Was bewirkt den Klimawandel? Die Sonne, das Sonnensystem und die Galaxis

Überall dort, wo historische und geologische Aufzeichnungen von CO2-Veränderungen nicht mit den Temperaturänderungen zusammenpassen, stimmen Aktivitätsschwankungen der Sonne, Eigenschaften des Sonnensystems und die Position der Sonne in der Galaxis sehr gut mit den Klimaänderungen und anderen Fluktuationen überein. In verschiedenen Zeiträumen ist dies deutlich erkennbar.

Abbildung 1. Drei unterschiedliche Temperaturaufzeichnungen – der Durchschnittstemperatur in den USA, der Durchschnittstemperatur in der Arktis und der globalen Durchschnittstemperatur — während des letzten Jahrhunderts zeigen den gleichen allgemeinen Trend: Erwärmung in der ersten Jahrhunderthälfte, Sonneneinstrahlung A Abschwächung oder Abkühlung zwischen den 1940er und 70er Jahren, gefolgt von erneuter Erwärmung, die bis etwa zur Jahrhundertwende anhielt. Dies deckt sich mit allgemeinen Veränderungen der Sonnenaktivität, gemessen durch das auf die Erde auftreffende Sonnenlicht (oben), nicht aber mit Veränderungen der CO2-Emissionen (unten).

Im Zeitraum des letzten Jahrhunderts decken sich Schwankungen der Sonnenaktivität mit Veränderungen der Erdtemperatur (die deutlich von den Trends der CO2-Emissionen abweicht). Dies zeigt sich an Messungen der Durchschnittstemperatur in den USA, der Durchschnittstemperatur in der Arktis und der globalen Durchschnittstemperatur im Vergleich mit Änderungen der Sonnenaktivität (Abbildung 1). Von etwa 1900 bis etwa zur Mitte des Jahrhunderts nahm die Temperatur zu – als die CO2-Emissionen relativ niedrig lagen, aber die Sonnenaktivität im Zunehmen war. Etwa von den 1940er Jahren bis Mitte der 1970er Jahre blieben die Temperaturen etwa gleich oder gingen sogar etwas zurück – entsprechend der nachlassenden Sonnenaktivität, aber nicht übereinstimmend mit dem beschleunigten Anstieg der CO2-Emissionen. Die Erwärmung von Mitte der 1970er Jahre bis zum Ende des Jahrhunderts deckt sich sowohl mit der zunehmenden Sonnenaktivität als auch den zunehmenden CO2-Emissionen, doch seit der Jahrhundertwende haben die Sonnenaktivität und mit ihr die Temperaturen nachgelassen (während die CO2-Emissionen weiter anstiegen).

Es wird argumentiert, die gemessenen Änderungen der Menge des Sonnenlichts, das die Erde erreicht, seien zu klein, um für den beobachteten globalen Klimawandel verantwortlich zu sein, doch neue Forschungen zeigen, daß es einen weiteren Prozeß gibt, der die Wirkung der Sonne auf das Erdklima verstärkt: Die Sonne beeinflußt nämlich den Fluß galaktischer kosmischer Strahlung, die eine wichtige Rolle bei der Wolkenbildung – und damit für das Klima – spielt. Galaktische kosmische Strahlung besteht aus Atomteilchen (meistens Protonen und Heliumkerne sowie einige Kerne schwererer Elemente), die mit extremen Geschwindigkeiten durch die Galaxis fliegen. Aufgrund ihrer Ladung kann das Magnetfeld der Sonne ihre Flugbahn beeinflussen, und das regelt die Menge an hochenergetischer galaktischer kosmischer Strahlung, die die Erdatmosphäre erreicht. Eine starke Sonne bedeutet, daß die Erde weniger galaktische kosmische Strahlung abbekommt, und eine schwächere Sonne bedeutet, daß sie mehr davon abbekommt.

