordhalbkugel sonnenabgewandte Neigung der Erdachse.

Die Änderungen der Sonneneinstrahlung durch den Einfluss der Erdbahnparameter vollziehen sich für menschliche Dimensionen auf sehr langfristigen Zeitskalen von mehreren zehntausend Jahren. Zu kürzeren Strahlungsänderungen von Jahrzehnten kommt es durch Aktivitäten auf der Sonne selbst.

Formen der Sonnenaktivität

Die Solarstrahlung zeigt den typischen 11-Jahres-Zyklus (Schwabe-Zyklus). Der Trend des Temperaturanstiegs ist von der Solarstrahlung nahezu unbeeinflusst.

Die Schwankungen der Solarstrahlung auf kurzen Zeitskalen von Jahrzehnten hängen von den Aktivitäten auf der Sonne selbst ab. Dabei muss unterschieden werden zwischen der elektromagnetischen Strahlung, die die Sonne zur Erde sendet, und der Partikelstrahlung, die aus geladenen Teilchen wie Protonen, Elektronen und Ionen besteht. Solche Teilchenstrahlung kommt nicht nur von der Sonne, sondern aus dem gesamten Weltall und wird kosmische Strahlung genannt; der Teil der direkt von unserer Sonne stammt, wird oft auch als Sonnenwind bezeichnet.

Das Verhalten der Sonne unterliegt wiederkehrenden zyklischen Schwankungen. Ein besonders prägnanter Sonnenzyklus, also der Zeitraum zwischen zwei Maxima der Strahlungsleistung, dauert etwa 11 Jahre (der sog. Schwabe-Zyklus). Auf dem Zyklus-Höhepunkt, der das letzte Mal 2001/02 erreicht worden ist, wird der Sonnenwind zu einem regelrechten Sonnensturm. Auf der Sonnenoberfläche ereignen sich dann gewaltige Eruptionen, die große Mengen energiereicher Partikel ins All schleudern. Die dabei freigesetzten Urgewalten entsprechen etwa der Explosion von 66 Milliarden Hiroshima-Bomben. Allerdings konnte ein Trend der Sonnenaktivität in den letzten Jahrzehnten aus Satellitendaten nicht festgestellt werden. Seit Beginn der Industrialisierung stieg die Sonnenaktivität zwar um etwa 0.05 % an. Das ist aber viel zu schwach ist, um den beobachteten Klimawandel in der letzten 100 Jahre zu erklären. Die gegenwärtige Strahlungsleistung der Sonne ist also zwar hoch, aber nicht in außergewöhnlicher Weise.

Aktivitäten der Sonne. Je heller die Farbe, desto heißer die Oberfläche der Sonne. Oben rechts ist eine große Protuberanz (Materiestrom, der u.a. Polarlichter verursacht) zu erkennen.

Der wichtigste Mechanismus bei der Beeinflussung der Strahlkraft der Sonne sind Emissivitätsänderungen durch magnetische dunkle ("sun spots") und helle ("faculae") Sonnenflecken. Die dunklen Sonnenflecken sind es, die von der Erde aus am besten beobachtet werden können. An den entsprechenden Stellen strahlt die Sonne schwächer als gewöhnlich. Dieser Effekt wird meistens durch die gleichzeitig auftretenden hellen Flecken überkompensiert, so dass Zeiten vieler Sonnenflecken mit einer erhöhten Strahlungsleistung einhergehen. Ein weiterer Mechanismus besteht in der Änderung des Sonnendurchmessers, dieser Effekt ist jedoch um einen Faktor 100 schwächer als der Sonnenfleckenzyklus.

Die ersten Beobachtungen der Sonnenflecken gehen auf das Jahr 1610 zurück. Damals wurden diese unter anderen von Galileo Galilei mit einem Fernrohr gemacht. Regelmäßige Zählungen gibt es allerdings erst seit 1860 vom astronomischen Observatorium in Zürich. Die einzigen Daten für die Zeit vor 1610 stammen aus so genannten Proxies (Stellvertreterdaten), das heißt Untersuchungen von Objekten wie Bäumen und Eisschilden, die damals durch die Sonne beeinflusst worden sind. So bilden sich die Isotope ¹⁴C und ¹⁰Be durch die Einwirkung kosmischer Strahlung, die durch das solare Magnetfeld beeinflusst wird. Außerdem existieren Computersimulationen der Sonne, die eine langfristige Entwicklung ihrer Strahlkraft darstellen können.

