4. Die Klimavariabilität: Interne und externe Klimaschwankungen

Durch die unterschiedliche Bestrahlungsstärke  der Sonne gibt es in den Tropen einen Energieüberschuss, an den Polen ein Energiedefizit. So entstehen Strömungen in der Atmosphäre und in den Ozeanen, die versuchen diesen Unterschied auszugleichen. Diese Zirkulationen in Luft und Wasser sind nicht unabhängig voneinander, sondern sie sind gekoppelt und tauschen Wärme und Bewegungsenergie aus (68). Die Wechselwirkung zwischen den Klimasubsystemen Atmosphäre, Ozeane, See-Eis, ….. wird als Interne Variabilität bezeichnet (69). Die Klimavariabilität nun ist die Kombination von Interner Variabilität und External Forcing (äußerer Antrieb: Vulkanausbrüche, Änderung der Sonneneinstrahlung, menschenverursachte Treibhausgase).

Die Zirkulationen der Atmosphäre und der Ozeane werden  durch regelmäßig auftretende Schwankungen (Oszillationen) moduliert.

4.1  Interne Klimaschwankungen: Die Oszillationen von Atmosphäre und Ozeanen

4.1.1 El Nino/ENSO, PDV, PDO, IPO

Die  El Niño–Southern Oscillation (ENSO) ( 72) ist eine von mehreren Oszillationen der Ozeane und der Atmosphäre. ENSO ist ein gekoppeltes System in dem sich Ozean und Atmosphäre gegenseitig beeinflussen. El Niño steht dabei eher für die ozeanischen Zusammenhänge, während die Südliche Oszillation  für die atmosphärischen Zusammenhänge steht. Die Dauer des  El Nino- und La Nina -Zyklus  ist unregelmäßig  etwa 3 bis 7 Jahre. Die einzelnen El Nino und La Nina-Phasen dauern ungefähr 12 bis 18 Monate.

In einem ENSO-neutralen Zeitraum weht der Passatwind auf beiden Seiten des Äquators von Ost nach West und transportiert warmes Oberflächenwasser vom Ost -zum Westpazifik und verursacht  das Aufsteigen von nahrungsreichem Tiefenwasser vor der Küste Südamerikas.

In einem El Nino Jahr schwächt sich der Passatwind ab und verringert  den Strom aufsteigenden kalten Tiefenwassers  vor der Küste von Peru.

Beim La Nina Ereignis nimmt dagegen die Stärke der Passatwinde  zu, wodurch mehr warmes Wasser in den Westen getrieben wird und die Fläche aufsteigenden Tiefenwassers im Ostpazifik vergrößert wird.

Das ENSO Phänomen beeinflusst das Klima weltweit (Dürren, starke Regenfälle). Speziell begünstigen La Nina Bedingungen  die Anzahl und Stärke von Tropenstürmen im Atlantischen Ozean, während El Ninos mehr tropische Stürme im Pazifik entstehen lassen (Wikipedia).

Während einer  El Nino -oder La Nina Phase  ist die Temperaturabweichung grösser als +/- 0,5 °C und beträgt maximal etwa +/-2°C.

Häufigkeit der  ENSO Ereignisse

Die Studie (70) verwendet Proxy-Aufzeichnungen, die von  Paläoklimatischen Daten abgeleitet wurden, um das Langzeitverhalten der Pazifischen Dekaden Oszillation (PDO, s. unten ) und der El Nino/Südlichen Oszillation ENSO zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass während der letzten 400 Jahre  Klimaschwankungen, die die Änderungen des PDO begleitet haben, eine ähnliche Frequenz haben, wie die im 20. Jahrhundert verzeichneten. Wesentlich dabei, dass Phasenwechsel (Wechsel +/- ) des PDO die Tendenz haben mit Änderungen der relativen Frequenz der ENSO-Ereignisse  zusammenzufallen, wobei die positive PDO-Phase mit einer erhöhten  El Nino-Frequenz zusammenhängt ,während die negative PDO-Phase die Entwicklung von La Nina-Phasen begünstigt.

Bild 21: ENSO Phasen (70a) und PDO- Phasen (70b) der jüngeren Vergangenheit.
El Nino-Ereignisse sind bei positivem PDO häufiger,
La Nina-Phasen bei negativem PDO (Zeitachsenskalierung unterschiedlich)

Die Pacific Decadal Variability (PDV) wird dominiert durch die Pazifische Dekaden Oszillation  (PDO) und die Interdekadische Pazifische Oszillation (IPO), zwei Indizes,  die nun beschrieben werden (69).

Der PDO  beschreibt ein ENSO-ähnliches dekadisches Variabilitätsmuster der Meeresoberflächentemperatur (SST, sea surface temperature) des Nord- Pazifischen Ozeans nördlich des Breitengrads 20N. Dieses Muster wurde entdeckt als man die Klimavariabilität des Nord- Pazifischen Ozeans der starken zwischenjährigen Variabilität der Tropen (d.h. ENSO) gegenüberstellte . Während der positiven (oder „warmen“) Phase kühlt der westliche Pazifische Ozean ab und Abschnitte des östlichen Ozeans erwärmen sich; während der negativen (oder “kalten“ ) Phase, tritt das entgegengesetzte Muster auf.   (Der PDO ist empirisch  definiert als die größte Amplitude der EOF Analyse der Variabilität der winterlichen Meeresoberflächentemperaturen des Nord-Pazifischen Ozeans. Eine Definition der EOF- Analyse findet man unter : https://www.ess.uci.edu/~yu/class/ess210b/lecture.5.EOF.pdf    )

Zum Zusammenhang zwischen PDO und IPO stellt der IPCC fest (Übersetzung aus dem Englischen durch den Autor)

(IPCC WG1AR5  Climate Change 2013:   https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter14_FINAL.pdf)

„Die Ausweitung des PDO auf das gesamte Pazifische Becken ist als Interdekadische  Pazifische Oszillation (IPO ….) bekannt. Die Form des IPO ist nahezu identisch mit dem PDO in der nördlichen Hemisphäre, aber ist global definiert. …… und hat eine merkliche Amplitude im tropischen und südlichen Pazifik. Die zeitlichen Verläufe von PDO und IPO zeigen auf jährlicher Basis eine deutliche Korrelation. ……. Der PDO/IPO ist mit den ENSO Modulationen verknüpft,  mit stärkerer El Nino-Aktivität während positiver PDO/IPO und stärkerer  La Nina- Aktivität während negativer  PDO/IPO“.

