Das Magnetfeld der Sonne und die globale Erwärmung

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
Die Sonne als “Klima-Maschine”
Die Sonnenstrahlung als Wärmequelle
treibt Winde und Meeres-Strömungen
Zeitliche Veränderung der
einfallenden Sonnenstrahlung
■
■
■
Tag und Nacht
Jahreszeiten
Langfristige Variationen:
Erdbahn, Neigung der Erdachse
Globale Erwärmung
1903
1924
1940
1956
Hintereisferner-Gletscher (Österrreich)
Die globale Erwärmung...
Globale Temperatur
...und der Anstieg von CO2
CO2-Gehalt (ppm)
der Atmosphäre
Im letzten Jahrhundert ist die mittlere Temperatur um
etwa 0.6O C gestiegen, der CO2 - Gehalt um etwa 30%.
… und in der Zukunft ?
Prognose auf der Basis von Klimamodellen
Der Treibhauseffekt
Energiebilanz 1: ohne Atmosphäre
Energiebilanz 2: mit Atmosphäre,
ohne Treibhausgase
Energiebilanz 3: mit Treibhausgasen
nicht ausgeglichen
Energiebilanz 4: mit Treibhausgasen
Gleichgewichtsrechnung
Energiebilanz 5: ausgeglichen
Das komplexe Klimasystem
Zweifel am Treibhauseffekt ?
...
Klimaschwankungen in der
“jüngeren” Vergangenheit
Ist die Sonne selbst veränderlich?
■
Die Sonne ist ein “aktiver” Stern!
Eine große Sonnenfleckengruppe
Sonnenflecken
Was sind Sonnenflecken ?
Rauchwolken ?
Löcher ?
Wirbelstürme ?
Das Spektrum des Sonnenlichts
Sonnenflecken sind magnetisch
Sonnenfleck mit Spektrographenspalt
Durch das Magnetfeld
aufgespaltene Spektrallinie
Der Aufbau der die Sonne
Granulation und Sonnenfleck
Die Sonne ist magnetisch
Magnetische Karte der Sonne
Magnetfelder auf der
rotierenden Sonne
Heißes Gas zeichnet Feldlinien nach...
Wo kommt die Magnetfelder her ?
Die veränderliche Sonne
Minimum
Die Aktivität der
Sonne schwankt
in einem etwa
11-jährigen
Rhythmus
Maximum
Maximum
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.
Die “kleine Eiszeit” im 17. Jh.
Die niederländischen Maler schufen
ihre berühmten “Winterbilder”.
Die “kleine Eiszeit” im 17. Jh.
Auf der zugefrorenen Themse wurden Märkte abgehalten
Der Sonnenzyklus und...
• 1843: Samuel Heinrich Schwabe
entdeckt den 11-jährigen Sonnenzyklus
• In der Folge werden alle möglichen
“Zusammenhänge” gefunden...
Der Wasserstand des Victoria-Sees
Sonnenflecken
Pegelstand
11-jähriger Zyklus und Klima ?
Sonnenflecken
Pegelstand
• Kein eindeutiger Zusammenhang
• Korrelationen kommen und gehen
• Vorzeichen wechseln örtlich und zeitlich
Zykluslänge und Temperatur
Zykluslänge
Landtemperatur
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)
Physikalische Mechanismen ?
■
Schwankung der UV-Strahlung
Die veränderliche Sonne
Röntgenstrahlung
Minimum
Die kurzwellige
Strahlung
derder
Die Aktivität
Sonne
Sonneschwankt
schwankt
im
stark:
in Zyklus
einem etwa
vom
Faktor 2
11-jährigen
im
UV (<100 nm)
Rhythmus
bis Faktor 100
im Röntgengebiet.
Maximum
Maximum
Die Erdatmosphäre “atmet”
Die Temperatur und die
Höhe der äusseren Schichten
Sonnenaktivität
der Atmosphäre schwanken
Die Ausdehnung der Erdatmosphäre
im Takt des Sonnenzyklus.
durch verstärkte Sonnenaktivität
führte 1979 zum (unkontrollierten!)
Absturz des Weltraumlabors “Skylab”.
30-hPa-Höhe
Die Erdatmosphäre “atmet”
Sonnenaktivität
• verstärkte Aktivität
der Sonne
• mehr UV-Strahlung
• Temperaturanstieg
in der Stratosphäre
30-hPa-Höhe
• Veränderung von
Luftströmungen
(Hadley-Zirkulation)
Klima-Effekt?
