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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 - PowerPoint PPT Presentation
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Über die Einflüsse der Sonne auf das Klimasystem der Erde
Martin DamerisDeutsches Zentrum für Luft- und RaumfahrtInstitut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen
Institut für Physik der Atmosphäre
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
Zeitliche Variabilität der solaren Einstrahlung - Variation der Erdbahnparameter
Jahre v.h.
CO
2-M
isch
ungs
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is [p
pmv]
Tem
pera
turä
nder
ung
Institut für Physik der Atmosphäre
http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant
Zeitliche Variabilität der solaren Strahlung - Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus
Jahr
Sol
are
Str
ahlu
ng [
Wm
-2]
Institut für Physik der Atmosphäre
Spektrale Verteilung und Variabilität der SonnenstrahlungV
aria
bilit
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en E
inst
rahl
ung
[%]
Lean et al., 1997
Wellenlänge [nm]
Institut für Physik der Atmosphäre
11-jähriger Sonnenzyklus:Änderungen des Ozongehalts (Messungen)
Hood (2004)
6 %
SBUV/SBUVII (1980-1997)
Höherer Ozongehalt in der oberen Stratosphäre infolge stärkerer UV-Strahlung bei hoher Sonnenaktivität.
Institut für Physik der Atmosphäre
11-jähriger Sonnenzyklus:Änderungen der Temperatur (Messungen)
Bei hoher Sonnenaktivität ist die Stratosphäre wärmer als bei niedriger Sonnenaktivität.
SSU/MSU4 (1979-2003)
+0.8 K
+0.25 K
Scaife et al. (2000); update Bill Randel
Institut für Physik der Atmosphäre
Strahlungsantrieb: Maßstab für den Einfluss, den ein einzelner Faktor
auf die Veränderung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre hat
Str
ahlu
ngsa
ntrie
b [
Wm
-2]
Str
ahlu
ngsa
ntrie
b [
Wm
-2]
+2.4 Wm-2
+0.25 Wm-2
seit 1750
Institut für Physik der Atmosphäre
Simulationen mit Klimamodellen für IPCC(a) natürliche Antriebskräfte (b) anthropogene Antriebskräfte
(c) alle Antriebskräfte
Jahr Jahr
Jahr
Tem
per
atur
abw
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[°C
]
Tem
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atur
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[°C
]
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per
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[°C
]
Institut für Physik der Atmosphäre
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly)
Jahr
Vol
umen
mis
chun
gsve
rhäl
tnis
CO
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ppm
v]
Vol
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CH
4 un
d C
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Institut für Physik der Atmosphäre
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus
1950 2007
10.7
cm
Rad
ioflu
ss [
10-2
2 W
m-2]
50
100
150
200
250
300
350
JahrAgung El Chichón Pinatubo
Institut für Physik der Atmosphäre
Entwicklung der globalen mittleren Jahrestemperatur in der unteren Stratosphäre (20 km)
Beobachtung: 0.77 °C/Dek.
CCM-Mittelwert: 0.64 °C/Dek.
WMO, 2007
Jahr
An
om
alie
[°C
]
Institut für Physik der Atmosphäre
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)
Institut für Physik der Atmosphäre
Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050)O
zona
nom
alie
[D
U]
Jahr
60°N - 60°S
Loyola et al., 2009; Dameris, 2010
Institut für Physik der Atmosphäre
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
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 ?
Institut für Physik der Atmosphäre
400 Jahre Sonnenfleckenbeobachtung
Zunahme der TSI von 1600 bis heute: ~2,8 Wm-2 (0,2 %) (Lean, 2000)
~1645-1715
~1770-1790Grand maximum
Institut für Physik der Atmosphäre
Klima während des Maunder Minimum
Beobachtungen
Maunder Minimum
Nordhemisphärische Anomalien der Bodentemperatur aus Proxydaten
Rekonstruktion der NH Bodentemperatur: 0.6 - 1.0 °C niedriger als die Referenzperiode 1901-1950
(Palmer, 2002)
Institut für Physik der Atmosphäre
Lean, 2000
5-8 %
• 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
Solare Variabilität
11-jähriger Sonnenfleckenzyklus Maunder Minimum
>50% in 121,6 nm (Lyman-α)
5-12% in 175-240 nm
3-5% in 240-260 nm
• 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
Institut für Physik der Atmosphäre
FUB-CMAM: Temperaturanomalien in MMNH, 1000 hPa, Jahresmittel
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
Langematz et al., 2005
Institut für Physik der Atmosphäre
Neue Publikationen zu dem Thema!
Institut für Physik der Atmosphäre
Feulner und Rahmstorf (2010): Beschreibung der Simulationen
CLIMBER-3 (Klimamodell mit Ozean-GCM sowie Land-Oberflächenwechselwirkungen einschließlich Vegetation):
6 Modellsimulationen1. IPCC A1B/A2 11-jähriger Sonnenzyklus wiederholt bis
21002. 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
Temperaturanomalien relativ zum Zeitraum 1961-1990
4.5°C (A2)3.7°C (A1B)
-0.1°C für GMbzw.-0.26°C für GMli.
Grand Minimum (GM) TSI (1-0.08%)
Grand Minimum (lowirradiance) (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 grandminimum 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 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.
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:PreindustrialMaunder Minimum
PICTL:PreindustrialControl simulation
Global gemittelte Abkühlung: 0.35°C
Institut für Physik der Atmosphäre
Song et al. (2010): IPCC "B1" Szenario
B1MM:IPCC B1 scenarioMaunder Minimum
B1CTL:IPCC B1 scenarioControl 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-Strahlungsrückkopplungzugeordnet 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).