Der IPO ist ein Variabilitätsmuster der Schwankungen der  SST (Meeresoberflächentemperatur)   und der Änderungen des Luftdrucks auf Meereshöhe im gesamten Pazifischen Becken ; der IPO kann als die sich auf den Gesamtpazifik erstreckende PDO Oszillation angesehen werden. Während der positiven (oder „warmen“ Phase) des IPO sind die Meeresoberflächentemperaturen   im tropischen östlichen Pazifischen Ozean wärmer als im Durchschnitt und jene im nordwestlichen und südwestlichen Pazifik sind kühler; während des negativen (oder „kühlen“) Phase tritt das entgegengesetzte Muster auf. Der IPO kann als die zweitgrößte Amplitude der EOF-Analyse der Pazifik-weiten SST definiert werden.

Die Phasendauer von PDO/IPO liegt bei etwa 20-30 Jahren (d.h. 40-60 Jahre für den gesamten Zyklus („Periode“)).

Bild 22: PDO-, IPO-, und AMO- Index ab dem Ende des 19. Jahrhunderts (70c),(70d)

Das Muster der Atlantischen Multidekaden- Oszillation (AMO) beschreibt die Variabilität der Meeresoberflächentemperatur  gemittelt über den gesamten Nord Atlantischen  Ozean. Üblicherweise wird der AMO als Mittelwert der Nord Atlantischen SST  Temperaturabweichungen (vom langfristigen Mittelwert), nach Elimination eines eventuell vorhandenen (langfristigen) linearen Trends bestimmt. Indem  man den so definierten Index als Graphik aufträgt kann man wärmere und kühlere Zeiträume, die sich über mehrere Dekaden (20-40 Jahre) erstrecken, sichtbar machen (die Periode oder der Zyklus beträgt also etwa 50-70 Jahre). Die wärmeren und kühleren Phasen des AMO sind mit  der Wetter-und Klimavariabilität über den gesamten Globus Welt verknüpft, darunter Dürreperioden in Nordamerika sowie Änderungen der Atlantischen Hurrikan-Aktivität.

Die AMO -Temperaturschwankungen der Meeresoberfläche liegen maximal bei etwa +/-0.5°C. Von 1900 bis 1925  sowie von 1965 bis 1995 befand sich die AMO in einer kalten (negativen) Phase , von 1925 bis 1965 und seit der Mitte der 1990 er Jahre in einer warmen (positiven) Phase (71)..

In der positiven Phase der AMO werden warme Wassermassen stärker aus den Tropen in den Nordatlantik geführt. Dadurch werden die Temperaturen in der Nordhemisphäre erhöht , die Häufigkeit von Hurrikanen begünstigt , das Packeis am Nordpol zurückgedrängt  und die Niederschlagsmengen in Europa, Nordafrika und an der Ostküste Nordamerikas ergiebiger. In der negativen Phase kehren sich die Verhältnisse um: niedrigere Temperaturen in der Nordhemisphäre, geringere Niederschläge, stärkere Vereisung der arktischen Meeresgebiete.

Bild 23:  Gegenüberstellung des langfristigen AMO Verlaufs ( violett/rosa Flächen) und des “Dürreindex” Palmer Drought Severity Index (  PDSI , grün/braun schraffierte Flächen) für die westlichen USA .Eine negative AMO-Phase “begünstigt” Feuchtwetter ,  Dürren sind intensiver während einer positiven AMO-Phase. (70e)

Einen gründlichen Überblick über die Oszillationen findet man auch in (72).

4.1.2 Der Wärmehaushalt der Ozeane und noch einmal der Hiatus

Verschiedene Untersuchungen (73) erklären den Stillstand des Temperaturanstiegs , trotz weiter wachsenden CO2- Strahlantriebs, mit einem Speichern der Energie in den tieferen Zonen der Ozeane. (74) verbindet den Hiatus zwischen 1998 und 2012 mit einer negativen Phase der IPO (Interdecadal Pacific Oscillation , siehe oben), einem pazifisch-ozeanographischen Phänomen mit einer Phasendauer von grob 15 -30 Jahren.

Zur gleichen Problematik stellt (75) fest:

Ein bemerkenswerter Aspekt der beiden jüngsten ausgedehnten Hiatus Perioden   (1940–1975 and 2001–2012) , im Gegensatz zu Perioden der Erwärmung der Oberflächenlufttemperaturen SAT   (1910–1940 and 1976–2000), ist, dass sie  Perioden  entsprechen als die Interdekadische   Pazifische Oszillation (IPO) in einer negativen Phase war (s. Abb unten). Der IPO (s. oben) stellt sich als ein niedrigfrequentes El-Nino-Muster der Klimavariabilität dar , mit einem warmen tropischen Pazifik und abgeschwächten Passatwinden während seiner positive Phase und einem kühlen tropischen Pazifik und verstärkten Passatwinden während seiner negative Phase.

