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INTERVIEW/018: Die DPG stellt vor - die Sonne im Blick ...    Prof. Dr. Katja Matthes im Gespräch (SB)


Zumindest an sonnigen Tagen erscheint die alte Faustregel 'je heller die Sonne brennt, desto wärmer wird es auf der Erde' noch einigermaßen plausibel. Denn mit einem Stein, den man in die Sonne legt, läßt sich ihre Wärmeenergie direkt feststellen: Wenn die Sonne hoch steht, kann man Spiegeleier darauf zubereiten. In ihrem Schatten bleibt er kühl.

Verallgemeinern auf die Erdtemperatur läßt sich diese Heuristik allerdings nicht. Die Erde ist in den vergangenen 100 Jahren im Mittel um ein Grad Celsius wärmer geworden, ohne daß sich dafür ein offensichtlicher Zusammenhang mit der Sonneneinstrahlung herleiten ließe. Zwar sollen Proxidaten und Aufzeichnungen zufolge Sonnenintensität und Erdwärme zwischen 1850 und 1980 noch auf parallelen Bahnen verlaufen sein, woraus sich ein Zusammenhang ableiten ließe. Doch zwischen 1930 und 1950 verzeichnete man zuerst den Anstieg der Erdtemperatur, danach nahm die Sonnenhelligkeit mit einiger Verzögerung zu. Warum das so ist, versteht die Forschung noch nicht. Seit 1980 läßt sich kein Zusammenhang mehr zwischen Sonnenaktivität und Erdtemperatur feststellen. Die Erde wird immer wärmer, obwohl die Sonne seitdem sogar an Kraft verloren zu haben scheint. Diese Erkenntnis hängt möglicherweise auch davon ab, daß die Intensität der Sonne erst seit 1978 durch Satelliten gemessen wird. Davor war man auf indirekte Beobachtungen angewiesen, und die sind vielfach eine Frage der Interpretation.


In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts stieg die Temperatur um gut 0,4 Grad an, blieb dann zwischen 1940 und 1970 in etwa konstant, um seitdem wiederum um etwa 0,5 Grad anzusteigen - Grafik: 2017 by NASA

Globaler Temperaturindex Oberflächentemperaturen Land und See 1880-2016 relativ zum Mittelwert von 1951-1980
Grafik: 2017 by NASA

Nun wäre ohne eine Atmosphäre der Einfluß der Sonne auf die Erdtemperatur ohnehin nicht gravierend. Unabhängig von den komplexen Wechselwirkungen zwischen Wind, Wolken, Wetter, Meeresströmungen, Boden und Biosphäre würde die Sonne bestenfalls im globalen Mittel etwa eine Erderwärmung von minus 18 Grad Celsius erreichen. Selbst Sauerstoff und Stickstoff, die Hauptkomponenten der Erdatmosphäre, würden daran nichts Wesentliches ändern. Nur Spurengase wie Wasserdampf oder Kohlendioxid (und einige andere sogenannte Treibhausgase, die mit der Industrialisierung in die Lufthülle der Erde entlassen wurden) können die von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung absorbieren und langwellige Strahlung an sie zurückgeben. Dieser Treibhauseffekt ist letztlich die Voraussetzung für das Leben auf der Erde, auch wenn er, vor allem als Folge der CO2-Abgase der menschlichen Zivilisation in den letzten Jahrzehnten aus den Fugen geraten ist. Weitere Wechselwirkungen der Sonne mit dem Erdklima werden ebenfalls noch von Physikern untersucht. So soll die Sonne möglicherweise über die schwankende Intensität ihres Magnetfeldes und die damit verbundene kosmische Strahlung auf indirekte Art durch Wolkenbildung das Erdklima beeinflussen. Da Wolken das einfallende Sonnenlicht reflektieren, bewirkt ihre Abnahme in der unteren Atmosphäre einen Temperaturanstieg. Darüber hinaus hat Sonnenlicht einen katalytischen (reaktionsverstärkenden) Effekt auf Vorgänge in der Atmosphärenchemie, die sich unter Umständen wieder auf das Klima auswirken können.

