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Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung: Steuert die Sonne das Erdklima ? Manfred Schüssler Max-Planck-Institut für Aeronomie Katlenburg-Lindau.

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Präsentation zum Thema: "Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung: Steuert die Sonne das Erdklima ? Manfred Schüssler Max-Planck-Institut für Aeronomie Katlenburg-Lindau."—  Präsentation transkript:

1 Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung: Steuert die Sonne das Erdklima ? Manfred Schüssler Max-Planck-Institut für Aeronomie Katlenburg-Lindau Planetarium Stuttgart Astronomisches Seminar 14. Dezember 2001

2 Die Sonnenstrahlung als Wärmequelle Die Sonnenstrahlung als Wärmequelle treibt Winde und Meeres-Strömungen treibt Winde und Meeres-Strömungen Die Sonne als Klima-Maschine

3 n Tag und Nacht n Jahreszeiten n Langfristige Variationen: Erdbahn, Neigung der Erdachse Zeitliche Veränderung der einfallenden Sonnenstrahlung

4 Globale Erwärmung Hintereisferner-Gletscher (Österrreich)

5 Die globale Erwärmung... Globale Temperatur

6 ...und der Anstieg von CO 2 Im letzten Jahrhundert ist die mittlere Temperatur um etwa 0.6 O C gestiegen, der CO 2 - Gehalt um etwa 30%. CO 2 -Gehalt (ppm) der Atmosphäre

7

8 … und in der Zukunft ? Prognose auf der Basis von Klimamodellen

9 Der Treibhauseffekt

10 Energiebilanz 1: ohne Atmosphäre

11 Energiebilanz 2: mit Atmosphäre, ohne Treibhausgase

12 Energiebilanz 3: mit Treibhausgasen nicht ausgeglichen

13 Energiebilanz 4: mit Treibhausgasen Gleichgewichtsrechnung

14 Energiebilanz 5: ausgeglichen

15 Das komplexe Klimasystem

16 Zweifel am Treibhauseffekt ?...

17 Klimaschwankungen in der jüngeren Vergangenheit

18 n Die Sonne ist ein aktiver Stern! Ist die Sonne selbst veränderlich? Sonnenflecken Eine große Sonnenfleckengruppe

19 Was sind Sonnenflecken ? Rauchwolken ? Löcher ? Wirbelstürme ?

20 Das Spektrum des Sonnenlichts

21 Sonnenflecken sind magnetisch Durch das Magnetfeld aufgespaltene Spektrallinie Sonnenfleck mit Spektrographenspalt

22 Der Aufbau der die Sonne

23 Granulation und Sonnenfleck

24 Die Sonne ist magnetisch Magnetische Karte der Sonne Magnetfelder auf der rotierenden Sonne

25 Heißes Gas zeichnet Feldlinien nach...

26 Wo kommt die Magnetfelder her ?

27 Die veränderliche Sonne Die Aktivität der Sonne schwankt in einem etwa 11-jährigen Rhythmus Maximum Maximum Minimum

28 Der 11-jährige Sonnenzyklus Die Aktivität der Sonne schwankt in einem Rhythmus von etwa 11 Jahren. Längerfristige Variationen sind diesem Zyklus überlagert. Maunder-Minimum Dalton-Minimum

29 Die kleine Eiszeit im 17. Jh. Die niederländischen Maler schufen ihre berühmten Winterbilder.

30 Die kleine Eiszeit im 17. Jh. Auf der zugefrorenen Themse wurden Märkte abgehalten

31 Der Sonnenzyklus und : Samuel Heinrich Schwabe entdeckt den 11-jährigen Sonnenzyklus 1843: Samuel Heinrich Schwabe entdeckt den 11-jährigen Sonnenzyklus In der Folge werden alle möglichen Zusammenhänge gefunden... In der Folge werden alle möglichen Zusammenhänge gefunden...