Bild 24: Globale mittlere Oberflächenlufttemperaturen und Pazifische Passatwinde während des letzten Jahrhunderts. (75)

Der Wärmeinhalt der Ozeane (Ocean Heat Content OHC)

Die Autoren von (76) beziehen explizit den Wärmehaushalt des Ozeans in ihre Untersuchungen unter Benutzung eines Klimamodells mit ein:

(Übersetzung eines Teils der Schlussfolgerungen durch den Autor)

Unsere Analyse zeigt dass die simulierten IPO und AMO-Phasen in vernünftigen Maße mit den Beobachtungen übereinstimmen  ……….. zum Beispiel für  IPO+ nehmen der Wärmeinhalt der Oberflächenschicht (100m) und der globalen mittleren Oberflächenlufttemperaturen zu, wogegen der Wärmeinhalt der direkt unter der Oberflächenschicht gelegenen Schicht (subsurface layer, 100-300m) abnimmt.  In entgegengesetzter Weise gilt das gleiche für IPO–. …..Für den AMO haben die globalen mittleren Temperaturänderungen in den oberen 300 m das gleiche Vorzeichen….

Insgesamt, das entgegengesetzte Vorzeichen der OHC Abweichungen zwischen Oberflächen- und den Subsurface -Schichten ereignet sich hauptsächlich im Pazifik als  Folge eines Wechsels der IPO- Phase, nicht aber  der AMO-Phase, in Übereinstimmung mit vielen  vorhergehenden Studien. Unsere Studie schlägt vor, dass die kürzliche Erwärmungspause (Hiatus) vor allem mit der negativen IPO-Phase zusammenhängt, und der AMO hat dabei entweder keine oder nur eine sekundäre Rolle gespielt. Dieser negative IPO sowie die damit verbundenen Änderungen der Oberflächenwinde und der subtropischen Zellen (  Pacific Subtropical Cells (STC’s) sind Ozeanbereiche mit  meridionaler Umwälzströmungsdynamik zu beiden Seiten des Äquators) erzeugen eine Umverteilung der vom Ozean aufgenommenen Wärme, die zu einer Anreicherung von mehr Wärme in den unter der Oberflächenschicht liegenden Zonen und zu einer langsameren Oberflächenerwärmung führt.

(77) untersucht wie sich der Wärmeinhalt der Ozeane im Verlauf der letzten 10 000 Jahre entwickelt hat. (Übersetzung  der Zusammenfassung  durch den Autor)

Die beobachteten Zunahmen des Wärmeinhalts (OHC) und  der Temperaturen der Ozeane sind solide Indikatoren der globalen Erwärmung während der letzten Dekaden. Wir haben hochauflösende Proxy-Aufzeichnungen aus Sedimentkernen (Bohrkerne aus Meeresablagerungen) benutzt, um diese Beobachtungen im Pazifik  auf mehr als 10 000 Jahre vor den Messinstrumentenaufzeichnungen auszudehnen. Wir zeigen dass Wasserschichten des Nordpazifischen und Antarktischen Zwischenwassers (500 – 900 Tiefe), während des Wärmemaximums des mittleren Holozäns um 2.1°C bzw 1.5 °C wärmer als während des letzten Jahrhunderts waren. Beide Wasserschichten waren ca 0.9°C wärmer  während der mittelalterlichen Warmzeit als während der kleinen Eiszeit und um ca 0.65°C wärmer als während der  letzten Dekaden. Obwohl die dokumentierten Änderungen der globalen Oberflächentemperatur während des Holozäns und der christlichen Zeitrechnung sehr klein sind,  die entsprechenden Änderungen des OHC sind groß.

Bild 25: In future work, we will explore how external forcing and internal climate modes interact by using fully coupled twentieth- and twenty-first-century CESM large ensemble simulations together with single forcing simulation possible reason for this is the delayed response of OHC to the IPO (AMO) in other ocean basins, especially in the deeper oceans. Overall, the opposite sign of OHC anomalies between surface and subsurface ocean layers occurs mainly in the Pacific following a change of the IPO phase, but not the AMO phase, consistent with many previous studies (e.g., Meehl et al. 2011,2013b,2016; Kosaka and Xie 2013;England et al. 2014). Our study suggests that the recent global warming slowdown (hiatus) is primarily associated with the negative phase of the IPO, and the AMO may have played either no role or just a secondary role. This negative IPO and the associated changes in surface winds and STCs induce a redistribution of the heat absorbed by the ocean, leading to more heat being deposited into the subsurface ocean and slower surface warming. In future work, we will explore how external forcing and internal climate modes interact by using fully coupled twentieth- and twenty-first-century CESM large ensemble simulations together with single forcing simulation

Bild 25: Änderungen des Ozean-Wärmeinhalts (OHC) während des Holozäns: Rekonstruktion der OHC-Abweichungen im Tiefenbereich von 0-700 m für das frühe Holozän, das mittlere Holozän. die mittelalterliche Warmzeit und die kleine Eiszeit. Die Abweichungen sind in Bezug auf die Referenzperiode 1965-1970 berechnet

Roy Spencer (78) weist darauf hin, dass die angegebenen Fehlerintervalle der OHC-Änderungen in Joule Temperaturänderungen von nur Tausendstel- bis Hundertstel °C entsprechen, und dass es trotz Verbesserung der Messtechnik durch die Argo-Flotte unwahrscheinlich sei, die Temperatur der oberen 2000m Schicht des Ozeans so genau zu kennen.

4.2  External forcing: Einfluss der Sonnenaktivität

4.2.1  Eis-und Warmzeiten

Gegenwärtig ist die Erde in einem Eiszeitalter, dem känozoischen Eiszeitalter. Dieses gliedert sich wiederum in kürzere Abschnitte von Kaltzeiten und Warmzeiten. Das gegenwärtige Holozän, das seit etwa 12.000 Jahren herrscht, ist eine solche Warmzeit innerhalb eines Eiszeitalters. (79)

Bild 26: Die Graphik zeigt den Klimawechsel der Vergangenheit: Zwischen Eiszeiten und Gewächshausklima.