1997 zeigten die dänischen Wissenschaftler Henrik Svensmark und Eigil Friis-Christensen, daß sich die Dichte der tiefen Bewölkung in Reaktion auf Schwankungen im Fluß der galaktischen kosmischen Strahlung verändert (Abbildung 2 a). Seither haben sie weitere Belege gesammelt, um ihre neue Theorie zu belegen. In Laborexperimenten konnten sie zeigen, daß galaktische kosmische Strahlung Prozesse beeinflußt, die zur Wolkenbildung führen,1 und sie identifizierten weitere Reaktionen des Klimasystems der Erde auf Veränderungen des kosmischen Strahlungsflusses. In einer Studie von 2007 zeigten Svensmark und Friis Christensen, daß die globale Durchschnittstemperatur der Atmosphäre im Gleichschritt mit Änderungen des galaktischen kosmischen Strahlungsflusses stieg und fiel (Abbildung 2 b). In einer weiteren Studie zeigten Svensmark und Kollegen 2009, daß die Zahl tiefer Wolken, der Wassergehalt der Wolken und die Menge wolkenbildender Aerosole in den Tagen nach einem plötzlichen Abfall der galaktischen kosmischen Strahlung (ausgelöst durch Eruptionen der magnetischen Sonnenaktivität) sämtlich abnahmen (Abbildung 2 c).

Abbildung 2 a, b, c. Beeinflussung des Klimas durch kosmische Strahlung. Verschiedene atmosphärische Prozesse reagieren auf Änderungen im Fluß der galaktischen kosmischen Strahlung, darunter die Bildung niedriger Wolken und die Temperatur der Atmosphäre, wie man in den letzten Jahrzehnten gemessen hat, sowie die Aerosolbildung und der Wassergehalt der Wolken, wie man an den Tagen nach starken Rückgängen des Flusses der galaktischen kosmischen Strahlung gemessen hat. Grafiken aus: Svensmark, H. and Friis-Christensen, E., „Reply to Lockwood and Fröhlich — The persistent role of the Sun in climate forcing“, Danish National Space Center Scientific Report 3/2007. „Cosmic ray decreases affect atmospheric aerosols and clouds“, Henrik Svensmark, Torsten Bondo, Jacob Svensmark, Geophysical Research Letters, 2009; 36 (15).

All diese Studien zeigen, daß die kosmische Strahlung eine wichtige Rolle bei der Wolkenbildung spielt und dadurch ein kritischer Faktor beim Verlauf des Erdklimas ist, denn Wolken steuern die Menge des Sonnenlichts, das die Erdoberfläche erreicht. Eine aktivere Sonne sendet nicht nur mehr Licht aus, sondern blockiert auch mehr kosmische Strahlung, was weniger Wolken und mehr Sonnenlicht bedeutet, das die Erdoberfläche erreicht. Svensmark und Kollegen haben gezeigt, daß nur wenige Prozent Änderung in den tiefen Wolkenschichten (infolge von Veränderungen im galaktischen kosmischen Strahlungsfluß für die Hälfte der Erwärmung im letzten Jahrhundert verantwortlich sein könnte.

Diese relativ neuen Forschungen lassen darauf schließen, daß ein Großteil der Klimaveränderung während des letzten Jahrhunderts vor allem auf natürliche Aktivitäten zurückzuführen ist, was bedeutet, daß alle Effekte, die menschliche CO2-Emissionen gehabt haben mögen, relativ belanglos sind, und wir uns um zukünftige menschliche CO2-Emissionen keine Sorgen machen müssen.

Diese Schlußfolgerung wird durch eine kürzliche Studie einer Forschergruppe aus Deutschland erhärtet, die in den Temperaturaufzeichnungen der letzten Jahrhunderte nach Zyklen suchten. In ihrer Analyse identifizierten sie zwei bereits bekannte Zyklen, einen etwa 200jährigen Zyklus in der Sonnenaktivität – als „Suess-Zyklus“ oder „De-Vries-Zyklus“ bekannt – und 52 einen etwa 65jährigen Zyklus in den Temperaturen des Atlantiks — bekannt als „Atlantische Multidekaden-Oszillation“. Als sie die Wechselwirkung dieser beiden natürlichen Zyklen untersuchten, stellten sie fest, daß diese zwei Zyklen allein den Großteil der Klimaveränderung der letzten Jahrhunderte erklären könnten, eingeschlossen die jüngsten Erwärmungstrends (Abbildung 3) – ein weiterer Hinweis, daß CO2 kaum einen Effekt hat, um den man sich Sorgen machen müßte.2

Abbildung 3. Durch die Wechselwirkung des 210- und 65jährigen Zyklus entsteht die rote Kurve, die die Veränderungen in den Temperaturaufzeichnungen extrem gut abbildet. Grafik: Lüdecke et. al., „Cosmic ray decreases affect atmospheric aerosols and clouds“, Henrik Svensmark, Torsten Bondo, Jacob Svensmark, Geophysical Research Letters, 2009; 36 (15).

