Transcript Über die Einflüsse der Sonne auf das Klimasystem der Erde Martin Dameris Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen.

Über die Einflüsse der Sonne auf das
Klimasystem der Erde
Martin Dameris
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen
Jüngste Beispiele aus Focus-/Spiegel-online:
Klimawandel: Skeptiker versus Forscher
Streit um die Temperaturentwicklung
Rätselhafte Sonnenaktivität
Das Schwächeln der Sonne
Forscherstreit um die Sonne
Sonne ohne Flecken:
Aufnahme der Sonde "SOHO" vom 6. Juli 2009
(SOHO: Solar and Heliospheric Observatory)
Institut für Physik der Atmosphäre
Was sind die derzeit aktuellen Fragen?
 Inwieweit ist der letzte Sonnenaktivitätszyklus
außergewöhnlich?
 Welche Bedeutung hat das anhaltende
Sonnenaktivitätsminimum auf das Klima bzw. die
Chemie der Atmosphäre (Ozonschicht)?
 Bekommen wir ein neues Maunder Minimum?
 Welche Konsequenzen hätte ein neues Maunder
Minimum auf das Klima?
Institut für Physik der Atmosphäre
Was bestimmt unser Klima?
 Einstrahlung der Sonne
 Konzentration von Treibhausgasen (natürliche und anthropogene) und
anderer strahlungsaktiver Substanzen
 Orographie, Land-See-Verteilung, Bodeneigenschaften
 Vulkanausbrüche
 ...
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung Variation der Erdbahnparameter
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung Variation der Erdbahnparameter
Institut für Physik der Atmosphäre
Temperaturänderung
CO2-Mischungsverhältnis [ppmv]
Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung Variation der Erdbahnparameter
Jahre v.h.
Institut für Physik der Atmosphäre
Solare Strahlung [Wm-2]
Zeitliche Variabilität der solaren Strahlung Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus
Jahr
http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant
Institut für Physik der Atmosphäre
Variabilität der solaren Einstrahlung [%]
Spektrale Verteilung und Variabilität der Sonnenstrahlung
Wellenlänge [nm]
Institut für Physik der Atmosphäre
Lean et al., 1997
11-jähriger Sonnenzyklus:
Änderungen des Ozongehalts (Messungen)
SBUV/SBUVII (1980-1997)
6%
Höherer Ozongehalt in der
oberen Stratosphäre infolge
stärkerer UV-Strahlung bei
hoher Sonnenaktivität.
Institut für Physik der Atmosphäre
Hood (2004)
11-jähriger Sonnenzyklus:
Änderungen der Temperatur (Messungen)
SSU/MSU4 (1979-2003)
+0.8 K
Bei hoher Sonnenaktivität ist
die Stratosphäre wärmer als
bei niedriger Sonnenaktivität.
+0.25 K
Institut für Physik der Atmosphäre
Scaife et al. (2000); update Bill Randel
Strahlungsantrieb: Maßstab für den Einfluss, den ein einzelner Faktor
auf die Veränderung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre hat
+0.25 Wm-2
Institut für Physik der Atmosphäre
Strahlungsantrieb [Wm-2]
Strahlungsantrieb [Wm-2]
+2.4
seit 1750
Wm-2
Temperaturabweichung [°C]
(a) natürliche Antriebskräfte
(b) anthropogene Antriebskräfte
Jahr
Jahr
Temperaturabweichung [°C]
Temperaturabweichung [°C]
Simulationen mit Klimamodellen für IPCC
(c) alle Antriebskräfte
Jahr
Institut für Physik der Atmosphäre
Volumenmischungsverhältnis
CH4 und Cly [ppbv]
Volumenmischungsverhältnis
CO2 und N2O [ppmv]
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:
Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly)
Jahr
Institut für Physik der Atmosphäre
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:
Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus
10.7 cm Radiofluss [10-22 Wm-2]
350
300
250
200
150
100
50
1950
2007
Jahr
Agung
El Chichón Pinatubo
Institut für Physik der Atmosphäre
Entwicklung der globalen mittleren Jahrestemperatur in der
unteren Stratosphäre (20 km)
Anomalie [°C]
Beobachtung:
0.77 °C/Dek.