In jüngster Zeit wird immer wieder die Frage nach der Rolle der Sonne für die Erderwärmung gestellt. Obwohl bei 97 Prozent der Wissenschaftler der Konsens besteht, daß der Klimawandel allein auf den Einfluß des Menschen auf seine Umwelt zurückzuführen ist, wird allein die Möglichkeit, etwas davon auf die Aktivitäten der Sonne zu schieben, zunehmend ein Politikum. Wladimir Putin wurde unlängst in den Medien zitiert, 'der Klimawandel sei nicht vom Menschen gemacht und daher auch nicht aufzuhalten'.

Prof. Dr. Katja Matthes leitet am GEOMAR Helmholz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel die Arbeitsgruppe "Physik der Atmosphäre", die sich u.a. brisanten Fragen nach dem Einfluß der Sonnenvariabilität auf den beobachteten Temperaturanstieg der vergangenen 100 Jahre stellt. Dieser macht allerdings laut bisherigen Klimamodellsimulationen höchstens 0,2 Grad Celsius, also etwa ein Fünftel der Gesamterwärmung aus. Im Verlauf der DPG-Frühjahrstagung in Bremen erklärte sie in ihrem Vortrag am 17. März den regionalen Einfluß der solaren Variabilität auf das europäische Klima. Im Anschluß daran war sie bereit, dem Schattenblick einige Fragen zu beantworten.


Foto: © 2017 by Schattenblick

Prof. Dr. Katja Matthes im Gespräch
Foto: © 2017 by Schattenblick

Schattenblick (SB): Sie haben mit Ihren Studien den Einfluss der Sonne auf das Klima untersucht. Könnten Sie unseren Lesern einen kleinen Einstieg in Ihr Projekt geben und warum diese Zusammenhänge von wissenschaftlichem und möglicherweise auch darüber hinausgehendem gesellschaftlichen Interesse sind?

Prof. Dr. Katja Matthes (KM): Da weiß ich, ehrlich gesagt, gar nicht, wo ich anfangen sollte, denn das Projekt ist sehr umfangreich. Wir arbeiten interdisziplinär, so dass Wissenschaftler verschiedener Fachbereiche, angefangen von den Sonnenphysikern, die das Verständnis der Sonne als ihre Expertise einbringen, über die Klimamodellierer bis zu den Spezialisten für die Vorgänge in der Atmosphäre, zusammenarbeiten und gemeinsam versuchen, den Einfluss der Sonne auf das Klima genauer zu verstehen.

SB: Sie hatten am Anfang Ihres Vortrags erwähnt, dass die Sonne uns nicht weiterhelfen wird, das Klima abzukühlen. Als Laie sieht man in dieser Aussage möglicherweise gar keinen Widerspruch. Gibt es Einflüsse der Sonne, von denen man sich einen kühlenden Effekt versprochen hatte?

KM: Es geht um den Einfluss der Sonnenaktivität. Dabei handelt es sich einmal um die Variabilität in der Einstrahlung der Sonne in verschiedenen Wellenlängenbereichen und dazu kommen dann noch Teilcheneinflüsse von Eruptionen auf der Sonne. Das alles wird als solare Aktivität zusammengefasst. Wir konnten feststellen, dass selbst eine langfristige Abnahme der Sonnenaktivität keinen Einfluss auf den Klimawandel nehmen würde. Für den Anstieg der globalen Temperatur ist ausschließlich der CO2-Anstieg verantwortlich und auch eine auffallend geringe Sonnenaktivität wird diesen Trend nicht abschwächen können. Die Sonne hat nichts mit dem Klimawandel zu tun.

SB: In welcher Weise machen sich denn diese Aktivitäten der Sonne aus 149,6 Millionen Kilometer Entfernung als Einfluss auf das irdische Klima bemerkbar, der ja, wenn ich Sie richtig verstanden habe, durchaus vorhanden ist, aber nicht für signifikante Änderungen ausreicht?