Eine der Hauptursachen für die zyklisch auftretenden Eis- und Warmzeiten sind zyklische Veränderungen der Erdbahn um die Sonne. Durch diese Zyklen verändert sich die Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde. Über diesen Zusammenhang schreibt H.Malberg, emeritierter  Professor für Meteorologie (80):

„Die globale Erwärmung von 1850 bis 2000 beträgt rund 0,6°C (2007) und ist unstrittig […].

Für die Treibhausbefürworter ist der anthropogene Treibhauseinfluss primär für die bisherige und zukünftige Erwärmung verantwortlich; die natürlichen Prozesse in unserem Klimasystem sollen nach ihrer Meinung nur noch eine untergeordnete Rolle spielen […]

In Anbetracht der großen Unsicherheiten der Modellaussagen muss man sich daher fragen, ob der Natur, die Jahrmillionen unser Klima bestimmt hat, wirklich nur noch eine Statistenrolle zukommen kann. Dieses gilt insbesondere für die Sonne. So bestimmt die solare Strahlung nicht nur die Klimazonen der Erde, sondern war auch, „vor 1850“,  für den permanenten Wechsel von Kalt- und Warmzeiten verantwortlich.

 Ein Indikator für die jeweilige Aktivität der Sonne ist die Zahl der Sonnenflecken, also ihrer dunklen Flächen von allgemein 1.000 – 10.000 km Ausdehnung.“ (80)

Ein weiterer Hinweis auf den Zusammenhang zwischen Anzahl der Sonnenflecken und Klima der Erde ist die mittelalterliche Warmzeit zwischen 1100 und 1250, während der in einer Phase erhöhter Sonnaktivität (erhöhte Anzahl der Sonnenflecken) die Wikinger blühende Siedlungen in Grönland („Grünland“) unterhielten (81)

Untersuchungen von Usoskin I.G. et al,  zeigen, dass die Sonnenaktivität im 20. Jahrhundert besonders stark war. (82)

Bild 27: Änderung der Sonnenaktivität während der letzten Tausend Jahre.
In diesem Zeitraum erreicht die Sonnenaktivität im 20. Jahrhundert ein Maximum

Die o.g. Wissenschaftler schreiben (Übersetzung aus dem Englischen durch den Autor):

„Das auffälligste Charakteristikum der vollständigen Sonnenfleckenkurve (Abbildung oben) ist die Einzigartigkeit des steilen Anstiegs der Sonnenfleckenaktivität während der ersten Hälfte des 20.Jahrhunderts. Nie während der 11 Jahrhunderte zuvor war die Sonne annähernd so aktiv. Während der durchschnittliche Wert der rekonstruierten Sonnenfleckenzahl  zwischen den  Jahren 850 und 1900 etwa 30 beträgt  erreicht sie Werte von  60 ab dem Jahr 1900 und 76 von  1944 an […].Der höchste 100 Jahre -Mittelwert  der rekonstruierten Sonnenfleckenzahl vor 1900 ist 44, der im Zeitraum 1140-1240 auftritt, d.h. während der mittelalterlichen Maximums, aber sogar dieser  ist deutlich geringer als das Niveau , das im letzten Jahrhundert erreicht wurde.“

Die untenstehende Grafik zeigt wie die  Zahl der Sonnenflecken ab 1940 deutlich zunimmt, anschließend etwa auf diesem Niveau bleibt , bevor sie um das Jahr 2000 abnimmt  (83 ). Etwa ab dieser Zeit bleibt die Global Mean Surface Temperature etwa konstant (s. oben Hiatus).

Bild 28: Die täglichen Fleckenzahlen der Sonnenaktivität sowie ihr monatlicher und jährlicher Mittelwert.
In rot ist zusätzlich der 5,5-jährige Durchschnitt sowie in blau der 30-jährige Durchschnitt dargestellt.

4.2.2 Einfluß der Sonnenaktivität auf das Erdklima

In den letzten Jahren ist eine sehr grosse Anzahl von Studien über den Einfluss von Sonnenaktivität, Wolkenbildung, Luft und Ozeanströmungen sowie kosmischer Strahlung auf das Klima veröffentlicht worden.. Eine vollständige Aufzählung finden Sie unter (84). Die einzelnen Veröffentlichungen sind mit ihrer Internet-Adressen aufgeführt

Nachstehend ist nur eine sehr beschränkte Auswahl dargestellt. Es war mir aus Zeitgründen nicht immer möglich die Übersetzung aus dem Englischen durchzuführen  ich kann das in Zukunft hoffentlich nachholen.

Die Sonne, die Energiequelle der Erde (85)

 

Der Betrag der Sonnenenergie, den die Erde innerhalb  einer Stunde absorbiert, ist größer als die Energie,  die die  Menschheit weltweit in einem Jahr verbraucht. Der totale Betrag  der Sonnenenergie , der in einem Jahr die Erde erreicht, ist 2 mal  so groß  wie die Energie die jemals auf der Erde existierte, alle Energiequellen wie Kohle, Öl, Naturgas und Uran zusammengenommen.

Die obige Veröffentlichung   erklärt wie im Inneren des Sterns unseres Planetensystems, mit einem mehr als 100 fachen Erddurchmesser,  eine Wasserstofffusionsreaktion abläuft , die im Sonnenkern eine Temperatur  von etwa 16 Millionen Grad Celsius  erreicht.  Nach außen wird diese Energie in Form von elektromagnetische Strahlung (UV, sichtbares Licht und Infrarotstrahlung ) und dem sog. Sonnenwind (Partikelstrahlung) abgegeben. Die Sonne ist komplex  aus  6 Zonen aufgebaut, der Kernzone, der Strahlungszone, der Konvektionszone, der Photosphäre , der Chromosphäre und der Corona. Der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus hängt mit dem Magnetfeld der Sonne zusammen. Dieses Magnetfeld,  der  sog. Magnetische Dynamo der Sonne, wird durch den Fluss von heißen, ionisierten Gasen in der Konvektionszone erzeugt

https://www2.hao.ucar.edu/hao-science/sun-dynamo-0

Die Tachokline ist eine Zone zwischen Strahlungs- und Konvektionszone  mit einem starken Gradienten der Sonnenrotation, die eine wichtige Rolle für das sich zyklisch ändernde Magnetfeld spielt.