32 Der Wasserstand des Victoria-Sees Sonnenflecken Pegelstand

33 11-jähriger Zyklus und Klima ? Kein eindeutiger Zusammenhang Kein eindeutiger Zusammenhang Korrelationen kommen und gehen Korrelationen kommen und gehen Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich Sonnenflecken Pegelstand

34 Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur

35 11-jähriger Zyklus und Klima ? Kein eindeutiger Zusammenhang Kein eindeutiger Zusammenhang Korrelationen kommen und gehen Korrelationen kommen und gehen Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich Aber: Deutlicher Zusammenhang in der oberen Atmosphäre (Stratosphäre und darüber) Aber: Deutlicher Zusammenhang in der oberen Atmosphäre (Stratosphäre und darüber) Sonnenflecken Pegelstand

36 Physikalische Mechanismen ? n Schwankung der UV-Strahlung

37 Die veränderliche Sonne Die Aktivität der Sonne schwankt in einem etwa 11-jährigen Rhythmus Maximum Maximum Minimum Röntgenstrahlung Die kurzwellige Strahlung der Sonne schwankt im Zyklus stark: vom Faktor 2 im UV (<100 nm) bis Faktor 100 im Röntgengebiet. Die kurzwellige Strahlung der Sonne schwankt im Zyklus stark: vom Faktor 2 im UV (<100 nm) bis Faktor 100 im Röntgengebiet.

38 Die Erdatmosphäre atmet Die Temperatur und die Höhe der äusseren Schichten der Atmosphäre schwanken im Takt des Sonnenzyklus. Sonnenaktivität 30-hPa-Höhe Die Ausdehnung der Erdatmosphäre durch verstärkte Sonnenaktivität führte 1979 zum (unkontrollierten!) Absturz des Weltraumlabors Skylab.

39 Die Erdatmosphäre atmet verstärkte Aktivität der Sonne verstärkte Aktivität der Sonne mehr UV-Strahlung mehr UV-Strahlung Temperaturanstieg in der Stratosphäre Temperaturanstieg in der Stratosphäre Veränderung von Luftströmungen (Hadley-Zirkulation) Veränderung von Luftströmungen (Hadley-Zirkulation) Klima-Effekt? Klima-Effekt? Die Höhe der Stratosphäre schwankt im Takt des Sonnenzyklus (Karin Labitzke, FU Berlin) Sonnenaktivität 30-hPa-Höhe

40 Physikalische Mechanismen ? n Schwankung der UV-Strahlung n Variation der Gesamtstrahlung

41 Die Solarkonstante schwankt! Die Gesamtstrahlung der Sonne variiert um etwa 0.1% im Takt des Aktivitätszyklus!

42 Einfluss der Sonnenflecken Die Sonne wird dunkler, wenn sie Flecken hat

43 Warum ist die Sonne heller, wenn sie mehr dunkle Sonnenflecken hat ? Sonnenflecken (dunkel) Fackeln (hell)

44 Sonnenfackeln aus der Nähe...

45 Sonne mit Flecken und Fackeln

46 Einfluss der Fackelgebiete Die Sonne wird heller, wenn sie Fackeln hat

47 Die Aufhellung durch Fackeln überwiegt die Verdunklung durch Sonnenflecken

48 Ein grundsätzliches Problem n Verlässliche Daten nur für die letzten Jahrzehnte vorhanden n Rekonstruktion von Daten, z.B. aus Sonnenfleckenzahlen, erforderlich n oft unsicher!

49 Variation der Gesamtstrahlung Klimamodelle: Temperaturschwankungen vor ~1950 von der Sonne beeinflusst, danach überwiegt der Treibhauseffekt.

50 Physikalische Mechanismen ? n Schwankung der UV-Strahlung n Veränderung der kosmischen Strahlung n Variation der Gesamtstrahlung

51 Das Magnetfeld der Sonne... - setzt sich fort in den interplanetaren Raum - und schwankt im Rhythmus des 11-jährigen Zyklus

52 Das interplanetare Magnetfeld

53 Die kosmische Strahlung schwankt! Die kosmische Höhenstrahlung variiert im Gegentakt des Aktivitätszyklus!

54 Geladene Teilchen und Magnetfeld

55 Warum ist die kosmische Strahlung schwächer, wenn die Sonne aktiver ist ? Ruhige Sonne Aktive Sonne

56 Warum interessiert uns die kosmische Strahlung im Zusammenhang mit dem Klima ? Kosmische Strahlung: Kosmische Strahlung: erzeugt radioaktive Elemente ( 14 C, 10 Be) erzeugt radioaktive Elemente ( 14 C, 10 Be) Aufschluss über die Sonnenaktivität in der Vergangenheit Aufschluss über die Sonnenaktivität in der Vergangenheit erzeugt eventuell Kondensationskeime für die Bildung von Wolken erzeugt eventuell Kondensationskeime für die Bildung von Wolken Klima-Wirkung ?? Klima-Wirkung ??