Die Höhe der Stratosphäre schwankt im Takt
des Sonnenzyklus (Karin Labitzke, FU Berlin)
Physikalische Mechanismen ?
■
■
Schwankung der UV-Strahlung
Variation der Gesamtstrahlung
Die “Solarkonstante” schwankt!
Die Gesamtstrahlung der Sonne variiert
um etwa 0.1% im Takt des Aktivitätszyklus!
Einfluss der Sonnenflecken
Die Sonne wird dunkler, wenn sie Flecken hat
Warum ist die Sonne heller, wenn sie
mehr dunkle Sonnenflecken hat ?
Sonnenflecken
(dunkel)
Fackeln (hell)
Sonnenfackeln aus der Nähe...
Sonne mit Flecken und Fackeln
Einfluss der Fackelgebiete
Die Sonne wird heller, wenn sie Fackeln hat
Die Aufhellung durch Fackeln überwiegt
die Verdunklung durch Sonnenflecken
Ein grundsätzliches Problem
■
■
■
Verlässliche Daten nur für die
letzten Jahrzehnte vorhanden
“Rekonstruktion” von Daten, z.B. aus
Sonnenfleckenzahlen, erforderlich
oft unsicher!
Variation der Gesamtstrahlung
Klimamodelle: Temperaturschwankungen vor ~1950 von der
Sonne beeinflusst, danach überwiegt der Treibhauseffekt.
Physikalische Mechanismen ?
■
■
■
Schwankung der UV-Strahlung
Variation der Gesamtstrahlung
Veränderung der kosmischen
Strahlung
Das Magnetfeld
der Sonne...
- setzt sich fort in den
interplanetaren Raum
- und schwankt im
Rhythmus des
11-jährigen Zyklus
Das interplanetare Magnetfeld
Die kosmische Strahlung schwankt!
Die kosmische Höhenstrahlung variiert
im Gegentakt des Aktivitätszyklus!
Geladene Teilchen und Magnetfeld
Warum ist die kosmische Strahlung schwächer,
wenn die Sonne aktiver ist ?
Ruhige Sonne
Aktive Sonne
Warum interessiert uns die kosmische Strahlung
im Zusammenhang mit dem Klima ?
Kosmische Strahlung:
• erzeugt
radioaktive
Elemente (14C,10Be)
→ Aufschluss über
die Sonnenaktivität
in der Vergangenheit
• erzeugt eventuell
Kondensationskeime
für die Bildung
von Wolken
→ Klima-Wirkung ??
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
Wolken und kosmische Strahlung
Hochliegende Wolken
Marsh & Svensmark (2000)
Wolken und kosmische Strahlung
Tiefliegende Wolken
Marsh & Svensmark (2000)
Sonnenaktivität früher...
Die kalifornische Borstenkiefer
kann 5000 Jahre alt werden.
Das durch kosmische Strahlung
erzeugte 14C in ihren Jahresringen
in ein Maß für die Aktivität der
Sonne in der Vergangenheit.
Sonnenaktivität früher...
Radioaktives Beryllium
(10Be) wird durch kosmische
Strahlung erzeugt und mit
Niederschlag ausgewaschen.
Das in den Jahresschichten
des Grönlandeises gespeicherte 10Be ist ein Maß für
die Sonnenaktivität in den
letzten 100 000 Jahren.
Eisbohrkern vom grönländischen Inlandeis
14
Sonnenaktivität aus C-Daten
Sonnenflecken
Dalton
Maunder
Mittelalterliches Maximum
Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft
verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt.
Sonnenaktivität und Erdklima
Globale Temperatur
W
14
C
M
D
S
Sonnenflecken
Perioden geringer Sonnenaktivität sind oft
verbunden mit kühlem Klima, und umgekehrt.
10Be
und kosmische Strahlung
Konzentration von 10Be
Sonnenflecken
Das interplanetare Magnetfeld
Verdoppelung im
letzten Jahrhundert
Messungen
Rekonstruiert
⇒ Abnahme der
kosm. Strahlung
um ca. 15%
Sonnenflecken
KLIMA-EFFEKT ??
Zykluslänge und Temperatur
Zykluslänge
Landtemperatur
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?
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)
Die Bilanz des magnetischen Flusses
■
Auftauchen in magnetisch bipolaren Gebieten
– 1) aktive Gebiete (10-200 Mm)
– 2) ephemeral regions (<10 Mm)
– Eruptionsrate in 2) um einen Faktor 100 höher!