CCM-Mittelwert:
0.64 °C/Dek.
Jahr
Institut für Physik der Atmosphäre
WMO, 2007
Variabilität und Trend der Temperatur in der Stratosphäre
Linearer Trend
Trend + Sonnenzyklus +
Vulkane
Sonnenzyklus
Vulkane
 "stufenweise" Abkühlung
der unteren
Stratosphäre
(siehe auch Dall'Amico et al., 2009)
Institut für Physik der Atmosphäre
Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050)
Ozonanomalie [DU]
60°N - 60°S
Jahr
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009; Dameris, 2010
Solare Aktivitätszyklen
18
19
Institut für Physik der Atmosphäre
Solare Aktivitätszyklen
20
21
Institut für Physik der Atmosphäre
Solare Aktivitätszyklen
22
23
Institut für Physik der Atmosphäre
Solare Aktivitätszyklen (Schwabe: ~11 J.; Gleissberg: ~ 80-90 J.)
Institut für Physik der Atmosphäre
Solare Aktivitätszyklen
Institut für Physik der Atmosphäre
Aktuelle Situation (11. Juni 2010)
Institut für Physik der Atmosphäre
Einfluss des Maunder Minimums auf das Klima
A. P. van de Venne: „Winter“ Gemäldegalerie Berlin, SMPK
Waren die Winter in NW Europa kälter im 17. Jahrhundert ?
Institut für Physik der Atmosphäre
400 Jahre Sonnenfleckenbeobachtung
~1770-1790
Grand maximum
~1645-1715
Zunahme der TSI von 1600 bis heute: ~2,8 Wm-2 (0,2 %) (Lean, 2000)
Institut für Physik der Atmosphäre
Klima während des Maunder Minimum
Nordhemisphärische Anomalien der Bodentemperatur aus Proxydaten
Beobachtungen
Maunder Minimum
(Palmer, 2002)
Rekonstruktion der NH Bodentemperatur:
0.6 - 1.0 °C niedriger als die Referenzperiode 1901-1950
Institut für Physik der Atmosphäre
Solare Variabilität
11-jähriger Sonnenfleckenzyklus
Maunder Minimum
>50% in 121,6 nm (Lyman-α)
5-12% in 175-240 nm
5-8 %
3-5% in 240-260 nm
• 0.1 %
• 3-5 %
• 5-12 %
• > 50 %
change in TSI
change at 240-260 nm
change at 175-240 nm
change at 121,6 nm
• 0.2 %
• 1%
• 6%
• 15 %
Lean et al., 1997
Institut für Physik der Atmosphäre
change in TSI
change at 300-400 nm
change at 210-250 nm
change at 280 nm
Lean, 2000
FUB-CMAM: Temperaturanomalien in MM
NH, 1000 hPa, Jahresmittel
FUB-CMAM:
Proxy data:
T = -0.86°C
T = -0.6 to -1°C
Palmer, 2002
FUB-CMAM:
NW-Europa: Proxy data:
T = -1°C
T = -1 to -1.5°C
Pfister, 1992
NH:
Institut für Physik der Atmosphäre
Langematz et al., 2005
Neue Publikationen zu dem Thema!
Institut für Physik der Atmosphäre
Feulner und Rahmstorf (2010): Beschreibung der Simulationen
CLIMBER-3 (Klimamodell mit Ozean-GCM sowie LandOberflächenwechselwirkungen einschließlich Vegetation):
6 Modellsimulationen
1. IPCC A1B/A2 11-jähriger Sonnenzyklus wiederholt bis
2100
2. IPCC A1B/A2 "grand minimum"
3. IPCC A1B/A2 "grand minimum (low irradiance)"
Institut für Physik der Atmosphäre
Feulner und Rahmstorf (2010): Ergebnisse
Sonnenaktivität
(Reiner et al., 2004)
Institut für Physik der Atmosphäre
Feulner und Rahmstorf (2010): Ergebnisse
4.5°C (A2)
3.7°C (A1B)
Temperaturanomalien
relativ zum Zeitraum
1961-1990
-0.1°C für GM
bzw.
-0.26°C für GMli.
