Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung: Steuert die Sonne das Erdklima?

Transkript

1 Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung: Steuert die Sonne das Erdklima? Manfred Schüssler Max-Planck-Institut für Aeronomie Katlenburg-Lindau Planetarium Stuttgart Astronomisches Seminar 14. Dezember 2001

2 Die Sonne als Klima-Maschine Die Sonnenstrahlung als Wärmequelle treibt Winde und Meeres-Strömungen

3 Zeitliche Veränderung der einfallenden Sonnenstrahlung Tag und Nacht Jahreszeiten Langfristige Variationen: Erdbahn, Neigung der Erdachse

4 Globale Erwärmung Hintereisferner-Gletscher (Österrreich)

5 Die globale Erwärmung... Globale Temperatur

6 ...und der Anstieg von CO 2 CO 2 -Gehalt (ppm) der Atmosphäre Im letzten Jahrhundert ist die mittlere Temperatur um O

7

8 und in der Zukunft? Prognose auf der Basis von Klimamodellen

9 Der Treibhauseffekt

10 Energiebilanz 1: ohne Atmosphäre

11 nergiebilanz 2: mit Atmosphäre, ohne Treibhausgase

12 nergiebilanz 3: mit Treibhausgasen nicht ausgeglichen

13 nergiebilanz 4: mit Treibhausgasen Gleichgewichtsrechnung

14 nergiebilanz 5: ausgeglichen

15 Das komplexe Klimasystem

16 Zweifel am Treibhauseffekt?...

17 Klimaschwankungen in der jüngeren Vergangenheit

18 st die Sonne selbst veränderlich? Die Sonne ist ein aktiver Stern! Sonnenflecken Eine große Sonnenfleckengruppe

19 Was sind Sonnenflecken? Rauchwolken? Löcher? Wirbelstürme?

20 Das Spektrum des Sonnenlichts

21 Sonnenflecken sind magnetisch Sonnenfleck mit Spektrographenspalt Durch das Magnetfeld

22 Der Aufbau der die Sonne

23 Granulation und Sonnenfleck

24 Die Sonne ist magnetisch Magnetische Karte der Sonne Magnetfelder auf der rotierenden Sonne

25 eißes Gas zeichnet Feldlinien nach...

26 Wo kommt die Magnetfelder her?

27 Die veränderliche Sonne Minimum Die Aktivität der Sonne schwankt in einem etwa 11-jährigen Rhythmus Maximum Maximum

28 Der 11-jährige Sonnenzyklus Maunder-Minimum Dalton-Minimum Die Aktivität der Sonne schwankt in einem Rhythmus von etwa 11 Jahren. Längerfristige Variationen sind diesem Zyklus überlagert.

29 Die kleine Eiszeit im 17. Jh. Die niederländischen Maler schufen ihre berühmten Winterbilder.

30 Die kleine Eiszeit im 17. Jh. Auf der zugefrorenen Themse wurden Märkte abgehalten

31 er Sonnenzyklus und : Samuel Heinrich Schwabe entdeckt den 11-jährigen Sonnenzyklus In der Folge werden alle möglichen Zusammenhänge gefunden...

32 Der Wasserstand des Victoria-Sees Sonnenflecken Pegelstand

33 11-jähriger Zyklus und Klima? Sonnenflecken Pegelstand Kein eindeutiger Zusammenhang Korrelationen kommen und gehen Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich

34 Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur

35 11-jähriger Zyklus und Klima? Sonnenflecken Pegelstand Kein eindeutiger Zusammenhang Korrelationen kommen und gehen Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich Aber: Deutlicher Zusammenhang in der oberen Atmosphäre (Stratosphäre und darüber)

36 Physikalische Mechanismen? Schwankung der UV-Strahlung

37 Die veränderliche Sonne Röntgenstrahlung Minimum Die kurzwellige Strahlung Die Aktivität der der Sonne Sonne schwankt schwankt im in Zyklus einem etwa stark: vom 11-jährigen Faktor 2 im Rhythmus UV (<100 nm bis Faktor 100 im Röntgengebie Maximum Maximum