57 Wolken und Temperatur n Wolkenphysik ist sehr komplex! n Dünne, hochliegende Wolken heizen (Treibhauseffekt) n Dicke, tiefliegende Wolken kühlen (erhöhte Reflektion des Sonnenlichtes) n In der Summe wirken Wolken kühlend

58 Wolken und kosmische Strahlung Marsh & Svensmark (2000) Hochliegende Wolken

59 Wolken und kosmische Strahlung Marsh & Svensmark (2000) Tiefliegende Wolken

60 Sonnenaktivität früher... Die kalifornische Borstenkiefer kann 5000 Jahre alt werden. Das durch kosmische Strahlung erzeugte 14 C in ihren Jahresringen in ein Maß für die Aktivität der Sonne in der Vergangenheit.

61 Eisbohrkern vom grönländischen Inlandeis Sonnenaktivität früher... Radioaktives Beryllium ( 10 Be) wird durch kosmische Strahlung erzeugt und mit Niederschlag ausgewaschen. Radioaktives Beryllium ( 10 Be) wird durch kosmische Strahlung erzeugt und mit Niederschlag ausgewaschen. Das in den Jahresschichten des Grönlandeises gespei- cherte 10 Be ist ein Maß für die Sonnenaktivität in den letzten Jahren.

62 Sonnenaktivität aus 14 C-Daten Maunder Dalton Mittelalterliches Maximum Sonnenflecken Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt.

63 Sonnenaktivität und Erdklima Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt. Globale Temperatur 14 C W S D M Sonnen- flecken

64 10 Be und kosmische Strahlung Sonnenflecken Konzentration von 10 Be

65 Das interplanetare Magnetfeld Verdoppelung im letzten Jahrhundert Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15% Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15% KLIMA-EFFEKT ?? KLIMA-EFFEKT ?? Sonnenflecken Messungen Rekonstruiert

66 Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur

67 Wie lassen sich die langfristigen (säkularen) Veränderungen des Sonnenmagnetfeldes verstehen ? n Zusammenhang zwischen Oberflächenfeld und interplanetarem Feld? n Zeigt auch das Oberflächenfeld eine säkulare Variation? n Bedeutung der variierenden Zykluslänge? n Kann man die Entwicklung des Feldes aus vorliegenden Beobachtungen rekonstruieren?

68 Die Bilanz des magnetischen Flusses n Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten Aktive Region/Sonnenfleckengruppe (wenige, groß: ~200 Mm, langlebig) Ephemeral region (viele, klein: ~5 Mm, kurzlebig)

69 Die Bilanz des magnetischen Flusses n Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten – 1) aktive Gebiete ( Mm) – 2) ephemeral regions (<10 Mm) – Eruptionsrate in 2) um einen Faktor 100 höher! n Verschwinden durch Polaritäts-Auslöschung

70 active regions ephemeral regions Ephemeral regions: Zyklen überlappen! (K. Harvey, 1994)

71 active regions ephemeral regions Ephemeral regions: Zyklen überlappen! (K. Harvey, 2000)

72 Die Bilanz des magnetischen Flusses n Transport über die Sonne durch Zirkulation, differentielle Rotation, Diffusion globales Dipolfeld globales Dipolfeld offenes (interplanetares) Feld:`Korona-Löcher´ offenes (interplanetares) Feld:`Korona-Löcher´

73 Zyklische und nicht-zyklische Anteile n Zyklisch: 11-Jahres-Rhythmus n Nicht-zyklisch (säkular): – lange Abklingzeit des offenen Feldes – Überlappung der Zyklen für ephemeral regions Länge der einzelnen Zyklen beeinflusst die Langzeitvariation des Hintergrundfeldes Länge der einzelnen Zyklen beeinflusst die Langzeitvariation des Hintergrundfeldes

74 n Zyklische Fluss-Eruption in aktiven Gebieten und kleinen ephemeral regions Sonnenflecken-Relativzahl (seit 1700) als Maß für die Eruptionsrate Sonnenflecken-Relativzahl (seit 1700) als Maß für die Eruptionsrate Längerer Zyklus für ephemeral regions: Längerer Zyklus für ephemeral regions: Modell für die Langzeitvariation des Flusses S.K. Solanki, M. Schüssler & M. Fligge Nature (2000), Astronomy & Astrophysics (im Druck) Zeit aktive Gebiete ephemeral regions ER starten früher ER starten früher ausgedehntere, überlappende Zyklen ausgedehntere, überlappende Zyklen

75 Eruption von magnetischem Fluss Aktive Gebiete Ephemeral regions Offenes Feld Zerfall Dynamo 14 h 72 yr12 yr 3 mon 3 yr