4.2.3  Sonne und Meeresoszillationen

Die folgenden Publikationen zeigen einen Zusammenhang zwischen den Atmosphären- und Meeres-Oszillationen und der Sonnenaktivität.

Statistischer Zusammenhang zwischen dem externen Klimaantrieb und den Moden der Ozeanvariabilität (86)

Die Studie (86) untersucht den statistischen Zusammenhang zwischen dem externen Klimaantrieb und den verschiedenen Moden der Variabilität der Ozeane ( ENSO, AMO, PDO, IPO, (Autor) ) im mehrjährigen (3-Jahre Skala) und hundertjährigen (100-Jahre Skala) Zeitmassstab. Es gibt einen belastbaren statistischen Zusammenhang, dass die Atlantische Multidekaden Oszillation (AMO) mit der totalen Sonnenbestrahlungstärke  TSI positiv korreliert ist. Die Stärke dieses Zusammenhangs wird durch das Auftreten von Vulkanausbrüchen moduliert, Die Pazifische  Dekadenoszillation PDO  zeigt keinen Zusammenhang mit der Sonnenaktivität

Beziehung zwischen der solaren Aktivität und den Schwankungen der SST und den atmosphärischen Strömungen in der Stratosphäre und Troposphäre (87)

Eine Analyse der Beziehung zwischen den Variationen der solaren Aktivität  und der Meeresoberflächentemperaturen SST (sea surface temperatures) wurde mit Hilfe statistischer Methoden durchgeführt. Die Analyse des Zusammenhangs zwischen der  Sonnenaktivität und SST zwischen 1901 und 2011 zeigte, dass die Anzahl der Sonnenflecken und SST in vielen geographischen Regionen signifikant positiv korreliert sind . Die Analyse der Beziehung zwischen der solaren Aktivität und dem globalen Klimasystem enhüllte auch Zusammenhänge zwischen den Schwankungen der Sonnenaktivität und den atmosphärischen Strömungen in der Troposphäre.

Nachweis der Wirkung der Sonnenfleckenaktivität auf El Nino/Southern Oscillation (88)

Die Studie findet,dass der El Nino-Index negativ mit der Sonnenfleckenzahl (SSN) korreliert ist , wenn SSN groß während eines längeren Zeitintervalls ist und positiv korreliert, wenn SSN klein ist.

4.2.4  Die Sonne im Laufe der Erdgeschichte

Die folgenden Studien rekonstruieren die Änderung der solare Bestrahlungsstärke  während der letzten Jahrhunderte und Jahrtausende

Entwicklung der solaren spektralen Bestrahlungsstärke seit dem Maunder Minimum (89)

Judith Lean   beschreibt  das Anwachsen der Bestrahlungstärke  der Sonne im Zeitraum von AD 1600 bis 2000. Es werden die spektralen Bestrahlungsstärken  im  UV-Bereich (0.12-0.4 µm), im Sichtbaren (0.4-1 µm) und im IR-Bereich ( 1-100 µm ) angegeben , wie auch die totale  Bestrahlungsstärke (Definition siehe unten).

Das Maunder Minimum war eine Sonnenphase zwischen 1645 und 1715 mit einer sehr geringen Anzahl der Sonnenflecken . Die Periode ging mit einem besonders kühlen Erdklima einher, siehe Bild 15. Seit dem Minimum  hat die totale Bestrahlungsstärke bis 2000 um 0,2-0.24 % zugenommen. Die Variabilität des 11-jährigen Schwabe Zyklus der Sonne beträgt nur 0,05%.

Die totale solare Bestrahlungsstärke (TSI) ist die über alle Wellenlängen (UV, Sichtbar, IR) integrierte Sonnenenergie pro Fläche , gemessen oberhalb der Erdatmosphäre senkrecht zur Strahlungsrichtung.

.

Bild 29 (89)

Gegenüberstellung der Rekonstruktionen

  1. Der totalen solaren Bestrahlungsstärke
  2. Der spektralen Bestrahlungsstärke im UV von 0.12-0.4 µm
  3. Der sichtbaren Strahlung 0.4-1 µm
  4. Der Infrarotstrahlung 1-100 µm.

Auffällig neben dem Maunder Minimum zwischen  1645 und 1715, das Dalton Minimum zwischen 1790 und 1830

Die Sonnenaktivität während der letzten Jahrtausende (90)

Usoskin berichtet, dass die Sonne weit davon entfernt ist eine “ruhige Sonne“ zu sein und in der Vergangenheit verschiedene nicht-stationäre Prozesse durchlaufen hat.

  Er  beschreibt die Schwankungen der Sonnenstrahlung, gemessen in Sonnenfleckenzahlen, über Zeiträume von mehreren Jahren,  mehreren Jahrhunderten bis zu einigen Tausenden von Jahren. Der betrachtete erdgeschichtliche Abschnitt ist das Holozän, also die letzten 11 000 Jahre. Die Hauptcharakteristik der Sonnenaktivität ist der 11-jährige Schwabezyklus während dem die Sonnenfleckenzahl jeweils ein Minimum und ein Maximum durchläuft. Der Schwabezyklus wird als fundamentale Charakteristik des solaren Dynamoprozessses betrachtet (s Wikipedia). https://www2.hao.ucar.edu/hao-science/sun-dynamo-0

Manchmal wird diese quasiperiodische  Schwankung der Sonnenaktivität von Abschnitten stark reduzierter Aktivität, den sog Großen Minima unterbrochen. Neben dem berühmten Maunder Minimum (1645-1715) waren das  Spörer Minimum (1450-1550) und das  Wolf Minimum um das 14.Jahrhundert  andere Grosse Minima der jüngeren Vergangenheit. Unter den längerfristige Zyklen  sind  der Gleissberg-Zyklus (≈ 90 Jahre) und der Suess/deVries Zyklus ( ≈210 Jahre)  die hervorstechendsten,  während der Hallstatt-Zyklus mit etwa 2400  Jahren eine extrem langfristige Modulation der Aktivität darstellt. Für Usoskin haben die Schwankungen  der Sonnenaktivität  einen Anteil  eines  irregulären  Zufallscharakters.

