Physik des Monats, Instrumente, (Astro-) Physik und Erdklima

Mit dem Wort Klima werden die (über längere Zeiten gemittelten) Bedingungen in der Erdatmosphäre zusammengefasst. Dabei handelt es sich um viele Parameter, insbesondere Lufttemperatur, aber auch Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag, usw., und deren zeitliche Variationen. Wenn das Klima "stabil" wäre, dann gäbe es keine Diskussion darüber. Wir wissen aber, dass es grosse zeitliche Variationen gibt. Insbesondere die Erkenntnis, dass die mittlere Lufttemperatur auf der Erde ganz langsam ansteigt, sowie auch der Gehalt an CO₂, hat in breiten Kreisen zu Verunsicherung über die Zukunft der Erde und unser Klima geführt.

1. Temperatur

Temperatur aus Messungen

Wie findet man Informationen zum Klima vor Jahrhunderten, Jahrtausenden, ja sogar Jahrmillionen? Dazu sucht man nach Informationen über Prozesse, die mit der Temperatur zusammenhängen. Die Geologie kann zusammen mit der Paläontologie aus Erdschichten das Alter dieser Schichten ableiten. Diese Schichten entstehen vorwiegend aus Ablagerungen in Seen, Meeren und Ozeanen.

Temperatur aus irdischen Ablagerungen

So gibt es auch erkennbare Jahresstrukturen im Poleis, insbesondere gut erhalten im Eis auf Grönland und in der Antarktis. Dicke Schichten deuten auf viel Niederschlag hin, dünne auf wenig. In dem gefallenen Schnee wird Luft eingeschlossen. Es ist diese Restluft, die zur Bestimmung des CO₂-Gehalts der damaligen Atmosphäre verwendet wird.

Aber auch Ablagerungen am Meeresboden werden von der Temperatur gesteuert. So wird ein reichhaltiges Wachstum an Einzellern (Foraminiferen) mit deren Kalk-Gehäusen zu dicken Kalkschichten führen. Dazu kommt, dass die Konzentration des Sauerstoffisotops ¹⁸O im Kalk dieser Gehäuse mit der Temperatur zur Zeit des Lebens dieser Einzeller variiert. (Für Isotope siehe Kernphysik.) Der Gehalt an Isotope in einem Stoff wird mit einem "Massenspektrometer" betimmt. Die Bestimmung des Iosotopenverhältnisses liefert somit Information über die damalige Temperatur.

Variation von Temperatur und CO₂-Gehalt nachgewiesen

Die Variation des CO₂-Gehalts über geologische Zeitskalen wurde mit Hilfe verschiedener Methoden (z.B. aus Antarktik-Eiskernen) eindeutig festgestellt.

Ohne jeglichen Zweifel ist inzwischen klar, dass sowohl die Temperatur, der CO₂-Gehalt, aber auch viele andere Kenngrössen starke Schwankungen zeigen. Die Temperatur und der CO₂-Gehalt korrelieren dabei deutlich, aber nicht perfekt miteinander.

Variation des Gehalts an CO₂ (grün) in der Erdatmosphäre und der Temperatur (rot), wie aus dem Eis der Antarktis abgeleitet. Auf der Zeitachse ist heute links! (Bild aus Berner et al. : "Klimafakten", S. 105)

2. Energiebilanz der Erdatmosphäre

Viele Faktoren bestimmen unser Klima. Aber alles basiert auf der Bilanz zwischen dem von der Erde aufgenommenen Bruchteil der Sonnenstrahlung und der von der Erde abgestrahlten Energiemenge. Die Aufnahme der Sonnenenergie durch die Erde und die Abstrahlung werden von verschiedenen Faktoren bestimmt. Dazu gehören:

Stand der Erdachse und Lage der Kontinente

Die Bahn der Erde um die Sonne (siehe Astronomie: Planetensystem) ist geringfügig elliptisch. Die Erde ist also mal näher und mal weiter von der Sonne entfernt. Auch die Neigung der Erdachse schwankt langsam. Alle solche Effekte zusammen liefern eine Variation der bei der Erde eintreffenden Energiemenge. Nach ihrem Entdecker werden sie "Milankovitsch-Effekt" genannt.

