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

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

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

Hintereisferner-Gletscher (Österrreich) Globale Erwärmung 1903 1924 1940 1956 Hintereisferner-Gletscher (Österrreich)

Die globale Erwärmung... Globale Temperatur

CO2-Gehalt (ppm) der Atmosphäre ...und der Anstieg von CO2 CO2-Gehalt (ppm) der Atmosphäre Im letzten Jahrhundert ist die mittlere Temperatur um etwa 0.6O C gestiegen, der CO2 - Gehalt um etwa 30%.

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

Der Treibhauseffekt

Energiebilanz 1: ohne Atmosphäre

Energiebilanz 2: mit Atmosphäre, ohne Treibhausgase

Energiebilanz 3: mit Treibhausgasen nicht ausgeglichen

Energiebilanz 4: mit Treibhausgasen Gleichgewichtsrechnung

Energiebilanz 5: ausgeglichen

Das komplexe Klimasystem

Zweifel am Treibhauseffekt ? . . .

Klimaschwankungen in der “jüngeren” Vergangenheit

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

Was sind Sonnenflecken ? Rauchwolken ? Löcher ? Wirbelstürme ?

Das Spektrum des Sonnenlichts

Sonnenflecken sind magnetisch Durch das Magnetfeld aufgespaltene Spektrallinie Sonnenfleck mit Spektrographenspalt

Der Aufbau der die Sonne

Granulation und Sonnenfleck

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

Heißes Gas zeichnet Feldlinien nach...

Wo kommt die Magnetfelder her ?

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

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

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

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

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

Der Wasserstand des Victoria-Sees Sonnenflecken Pegelstand

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

Zykluslänge und Temperatur Landtemperatur

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

Physikalische Mechanismen ? Schwankung der UV-Strahlung

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

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

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

Physikalische Mechanismen ? Schwankung der UV-Strahlung Variation der Gesamtstrahlung

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

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

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

Sonnenfackeln aus der Nähe...

Sonne mit Flecken und Fackeln

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

Die Aufhellung durch Fackeln überwiegt die Verdunklung durch Sonnenflecken

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

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

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

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

Das interplanetare Magnetfeld

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

Geladene Teilchen und Magnetfeld

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

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

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

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

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

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

Sonnenaktivität früher... Radioaktives Beryllium (10Be) wird durch kosmische Strahlung erzeugt und mit Niederschlag ausgewaschen. Das in den Jahresschichten des Grönlandeises gespei- cherte 10Be ist ein Maß für die Sonnenaktivität in den letzten 100 000 Jahren. Eisbohrkern vom grönländischen Inlandeis

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

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

10Be und kosmische Strahlung Konzentration von 10Be Sonnenflecken

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

Zykluslänge und Temperatur Landtemperatur

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

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

Die Bilanz des magnetischen Flusses Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten 1) aktive Gebiete (10-200 Mm) 2) ephemeral regions (<10 Mm) Eruptionsrate in 2) um einen Faktor 100 höher! Verschwinden durch Polaritäts-Auslöschung

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

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

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

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

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

Eruption von magnetischem Fluss Dynamo Eruption von magnetischem Fluss Aktive Gebiete Ephemeral regions 12 yr 72 yr 3 mon 14 h Zerfall Zerfall Offenes Feld 3 yr Zerfall

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

active regions ephemeral regions open flux

Active region cycle stretched and amplified

Ergebnis: Fluss-Entwicklung seit 1700 Aktive Gebiete Ephemeral regions Gesamtfluss Offener Fluss

Modeled and reconstructed open flux

Ergebnisse: Entwicklung sowohl des Gesamtflusses als auch des offenen Flusses kann bis 1700 verfolgt werden Der offene Fluss stimmt gut mit der Rekonstruktion von Lockwood et al. (1999) überein. 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. Folgerungen für die Gesamthelligkeit der Sonne und die Schwankung der kosmischen Strahlung

Interplanetares Magnetfeld Rekonstruktion zurück bis 1700 10Be Quellfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld

Zykluslänge und Temperatur Landtemperatur

Zykluslänge und Magnetfeld

Zykluslänge und Magnetfeld: Analogie

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

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

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

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

Klimawirkung der Sonnenaktivität Seit ca. 1980 steigen die Wirkungen der Sonne im Mittel nicht mehr an Aber die Erdtemperatur hat deutlich weiter zugenommen!!

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

Fazit: Sonne oder Treibhauseffekt ? Beide “Verdächtige” sind im Spiel: - bis 1980 deutlicher Einfluss der Sonne - danach gewinnt CO2 an Bedeutung

CO2 -Ausstoß schnell reduzieren! Fazit: Sonne oder Treibhauseffekt? CO2 -Ausstoß schnell reduzieren! Weitere Entwicklung von Sonnenaktivität und Klima sind beunruhigend unsicher, also ist Forschung auf beiden Seiten notwendig, auf jeden Fall aber gilt:

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

Das CLOUD-Experiment bei CERN Messung der Bildung von Kondensationskeimen

Wie groß sind die Effekte ? heizend kühlend Der direkte solare Effekt (ca. 0.4 W/m2) entspricht 40% des übrigen Netto-Effekts (ca. 1 W/m2 ).

Modeled and observed fluxes 1975 - 1994

Modeled and observed fluxes 1975 - 1994

Reconstructed open flux and 10Be

Wo kommt die Magnetfelder her ?

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

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

Der Dynamoprozess in der Sonne