38 Die Erdatmosphäre atmet Die Temperatur und die Höhe der äusseren Schichten Sonnenaktivität Die Ausdehnung der Erdatmosphäre der Atmosphäre schwanken durch verstärkte Sonnenaktivität im Takt des Sonnenzyklus. führte 1979 zum (unkontrollierten!) Absturz des Weltraumlabors Skylab. 30-hPa-Höhe

39 ie Erdatmosphäre atmet Sonnenaktivität 30-hPa-Höhe verstärkte Aktivität der Sonne mehr UV-Strahlung Temperaturanstieg in der Stratosphär Veränderung von Luftströmungen (Hadley-Zirkulation ie Höhe der Stratosphäre schwankt im Takt es Sonnenzyklus (Karin Labitzke, FU Berlin) Klima-Effekt?

40 Physikalische Mechanismen? Schwankung der UV-Strahlung Variation der Gesamtstrahlung

41 Die Solarkonstante schwankt! Die Gesamtstrahlung der Sonne variiert um etwa 0.1% im Takt des Aktivitätszyklus!

42 Einfluss der Sonnenflecken Die Sonne wird dunkler, wenn sie Flecken hat

43 arum ist die Sonne heller, wenn sie ehr dunkle Sonnenflecken hat? Sonnenflecken (dunkel) Fackeln (hell)

44 Sonnenfackeln aus der Nähe...

45 Sonne mit Flecken und Fackeln

46 Einfluss der Fackelgebiete Die Sonne wird heller, wenn sie Fackeln hat

47 Die Aufhellung durch Fackeln überwiegt die Verdunklung durch Sonnenflecken

48 Ein grundsätzliches Problem Verlässliche Daten nur für die letzten Jahrzehnte vorhanden Rekonstruktion von Daten, z.b. aus Sonnenfleckenzahlen, erforderlich oft unsicher!

49 Variation der Gesamtstrahlung Klimamodelle: Temperaturschwankungen vor ~1950 von der Sonne beeinflusst, danach überwiegt der Treibhauseffekt.

50 Physikalische Mechanismen? Schwankung der UV-Strahlung Variation der Gesamtstrahlung Veränderung der kosmischen Strahlung

51 Das Magnetfeld der Sonne... - setzt sich fort in den interplanetaren Raum - und schwankt im Rhythmus des 11-jährigen Zyklus

52 Das interplanetare Magnetfeld

53 ie kosmische Strahlung schwankt! Die kosmische Höhenstrahlung variiert im Gegentakt des Aktivitätszyklus!

54 Geladene Teilchen und Magnetfeld

55 arum ist die kosmische Strahlung schwächer, enn die Sonne aktiver ist? Ruhige Sonne Aktive Sonne

56 arum interessiert uns die kosmische Strahlung m Zusammenhang mit dem Klima? Kosmische Strahlung erzeugt radioaktive Elemente ( 14 C, 10 Be) Aufschluss über die Sonnenaktivität in der Vergangenheit erzeugt eventuell Kondensationskeime für die Bildung von Wolken Klima-Wirkung??

57 Wolken und Temperatur Wolkenphysik ist sehr komplex! Dünne, hochliegende Wolken heizen (Treibhauseffekt) Dicke, tiefliegende Wolken kühlen (erhöhte Reflektion des Sonnenlichtes) In der Summe wirken Wolken kühlend

58 Wolken und kosmische Strahlung Hochliegende Wolken Marsh & Svensmark (2000)

59 Wolken und kosmische Strahlung Tiefliegende Wolken Marsh & Svensmark (2000)

60 Sonnenaktivität früher... Die kalifornische Borstenkiefer kann 5000 Jahre alt werden. Das durch kosmische Strahlung erzeugte 14 C in ihren Jahresringen in ein Maß für die Aktivität der Sonne in der Vergangenheit.