In den 60er Jahren des 20. Jh wurde dieser Effekt neu studiert. Das Ergebnis war, dass die Erde auf eine neue Eiszeit zugeht. Mehrere Bücher wurden über diese erwartete Entwicklung geschrieben. Seitdem hat sich an den Fakten des Milankovitsch-Effekts nichts geändert!

Die Ozeane nehmen die Sonnenergie weniger gut auf als die Kontinente. Die Kontinente verlagern sich im Laufe der Jahrmillionen so dass schon alleine dadurch Klimaänderungen auftreten.

Neben der Lage der Kontinente sind die Lagen der Gebirgsketten wie die Anden, der Himalaya und die Alpen von Bedeutung. Auch die Ozeanströmungen spielen eine wichtige Rolle.

Reflexion durch Wolken

[ Dies wurde sehr deutlich bestätigt durch Analyse von normalen meteorologischen Temperatur-Messungen zwischen dem 11 und 14 Sept 2001. Das in der Zeit verhängte Flugverbot über die USA führte zu sehr viel weniger Flugzeug-Kondenswolken und dadurch wurde der Tag-Nacht Temperaturkontrast (mehr Wärmeeinstrahlung am Tag, mehr Abstrahlung nachts) statistisch signifikant grösser. (Hinzufügung vom 2002.08.26; siehe Nature, Vol. 218, S. 601) ]

Kräftige Vulkanausbrüche können so viel Staub in die Erdatmosphäre einbringen, dass die Temperatur der Erde über einige Monate bis wenige Jahre deutlich absinkt. Ein Beispiel ist der Ausbruch des Krakatau (1883) zwischen Java und Sumatra, der zu einem Jahr mit schlechten Ernten führte. Der Ausbruch des Pinatubo (1992) spielte eine ähnliche Rolle.

Abstrahlfähigkeit der Erdatmosphäre

Die Fähigkeit der Erde, Energie abzustrahlen, hängt von der Struktur der Erdatmosphäre ab. Wasserdampf, CO₂ und einige andere Gase halten die Wärme zurück. Bei einem Anstieg der Konzentration dieser Gase gibt es eine Verstärkung des immer aktiven Treibhauseffektes. Der Gehalt an CO₂ schwankt stark. Er steigt z.B. durch Erwärmung der Ozeane, durch Verbrennung von Holz, Kohle, Öl, Benzin und durch den Ausbruch von Vulkanen. Er sinkt durch z.B. starkes Pflanzenwachstum sowie Wachstum der Algen und des Planktons.

CO₂-Gehalt und dessen Langzeitverhalten

Nicht zu vergessen ist, dass ein erhöhter CO₂-Gehalt das Wachstum der Pflanzen stimuliert. Heutzutage wird daher in manchen Gewächshäusern der Gehalt an CO₂ künstlich erhöht!

Variation des Gehalts an CO₂ in der Erdatmosphäre, zusammen mit Andeutungen über bedeutsame Stufen des Pflanzen- und Tierlebens. (Bild aus New Scientist No 2295 (16 Juni 2001), S. 30)

Aber auch der Gehalt der Atmosphäre an Wasserdampf ist bei der Energiebilanz von grosser Bedeutung. Bei hohem Gehalt wird Wärme gut festgehalten (in bewölkten Nächten kühlt es nur wenig ab), bei wolkenfreier, trockener Luft strahlt die Wärme leicht weg (in klaren Winternächten kann es ganz schön kalt werden). Inzwischen ist entdeckt worden, dass der Gehalt an Wasserdampf der Stratosphäre (in etwa 12 bis 20 km Höhe) in den letzten Jahrzehnten zugenommen hat. Dies zeigen Forschungsergebnisse der KFA Jülich (Kley u.M.) im Rahmen des SPARC-Programms. Durch mehr Wasserdampf wird einiges zusätzliches an Wärme festgehalten. Was diese Zunahme verursacht hat, ist noch unklar. Sicher ist, dass es einen Austausch von Gasen zwischen Troposphäre und Stratosphäre gibt. Wenn die Troposphäre (z.B. durch Aufwärmung) mehr Wasserdampf enthält, so wird wohl einiges davon in höhere Bereiche diffundieren.