KM: Den Einfluss der Teilchen können wir noch nicht so genau einschätzen. Da stehen wir noch am Anfang unserer Forschung. Doch was den Strahlungseinfluss angeht, wissen wir, dass es im UV-Bereich eine Variation gibt, die relativ stark ist. Diese kann in ungefähr 50 Kilometern in der tropischen Hochatmosphäre Temperaturänderungen von einem Grad Celsius bewirken. Die Temperaturen steigen dort am Äquator bei einem Sonnenfleckenmaximum um ein Grad, dadurch entsteht eine starke Temperaturdifferenz zwischen dem Äquator und den Polen, welche dann über komplexe Wechselwirkungsmechanismen wie etwa Zirkulationsänderungen von Wind- oder Wellenbewegungen zu einer Ausbreitung des Effekts bis auf die Erdoberfläche führt.

SB: Sie sprachen auch den Einfluss der Sonne auf die chemische Zusammensetzung in der Troposphäre an. Diese chemischen Komponenten haben teilweise reflektierende oder filternde Wirkung wie ein Sonnenschirm oder der Lichtschutzfaktor einer Sonnencreme. Beide halten die schädliche Strahlung von der Erdoberfläche ab. Könnten sich solche durch die Sonne ausgelösten Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung vielleicht in anderer Weise klimatisch bemerkbar machen?

KM: Ja, eine ganz wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang das Ozon, allerdings in der Stratosphäre und nicht in der Troposphäre, wo sich das alltägliche Wetter abspielt. Es soll uns eigentlich vor der schädlichen UV-Strahlung schützen. Gleichzeitig ist UV-Strahlung ein wesentlicher Faktor in der Stratosphäre für die Photolyse von Sauerstoff, bei der sich Sauerstoff (O2) in zwei Sauerstoffatome (O·) spaltet. Das heißt, wenn mehr UV-Strahlung vorhanden ist, wird entsprechend mehr Ozon produziert. Dadurch wird aber auch mehr UV-Strahlung absorbiert, was wiederum eine Erwärmung zur Folge hat. Und deswegen trägt neben diesem einen Grad Temperaturänderung das Ozon, es handelt sich dabei um ungefähr drei Prozent mehr Ozonproduktion während des Sonnenfleckenmaximums, auch zu den Zirkulationsänderungen bei.

SB: Wenn Sonnenphysiker von Sonnenflecken sprechen, haben sie natürlich bestimmte Vorgänge im Sinn, die auf der Oberfläche der Sonne stattfinden. Was muss man sich darunter vorstellen? Eigentlich sind das doch im Vergleich zur gewaltigen Sonnenmasse nur winzig kleine Pünktchen. Warum spricht man ihnen einen so großen Einfluss zu?

KM: Sie können schon relativ groß sein. Sonnenflecken sind dunkle, kalte Gebiete auf der Sonne, die in einem Rhythmus von 11 Jahren mal stärker, mal weniger stark auftreten. Ein sogenanntes Sonnenfleckenmaximum zeichnet sich durch besonders viele Sonnenflecken aus. Das ist aber nicht das einzige Merkmal für eine erhöhte Sonnenaktivität. Es gibt auch sogenannte "helle Fackeln", die ebenfalls in einem stärkeren Maße beobachtet werden können und in besonderem Maße zu dieser erhöhten Strahlung beitragen.

SB: Sonnenflecken sind kalt und machen weniger Strahlung, und Sonnenfackeln sind die Gegenspieler und machen mehr?

KM: Nein, dazu müsste man sich die verschiedenen Spektralbereiche ansehen, das ist komplizierter. Einfach zu merken ist jedoch, dass man im Maximum der Sonnenflecken viele Sonnenflecken und viele Sonnenfackeln und eine hohe Sonnenaktivität beobachten kann.