Einflüsse von UV- und kosmischer Strahlung auf das Klima

Etwa 1 % der gesamten Strahlungsenergie der Sonne wird von der UV-Strahlung (kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung) eingenommen.
Sowohl für den 11-jährigen Zyklus als auch langfristige Trends gilt: Je kürzer die Wellenlänge, desto größer ist die Änderung in einem Spektralbereich, die Schwankungen im UV-Bereich sind also wesentlich größer als die der Gesamtstrahlung bzw. der Solarkonstanten (8 % gegenüber 0,2 %). Die UV-Strahlung hat Einfluss auf die Ozon-Konzentration der Stratosphäre, da die energiereiche Strahlung Sauerstoffmoleküle spalten kann, welche dann zur Ozonbildung zur Verfügung stehen. Bei starker UV-Strahlung wird die stratosphärische Ozonkonzentration um 2-3 % erhöht, was aufgrund der Absorption solarer Strahlung durch Ozon zu einer Erwärmung der Stratosphäre führt, was auch das Klima der Troposphäre beeinflussen kann. Da sich die Stratosphäre aber seit Beginn der Satellitenmessungen abgekühlt hat, ist dieser Effekt offensichtlich nicht von relevanter Bedeutung für den gegenwärtigen Klimawandel. Ein genereller Einfluss der UV-Strahlung auf die stratosphärische Ozonkonzentration, die Temperatur und den Wind ist jedoch nachgewiesen. So existiert beispielsweise eine 11-jährige Temperaturschwankung auch in der Stratosphäre.

Verlauf der kosmischen Strahlung und der bodennahen globalen Temperatur

Ein weiterer indirekter Einfluss der Sonne auf das Klima der Erde wird von einigen Forschern in der kosmischen Strahlung gesehen. 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, da diese dann durch das Magnetfeld der Sonne abgelenkt wird. Die kosmische Strahlung ist verantwortlich für die Bildung von Ionen in der Atmosphäre, die nach Meinung einzelner Forscher die Tröpfchenbildung von Wolken begünstigen könnte. Bei geringer kosmischer Strahlung würde es hiernach weniger Wolken geben und damit mehr solare Einstrahlung, also eine Erwärmung der Atmosphäre. Die vermutete Korrelation von einfallender kosmischer Strahlung und Wolkenbildung hat sich jedoch durch Beobachtungen nicht bestätigt. Zwar wurden in Messungen innerhalb ausgewählter Zeitintervalle schwache Korrelationen zwischen kosmischer Strahlung und niedriger Bewölkung gefunden, diese könnten jedoch auch durch andere Mechanismen zustande kommen. So würde eine veränderte Einstrahlung zum Beispiel zunächst die Meeresoberflächentemperaturen beeinflussen, welche sich dann wiederum auf die Bewölkung auswirken. Eine Korrelation zwischen solarer Aktivität und Bewölkung ist also möglich, ohne dass beide in direktem ursächlichem Zusammenhang stehen. Nach den vorliegenden Daten gibt es jedenfalls keinen Beleg für eine Korrelation zwischen Wolkenbedeckung und kosmischer Strahlung nach den frühen 1990er Jahren. Ein genereller Trend in der kosmischen Strahlung wurde ebenfalls nicht nachgewiesen und scheidet damit als eine Ursache des gegenwärtigen Klimawandels aus.

Noch weiß man wenig über die Bedeutung, die den einzelnen Mechanismen zukommt. Neben dem schon angesprochenen 11-jährigen Zyklus wurden noch weitere beobachtet. So gibt es beispielsweise den Gleißberg-Zyklus, der alle 80 bis 90 Jahre wiederkehrt, sowie einen weiteren Zyklus von etwa 208 Jahren. Außerdem kann die Sonne auch eine verringerte Aktivität über Jahrzehnte hinweg aufweisen. Edward Maunder untersuchte 1890 die historisch beobachteten Sonnenflecken und entdeckte ein Ausbleiben des 11-jährigen Zyklus zwischen dem späten 17. und beginnenden 18. Jahrhundert (Maunder-Minimum), das auffallend mit der „kleinen Eiszeit“ zusammenfiel.

Obwohl der Stand der Forschung also noch erhebliche Wissenslücken aufweist, ist gesichert, dass die solaren Aktivitätsschwankungen in den letzten Jahrzehnten eindeutig so schwach sind, dass die anthropogene Beeinflussung des Klimas durch die Emission von Treibhausgasen und Landnutzungsänderungen deutlich überwiegt.

Literatur

• Bestimmt die kosmische Strahlung das Klima?, Climate Press Nr. 19, Dez. 2004 - Auseinandersetzung mit der These dänischer Forscher, dass der Einfluss kosmischer Strahlung auf Wolkenbeckung und Sonneneinstrahlung für die gegenwärtige Erwärmung verantwortlich sei.

Weblinks

• Sunspot index graphics Graphiken zur Solaraktivität am SIDC (Solar Influences Data Analysis Center)