Von der Sonne abgestrahlte Energiemenge

Die Sonne produziert ständig Energie. Seit Entstehung der Sonne hat die Energieproduktion zugenommen, da die Sonne sich als Stern entwickelt und allmählich heller wird (siehe Physik der Sterne). So ist die von der Sonne pro Sekunde produzierte Energiemenge seit ihrer Geburt um etwa einen Faktor 2 angestiegen. Die Energieabgabe der Sonne fluktuiert aber auch über kürzere Zeitskalen. In einem Rhythmus von etwa 11 Jahren geht es auf und ab, mit einer Schwankung von etwa 0.5 Promille in der Energie.

Der Rhythmus der Schwankung der Sonnenstrahlung hängt mit der Zahl der Sonnenflecken zusammen und hat eine Periode von etwa 11 Jahren; alle 11 Jahre gibt es ein Maximum in der Zahl der Sonnenflecken. Dieser Rhythmus heisst der Sonnenfleckenzyklus. Gibt es nun generell wenig Sonnenflecken, so ist die Sonne wenig aktiv, und der Rhythmus ist etwas länger als 11 Jahre. So eine Phase gab es im 17. Jh., und damals war es in Europa relativ kühl mit kalten Wintern. Diese Phase ist bekannt als "die kleine Eiszeit"! Wenn die Abfolge der Sonnenflecken-Maxima in deutlich weniger als 11 Jahren kommt, ist die Energieabgabe der Sonne generell grösser. Die Messungen zur Gesamtstrahlung der Sonne wurden von Instrumenten auf mehreren meteorologischen und astronomischen Satelliten gemacht ( NIMBUS7-ERB, SMM-ACRIM I, UARS-ACRIM II, SOHO-VIRGO).

3. Wechselspiel zwischen Faktoren der Erde und der Sonne

Seit etwa 100 Jahren steigt der CO₂-Gehalt der Erdatmosphäre an. Geologen, Paläontologen und Geophysiker haben inzwischen die grossen Schwankungen des CO₂-Gehalts bis Hunderte oder Tausende von Jahren in der Vergangenheit aufgedeckt (siehe Bild oben).

Astronomen haben herausgefunden, dass die Aktivität der Sonne seit etwa 200 Jahren zunimmt, und dass die Energieabgabe auch zunimmt. Insbesondere hat sich die Länge des Sonnenfleckenzyklus verringert, was mit einer Zunahme der Sonnenenergie einhergeht.

Variation der Länge des Sonnenzyklus (dünne Kurve) zusammen mit der Änderung der mittleren Temperatur (dicke Kurve) der Erde. Erstaunlicherweise folgt die Temperatur sehr genau der Zykluslänge. Die Daten wurden zusammengestellt durch die dänischen Forschern Friis-Christensen & Lassen (1991). (Bild aus "The Manic Sun", Nigel Calder)

Wenn die Sonne aktiv ist (und durch den ganzen Sonnenfleckenzyklus viele Flecken hat), dann ist die Zahl der kosmischen Teilchen, die aus dem Universum bei der Erde eintreffen, geringer. Die Erklärung ist folgendermassen.

Eine aktive Sonne hat mehr Sonnenflecken als durchschnittlich und hat dann stärkere Ausbrüche und damit Auswirkungen auf das interplanetare Medium (z.B. durch Materieausstoss auftretende Verwirbelungen). Eine derartig aktive Sonne kann die sehr schnellen und geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung (die aus allen Richtungen des Universums auf uns zukommen) von der Erde fern halten (siehe Bild unten). In die Erdatmosphäre eintauchende geladene Teilchen lassen Spuren von Ionen zurück. Und Ionen sind sehr geeignete Kondensationskeime für Wasserdampf und fördern somit die Wolkenbildung.

