Manfred Schüssler Max-Planck-Institut für Aeronomie Katlenburg-Lindau

Präsentation zum Thema: "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 Sonne als “Klima-Maschine”
Die Sonnenstrahlung als Wärmequelle treibt Winde und Meeres-Strömungen

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

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

5 Die globale Erwärmung... Globale Temperatur

6 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%.

7

8 Prognose auf der Basis von Klimamodellen
… 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 Eine große Sonnenfleckengruppe
Ist die Sonne selbst veränderlich? Die Sonne ist ein “aktiver” Stern! Eine große Sonnenfleckengruppe Sonnenflecken

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
Magnetfelder auf der rotierenden Sonne Magnetische Karte der Sonne

25 Heißes Gas zeichnet Feldlinien nach...

26 Wo kommt die Magnetfelder her ?

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

28 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.

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

32 Der Wasserstand des Victoria-Sees
Sonnenflecken Pegelstand

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

34 Zykluslänge und Temperatur
Landtemperatur

35 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)

36 Physikalische Mechanismen ?
Schwankung der UV-Strahlung

37 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

38 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

39 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)

40 Physikalische Mechanismen ?
Schwankung der UV-Strahlung 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 Sonnenflecken (dunkel)
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
Verlässliche Daten nur für die letzten Jahrzehnte vorhanden “Rekonstruktion” von Daten, z.B. aus Sonnenfleckenzahlen, erforderlich oft unsicher!

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

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

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 ?
erzeugt radioaktive Elemente (14C,10Be)  Aufschluss über die Sonnenaktivität in der Vergangenheit erzeugt eventuell Kondensationskeime für die Bildung von Wolken  Klima-Wirkung ??

57 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

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

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

60 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.

61 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 Jahren. Eisbohrkern vom grönländischen Inlandeis

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

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

64 10Be und kosmische Strahlung
Konzentration von 10Be Sonnenflecken

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

66 Zykluslänge und Temperatur
Landtemperatur

67 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?

68 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)

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

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

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

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

73 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

74 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

75 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

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

77 active regions ephemeral regions open flux

78 Active region cycle stretched and amplified

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

80 Modeled and reconstructed open flux

81 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

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

83 Zykluslänge und Temperatur
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% Messungen Rekonstruiert Sonnenflecken

87 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 ?

88 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

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

90 Klimawirkung der Sonnenaktivität
Seit ca steigen die Wirkungen der Sonne im Mittel nicht mehr an 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 CO2 an Bedeutung

93 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:

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

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

96 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 ).

97 Modeled and observed fluxes 1975 - 1994

98 Modeled and observed fluxes 1975 - 1994

99 Reconstructed open flux and 10Be

100 Wo kommt die Magnetfelder her ?

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

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

103 Der Dynamoprozess in der Sonne