Sonne

Strömung im Ostchinesischen Meer schwappte im solaren Millenniumstakt: Erwärmung des 20. Jahrhunderts noch immer innerhalb der natürlichen Schwankungsbreite

Ist die Erwärmung des 20. Jahrhunderts als ungewöhnlich einzustufen oder bewegt sie sich noch immer innerhalb der natürlichen Schwankungsbereich der letzten 2000 Jahre? Dies ist eine der wichtigsten Fragen auf die die heutigen Klimawissenschaften noch eine Antwort suchen. Die Beantwortung dieser Frage gilt als Voraussetzung für eine realistische Abschätzung des menschengemachten und natürlichen Anteils an der beobachteten Erwärmung der vergangenen 150 Jahre.

Ein chinesisches Team um Weichao Wu von der Universität Peking hat in diesem Zusammenhang kürzlich die Klimageschichte des Ostchinesischen unter die Lupe genommen. Die Studie wird in den Geophysical Research Letters erscheinen und befindet sich derzeit im Druck [Update 30.7.2012: hier die endgültige Version]. Das Ostchinesische Meer liegt zwischen China, Südkorea und Süd-Japan (Abbildung 1). Durch den Ostteil des Meeres zwängt sich der große Japanstrom, auch Kuroshio genannt, der warmes Wasser nordwärts transportiert (Abbildung 2).

Abbildung 1: Lage des Ostchinesischen Meeres.  Urheber: Jong-on at de.wikipedia / Lizenz:  GNU-Lizenz für freie Dokumentation, Version 1.2 oder einer späteren Version.

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Zehntausend Jahre Klimaachterbahn im Nordatlantik: Südlich von Island schwankten die Temperaturen stets um ein Grad

Eine der Hauptfragen in den heutigen Klimawissenschaften ist die Unterscheidung von natürlichen und menschengemachten Temperaturschwankungen. Seit dem Höhepunkt der Kleinen Eiszeit vor 300 Jahren ist die globale Durchschnittstemperatur um etwa ein Grad angestiegen. Wieviel geht hiervon auf das Konto des Menschen? Hat es in der vorindustriellen Vergangenheit eigentlich bereits Temperaturschwankungen in vergleichbarer Größenordnung gegeben?

Im Jahr 2009 veröffentlichte eine britische Forschergruppe von der University of Cambridge um David Thornalley in der Zeitschrift Nature eine interessante geologische Studie zur atlantischen Klimaentwicklung aus einem Meeresgebiet südlich von Island. Die Wissenschaftler rekonstruierten dabei die Wassertemperaturen und andere Ozeanparameter für die vergangenen 10.000 Jahre. In diesem Gebiet treffen warme, salzhaltige Strömungen aus dem Süden kommend ein, die sich auf ihrem Weg abkühlen, absinken und dann als kalte Tiefenströmung wieder Richtung Süden zurückfließen. Dieses ozeanische Wasserförderband wird auch als „Atlantic meridional overturning circulation“, kurz AMOC bezeichnet. Die AMOC muss als eine Art Wärmepumpe verstanden werden, die Wärme aus den äquatornahen Gebieten in die polar Region transportiert und dabei einen Austausch zwischen Oberflächen- und Tiefen-Wässern herstellt.

Die Forschergruppe untersuchte in ihrer Studie einen Bohrkern, der aus fast 2 km Wassertiefe aus dem Meeresboden gewonnen wurde und die Klimageschichte der Nacheiszeit für diese Region archiviert. Die geschichtliche Entwicklung von Temperaturen und Salzgehalten rekonstruierten die Forscher anhand von Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung von kalkigen Gehäusen fossiler Einzeller. Zu diesem Zweck bestimmten die Wissenschaftler Magnesium-Kalzium-Verhältnisse und die Sauerstoff-Isotopen-Zusammensetzung an den Schalen von zwei planktonischen Foraminiferen-Arten. Dabei wählten die Briten Foraminiferen aus, die in unterschiedlichen Wassertiefen lebten, so dass sie neben Meeresoberflächen-nahen Werte auch die Entwicklung in einer tieferen Wasserschicht bestimmen konnten. Das Alter der geologischen Schichten wurde auf Basis der Radiokarbonmethode ermittelt.

