Sonnenaktivität kurzfristig

Die unbeständige Konstante

Auf der Zeitskala von Jahrzehnten bis Jahrtausenden ist die langfristige Zunahme der Intensität der Sonnenstrahlung bei weitem nicht zu bemerken. Es gibt jedoch überlagerte mittelfristige Helligkeitsänderungen der Sonne, die ebenfalls klimawirksam sind – zumindest als Anstoß, der dann durch Rückkopplungen verstärkt werden kann.

Bald nach der Erfindung des astronomischen Fernrohrs wurden dunkle Flecken auf der Sonne entdeckt, deren Anzahl sich zyklisch, mit einer Periodenlänge von rund elf Jahren, verändert. Durch direkte Satellitenmessungen der Solarkonstante erkannte man später, dass Sonnenfleckenmaxima mit höherer, Sonnenfleckenminima mit niedrigerer Sonnenintensität einhergehen. Die Solar-„Konstante“ beschreibt die ohne Einfluss der Erdatmosphäre mit einer gemittelten Bestrahlungsstärke von 1.367 W/m² eintreffende Sonnenenergie. Bisher gibt es diese direkten Messungen der Solaraktivität über drei Sonnenfleckenzyklen hinweg.

Elfjährige Schwankungen mit Fernrohr gesichtet

Mit diesen direkten Messungen ist es möglich, ein anderes Phänomen zur indirekten Rekonstruktion der Sonnenaktivität über wesentlich längere Zeiträume zu nutzen: die Veränderungen der Konzentration des Isotops Beryllium-10 (¹⁰Be) in der Atmosphäre und im Niederschlag. Dieses sehr stabile Isotop (Halbwertszeit 1,5 Mio. Jahre) wird durch kosmische Strahlung erzeugt. Bei aktiverer Sonne schirmt das dann stärkere solare Magnetfeld die kosmische Strahlung besser ab. In der Folge ensteht weniger ¹⁰Be, was sich in den Einlagerungen in Baumringenn und Eisbohrkernen hoher geografischer Breiten abbildet. Aus ihnen können bis zu 11.000 Jahre lange Zeitreihen der¹⁰Be-Konzentration gewonnen werden. Deren Gegenläufigkeit zum solaren Magnetfeld liefert somit ein relatives Maß für die solare Aktivität. Die direkten Satellitenmessungen können zur Kalibrierung der indirekten Relativinformationen benutzt werden.

Schwankungen über Jahrtausende aus Isotopen gelesen

Die langen Isotopenreihen machen klar, dass es auch über Jahrhunderte und Jahrtausende Schwankungen der Sonnenintensität gibt (Abb. 1 oben). Der Schwankungsbereich betrug in den letzten 7.000 Jahren gut 6 W/m² – also nur schwach 0,5 % der Solarkonstante. Netto steht davon allerdings nur ein Viertel zur Verfügung. (Die Hälfte der Erdoberfläche ist jeweils der Sonne abgewandt, durch die flach einfallende Strahlung in höheren Breiten geht noch einmal die Hälfte verloren.) Diese also rund 342 W/m² an Sonnenenergie schwankten in den letzten Jahrtausenden um rund 1,5 W/m². Die Schwankungsbreite der elfjährigen Zyklen ist deutlich geringer und betrug zuletzt rund 0,4 W/m² (Abb. 1 unten). In Zeiten längerer minimaler Solaraktivität, wie dem Maunder-Minimum oder dem Dalton-Minimum ist praktisch gar keine elfjährige Periode erkennbar (Abb. 1 Mitte).

Abb. 1: Schwankungen des solaren Klimaantriebes in Jahrtausenden, Jahrhunderten und Jahrzehnten. Oben: Im 20. Jahrhundert war die stärkste Sonnenaktivität seit 11.000 Jahren (hier 7.000 Jahre) zu verzeichnen. Mitte: Dem starken Antrieb des Hochmittelalters und dem geringeren in den Jahrhunderten danach folgte der ungewöhnliche Anstieg zum aktuellen Niveau. Unten: Erst im kurzfristigen Maßstab tritt der elfjährige Zyklus deutlich hervor (Fröhlich 2000 aktual., Wagner u.a. 2007).

In historischer Zeit der entscheidende Antrieb – bisher

Über Jahrhunderte und Jahrtausende hinweg war der solare Klimaantrieb der bedeutendste des Klimasystems. Insgesamt zeigt der mittelfristige Verlauf des solaren Antriebes in den letzten 1.000 Jahren starke Ähnlichkeit mit der üblichen Dreiteilung in ein wärmeres Hochmittelalter, die Kleine Eiszeit und den Temperaturanstieg danach (Abb. 1 Mitte). Der markante Temperaturanstieg der letzten vier Jahrzehnte kann durch die Sonne allein nicht erklärt werden – dazu ist so gut wie sicher der Klimaantrieb durch die anthropogenen Treibhausgase erforderlich.

Die Solarphysik kann zurzeit keine Vorhersagen über den künftigen Verlauf dieses Klimaantriebes machen, weshalb Klimasimulationen nur in der Vergangenheit den solaren Antrieb verwenden können. Bei Modellläufen der Zukunft wird er üblicherweise konstant gehalten, was eine wesentliche Einschränkung ihrer Zuverlässigkeit darstellt.

Literatur:

Benestad R.E. (2006): Solar activity and Earth’s climate. 2. Aufl. Berlin: Springer, 318 Seiten, ISBN 978-3-540-30620-7

Fröhlich C. (2000): Observations of irradiance variations. Space Science Reviews 94, 15–24, doi:10.1023/A:1026765712084

Lean J.L., Rind D.H. (2008): How natural and anthropogenic influences alter global and regional surface temperatures: 1889 to 2006. Geophysical Research Letters 35, L18701, doi:10.1029/2008GL034864

Lean J.L., Rind D.H. (2009): How will Earth’s surface temperature change in future decades? Geophysical Research Letters 36, L15708, doi:10.1029/2009GL038932

Lockwood M. (2010): Solar change and climate. An update in the light of the current exceptional solar minimum. Proceedings of the Royal Society – Atmosphere 466, 303–29, doi:10.1098/rspa.2009.0519

Solanki S., Usoskin I., Kromer B., Schüssler M., Beer J. (2004): Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years. Nature 431, 1084–1087, doi:10.1038/nature02995

Wagner S., Jones J., Widmann M., Kaspar F.: Climatic response to orbital, solar and greenhouse gas forcings during the mid-Holocene in transient simulations with the coupled GCM ECHO-G. In: European Geosciences Union (Hg.):  EGU General Assembly 2007. Wien, Österreich, 18.04.2007 (PDF-Datei; 0,03 MB)