Während des Holozäns hatte der Sonnenzustand während 15-20  % der Zeit  den Charakter ein Großes Minimums,  10-15 % der Zeit den Charakter eines Großes Maximums und zeigte während 70% der Zeit eine gemäßigte magnetische Aktivität. Die ungefähr 25 Großen Minima, die im Holozän rekonstruiert wurden erscheinen tendenzmäßig in Clustern im Abstand von 2000-2500 Jahren (Hallstatt Zyklus) . Innerhalb der Cluster treten   die großen Minima  mit einer Periode von etwa 210 Jahren auf (Suess/de Vries Zyklus).

Nach den Jahren ab 1940 war die Sonnenaktivität stark erhöht . Dieses grosse Maximum dauerte bis etwa 2008.

Bild 30: Sonnenfleckenaktivitätwährend des Holozäns (Daten pro 10 Jahre) nach (90).
Blaue Kreise und rote Sterne zeigen Große Minima bzw Maxima an
.

Entwicklung der Sonneneinstrahlung während des Holozäns (91)

Es wird die totale solare Bestrahlungsstärke (TSI) während des  Holozäns rekonstruiert.

Die Autoren  stellen fest: Bei der  Entwicklung des Erdklimas spielt die Sonneneinstrahlung eine herausragende Rolle. Die  Sonneneinstrahlung kann unter der Annahme reproduziert werden, dass ihre Variabilität mit der Entwicklung der magnetischen Merkmale der Sonnenoberfläche  zusammenhängt . Die Ergebnisse dieser Analyse stimmen mit früheren Rekonstruktionen der Sonnenaktivität (gemessen in Sonnenfleckenzahlen) während des Holozäns hinsichtlich des Auftretens längerer Perioden niedriger und hoher Sonnenaktivität überein (z . B. Usoskin et al. 2007 ). Diese fallen mit Perioden niedriger und hoher TSI zusammen.

Die Autoren  haben  Ähnlichkeiten zwischen der Entwicklung der Sonnenaktivität vom Maunder-Minimum bis zur Gegenwart und einer Episode festgestellt, die vor ungefähr 2800 Jahren beobachtet wurde. Beide Episoden zeigten im Abstand von ca. 300 Jahren Veränderungen der Sonneneinstrahlung von ca. 1,3 W / m 2 .

Bild 31: Rekonstruktionen  der totalen solaren Bestrahlungsstärke während des Holozäns.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die TSI vor etwa 2450 Jahren auf dem Niveau lag, das derzeit beobachtet wird.

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2011/07/aa15843-10/F11.html

4.2.5 Das Klima heute und die Sonne

Der Einfluss der Oszillationen des Sonnensystems  auf die Variabilität der totalen solaren Bestrahlungsstärke (92)

Die Autoren untersuchen den zeitlichen Verlauf der totalen solaren Bestrahlungsstärke (TSI) und versuchen  die gesetzmässigen Eigenschaften der TSI Variabilität  zu bestimmen. Dazu führen sie eine Wavelet-Spektralanalyse durch (s. Wikipedia  https://en.wikipedia.org/wiki/Wavelet ). Dabei ergibt sich, dass die Zeitreihen der TSI und der Sonnenflecken periodische Zyklen aufweisen, die mit den Gezeitenkräften der Planeten auf die Plasmaoberfläche der Sonne zusammenhängen. Diese Gezeitenkräfte werden durch die veränderliche Gravitation der großen Planeten   Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne bestimmt. Man kann das Phänomen als   die Oszillationen des sog. solaren Dynamos (https://www2.hao.ucar.edu/hao-science/sun-dynamo-0 ) verursacht durch die Gravitationskräfte zwischen der Sonne und den großen Planeten verstehen. Die Variabilität der Sonnenstrahlung wird vor allem durch die 12-jährige Umlaufperiode des Jupiters und die 84-jährige Umlaufperiode des Neptuns bestimmt.

Nach dieser Analyse  wird ein determinisches Modell erstellt, das es erlaubt die Variabilität der Sonnenstrahlung des Zeitraums vom Jahre 1000 bis heute zu rekonstruieren. Die so berechneten Minima stimmen mit den bisherigen Erfahrungswerten (Messungen und Rekonstruktionen) gut überein. So ergibt sich z.B. eine 210 Jahre Variabilität die mit dem de Vries/Suess Zyklus übereinstimmt. Die Variation des TSI Niveaus ist allerdings allein nicht ausreichend die beobachteten Änderungen der globalen Erderwärmung zu erklären. Neben dem Einfluss der direkten sichtbaren Strahlung gibt es jedoch verschiedene indirekte Effekte der Sonneneinwirkung, wie die Ozonerzeugung in der Atmosphäre durch Änderung der Sonnen-UV-Strahlung oder den Einfluss auf die Wolkenbildung durch die Modulation der kosmischen Strahlung durch den Sonnenwind. Für die Zukunft berechnet das deterministische Simulationsmodel  ein Minimum der Sonnenaktivität für den Zeitraum 2025 bis 2065, siehe auch (93).