Variation der Wolkenbedeckung und der Instensität der kosmichen Strahlung. Wenn die kosmische Strahlung schwach ist, gibt es weniger Wolken. Schwache kosmische Strahlung bedeutet, dass die aktive Sonne uns vor solchen Teilchen schützt. (Bild aus "The Manic Sun", Nigel Calder)

Wenn man alle Effekte zusammen betrachtet, kommt man zu dem Ergebnis, dass die Sonne doch einen erheblichen Einfluss auf das Verhalten des Klimas hat. Selbstverständlich wäre es ohne Sonne auf der Erde extrem kalt. Es ist daher auch nicht verwunderlich, dass kleine Variationen in dem Wechselspiel Erde-Sonne zu deutlich wahrnehmbaren Klimaeffekten führen.

So etabliert sich eine erstaunliche Kette:

aktive Sonne --> wenig eintreffende kosmische Strahlung -->

--> weniger Wolkenbildung --> weniger Reflexion der Sonnenstrahlung -->

--> mehr Wärmeaufnahme aus der Sonnenstrahlung -->

--> höhere Temperatur auf der Erde

Und die Sonne gibt in einer aktiven Phase eine winzige Menge mehr Strahlung ab als während einer ruhigen Phase!

Selbstverständlich lässt sich die Kette auch umkehren:

ruhige Sonne --> viel eintreffende kosmische Strahlung -->

--> mehr Wolkenbildung --> viel Reflexion der Sonnenstrahlung -->

--> weniger Wärmeaufnahme aus der Sonnenstrahlung -->

--> niedrigere Temperatur auf der Erde

Und die Sonne gibt in einer ruhigen Phase ein ganz klein bischen weniger Strahlung ab als während einer aktiven Phase.

4. Zusammenfassung

==> Die mit allen Daten verträgliche aber erstaunliche Schlussfolgerung wäre: Die Sonne treibt die Variationen der Temperatur und der Gehalt an CO₂ der Erdatmosphäre folgt diesem Verhalten.
Zur Veränderung der Sonne über 500 Jahre siehe Variation des Sonnenradius

==> Der zweite grosse Effekt für das Klima liegt in den geologischen Änderungen (Kontinentverschiebung, Ozeanströmungen). Aus der Geologie geht hervor, dass die Änderung des Gehalts an CO₂ der Erdatmosphäre der Temperaturänderung folgt.

Ein Anstieg der Temperatur führt auch zu einem Anstieg der Temperatur der Meere und Ozeane. Im Meereswasser ist viel Luft (Sauerstoff, CO₂, usw) aufgelöst. Durch Temperaturanstieg werden diese Gase freigesetzt, so auch CO₂. Wie gross der Beitrag der Ozeane zum heutigen CO₂-Anstieg ist, ist umstritten.

Unverändert bleibt die Feststellung, dass die Menschheit in den vergangenen zwei Jahrhunderten sehr viel an fossilem Material (Kohle, Gas, Erdöl) verbrannt hat. Dies erzeugt grosse Mengen an CO₂, wodurch der Gehalt dieses Gases in der Erdatmospäre auch zunimmt. Dadurch wird die eingestrahlte Sonnenwärme besser festgehalten (Treibhaus-Effekt). Es ist immer gut und weise, sparsam mit Grundstoffen umzugehen. Die Tatsache, dass die Sonne als einer der wesentlichen Antreiber des Temperaturanstiegs gesehen werden muss, bedeutet nicht, dass die Menschheit Grundstoffe verschwenden und den Ausstoss an CO₂ nicht verringern soll!

Welche nun genau die Konsequenzen des Temperaturanstiegs sein werden, folgt zum Teil aus Modellen, zum Teil ist es noch offen für Spekulationen. Da sind viele Wissensbereiche gefragt:
die Meteorolgie und Klimatologie wegen Wetter- und Strömungsmodellen sowie Wolkenbedeckung, die Ozeanologie wegen der Ozenanströme und deren Einfluss auf den Wärmehaushalt der Erde, die Astrophysik wegen der Änderungen der Sonne, und vielleicht einige mehr.
Insbesondere ein Stoppen der ozeanischen Zirkulation würde Europa (ohne den warmen Golfstrom, deren Strömungsgeschwindigkeit sich seit 1950 schon um 20% verlangsamt hat!) sehr schnell zu einer sehr kalten Region machen (siehe Bericht im New Scientist, 21 July 2001, Seite 4).