■
Verschwinden durch Polaritäts-Auslöschung
Ephemeral regions: Zyklen überlappen!
ephemeral regions
active regions
(K. Harvey, 1994)
Ephemeral regions: Zyklen überlappen!
ephemeral regions
active regions
(K. Harvey, 2000)
Die Bilanz des magnetischen Flusses
■
Transport über die Sonne durch
Zirkulation, differentielle Rotation, Diffusion
!
globales Dipolfeld
!
offenes (interplanetares) Feld:`Korona-Löcher´
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
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
Zeit
Dynamo
Eruption von magnetischem Fluss
Ephemeral regions
Aktive Gebiete
3 mon
Zerfall
12 yr
72 yr
Offenes Feld
3 yr
Zerfall
14 h
Zerfall
facular flux
sunspot flux
Bf / Bs = 0.2
Eichung durch Vergleich mit direkten Messungen ab 1970
■
active regions
τ act = 0.2 yr, τ ta = 12 yr
■
ephemeral regions
τ eph = 14 hr, τ te = 72 yr
■
open flux
τ open = 3 yr
X = 160
τ x = 2.5 yr
Active region cycle stretched and amplified
Ergebnis: Fluss-Entwicklung seit 1700
Aktive Gebiete
Gesamtfluss
Ephemeral regions
Offener Fluss
Modeled and reconstructed open flux
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
Rekonstruktion zurück bis 1700
10Be
Quellfeld der Sonne
Interplanetares Magnetfeld
Zykluslänge und Temperatur
Zykluslänge
Landtemperatur
Zykluslänge und Magnetfeld
Zykluslänge und Magnetfeld: Analogie
Das interplanetare Magnetfeld
Messungen
Rekonstruiert
Sonnenflecken
Verdoppelung im
letzten Jahrhundert
⇒ Abnahme der
kosm. Strahlung
um ca. 15%
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 ?
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
Klimawirkung der Sonnenaktivität
■
Veränderung der kosmischen Strahlung
–
–
–
wirkt eventuell auf die Wolkenbildung
Wolkenbedeckung variiert im Gleichtakt
recht zuverlässige Rekonstruktion
Klimawirkung der Sonnenaktivität
■
■
Seit ca. 1980 steigen die Wirkungen der
Sonne im Mittel nicht mehr an
Aber die Erdtemperatur hat deutlich
weiter zugenommen!!
Sonne, …
… und Sterne
Helligkeits-Schwankung
Variation der Aktivität
Die Sonne hat gegenwärtig
geringere Schwankungen
der Helligkeit als vergleichbar aktive Sterne.
Wird das so bleiben ??
Aktivität
Fazit:
Sonne oder
Treibhauseffekt ?
Beide “Verdächtige” sind im Spiel:
- bis 1980 deutlicher Einfluss der Sonne
- danach gewinnt CO2 an Bedeutung
Fazit:
Sonne oder
l
l
e
n
h
c
Treibhauseffekt?
s
ß
!
n
e
r
e
i
z
u
d
e
r
o
t
s
s
u
A
2
2
O
C
Weitere Entwicklung von Sonnenaktivität
und Klima sind beunruhigend unsicher,
also ist Forschung auf beiden Seiten
notwendig, auf jeden Fall aber gilt:
Ende...
linmpi.mpg.de/~msch
Das CLOUD-Experiment bei CERN
Messung der Bildung von Kondensationskeimen
Wie groß sind die Effekte ?
heizend
kühlend
Der direkte solare Effekt (ca. 0.4 W/m2) entspricht
40% des übrigen Netto-Effekts (ca. 1 W/m2 ).
Modeled and observed fluxes 1975 - 1994
Modeled and observed fluxes 1975 - 1994
Reconstructed open flux and 10Be
Wo kommt die Magnetfelder her ?
Das Induktionsprinzip
■
Bewegter elektrischer
Leiter im Magnetfeld
■
elektr. Feld und Kraft
■
senkrechte Bewegung
■
elektrischer Strom
■
neues Magnetfeld
■
Lenzsche Regel!
(sonst perpetuum mobile)
Selbsterregter Dynamo
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“Saatmagnetfeld”
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radiales elektr. Feld
■
elektrischer Strom
■
Leiterschleife
■
Verstärktes Saatfeld
■
Energie kommt von
der Rotation
Der Dynamoprozess in der Sonne