It is a good morning exercise for a research scientist to discard a pet hypothesis every day before breakfast. It keeps him young.

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1 It is a good morning exercise for a research scientist to discard a pet hypothesis every day before breakfast. It keeps him young. K. Lorenz, The So-called Evil Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 1

2 Solar-Terrestrische Beziehungen Übersicht: Solare Aktivität, Klima und Kultur elektromagnetische Strahlung und Klima, energiereiche Teilchen und Ozon, abschirmende Wirkung Magnetfeld, blockierende Wetterlagen. Klassische Aspekte: geomagnetische Stürme, Aurora (Kap. 8) Voraussetzungen: solarer Output und Variation mit dem Solarzyklus Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 2

3 Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 3

4 Klima und Geschichte (12) Sumerisches Maximum 2700 BC, erste fortgeschrittene Zivilisation (11) Pyramidenmaximum BC (10) Stonehenge Maximum BC (6) Maximum der Römerzeit (5) Mittelalterliches Pessimum, Völkerwanderung (4) Mittelalterliches Optimum, Wikinger in Grönland, Weinbau in England (3) Maunder Minimum, kleine Eiszeit (2) Spörer Minimum, kleine Eiszeit Eddy, 1976, in Physics of solar planetary environments, American Geophys. Union Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 4

5 Parameter Klimasystem Climate is what you expect, weather is what you get. (Pollack, 2003) Input: auftreffende elektromagnetische Strahlung (Solarkonstante), Sonnenwind, energiereiche Teilchen. Output: langwellige Ausstrahlung, Wasserstoff aus der Exosphäre (Geokorona). Bilanz moduliert durch: Albedo, Treibhauseffekt (natürlich und anthropogen), allgemein Spurengase, Zirkulation Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 5

6 Effektivtemperatur der Erde Nullte Näherung: Gleichgewicht aus Ein- und Ausstrahlung, keine Atmosphäre: Variation der Solarkonstante: Beobachtung: Solarkonstante variiert im Solarzyklus um 0.08%, entsprechend einer Änderung der Temperatur um 0.07 K Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 6

7 Variation Solarkonstante spektrale Variation wesentlich ausgeprägter (bis Faktor 10). harte Elmgas in Hochatmosphäre absorbiert, daher Einfluss auf Klima nicht offensichtlich. Variation in Ozonrelevanter UV- Strahlung ca. 15% (mehr Ozon im Maximum erwartet) Lean, 1992, Rev. Geophys. 29, Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 7

8 Energiereiche Teilchen in der Atmosphäre primäre Konsequenz: Ionisation der Atmosphäre in sonst nicht ionisiertem Bereich zwischen 10 und 80 km, sekundäre Konsequenz: chemische Reaktionen, insbesondere die Erzeugung von chemisch reaktivem NOx und HOx und damit verbunden der Abbau von Ozon. kontinuierliche Quelle geringer Intensität: galaktische kosmische Strahlung (global), sporadische Quelle hoher Intensität: solare energiereiche Teilchen (über den Polkappen) Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 8

9 Bethe-Bloch WeWi mit Atmosphäre beschrieben durch Bethe-Bloch: oder einfach: Konsequenzen: Energieverlust maximal für geringe Geschwindigkeit, d.h. am Ende der Reichweite. Teilchen mit hoher Geschwindigkeit erzeugen nur geringe Ionisationsdichte. Energieverlust (und damit Ionenpaarproduktion) kann nur durch numerische Integration bestimmt werden. Quack, Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 9

10 Bethe-Bloch einfach Vereinfachung zum Umgehen der numerischen Integration: Ionisationsrate hängt nur vom Fluss einfallender Teilchen und vom spezifischen Energieverlust ab: letzterer wird angenähert als so dass sich mit der barometrischen Höhenformel ergibt Für die Gesamtenergie gilt gleichzeitig und damit für die stopping height: Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 10

11 NOx-Produktion Konversionsfaktoren von Ionenpaarproduktion auf Erzeugung von NOx und HOx. ein einzelnes solares Ereignis kann mehr NOx erzeugen als die galaktische kosmische Strahlung über einen Solarzyklus allerdings mit anderer Höhenverteilung. Reid, 1986, in Physics of the Sun III, Reidel Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 11