61 Sonnenaktivität früher... Eisbohrkern vom grönländischen Inlandeis Radioaktives Beryllium ( 10 Be) wird durch kosmisch Strahlung erzeugt und mit Niederschlag ausgewasche Das in den Jahresschichten des Grönlandeises gespei- cherte 10 Be ist ein Maß für die Sonnenaktivität in den letzten Jahren.

62 Sonnenaktivität aus 14 C-Daten Sonnenflecken Dalton Maunder Mittelalterliches Maximum Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt.

63 Sonnenaktivität und Erdklima Globale Temperatur 14 C W M D S Sonnen- flecken Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt.

64 10 Be und kosmische Strahlung Konzentration von 10 Be Sonnenflecken

65 Das interplanetare Magnetfeld Rekonstruiert Sonnenflecken Messungen Verdoppelung im letzten Jahrhundert Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15% KLIMA-EFFEKT??

66 Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur

67 Wie lassen sich die langfristigen ( säkularen ) Veränderungen des Sonnenmagnetfeldes verstehen? Zusammenhang zwischen Oberflächenfeld und interplanetarem Feld? Zeigt auch das Oberflächenfeld eine säkulare Variation? Bedeutung der variierenden Zykluslänge? Kann man die Entwicklung des Feldes aus vorliegenden Beobachtungen rekonstruieren?

68 Die Bilanz des magnetischen Flusses Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten Aktive Region/Sonnenfleckengruppe (wenige, groß: ~200 Mm, langlebig) Ephemeral region (viele, klein: ~5 Mm, kurzlebig)

69 Die Bilanz des magnetischen Flusses Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten 1) aktive Gebiete ( Mm) 2) ephemeral regions (<10 Mm) Eruptionsrate in 2) um einen Faktor 100 höher! Verschwinden durch Polaritäts-Auslöschung

70 Ephemeral regions: Zyklen überlappen! ephemeral regions active regions (K. Harvey, 1994)

71 Ephemeral regions: Zyklen überlappen! ephemeral regions active regions (K. Harvey, 2000)

72 Die Bilanz des magnetischen Flusses Transport über die Sonne durch Zirkulation, differentielle Rotation, Diffusion! globales Dipolfeld! offenes (interplanetares) Feld:`Korona-Löcher

73 Zyklische und nicht-zyklische Anteile Zyklisch: 11-Jahres-Rhythmus Nicht-zyklisch ( säkular ): lange Abklingzeit des offenen Feldes Überlappung der Zyklen für ephemeral regions! Länge der einzelnen Zyklen beeinflusst die Langzeitvariation des Hintergrundfeldes

74 Zeit Modell für die Langzeitvariation des Flusses S.K. Solanki, M. Schüssler & M. Fligge Nature (2000), Astronomy & Astrophysics (im Druck) Zyklische Fluss-Eruption in aktiven Gebieten und kleinen ephemeral regions! Sonnenflecken-Relativzahl (seit 1700) als Maß für die Eruptionsrate! Längerer Zyklus für ephemeral regions: ephemeral regions aktive Gebiete ER starten früher ausgedehntere, überlappende Zyklen

75 Dynamo Eruption von magnetischem Fluss Aktive Gebiete 3 mon 12 yr Ephemeral regions 72 yr 14 h Zerfall Offenes Feld 3 yr Zerfall Zerfall

76 facular flux sunspot flux / = 0.2 B f B s Eichung durch Vergleich mit direkten Messungen ab 1970

77 active regions τ act 0.2yr, τ = 12yr = ta ephemeral regions τ eph 14 hr, τ = 72 yr = te open flux = 3yr τ open