Thornalley und seine Kollegen stellten fest, dass die Temperaturen und Salzgehalte während der vergangenen 10.000 Jahre in charakteristischer Art und Weise im Millenniumstakt schwankten. In ähnlicher Weise variierte die Schichtung der oberen Wassersäule. Offensichtlich unterlag die atlantische Wasserwalze zyklischen Änderungen mit wechselnd starkem Zufluss von warmem Süd-Wasser. Die vor Island rekonstruierten Temperaturen variierten dabei um etwa ein Grad Celsius. Dieser natürliche Änderungsbetrag entspricht größenordnungsmäßig in etwa den Schwankungen die wir seit der Kleinen Eiszeit bis heute erlebt haben. 

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Licht lässt Partikel wachsen – Forscher entdecken neuen Mechanismus in der Atmosphäre

Eines der großen Rätsel in den Klimawissenschaften ist die Klimawirkung der Sonne. In den aktuellen Klimamodellen des IPCC spielen Sonnenaktivitätsschwankungen kaum eine Rolle. Ein Blick auf die geologischen Daten der letzten 10.000 Jahre zeigt jedoch, dass dies nicht stimmen kann, denn Klima und Sonne waren stets eng aneinander gekoppelt und bewegten sich überraschend synchron zueinander. Offensichtlich muss es also „Solarverstärker-Prozesse“ geben, die in den IPCC-Formeln bislang nicht berücksichtigt worden sind.

Derzeit gibt es zwei wichtige Solarverstärker-Kandidaten, die auch parallel zueinander wirken könnten. Zum einen ist hier ein Effekt über die UV-Strahlung in der Stratosphäre (siehe S. 229-231 in „Die kalte Sonne“). Zum anderen wird eine schwankende Wolkenbedeckung diskutiert, die vom Sonnenmagnetfeld über die kosmische Strahlung gesteuert wird. Der zuletzt genannte Prozess wurde vor mehr als einem Jahrzehnt vom dänischen Physiker Prof. Henrik Svensmark vorgeschlagen (siehe Kapitel 6 und Svensmark-Gastbeitrag in „Die kalte Sonne“). Mittlerweile gibt es hierzu eine beeindruckende Indizienkette, wenn auch noch nicht jeder einzelne physikalische Schritt bis ins letzte Detail verstanden ist. Gesichert sind momentan u.a. folgende Teilschritte:

(1) Das Sonnenmagnetfeld schwankt parallel zur Sonnenaktivität.

(2) Das Sonnenmagnetfeld schützt die Erde vor kosmischer Strahlung, einem Teilchenregen aus dem Weltall.

(3) Innerhalb eines 11-Jahres-Sonnenfleckenzyklus schwankt auf diese Weise die kosmische Strahlung um 20%, gegenüber nur 0,1% bei der Gesamtstrahlung der Sonne.

(4) Phase 1 des kürzlichen CERN-Experiments hat gezeigt, dass durch kosmische Strahlung vermehrt kleine Aerosol-Teilchen in der Atmosphäre entstehen.

Nun ist die Wissenschaft an der Stelle angekommen, wo es darum geht, ob diese kleinen Teilchen zu größeren anwachsen können, die dann als Wolkenkondensationskeime dienen würden. Die Teilchen müssen nämlich eine Mindestgröße von 50 Nanometern besitzen, sonst können sich keine Wolkentröpfchen darum bilden. Und ohne Wolken würde der ganze Svensmark-Solarverstärkerprozess nicht funktionieren.

Eines der Probleme ist, dass die mühsam am Tag unter Einwirkung der Sonnen-UV-Strahlung angewachsenen Teilchen gemäß den theoretischen Modellen nachts eigentlich wieder zerfallen müssten. Im März 2012 konnte das Svensmark-Team zeigen, dass dies jedoch in der Realität nicht der Fall ist. Die kosmische Strahlung erzeugt offenbar Elektronen, die die Schwefelsäureproduktion auch nachts zu einem gewissen Maße aufrechterhält (siehe unser Blogartikel „Henrik Svensmark schließt eine weitere Lücke in seinem Solarverstärker“).

Aber die Wissenschaft verfolgt auch eine andere heiße Spur: Gibt es vielleicht zusätzliche chemische Prozesse, die in den bisherigen Modellen bislang unberücksichtigt geblieben sind? Ja, es scheint sie in der Tat zu geben. Im Mai 2012 veröffentlichte eine französisch-deutsch-israelische Forschergruppe um Maria Eugenia Monge von der Universität Lyon im Fachmagazin PNAS eine Studie, in der sie einen ganz neuen Mechanismus zum Partikelwachstum beschreiben. In einer Pressemitteilung des am Projekt beteiligten Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung werden die aufsehenerregenden Ergebnisse wie folgt zusammengefasst (Fettsetzung wurde ergänzt): 

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