12 Destruktive Ozonchemie Zerstörung durch einfach ionisiertes O2: das HOx reagiert weiter in einem der folgenden Reaktionspaare: Zerstörung durch einfach ionisiertes N2: dissoziative Rekombination liefert zwei neutrale N-Atome. diese reagieren mit je einem Sauerstoffmolekül zu NOx NOx trägt zur Ozonzerstörung bei durch direkte Reaktion mit NO Nettoeffekt obere Kette: Nettoeffekt untere Ketten: durch Einfang atomaren Sauerstoffs (Zwischenstufe bei der Ozonbildung) Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 12

13 Bastille Day Event Ionisation bis hinab zu 10 km. im Beginn des Ereignisses Ionisation in geringeren Höhen. im Laufe des Ereignis wandern Maximum der Ionisation und Eindringtiefe nach oben, da das Teilchenspektrum weicher wird. Ionenpaarproduktionsraten im Maximum ca. 1E4/cm³s Quack, Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 13

14 Bastille-Day Ozon Ozonabnahme oberhalb 50 km um 40% für 2 Tage. Ozonabnahme: geringer mit abnehmender Höhe, länger andauernder mit abnehmender Höhe. Jackman et al., 2001, Geophys. Res. Lett. 28, 2883 im vergangenen solaren Maximum insgesamt drei vergleichbare Ereignisse plus Aktivität von Ende genaueres im File ozonandclimate.pdf Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 14

15 Ionisation im Solarzyklus Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 15

16 Ozon im Solarzyklus Ozonabbau im Maximum stärker als im Minimum, Sinnhuber, priv. comm. Ozonabbau erstreckt sich bis in mittlere (im Maximum sogar niedrige) Breiten obwohl Teilcheneinfall auf Polarkappen beschränkt, Ozonabbau im Maximum passt besser zu den Beobachtungen als die aus der harten elmag erwartete Zunahme (Kombination beider Effekte erforderlich) Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 16

17 Verschwindendes Magnetfeld Sinnhuber, priv. comm. Teilcheneinfall global, Ozonabbau wieder an den Polen stärker als am Äquator (Zirkulation, NOx-Abbau durch Elmags am Äquator), Asymmetrie von Nord- und Südhemisphäre, polarer Ozonabbau stark genug, um Zirkulation zu beeinflussen. genaueres im File magneticfieldreversal.pdf Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 17

18 Zirkulation in der Thermosphäre sehr ruhige Sonne mittlere Aktivität sehr aktive Sonne Teilchenwirbel in polaren Breiten im solaren Maximum, eine globale Zelle von Sommer- zu Winterhemisphäre, zwei Zellen Äquator-Pol zur Tag- und Nachtgleiche. Roble, 1977, The upper atmosphere and magnetosphere, Nat. Acad. Sciences Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 18

19 Troposhärische Zirkulation Bucha, 1980, Ann. Geophys. 6, (5)513 stark mäandernde Polarfront mit vielen sich ablösenden Wirbeln zu Zeiten geringer geomagnetischer Aktivität (solares Minimum), mäandernde Polarfront (ohne deutliche Wirbelablösung) zu Zeiten mittlerer geomagnetische Aktivität (mittlere solare Aktivität oder solares Minimum mit sehr ausgeprägten CIRs), nahezu breitenkreisparallele Polarfront zu Zeiten hoher geomagnetischer Aktivität (solare Maximum) Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 19

20 Blocking Patterns breitenkreisparallele Polarfront erlaubt freie Ausbreitung der Druckgebilde (entspricht warmem Winter bei uns). mäandernde Polarfront blockiert freie Ausbreitung und transportiert statt dessen warme Luftmassen polwärts und entsprechend kalte Luftmassen in niedrigere Breiten (Hoch über Russland hat gewonnen, kalter Winter für uns). Roberts and Lansford, 1979, The climate mandate, Freeman Space Physics SS Kap. 10: Solar-Terrestrische Beziehungen 20