78 X = 160 τ x = 2.5yr Active region cycle stretched and amplified

79 Ergebnis: Fluss-Entwicklung seit 1700 Aktive Gebiete Ephemeral regions Gesamtfluss Offener Fluss

80 Modeled and reconstructed open flux

81 Ergebnisse: Entwicklung sowohl des Gesamtflusses als auch des offenen Flusses kann bis 1700 verfolgt werden Der offene Fluss stimmt gut mit der Rekonstruktion von Lockwood et al. (1999) überein. Das Überlappen der Zyklen der ephemeral regions führt zur säkularen Variation des Gesamtflusses Faktor 3 geringer wegen des Dalton-Minimums Verdoppelung während der ersten Hälfte des 20. Jh. Folgerungen für die Gesamthelligkeit der Sonne und die Schwankung der kosmischen Strahlung

82 Rekonstruktion zurück bis Be Quellfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld

83 Zykluslänge und Temperatur Zykluslänge Landtemperatur

84 Zykluslänge und Magnetfeld

85 Zykluslänge und Magnetfeld: Analogie

86 Das interplanetare Magnetfeld Messungen Verdoppelung im letzten Jahrhundert Rekonstruiert Sonnenflecken Abnahme der kosm. Strahlung um ca. 15%

87 Kosmische Strahlung und Klima? Kosmische Strahlung: nimmt ab bei hoher Sonnenaktivität nimmt zu bei geringer Sonnenaktivität beinflusst die Wolkenbildung durch Bildung von Kondensationskeimen? Wirkung auf das Klima?

88 Klimawirkung der Sonnenaktivität Allgemeiner Anstieg der Sonnenaktivität seit Ende des 19. Jahrhunderts Schwankung der UV-Strahlung wirkt auf die Ozonkonzentration 11-Jahres-Zyklus nachweisbar Variation der Gesamtstrahlung vor 1950 sichtbar in Klimamodellen unsichere Rekonstruktion

89 Klimawirkung der Sonnenaktivität Veränderung der kosmischen Strahlung wirkt eventuell auf die Wolkenbildung Wolkenbedeckung variiert im Gleichtakt recht zuverlässige Rekonstruktion

90 Klimawirkung der Sonnenaktivität Seit ca steigen die Wirkungen der Sonne im Mittel nicht mehr an Aber die Erdtemperatur hat deutlich weiter zugenommen!!

91 Sonne, und Sterne Helligkeits-Schwankung Variation der Aktivität Die Sonne hat gegenwärtig geringere Schwankungen der Helligkeit als vergleich- bar aktive Sterne. Wird das so bleiben??

92 azit: onne oder reibhauseffekt? Beide Verdächtige sind im Spiel: - bis 1980 deutlicher Einfluss der Sonne - danach gewinnt CO 2 an Bedeutung

93 azit: onne oder reibhauseffekt? CO 2 -Ausstoß schnell reduzieren! Weitere Entwicklung von Sonnenaktivität und Klima sind beunruhigend unsicher, also ist Forschung auf beiden Seiten notwendig, auf jeden Fall aber gilt:

94 Ende... inmpi.mpg.de/~msch

95 Das CLOUD-Experiment bei CERN Messung der Bildung von Kondensationskeimen

96 kühlend Wie groß sind die Effekte? heizend Der direkte solare Effekt (ca. 0.4 W/m 2 ) entspricht 40% des übrigen Netto-Effekts (ca. 1 W/m 2 ).

97 Modeled and observed fluxes

98 Modeled and observed fluxes

99 10 Be Reconstructed open flux and 10 Be

100 Wo kommt die Magnetfelder her?

101 Das Induktionsprinzip Bewegter elektrischer Leiter im Magnetfeld elektr. Feld und Kraft senkrechte Bewegung elektrischer Strom neues Magnetfeld Lenzsche Regel! (sonst perpetuum mobile)

102 Selbsterregter Dynamo Saatmagnetfeld radiales elektr. Feld elektrischer Strom Leiterschleife Verstärktes Saatfeld Energie kommt von der Rotation

103 Der Dynamoprozess in der Sonne