Grand Minimum (GM)
 TSI (1-0.08%)
Grand Minimum (low
irradiance) (GMli)
 TSI (1-0.25%)
Institut für Physik der Atmosphäre
Feulner und Rahmstorf (2010): Ergebnisse
Difference of annual mean surface
temperatures between a new grand
minimum (TSI 0.08% below 1950) in the 21st
century and a continued cyclic solar activity
for the IPCC A1B scenario. Temperatures
are averaged over the period 2071-2100.
Difference of annual mean surface
temperatures between a future grand
minimum under the A1B scenario and the
historic Maunder Minimum. Averages are
performed over the periods 2071-2100 and
1681-1710, respectively.
Institut für Physik der Atmosphäre
Feulner und Rahmstorf (2010): Zusammenfassung
Für das Jahr 2100 (hier: IPCC Szenarien A1B, A2) wird eine moderate Abkühlung von nicht mehr als -0.3°C gefunden für Maunder Minimum
ähnliche Bedingungen relativ zu Bedingungen mit einer Sonnenaktivität
vergleichbar zu der in den vergangenen Dekaden.
Dies ist gering im Vergleich zu einem berechneten Temperaturanstieg bis
zum Ende dieses Jahrhunderts von 3.7-4.5°C relativ zu 1961-1990 unter der
Annahme der IPCC A1B und A2 Emissionsszenarien.
Ein zukünftiges "großes" Sonnenaktivitätsminimum kann die erwartete
globale Erwärmung durch erhöhte Treibhausgaskonzentrationen nicht
ausgleichen.
Institut für Physik der Atmosphäre
Song et al. (2010): Beschreibung der Simulationen
Idealisierte Gleichgewichtssimulationen über 50 Jahre
(NCAR CAM3, coupled with a mixed-layer slab ocean model)
Vorindustrielle Bedingungen vs. IPCC B1 Szenario
 jeweils zwei Simulationen:
1. Kontrollsimulation
TSI = 1367 Wm-2
2. Maunder Minimum Simulation TSI(1-0.2%) = 2,7 Wm-2
Institut für Physik der Atmosphäre
Song et al. (2010): Vorindustrielle Bedingungen
PIMM:
Preindustrial
Maunder Minimum
PICTL:
Preindustrial
Control simulation
Global gemittelte Abkühlung: 0.35°C
Institut für Physik der Atmosphäre
Song et al. (2010): IPCC "B1" Szenario
B1MM:
IPCC B1 scenario
Maunder Minimum
B1CTL:
IPCC B1 scenario
Control simulation
Global gemittelte Abkühlung: 0.25°C
Institut für Physik der Atmosphäre
Song et al. (2010): Zusammenfassung der Ergebnisse
Der globale, jahresgemittelte Abkühlungseffekt beträgt aufgrund einer um
0.2% reduzierten solaren Einstrahlung (MM-CTL)
- 0.25°C im IPCC B1 Szenario und
- 0.35°C im vorindustriellen Szenario.
Die regionalen Temperaturänderungen sind jedoch in einem wärmeren
Klima viel größer. (Hier: deutlich verstärkte negative NAO.)
Die Reduzierung des globalen Abkühlungseffekts in einem wärmeren Klima
kann einer unterdrückten Seeeis-Strahlungsrückkopplung
zugeordnet werden.
Institut für Physik der Atmosphäre
Was wird vorhergesagt?
Wann gibt es das nächste "grand minimum"?
Analysen von Grönländischen Eisbohrkernen zeigen, dass in den letzten
10.000 Jahren das längste "grand maximum" solarer Aktivität etwa 95 Jahre
andauerte. Da das derzeitige "grand maximum" seit etwa 70 Jahren besteht
ist es wahrscheinlich, dass im Verlauf dieses Jahrhunderts ein "grand
minimum" kommen wird (Abreu et al., 2008).
Vorhersagen auf der Grundlage von statistischen Charakteristika der
Sonnenaktivität sowie der nicht-linearen Physik des solaren Dynamos, der
das Magnetfeld erzeugt, ergeben ein Ende des "grand maximum" des 20.
Jahrhunderts und ein Übergang zu geringerer Sonnenaktivität gefolgt von
einem "grand minimum" am Ende des 21. Jahrhunderts (de Jager and
Duhau, 2009).
Institut für Physik der Atmosphäre