Mit dieser Vorgabe wollen wir etwas weiter in der Zeit zurückblicken. Untersucht man Klimaaufzeichnungen über die letzten zwei Jahrtausende, sieht man erneut, daß die Klimaveränderungen mit den Schwankungen im galaktischen kosmischen Strahlungsfluß über Teile pro Million einstimmen, nicht dagegen mit Veränderungen des CO2. Verschiedene Klimadaten aus den letzten tausend Jahren zeigen tiefere Temperaturen zwischen 1500 und 1800, entsprechend einer Periode niedrigerer Sonnenaktivität und höherer galaktischer kosmischer Strahlung. Im gleichen Zeitraum erkennt man Perioden vermehrter Gletscherbildung in den Anden, die sich sehr gut mit Perioden erhöhter galaktischer kosmischer Strahlung deckt. Zuvor, zwischen 900 und 1200, war das Klima wärmer (Mittelalterliche Warmzeit), der galaktische kosmische Strahlungsfluß war geringer und die Gletscher in den Anden gingen zurück (Abbildung 4).

Auch wenn man 2000 Jahre zurückblickt, folgen die Temperaturaufzeichnungen in den Alpen Änderungen der galaktischen kosmischen Strahlung sehr gut, während auch hier die CO2-Änderungen den Temperaturaufzeichnungen nicht entsprechen. Sie verlaufen Hunderte von Jahren lang in die entgegengesetzte Richtung (Abbildung 5).3

Abbildungen 4 u. 5. Das globale Klima in den letzten 2000 Jahren: Der Temperaturverlauf entspricht in groben Zügen den Veränderungen der kosmischen Strahlung. Grafiken nach „Cosmic Rays and Climate“, Jasper Kirkby, Surveys in Geophysics, 28, 333–375.

Diese Daten aus den letzten eintausend und zweitausend Jahren bestätigen das Bild, das sich bereits aus der Untersuchung der letzten hundert Jahre ergeben hatte, daß nämlich die Schwankungen im (von der Sonnenaktivität regulierten) galaktischen kosmischen Strahlungsfluß die Klimaveränderungen bestimmen.

Geht man noch weiter in der Zeit zurück, ergeben sich weitere Belege dafür, daß die galaktische kosmische Strahlung der eigentliche Antrieb des Klimawandels ist. Untersucht man den galaktischen kosmischen Strahlungsfluß über die gesamte derzeitige Zwischeneiszeit (das Holozän, das vor 12.000 Jahren begann und bis heute andauert), ergibt sich eine sehr starke Korrelation mit den Schwankungen der Vergletscherung und des Eisgangs im Nordatlantik.4 Bei einer etwas feineren Auflösung zeigen außerdem die Schwankungen in den langfristigen Niederschlagstrends auf der Arabischen Halbinsel in der Zeit vor 6200 und 9600 Jahren eine sehr starke Korrelation zu den Schwankungen im galaktischen kosmischen Strahlungsfluß5 (Abbildung 6).

Abbildung 6 Veränderungen im Fluß der kosmischen Strahlung in den letzten 12.000 Jahren, gemessen an der Menge des erzeugten C-14. Diese Fluktuationen der kosmischen Strahlung stimmen mit den Veränderungen der Vergletscherung und des Eisgangs im Nordatlantik (gemessen an der Menge des vom Eis mitgeführten Sediments) sowie Veränderungen der Niederschläge auf der Arabischen Halbinsel überein. Grafiken nach Bond et al., „Persistent solar influence on North Atlantic climate during the Holocene“, Science, vol. 294, 2130–2136 (2001); und Neff et al., „Strong coincidence between solar variability and the monsoon in Oman between 9 and 6 ky ago“, Nature, vol. 411, 290–293 (2001).

Insgesamt läßt sich nachweisen, daß wichtige Faktoren im Klimasystem der Erde auf Veränderungen der galaktischen kosmischen Strahlung im Zeitraum von Tagen, Jahren, Jahrzehnten, Jahrhunderten und Jahrtausenden reagieren – dokumentiert in unabhängigen Studien.

