Sonnenenergie

Die Sonne als Motor des Klimasystems

Die Sonne und die von ihr ausgehende Strahlungsleistung sind die treibende Kraft für den energetischen Antrieb des irdischen Wetters und Klimas. Nur durch die verschieden starke Einstrahlung in Tropen und Polargebieten werden die globalen Zirkulationssysteme aufrecht erhalten und damit die Erscheinungen, die unser tägliches Wetter prägen. Es verwundert daher nicht, dass die Intensität, sowie die räumliche und zeitliche Verteilung der Sonnenstrahlung auf der Erde bedeutenden Einfluss auf das Klima haben können. Die Strahlungsleistung, die von der Sonne ausgehend auf den Oberrand der Atmosphäre trifft, beträgt bei senkrechter Einstrahlung etwa 1366 W/m². Diese so genannte Solarkonstante unterliegt jedoch Schwankungen, welche gerade auf Zeitskalen, auf denen die Plattentektonik keine wesentliche Rolle spielt, die Veränderung des Klimas mitbestimmt.

Formen der Sonnenaktivität

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

Die solaren Schwankungen hängen mit permanenten Veränderungen im Magnetfeld der Sonne zusammen. Es muss jedoch 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 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. Auf dem Zyklus-Höhepunkt, der das letzte Mal 2001 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 dabei etwa der Explosion von 66 Milliarden Hiroshima-Bomben. Allerdings konnte ein Trend der Sonnenaktivität aus Satellitendaten nicht identifiziert werden. Seit Beginn der Industrialisierung stieg die Sonnenaktivität aber um etwa 0.05% an, was viel zu schwach ist, um den beobachteten Klimawandel in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts 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, 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 jedoch 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 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 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. Ein genereller Trend in der kosmischen Strahlung wurde ebenfalls nicht gefunden 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), die auffallend mit der „kleinen Eiszeit“ zusammenfällt. Obwohl der Stand der Forschung also noch erhebliche Wissenslücken aufweist, ist gesichert, dass die solaren Aktivitätsschwankungen so schwach sind, dass die anthropogene Beeinflussung des Klimas durch die Emission von Treibhausgasen und Landnutzungsänderungen deutlich überwiegt.

Unterricht

• Kurzwelliger Strahlungshaushalt Lernmodule über den Einfluss der Sonnenstrahlung auf das Klima

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

• IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing

Lizenzhinweis

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