SB: Im Verhältnis zu der großen Oberfläche der Sonne scheinen mir die Punkte, in denen dann eine verstärkte Aktivität beobachtet werden kann, doch recht klein zu sein. Inwiefern können sich ein paar kleine kalte Punkte mehr oder weniger und ein paar Fackeln im Verhältnis zu dieser gewaltigen Menge an Sonne, Hitze und Energie überhaupt spürbar ins Spiel bringen?

KM: Die Sonne dreht sich in 27 Tagen einmal um sich selber, das heißt, man hat immer eine Seite, die der Erde zugewandt ist. Und von dieser Seite, die bereits um die Hälfte kleiner ist als die gesamte Sonnenoberfläche, kommt die Strahlung beziehungsweise die Sonnenenergie zu uns. Hat man auf diesem auf die Erde gerichteten Bereich besonders viel oder besonders wenige Flecken, dann bedeutet das schon einen ziemlich starken Einfluss. Regional gesehen kann daraus abgeleitet werden, dass relativ geringfügige Veränderungen auf der Sonnenoberfläche eine verhältnismäßig größere Wirkung auf das Erdklima haben könnten als gedacht. Wenn man sich aber die globalen Mitteltemperaturen ansieht, zeichnet sich kaum ein großer Einfluss ab. Betrachtet man nur die europäische Region, dann lassen sich dort Änderungen von zwei Grad in Europa ablesen und ob es im Winter zwei oder drei Grad wärmer oder kälter ist, macht sich durchaus bemerkbar.

SB: Warum wird der regionale Aspekt so besonders betont?

KM: Die Nordatlantische Oszillation, eine Luftdruckschaukel zwischen Island und den Azoren, bestimmt, welche Temperaturen im Winter in Europa vorherrschen, und diese Temperaturen werden durch das Sonnenfleckenminimum und -maximum mitbestimmt. Im ersten Fall haben wir relativ kalte, im zweiten Fall warme Winter. Insofern ist der Einfluss auf diese regionalen Klimamuster so interessant. Sie können wirklich helfen, die saisonale Wettervorhersage von einem Jahr zum anderen zu verbessern. Den gleichen Einfluss gibt es auch im Pazifik.

SB: Was würde passieren, wenn so ein Sonnenfleckenzyklus tatsächlich einmal ganz aussetzt?

KM: Das Szenario haben wir tatsächlich einmal beobachtet und auch künstlich simuliert. Zwischen 1645 und 1715, dem sogenannten Maunder Minimum, wurde eine Phase besonders geringer Sonnenfleckenaktivität beobachtet, in der es zeitweise auch gar keine Sonnenflecken gegeben haben soll. Das ging einher mit sehr niedrigen Temperaturen und schneereichen Wintern in Europa. Die Themse war zugefroren und alle Kanäle in den Niederlanden. Das haben einige zeitgenössische niederländische Maler in Gemälden nur zu dieser Zeit festgehalten. Das heißt, es gab solche Phasen und man weiß nicht, ob es sie eventuell wieder geben wird. Ich habe in meiner Powerpoint-Dokumentation diesen deutlich absteigenden Trend der Sonnenaktivität zu zeigen versucht. Er gibt einigen Wissenschaftlern Anlass zur Vermutung, dass in 200 bis 300 Jahren wieder ein starkes Minimum auftreten könnte, wenn man davon ausgeht, dass solche Phasen, in denen es fast keine Sonnenflecken gab, immer wieder mal auftreten. Aber das wird nicht in naher Zukunft passieren und somit auch keinen Einfluss auf heutige Klimatrends haben.

SB: Kann man sich das erklären? Hat man Vorstellungen darüber, wie solche Sonnenphasen zustande kommen?

KM: Sonnenflecken sind ein Ausdruck der magnetischen Aktivität der Sonne. Es gibt Bereiche auf der Sonne, an denen die Magnetfeldlinien verlaufen und austreten, aber wie das im einzelnen funktioniert, ist noch nicht wirklich verstanden. Die Sonnenphysiker sind dabei, den sogenannten Sonnendynamo nachzuvollziehen. Aber ihr Wissen reicht noch nicht, um mit Gewissheit vorhersagen, ob und wann diese Minima wieder auftreten.