Geht man auf noch längere Zeiträume über, so sind die periodischen Übergänge zwischen Eiszeiten und kurzen Zwischeneiszeiten eng verbunden mit Änderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne und mit Änderungen der Neigung und Orientierung der Erdachse – insgesamt als Milankovic-Zyklen bekannt. Während der letzten eine Million Jahre hatten die Eiszeitzyklen die stärkste Korrelation mit Änderungen in der Exzentrizität des Erdorbits um die Sonne. In den zwei Millionen Jahren zuvor (von vor dreibis eine Million Jahren) korrelierten die Klimaveränderungen auf der Erde am besten mit Veränderungen in der Neigung der Erdachse (Abbildung 7).

Abbildung 7. Korrelation von Zwischeneiszeiten und großer Bahnexzentrizität. Während der letzten eine Million Jahre decken sich Veränderungen in der Exzentrizität der Erdumlaufbahn um die Sonne mit periodischen Klimaänderungen zwischen Eiszeiten und relativ kurzen Zwischeneiszeiten.

Bei einem Schritt zu noch größeren Zeiträumen entsprechen sogar noch langfristigere Klimaveränderungen von über zehn und bis zu Hunderten Millionen Jahren der Bewegung unseres Sonnensystems durch die Galaxis – wahrscheinlich infolge größerer Schwankungen des galaktischen kosmischen Strahlungsflusses. Aufgrund von Veränderungen der Stärke des Sonnenmagnetfeldes variiert die galaktische kosmische Strahlung gewöhnlich in der GröRenordnung von 10 %, aber in verschiedenen Regionen der Galaxis kann das Sonnensystem (und damit die Erde) erheblich stärkeren Schwankungen der galaktischen kosmischen Strahlung ausgesetzt sein – Änderungen, die um die 100 % erreichen können. In Übereinstimmung mit der Arbeit von Svensmark und Kollegen dürfte diese größere Schwankung des kosmischen Strahlungsflusses über geologische Zeiträume hinweg umfangreiche Klimaveränderungen bewirken. Und genau das geht aus den Daten hervor.

Während der vergangenen 540 Mio. Jahre (des Phanerozoikums) wechselte die Erde viermal zwischen zwei Klimamodi – Eishaus und Treibhaus – hin und her. Während der Treibhausmodi gab es auf den Kontinenten keine Gletscher, und die Temperaturen waren deutlich höher. Während der Eishausmodi war das Klima kälter, und Gletscher bildeten und vergrößerten sich. Derzeit befinden wir uns in einem Eishausmodus, wobei sich der antarktische Eisschild vor 34 Mio. Jahren und der arktische Eisschild erst vor 2 Mio. Jahren zu bilden begannen.

Der Wissenschaftler Jan Veizer und Kollegen zeigten 2000, daß die vier Übergänge zwischen Treibhaus und Eishaus während der letzten halbe Milliarde Jahren nicht mit Änderungen der CO2-Konzentration in Verbindung standen, und 2003 zeigten Veizer zusammen mit Nir Shaviv, daß dieser viermalige Klimawechsel mit jenen Perioden übereinstimmte, in denen das Sonnensystem durch die Spiralarme unserer Galaxis wanderte. Dies deckt sich mit Svensmarks Arbeiten, da die Spiralarme der Galaxis höchstwahrscheinlich eine erheblich höhere Dichte an galaktischer kosmischer Strahlung haben. Zudem sieht man, daß die letzten vier Eishausmodi der Erde mit jenen Zeiten übereinstimmen, wo das Sonnensystem einen Spiralarm durchquert haben dürfte. Shaviv lieferte weitere Belege hierfür durch die Untersuchung von Eisenmeteoriten, die zu Zeiten, als das Sonnensystem durch die Spiralarme wanderte, höherer galaktischer kosmischer Strahlung ausgesetzt gewesen waren – als die Meteoriten sich noch als Teil eines Asteroiden im interplanetaren Raum befanden6 (Abbildung 8 a).

Insgesamt entspricht der höhere galaktische kosmische Strahlungsfluß, wie er aus den Eisenmeteoriten hervorgeht, den Zeiten, in denen das Sonnensystem die Spiralarme der Galaxis (mit entsprechend höherer kosmischer Strahlung) durchquert haben dürfte, wobei beides mit den jüngsten Eishausperioden auf der Erde übereinstimmt – alles in Einklang mit den Erkenntnissen von Svensmark und Kollegen über die Beziehung zwischen kosmischer Strahlung und Klima durch die Wolkenbildung. Shaviv und Veizer haben gezeigt, daß dies die allermeisten umfangreichen Temperaturänderungen während der letzten halben Milliarde Jahre erklären kann (wohingegen CO2 nur einen geringen, wenn überhaupt einen Effekt hat).

