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Über die Einflüsse der Sonne auf das Klimasystem der Erde

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

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Über die Einflüsse der Sonne auf das Klimasystem der Erde

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Presentation Transcript

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

  2. 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)

  3. 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?

  4. Was bestimmt unser Klima? • Einstrahlung der Sonne • Konzentration von Treibhausgasen (natürliche und anthropogene) und anderer strahlungsaktiver Substanzen • Orographie, Land-See-Verteilung, Bodeneigenschaften • Vulkanausbrüche • . . .

  5. Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung - Variation der Erdbahnparameter

  6. Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung - Variation der Erdbahnparameter

  7. Temperaturänderung Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung - Variation der Erdbahnparameter CO2-Mischungsverhältnis [ppmv] Jahre v.h.

  8. Zeitliche Variabilität der solaren Strahlung - Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus Solare Strahlung [Wm-2] Jahr http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant

  9. Spektrale Verteilung und Variabilität der Sonnenstrahlung Variabilität der solaren Einstrahlung [%] Wellenlänge [nm] Lean et al., 1997

  10. 6 % 11-jähriger Sonnenzyklus: Änderungen des Ozongehalts (Messungen) SBUV/SBUVII (1980-1997) Höherer Ozongehalt in der oberen Stratosphäre infolge stärkerer UV-Strahlung bei hoher Sonnenaktivität. Hood (2004)

  11. +0.8 K +0.25 K 11-jähriger Sonnenzyklus: Änderungen der Temperatur (Messungen) SSU/MSU4 (1979-2003) Bei hoher Sonnenaktivität ist die Stratosphäre wärmer als bei niedriger Sonnenaktivität. Scaife et al. (2000); update Bill Randel

  12. +2.4 Wm-2 +0.25 Wm-2 Strahlungsantrieb [Wm-2] Strahlungsantrieb: Maßstab für den Einfluss, den ein einzelner Faktor auf die Veränderung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre hat seit 1750 Strahlungsantrieb [Wm-2]

  13. Simulationen mit Klimamodellen für IPCC (b) anthropogene Antriebskräfte (a) natürliche Antriebskräfte Temperaturabweichung [°C] Temperaturabweichung [°C] Jahr Jahr (c) alle Antriebskräfte Temperaturabweichung [°C] Jahr

  14. Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly) Volumenmischungsverhältnis CO2 und N2O [ppmv] Volumenmischungsverhältnis CH4 und Cly [ppbv] Jahr

  15. Agung El Chichón Pinatubo Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus 350 300 250 10.7 cm Radiofluss [10-22 Wm-2] 200 150 100 50 1950 2007 Jahr

  16. Entwicklung der globalen mittleren Jahrestemperatur in der unteren Stratosphäre (20 km) Beobachtung: 0.77 °C/Dek. CCM-Mittelwert: 0.64 °C/Dek. Anomalie [°C] Jahr WMO, 2007

  17. Trend + Sonnenzyklus + Vulkane Variabilität und Trend der Temperatur in der Stratosphäre Linearer Trend Sonnenzyklus Vulkane "stufenweise" Abkühlung der unteren Stratosphäre (siehe auch Dall'Amico et al., 2009)

  18. Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050) 60°N - 60°S Ozonanomalie [DU] Jahr Loyola et al., 2009; Dameris, 2010

  19. Solare Aktivitätszyklen 19 18

  20. Solare Aktivitätszyklen 21 20

  21. Solare Aktivitätszyklen 23 22

  22. Solare Aktivitätszyklen (Schwabe: ~11 J.; Gleissberg: ~ 80-90 J.)

  23. Solare Aktivitätszyklen

  24. Aktuelle Situation (11. Juni 2010)

  25. A. P. van de Venne: „Winter“ Gemäldegalerie Berlin, SMPK Einfluss des Maunder Minimums auf das Klima Waren die Winter in NW Europa kälter im 17. Jahrhundert ?

  26. 400 Jahre Sonnenfleckenbeobachtung ~1770-1790 Grand maximum ~1645-1715 Zunahme der TSI von 1600 bis heute: ~2,8 Wm-2 (0,2 %) (Lean, 2000)

  27. 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

  28. >50% in 121,6 nm (Lyman-α) 5-12% in 175-240 nm 3-5% in 240-260 nm 5-8 % Solare Variabilität 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus Maunder Minimum • 0.1 % change in TSI • 3-5 % change at 240-260 nm • 5-12 % change at 175-240 nm • > 50 % change at 121,6 nm • 0.2 % change in TSI • 1 % change at 300-400 nm • 6 % change at 210-250 nm • 15 % change at 280 nm Lean et al., 1997 Lean, 2000

  29. FUB-CMAM: T = -0.86°C Proxy data: T = -0.6 to -1°C NH: Palmer, 2002 FUB-CMAM: T = -1°C Proxy data: T = -1 to -1.5°C NW-Europa: Pfister, 1992 FUB-CMAM: Temperaturanomalien in MM NH, 1000 hPa, Jahresmittel Langematz et al., 2005

  30. Neue Publikationen zu dem Thema!

  31. Feulner und Rahmstorf (2010): Beschreibung der Simulationen • CLIMBER-3 (Klimamodell mit Ozean-GCM sowie Land- • Oberflächenwechselwirkungen einschließlich Vegetation): • 6 Modellsimulationen • IPCC A1B/A2 11-jähriger Sonnenzyklus wiederholt bis 2100 • IPCC A1B/A2 "grand minimum" • IPCC A1B/A2 "grand minimum (low irradiance)"

  32. Feulner und Rahmstorf (2010): Ergebnisse Sonnenaktivität (Reiner et al., 2004)

  33. 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%)

  34. Feulner und Rahmstorf (2010): Ergebnisse 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. 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.

  35. Feulner und Rahmstorf (2010): Zusammenfassung Für das Jahr 2100 (hier: IPCC Szenarien A1B, A2) wird eine moderate Ab- kühlung 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.

  36. 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

  37. Song et al. (2010): Vorindustrielle Bedingungen PIMM: Preindustrial Maunder Minimum PICTL: Preindustrial Control simulation Global gemittelte Abkühlung: 0.35°C

  38. 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

  39. 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.

  40. 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).

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