Sonne im Jahrtausendhoch

Solarkonstante haben Wissenschaftler die Zahl genannt, mit der sie die bei der Erde ankommende Strahlungsleistung der Sonne angeben. Was die Forscher bei der Wahl dieses Namens nicht wussten: Die Sonne strahlt ihre Energie keineswegs konstant ab. Satellitenmessungen haben innerhalb des elfjährigen Sonnenfle- ckenzyklus Schwankungen der Solarkonstante um etwa 0,1 Prozent nachgewiesen.

Dieser Schwankungswert gilt eigentlich als zu gering, um einen spürbaren Einfluss auf das Erdklima ausüben zu können. Doch Knud Lassen vom Dänischen Meteorologischen Institut in Kopenhagen und sein Kollege Eigil Friis-Christensen fanden 1991 einen deutlichen statistischen Zusammenhang zwischen langfristigen Schwankungen der Sonnenaktivität und der mittleren Temperatur auf der Erdoberfläche. „Die Idee taucht in wissenschaftlichen Arbeiten schon seit mindestens 200 Jahren auf”, sagt Peter Thejll, der heute mit dem inzwischen 82-jährigen Lassen zusammenarbeitet. „ Doch erst die neue Arbeit ist von ausreichender Qualität.”

Während die Dänen die Sonnenaktivität anhand historischer Beobachtungen von Sonnenfle- cken bis zum Beginn des 17. Jahrhunderts zurückverfolgen konnten, ist es einem deutsch-finnischen Forscherteam jetzt mit einer neuen Methode gelungen, den Verlauf der Sonnenaktivität ab dem Jahr 850 n.Chr. zu ermitteln. Ihr Ergebnis: Die mittlere Zahl der Sonnenflecken, die ein gutes Maß für die Sonnenaktivität darstellt, ist seit 1940 so groß wie niemals zuvor in den vergangenen 1000 Jahren. Auch sie fanden eine große Ähnlichkeit zwischen der Sonnenaktivität und dem Temperaturverlauf auf der Erde. Die Sonnenfleckenkurve zeigt alle bekannten Klima-Anomalien, darunter die mittelalterliche Wärmeperiode und das Maunder- Minimum: eine Periode gegen Ende des 17. Jahrhunderts, während der so gut wie keine Sonnenflecken beobachtet wurden und die gleichzeitig die kälteste Zeitspanne während der Kleinen Eiszeit war. Damals war die Strahlungsleistung der Sonne um 0,5 Prozent geringer als heute.

Da es zuverlässige Aufzeichnungen über die Zahl der Sonnenflecken erst seit 1610 gibt, mussten Sami Solanki und Manfred Schüssler vom Max-Planck-Institut für Aeronomie in Katlenburg- Lindau zusammen mit ihren finnischen Kollegen nach einer anderen Messgröße suchen, mit der sich die Sonnenaktivität weiter in die Vergangenheit zurückverfolgen lässt. Die fanden sie im Grönland- und Antarktis-Eis anhand eines bestimmten Isotops des chemischen Elements Beryllium.

„Das Isotop Be-10 entsteht durch Beschuss der Erdatmosphäre mit den hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung. Dabei werden die Kerne von Stickstoff- und Sauerstoff-Atomen zertrümmert, und als Bruchstück entsteht Be-10″, erläutert Schüssler. Niederschläge waschen das Beryllium-Isotop aus der Atmosphäre aus, und es lagert sich schichtweise im Eis ab. Bei hoher Sonnenaktivität wird die kosmische Strahlung durch das dann besonders starke Magnetfeld der Sonne teilweise abgeschirmt, und es entsteht entsprechend weniger Be-10. Folglich ist die Be-10-Konzentration in Eisbohrkernen ein Maß für die Stärke der Sonnenaktivität. „Zusätzlich muss man den Effekt des schwankenden Erdmagnetfelds berücksichtigen, das die kosmische Strahlung ebenfalls abschirmt”, ergänzt Schüssler.

Dem deutsch-finnischen Team ist es erstmals gelungen, die komplexe Beziehung zwischen der Zahl der Sonnenflecken und den Prozessen, die zur Entstehung der Beryllium-Isotope führen, in einem physikalischen Modell darzustellen. Das erlaubt es, die Isotopen-Konzentration in die Sonnenfleckenzahl umzurechnen. Die in den letzten vier Jahrhunderten aufgezeichneten Sonnenflecken-Daten konnten die Forscher zur Überprüfung und Eichung ihres Modells nutzen.

Dass relativ kleine Veränderungen der Sonnenaktivität unter bestimmten Bedingungen drastische Auswirkungen auf das Klimasystem der Erde haben können, haben Stefan Rahmstorf und Andrey Ganopolski vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung vor kurzem gezeigt. Die beiden Forscher fanden anhand von Computersimulationen eine Erklärung für plötzliche Klimaveränderungen während der letzten Eiszeit. Diese so genannten Dansgaard-Oeschger-Ereignisse (D/O-Ereignisse) begannen mit einem Temperaturanstieg von sechs bis zehn Grad Celsius innerhalb von etwa zehn Jahren. Die hohen Temperaturen hielten dann noch mehrere Jahrhunderte lang an.

Während der letzten Eiszeit, die vor 120 000 Jahren begann und vor 10 000 Jahren endete, gab es mindestens 20 dieser D/O-Ereignisse. Auffallend ist die Regelmäßigkeit der Klimaänderungen. Sie traten meist im Abstand von 1500 Jahren auf, manchmal lagen aber auch 3000 oder 4500 Jahre zwischen zwei D/O-Ereignissen.