76 facular flux sunspot flux Eichung durch Vergleich mit direkten Messungen ab 1970

77 n active regions n open flux n ephemeral regions

78 Active region cycle stretched and amplified

79 Ergebnis: Fluss-Entwicklung seit 1700 Aktive GebieteEphemeral regions GesamtflussOffener Fluss

80 Modeled and reconstructed open flux

81 n Entwicklung sowohl des Gesamtflusses als auch des offenen Flusses kann bis 1700 verfolgt werden n Der offene Fluss stimmt gut mit der Rekonstruktion von Lockwood et al. (1999) überein. n Das Überlappen der Zyklen der ephemeral regions führt zur säkularen Variation des Gesamtflusses –Faktor 3 geringer wegen des Dalton-Minimums –Verdoppelung während der ersten Hälfte des 20. Jh. n Folgerungen für die Gesamthelligkeit der Sonne und die Schwankung der kosmischen Strahlung Ergebnisse:

82 Rekonstruktion zurück bis Be Quellfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld

83 Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur

84 Zykluslänge und Magnetfeld

85 Zykluslänge und Magnetfeld: Analogie

86 Das interplanetare Magnetfeld Verdoppelung im letzten Jahrhundert Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15% Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15% Sonnenflecken Messungen Rekonstruiert

87 Kosmische Strahlung und Klima? Kosmische Strahlung: Kosmische Strahlung: nimmt ab bei hoher Sonnenaktivität nimmt ab bei hoher Sonnenaktivität nimmt zu bei geringer Sonnenaktivität nimmt zu bei geringer Sonnenaktivität beinflusst die Wolkenbildung durch Bildung von Kondensationskeimen ? beinflusst die Wolkenbildung durch Bildung von Kondensationskeimen ? Wirkung auf das Klima ? Wirkung auf das Klima ?

88 Klimawirkung der Sonnenaktivität n Variation der Gesamtstrahlung – vor 1950 sichtbar in Klimamodellen – unsichere Rekonstruktion n Allgemeiner Anstieg der Sonnenaktivität seit Ende des 19. Jahrhunderts n Schwankung der UV-Strahlung – wirkt auf die Ozonkonzentration – 11-Jahres-Zyklus nachweisbar

89 Klimawirkung der Sonnenaktivität n Veränderung der kosmischen Strahlung – wirkt eventuell auf die Wolkenbildung – Wolkenbedeckung variiert im Gleichtakt – recht zuverlässige Rekonstruktion

90 Klimawirkung der Sonnenaktivität n Seit ca steigen die Wirkungen der Sonne im Mittel nicht mehr an n Aber die Erdtemperatur hat deutlich weiter zugenommen!!

91 Sonne, … … und Sterne Helligkeits-Schwankung Variation der Aktivität Die Sonne hat gegenwärtig geringere Schwankungen der Helligkeit als vergleich- bar aktive Sterne. Wird das so bleiben ?? Aktivität

92 Fazit: Sonne oder Treibhauseffekt ? Beide Verdächtige sind im Spiel: - bis 1980 deutlicher Einfluss der Sonne - danach gewinnt CO 2 an Bedeutung

93 Fazit: Sonne oder Treibhauseffekt? Weitere Entwicklung von Sonnenaktivität und Klima sind beunruhigend unsicher, also ist Forschung auf beiden Seiten notwendig, auf jeden Fall aber gilt: CO 2 -Ausstoß schnell reduzieren!

94 Ende... linmpi.mpg.de/~msch

95 Das CLOUD-Experiment bei CERN Messung der Bildung von Kondensationskeimen

96 Wie groß sind die Effekte ? heizend Der direkte solare Effekt (ca. 0.4 W/m 2 ) entspricht 40% des übrigen Netto-Effekts (ca. 1 W/m 2 ). kühlend

97 Modeled and observed fluxes

98

99 Reconstructed open flux and 10 Be

100 Wo kommt die Magnetfelder her ?

101 Das Induktionsprinzip n Bewegter elektrischer Leiter im Magnetfeld n elektr. Feld und Kraft n senkrechte Bewegung n elektrischer Strom n neues Magnetfeld n Lenzsche Regel! (sonst perpetuum mobile)

102 Selbsterregter Dynamo n Saatmagnetfeld n radiales elektr. Feld n elektrischer Strom n Leiterschleife n Verstärktes Saatfeld n Energie kommt von der Rotation

103 Der Dynamoprozess in der Sonne


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