Die Änderung der Meeresoberflächentemperatur (SST) im nördlichen Südchinesischen Meer während der letzten 2000 Jahre und mögliche Zusammenhänge mit der Bestrahlungsstärke der Sonne (94)

Die chinesischen Wissenschaftler aus Hong Kong, Taiwan und der Volksrepublik stellen u.a.  fest, dass in den letzten 2000 Jahren das Änderungsmuster der Wasseroberflächentemperatur (SST) des nördlichen Südchinesischem Meeres den Änderungen der totalen solaren Bestrahlungsstärke (TSI) folgt.

Korrelation zwischen der Sonnenfleckenzahl ,der totalen solaren Bestrahlungsstärke und der Bestrahlungsstärke am Boden (95)

Die Studie vergleicht die über alle Wellenlägen integrierte solare Bestrahlungsstärke  oberhalb der Atmosphäre  (TSI) mit dem am  Boden gemessenen Wert. Dabei zeigt sich, dass Änderungen der Sonnenaktivität („gemessen“ in Sonnenfleckenzahlen) durch die Atmosphäre verstärkt werden. Die Autoren vermuten einen Zusammenhang zwischen der Transparenz der Atmosphäre und der Sonnenaktivität. Der Sonnenwind moduliert die Intensität der kosmischen Strahlung und damit die Wolkenbildung. Eine Fourier Analyse der Bestrahlungsstärke am Boden zeigt ähnliche Frequenzen wie der Strahlungsfluss der auf der Erde gemessenen kosmischen Strahlung.

Eine Analyse des Klimaantriebs aufgrund der Mittelenglischen Temperaturaufzeichnungen (CET) (96)

Die mittelenglische Temperaturaufzeichnung (CET)  ist die älteste auf Messinstrumenten beruhende Temperaturaufzeichnung und überdeckt den Zeitraum von 1659 bis heute (2017). Die Temperaturänderung von 0.8°C zwischen dem Maunder Minimum im späten 17. Jahrhundert und dem Beginn der industriellen Entwicklung im mittleren  bis späteren 18.jahrhundert (etwa 1760) kann durch Schwankungen der Sonnenenergie  (TSI) allein erklärt werden . Auf dieser Basis kann man abschätzen, dass etwa ein Drittel des Temperaturanstiegs seit dem Beginn der industriellen Revolution  dem atmosphärischen CO2- Anstieg zugerechnet werden kann , und somit  der menschengemachte  Anteil der globalen Erwärmung  bis zum Ende des 20. Jahrhunderts  0.4 bis 0.5 °C beträgt.

Ansprechempfindlichkeit von atmosphärischen CO2 auf Emissionen von fossilen Brennstoffen (97)

Munshi(97) stellt fest , dass eine Schlüsselhypothese des menschengemachten Klimawandels eine Kausalität zwischen der jährlichen CO2 Emission durch fossile Brennstoffe und der jährlichen Änderung des CO2-Gehalts der Atmosphäre darstellt. Seine Arbeit untersucht diesen Zusammenhang . Er findet, dass eine trendbereinigte  Korrelationsanalyse  zwischen  jährlichen Emissionsdaten und jährlicher Änderung des CO2-Gehalts der Atmosphäre keinen statistisch relevanten Zusammenhang ergibt.

Globale Erwärmung: Verwechseln wir Ursache und Wirkung? (98)

Die Untersuchungen von   Khilyuk und Chilingar ,veröffentlicht in 2003, ergeben, dass die gegenwärtige globale Erwärmung nicht aufgrund der Zunahme der Treibhausgase erfolgt, sondern vielmehr  wegen der zunehmenden Sonnenaktivität. Nach den Autoren gibt es   keinen  Grund für einen radikalen Stop der menschengemachten  Kohlendioxid Emissionen, so wie sie im Kyoto Protokoll von 1997 gefordert ist.  Die steigenden globalen Temperaturen treiben große Volumina von CO2 aus den Ozeanen in die Atmosphäre aus . Die Autoren kommentieren, dass “ Ursache“ und „Wirkung“ des Phänomens der globalen Erwärmung von vielen Wissenschaftlern falsch verstanden werden..

Der grundsätzliche Fehler, der auf elektromagnetischer Strahlung beruhenden Theorie der globalen Erwärmung ist, dass die Wärmeübertragung in der Atmosphäre durch Konvektion unberücksichtigt bleibt.

4.2.6 Die verschiedenen Mechanismen der Sonnenwirkung auf das Klima: Wasserdampf, Wolken und kosmische Strahlung

Einige Veröffentlichungen weisen ausdrücklich darauf hin, dass der Wasserdampf das wichtigste atmosphärische Treibhausgas ist. Er macht allein  etwa 2/3 des natürlichen Treibhauseffekts aus. Die Annahme vieler Szenarienrechnungen des IPCC ist, dass der Wasserdampf-Treibhauseffekt den CO2-Treibhauseffekt verstärkt, man spricht von einer positiven Rückkopplung (22).

Bei einer linearen positiven Rückkopplung würde z.B. eine minimale Temperaturerhöhung durch CO2 zur Verdampfung von Wasser aus den Ozeanen führen, welches wiederum, wie oben beschrieben, zu einer weiteren Temperaturerhöhung führt. Vereinfacht führt ein solcher Prozess anfänglich zu einem sehr starken Temperaturanstieg und liefert eine grundsätzliche Erklärung, warum geringe Erwärmungen von einigen Zehntel Grad, wie wir sie zur Zeit messen, in Zukunft theoretisch zu Temperaturerhöhungen von mehr als 5° führen können, wie sie vom IPCC in bestimmten Szenarien angekündigt worden waren.