Das Computermodell der Potsdamer Klimaforscher erklärt die D/O-Ereignisse mithilfe des physikalischen Phänomens der „ stochastischen Resonanz”: Das Klimasystem der Erde befand sich während der Eiszeit offenbar in einem labilen Zustand. Die Temperaturen lagen knapp unterhalb des Schwellenwerts, ab dem der Golfstrom nicht nur bis Island – wie die meiste Zeit während der Eiszeit –, sondern wie heute bis ins Europäische Nordmeer fließt. Zusammen mit immer vorhandenen zufälligen Wetterschwankungen reichte ein kleiner äußerer „Taktgeber” aus, um den Golfstrom in den wärmeren Klimazustand zu kippen.

Die Vermutung, dass es sich bei diesem Taktgeber um Schwankungen der Sonnenintensität in einem 1500-jährigen Rhythmus handelt, lässt sich zur Zeit aber nicht beweisen. Zu der Frage, ob Schüssler und Solanki mit dem Jahrtausendhoch der Sonne vielleicht den Taktgeber gefunden haben, meint Rahmstorf: „Aus einer Zeitreihe, die kürzer ist als ein einziger der 1500-Jahreszyklen, kann man natürlich nichts darüber aussagen, ob sie einen Teil dieses Zyklus wiedergibt. Man kann das sicher nicht ausschließen, aber es gibt derzeit auch keinen Beleg dafür.”

Unabhängig davon kann Rahmstorfs Modell nicht als Erklärung für die Klimaschwankungen der letzten 1000 Jahre herhalten. „Der heutige Strömungszustand des warmen Golfstroms ist viel stabiler” , sagt Rahmstorf. Seit Ende der letzten Eiszeit kann eine kleine Schwankung der Sonnenintensität den Golfstrom nicht mehr kippen.

Eine Erklärung liefert vielleicht ein statistischer Zusammenhang zwischen Sonnenintensität und niedrigen Wolken, den kürzlich eine Gruppe um Jón Egill Kristjánsson von der Universität Oslo entdeckt hat. Nach der Hypothese der norwegischen Forscher bewirkt eine geringe Erwärmung des Oberflächenwassers der Ozeane eine Abnahme der Zahl niedriger Wolken, was wiederum zu einer weiteren Erwärmung des Oberflächenwassers führt. Die Folge: Während Zeiten erhöhter Sonnenaktivität wie heute sorgt dieser Verstärkungsmechanismus für eine spürbare Erhöhung der Erdtemperaturen.

Doch während die Sonnenaktivität seit 1940 auf hohem Niveau etwa konstant geblieben ist, hat sich die Temperaturkurve der Erde ab 1980 von der Sonnenkurve abgekoppelt und steigt steil an. Schüssler meint: „Die Daten deuten darauf hin, dass dieser Anstieg eher nicht von der Sonne kommt. Die Ursache könnten andere natürliche Schwankungen des Klimasystems sein, aber naheliegend ist, dass der anthropogene Treibhauseffekt dahintersteckt.” Gemeint ist damit die Emission von Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan.

Im Gegensatz dazu zeigte die ursprüngliche Kurve von Lassen und Friis-Christensen, die allerdings nur bis etwa 1985 reichte, keine Abkopplung der Temperaturkurve von der Sonnenkurve. Dies wurde von Teilen der Presse als Beweis für die Nichtexistenz des anthropogenen Treibhauseffektes gedeutet. Die inzwischen von Lassen und Thejll aktualisierte Kurve zeigt die Abkopplung dagegen deutlich, was die Annahme stützt, dass ein menschengemachter Treibhauseffekt existiert. ■

Wo Sie noch mehr Informationen finden:

Max-Planck-Institut für Aeronomie

www.linmpi.mpg.de/

Isotope

sind Varianten eines chemischen Elements, die sich in der Zahl der Neutronen im Atomkern unterscheiden. So hat das Beryllium-Isotop Be-10 sechs Neutronen und wie alle anderen Be-Isotope vier Protonen.

Sonne

Infos im Internet zu Sonne, Erdklima und solar-terrestrischen Wechselwirkungen:

www.solarviews. com/germ/sun.htm

www.linmpi.mpg.

de/english/projekte/sun-climate/group/

www.spaceweather. com/index.html

Solarkonstante

Die Gesamtstrahlungsleistung der Sonne beträgt 385 Millionen Billiarden Kilowatt (3,85 · 1026 Watt). In der Entfernung von 150 Millionen Kilometern, dem mittleren Abstand Erde– Sonne, entspricht dies einer Strahlung von 1367 Watt pro Quadratmeter. Diesen Wert nennt man Solarkonstante.

Wolken

Nach einer Hypothese von Friis-Christensen und Henrik Svensmark vom Dänischen Weltraumforschungsinstitut in Kopenhagen dringt bei schwacher Sonnenaktivität mehr kosmische Strahlung in die Erdatmosphäre ein. Die Teilchen bewirken dort ein vermehrtes Kondensieren von Wasserdampf. Die vermehrte Wolkenbildung vermindert die Erdtemperaturen.

Stefan Rahmstorf

www.pik-potsdam.de/~stefan/

aktualisierte Kurve

web.dmi.dk/fsweb/ solarterrestrial/ sunclimate/welcome. shtml

Axel Tillemans