X Ergänzung vom 2003.11.26:

Die Beziehungen zwischen Sonnenfleckenzahl und Stärke der kosmischen Strahlung können an Hand von Daten zu den von der kosmischen Strahlung beeinflüssten Isotopenmengen in der Erdatmosphähre modelliert werden. Dazu benutzt man den in der rezenten Vergangenheit ins (ant-)arktische Eis abgelegten Schnee und die darin festgehaltene Isotopenzusammensetzung. Geeicht wird diese Relation mit Hilfe der seit etwa dem Jahre 1650 bekannten Sonnenfleckenzahl. Nimmt man nun diese Relation an, so kann aus den im Eis festgehaltenen Isotopenverhältnissen aus Zeiten vor 1650 die Aktivität der Sonne zurückgewonnen werden. In einer derartigen Studie leiteten Ilya Usoskin und Kollegen aus Oulu (Finnland) mit S. Solanki und M. Schüssler vom MPI für Aeronomie in Lindau ab (Physical Review Letters, im Druck), dass die Aktivität der Sonne seit etwa 1940 grösser ist als in den 1000 Jahren davor!

Erneut stellt sich daher die Frage, inwieweit die Sonne den heutigen Temperaturanstieg auf die Erde treibt.... Auf alle Fälle ist die Sonnenfleckenzahl (sprich die Aktivität der Sonne) positiv mit der mitteleren Temperatur des Erdklima korreliert.

Mit der Modellierung der Sonnenaktivität im Vergleich mit ihrer Auswirkung auf Isotopenverhältnisse, sowie aus antarktischem und grönländischem Eis abgeleitet, kann man zurückrechnend feststellen, dass die Sonne jetzt so aktiv ist wie noch nie!
(Vereinfachte Darstellung des Originaldiagramms, dem New Scientist 1 Nov. 2003, S. 17 entnommen)

+ Katastrophen aus dem Universum

Im Planetensystem gibt es Asteroiden und Kometen. Hin und wieder schlagen solche Körper auf Planeten ein, so auch auf die Erde (siehe Einschläge). Beispiele von Einschlagstellen in Deutschland sind das Nördlinger Ries und das Steinheimer Becken (Einschläge vor 15 Millionen Jahren).

Vor etwa 65 Millionen Jahren ist ein grosses Objekt auf der Halbinsel Yucatan (Mexiko) eingeschlagen (siehe das Buch von Alvarez). Dadurch wurde eine gigantische Menge an Wasser und Erde aufgeworfen. Zusammen mit dem durch den Einschlag ausgelösten Erdbeben und den Vulkanausbrüchen wurde die Atmosphäre derart überfüllt mit Wasser, Staub und Russ, dass es Jahrzehnte lang dunkel und kalt geworden ist. Dadurch starben die Dinosaurier aus. Dieses Ereignis bewirkte eine riesige Klimastörung!

Skizze des Einschlagvorgangs vor 65 Millionen Jahren, wobei viel Wasser, Staub und Russ in die Erdatmosphäre gelangten. Die langjährige Abschattung der Sonnenstrahlung führte zum Aussterben der Dinosaurier. (Bild aus New Scientist)

Es hat in der Erdgeschichte mehrere Zeitpunkte gegeben, an der grössere Mengen an Tierarten ausgestorben sind (siehe z.B. das Buch von Leakey). Vielleicht wurden einige dieser Extinktionsereignisse ebenfalls durch Einschläge ausgelöst. Andere Extinktionen können ohne weiteres durch grosse Änderungen im Klima hervorgerufen worden sein, die vielleicht auch durch Variation in der Aktivität der Sonne verursacht wurden.

Instrumente und Methoden: (Astro-) Physik und Erdklima