Der Hauptgrund, dass die Klimamodelle mit ihren Voraussagen des Temperaturanstiegs meist über der Realität liegen ist nach  Roy Spencer (99) dass die positive Rückkopplung in den Klimamodellen als zu stark angenommen, möglicherweise das Vorzeichen der Rückkopplung sogar falsch ist (also negative Rückkopplung) (s.a. (24))

In (99a) stellt die Max–Planck-Gesellschaft  fest:

 „Die seit dem 17. Jahrhundert beobachtete Erderwärmung hätte demnach (nach neuen Klimamodellen) eine bis zu fünffach stärkere Sonnenaktivität erfordert. „Die Einflüsse des Menschen müssen im letzten Jahrhundert also weitaus größer gewesen sein als die der Sonnenaktivität“, interpretiert der Max-Planck-Wissenschaftler Henk Spruit die Ergebnisse. Die Forscher schließen allerdings nicht aus, dass ultraviolette Strahlung der Sonne zum Klimawandel beiträgt – dazu existieren bislang noch keine zuverlässigen physikalischen Modelle. (Nature, 14. September)“

Der Däne H. Svensmark schlägt einen Wirkungsmechanismus vor, der die Änderung der Sonnenaktivität verstärken würde und so eine mögliche Erklärung für den globalen Temperaturanstieg vor allem durch die Sonne liefern würde. Die kosmische Strahlung aus dem Weltraum erzeugt in der Erdatmosphäre Kondensationskeime für die Wolkenbildung. Bei starker Sonnenaktivität verhindert jedoch der Sonnenwind das Auftreffen der kosmischen Strahlung auf die Erdatmosphäre und damit die Wolkenbildung und verstärkt somit die Erderwärmung (100).

Die infrage kommenden Einflussmöglichkeiten der Sonne auf das Klima werden in den folgenden wissenschaftlichen Arbeiten näher betrachtet.

Direkte und indirekte Mechanismen der Sonneneinwirkung (101)

Solar Influence on Climate

Die Autoren in  stellen fest, das es zunehmend Hinweise gibt, dass die Variabilität  des  11-jährigen Sonnenzyklus  Auswirkungen auf die  Erde hat und Wetter und Klima beeinflusst. Obwohl die direkte Änderung durch die Sonnenstrahlung TSI  klein ist, sind eine Anzahl von Mechanismen vorgeschlagen worden die die Sonnenwirkung verstärken können, so dass schließlich regional Effekte auftreten können, die viel größer als erwartet sind

Es gibt mehrere vorgeschlagene Mechanismen wie der 11-jährige Sonnenzyklus (SC) das Erdklima beeinflussen kann, wie in der untenstehenden Abbildung wiedergegeben.

Diese Mechanismen umfassen  (a) den direkten Einfluss der totalen solaren Bestrahlungsstärke (TSI); (b) den direkten Einfluss der Variationen der Sonnenaktivität durch Absorption der UV-Strahlung in der oberen Stratosphäre verstärkt durch den Rückkopplungseffekt  der Erzeugung von Ozon,  einem Klimagas; (c)  den indirekten Einfluss durch die Änderung des Strahlungsflusses des Sonnenwinds  (SEP solar energetic particles) in höheren geomagnetischen Breiten . Wenn die Protonen des Sonnenwinds die obere Atmosphäre bombardieren brechen sie die Moleküle von Gasen wie Stickstoff N2 oder Wasserdampf H2O in Atome auf, die dann mit Ozon-Molekülen reagieren und die Ozon-Schicht reduzieren (d) den indirekten Einfluss der Änderung der Ionen-und Wolkenerzeugung durch die galaktische kosmische Strahlung (GCR) in der Troposphäre .

Bild 32: Schematische Darstellung des Sonneneinflusses auf das Klima, aufgeschlüsselt nach der totalen
solaren Bestrahlungsstärke (TSI), UV Strahlung (UV), solare Niedrigenergiepartikel (S
EP)
und galaktische kosmische Strahlung (GCR)

Erhöhte Ionisation unterstützt das Wachsen von Aerosolen zu Kondensationskeimen von Wolken (102)

In dieser Studie wird der Einfluss von kosmischer Strahlung auf die Ionisierung  und somit auf die Wolkenbildung der Atmosphäre untersucht. Die Forscher finden eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie und stellen fest, dass der Massenfluss der Ionen einen wesentlichen zusätzlichen Beitrag zur Kondensation der neutralen Aerosol-Moleküle darstellt.

Korrelation zwischen der Solarkonstanten, der Sonnenaktivität und der kosmischen Strahlung (103)

Die Studie zeigt eine  negative Korrelation zwischen der Sonnenfleckenzahl   und dem Teilchenfluss der kosmischen Strahlung auf . Die kosmische Strahlung wird durch die Schwankungen des Sonnenwindes, d.h. der Sonnenaktivität, moduliert. Wenn die Sonnenaktivität abnimmt, nimmt der Fluss der kosmischen Strahlung und damit die Wolkenbedeckung der Erdatmosphäre zu. Die Zunahme der Wolkenbedeckung verursacht eine Abnahme der totalen Sonnenbestrahlungsstärke  am Erdboden.

Trends in der Veränderung der Sonnenstrahlung am Boden bei Satellitenmessungen und Bodenmessungen in Europa zwischen 1983 und 2010. (104)

Die Forschungsarbeit untersucht für Europa die Entwicklung der totalen Bestrahlungsstärke der Sonne am Boden (SSR). In den Jahren 1950 bis 1980 wurde eine Verringerung der SSR  (dimming) beobachtet, gefolgt von einer Zunahme (brightening) seit Mitte der 1980er Jahre. Die mittlere Zunahme der SSR über ganz Europa in diesem Zeitraum  beträgt wenigstens 2 W/m2 pro Dekade. Dieses  Anwachsen wird mit einer Abnahme des Nettostrahlungseffekts der Wolken (Wolkenstrahlungsantrieb) interpretiert. Der Wolkenstrahlungsantrieb hat heute im globalen Mittel   mit ungefähr  -13 W/m2  eine abkühlende Wirkung hat. (Der Wolkenstrahlungsantrieb beschreibt die Differenz der Strahlungsbilanz der Erde (einfallende minus emittierte  Strahlung) ohne und mit Bewölkung.)

https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_forcing

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