Vor kurzem hat Shaviv ebenso gezeigt, daß die Meerestemperaturen eine Periodizität von 30 Mio. Jahren aufweisen, entsprechend der Auf- und Abbewegung unseres Sonnensystems über und unter der Ebene unserer Galaxis (Abbildung 8 b). Wenn sich das Sonnensystem oberhalb oder unterhalb der galaktischen Ebene befindet, erwartet man einen geringeren galaktischen kosmischen Strahlungsfluß, und die Meerestemperaturen sind in Einklang mit Svensmarks Hypothese relativ höher; wenn das Sonnensystem die galaktische Ebene durchquert, wird ein höherer galaktischer kosmischer Strahlungsfluß erwartet, und die Meere zeigen entsprechend relativ kältere Temperaturen.

Abbildungen 8 a, b. Bewegung des Sonnensystems (a) durch die Spiralarme und (b) durch die Ebene der Galaxis.
Grafiken aus: „Is the Solar System’s Galactic Motion Imprinted in the Phanerozoic Climate?“, Nir J. Shaviv, Andreas Prokoph & Jan Veizer, Nature Science Reports, August 21, 2014; und „The spiral structure of the Milky Way, cosmic rays, and ice age epochs on Earth“, Nir Shaviv, New Astronomy, vol. 8 (2003) 39–77.

Zusammengefaßt läßt sich sagen: Es gibt immer mehr Belege dafür, daß die galaktische kosmische Strahlung (über den Einfluß auf entscheidende Aspekte der Wolkenbildung) eine wichtige Rolle bei der Klimaveränderung spielt. In relativ kürzeren Zeiträumen – von Tagen und Jahrzehnten bis zu Jahrhunderten und Jahrtausenden – reguliert die Stärke des Sonnenmagnetfeldes den galaktischen kosmischen Strahlungsfluß, der die Erde erreicht. Und über lange Zeiträume von bis zu Hunderten Millionen Jahren bewirken die verschiedenen galaktischen Umgebungsbedingungen, die unser Sonnensystem erfährt, viel größere Variationen in der Dichte der galaktischen kosmischen Strahlung. In den dazwischen liegenden Perioden scheint der wichtigste Faktor mit Änderungen der Erdumlaufbahn und der Drehachse der Erde in Verbindung zu stehen. Der Klimawandel über alle Zeiträume hinweg wird von kosmischen Prozessen – solaren, orbitalen und galaktischen Veränderungen – bestimmt. Nicht von CO2.

Fußnote(n)
  1. „Response of cloud condensation nuclei (>50 nm) to changes in ion-nucleation“, Henrik Svensmark, Martin B. Enghoff, Jens Olaf Pepke Pedersen, Physics Letters A, Volume 377,Issue 37, 8 November 2013, Pages 2343–2347.[]
  2. „Multi-periodic climate dynamics: spectral analysis 300 of long-term instrumental and proxy temperature records,“ H.-J. Lüdecke, A. Hempelmann, and C.O. Weiss, Climate of the Past, February 22. 2013. „Paleoclimate forcing by the solar De Vries/Suess cycle,“ H.-J. Lüdekke, C.0. Weiss, and A. Hempelmann, Climate of the Past, February 12, 2015.[]
  3. „Cosmic Rays and Climate“, Jasper Kirkby, Surveys in Geophysics, February 28, 2008.[]
  4. Bond, et al., „Persistent solar influence on North Atlantic climate during the Holocene“, Science, vol. 294, 2130-2136 (2001), „Cosmic Rays and Climate“, Jasper Kirkby, Surveys in Geophysics, February 28, 2008.[]
  5. Neff, et al., „Strong coincidence between solar variability and the monsoon in Oman between 9 and 6 ky ago“, Nature, vol. 411, 290–293 (2001).[]
  6. „Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon“, Ján Veizer, Yves Godderis, Louis M. François, Nature, vol. 408, 698-701 (7 December 2000). „Cosmic Ray Diffusion from the Galactic Spiral Arms, Iron Meteorites, and a Possible Climatic Connection?“, Nir Shaviv, Physical Review Letters, vol. 89, Issue 5 (2002).[]

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