SB: Es gibt zur Zeit einige politische Gruppierungen, welche die wissenschaftlichen Erkenntnisse wie den jüngsten Bericht des Weltklimarats, nach dem der Klimawandel ausschließlich anthropogene Ursachen hat, in Frage stellen wollen. Müssen Sie sich Sorgen machen, dass Ihre Forschung in diesem Sinne zweckentfremdet werden könnte?

KM: Nein, es liegt mir sehr daran, klarzustellen, dass unsere Forschung die Erkenntnisse des Weltklimarats stützt. Der Klimawandel ist menschengemacht und die Sonne hat damit nichts zu tun. Aber die kleine, zusätzliche natürliche Klimavariabilität, die von Sonnenaktivitäten abhängig ist, können wir insgesamt besser berücksichtigen, wenn wir den Sonneneinfluss im Einzelnen begriffen haben und dadurch vielleicht manche Unsicherheiten in den Klimaprojektionen ausschließen, wenn wir ein besseres Verständnis dafür entwickeln, wie dieser periodische Zyklus sozusagen die Klimavariabilität oder die dekadische Variabilität beeinflusst. Das könnte im Endeffekt zu präziseren Klimavorhersagen führen. Aufpassen, dass unsere Arbeit nicht missbraucht wird oder wir falsch zitiert werden, müssen wir allerdings immer, denn die Klimaskeptiker nutzen die Sonnenaktivitäten gerne als Ausrede, um zu begründen, dass man nichts an seinem Verhalten ändern muss.

SB: Vielen Dank, Frau Prof. Matthes, für das Gespräch.


Zur Frühjahrstagung der Sektion Materie und Kosmos sind bisher, mit dem kategorischen Titel "Die DPG stellt vor" versehen, im Pool NATURWISSENSCHAFTEN → REPORT erschienen:

BERICHT/004: Die DPG stellt vor - Verantwortung der Wissenschaft ... (SB)
BERICHT/005: Die DPG stellt vor - Endlichkeit nicht vorgesehen ... (SB)

INTERVIEW/009: Die DPG stellt vor - unzureichend treibt voran ...    Prof. Dr. Claus Lämmerzahl im Gespräch (SB)
INTERVIEW/010: Die DPG stellt vor - Schwingungen und Perspektiven ... Prof. Dr. Klaus Fredenhagen im Gespräch (SB)
INTERVIEW/011: Die DPG stellt vor - fortschreitendes Verständnis (Teil 1) ...    Prof. Dr. Domenico Giulini im Gespräch (SB)
INTERVIEW/012: Die DPG stellt vor - das Mögliche auch nutzen ...    Prof. Dr. Dr. Claus Beisbart im Gespräch (SB)
INTERVIEW/013: Die DPG stellt vor - die Maßstäbe prüfen ...    Martina Gebbe im Gespräch (SB)
INTERVIEW/014: Die DPG stellt vor - unbekannten Emissionen auf der Spur ...    Dr. Stefan Schmitt im Gespräch (SB)
INTERVIEW/015: Die DPG stellt vor - Zusammenschau ...    Dr. Irena Doicescu im Gespräch (SB)
INTERVIEW/016: Die DPG stellt vor - Vermächtnis der Vergleiche ...    Dipl. Ing. Stefanie Bremer im Gespräch (SB)
INTERVIEW/017: Die DPG stellt vor - fortschreitendes Verständnis (Teil 2) ...    Prof. Dr. Domenico Giulini im Gespräch (SB)
INTERVIEW/018: Die DPG stellt vor - die Sonne im Blick ...    Prof. Dr. Katja Matthes im Gespräch (SB)
INTERVIEW/019: Die DPG stellt vor - Wissenschafts- und Selbsterkenntnis ...    Prof. Dr. Hardi Peter im Gespräch (SB)

5. April 2017


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