Sonne und Klima

Vor allem die Sonne und kosmische Strahlung, die von explodierenden Sternen in unserer Galaxie stammt, beeinflussen das Klima auf der Erde. Davon sind Wissenschaftler überzeugt, die auf der 4. Internationalen Klima- und Energiekonferenz in München am 25.11.2011 ihre Forschungsergebnisse vorgestellt haben.

Die Wissenschaftler bezweifeln, dass der steigende Anteil von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre Hauptverursacher einer globalen Erwärmung ist, wie vom UN-Weltklimarat (IPCC) behauptet. Allerdings seien die erforschten Zusammenhänge komplex. Sicher sei, dass die Menge an kosmischen Strahlen, die auf die Erdatmosphäre treffen, von der Sonnenaktivität abhängig ist.

Die Sonne schützt die Erde

"Wir werden von den kosmischen Strahlen durch ein elektromagnetisches Feld um die Sonne abgeschirmt - das ist die Heliosphäre - und durch das Magnetfeld der Erde", erklärt Jan Veizer, Professor für Geochemie an der Universität Ottawa.

Ist die Sonnenaktivität stark, lenkt die Heliosphäre mehr kosmische Strahlung von der Erde weg. "Ist sie schwach, ist es nicht nur kälter auf der Erde, auch der Schutz vor kosmischer Strahlung sinkt", so Veizer.

Beim Eintritt in die Atmosphäre produzieren die kosmischen Strahlen bestimmte Isotope des Kohlenstoffs und des Berylliums, die die Forscher in Sedimentkernen, Tropfsteinen oder Baumringen messen können. So können sie die Sonnenintensität über Zehntausende von Jahren nachvollziehen. Ähnlich lässt sich die CO2 -Konzentration der Atmosphäre in Eisbohrkernen ermitteln.

Klima wandelt sich - CO2 bleibt stabil

Diese Daten verglich Veizer mit der tatsächlichen Temperaturentwicklung der letzten 10.000 Jahre. So konnte er einen direkten Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Temperatur eindeutig nachweisen. Das CO2 in der Atmosphäre hingegen war in der vorindustriellen Zeit auf konstant niedrigem Niveau und änderte sich im Gegensatz zum Klima überhaupt nicht. Ein kausaler Zusammenhang zwischen der CO2-Konzentration und den dramatischen Klimaänderungen im Laufe dieser Jahrtausende war nicht erkennbar.

Weit bedeutender als das Kohlendioxid sei für das Weltklima zudem der Wasserdampf und die Wolkenbildung, sagt Nir Shaviv, Astrophysiker von der Universität Jerusalem. Die üblichen Klima-Rechenmodelle des IPCC setzen eine Erhöhung des CO2-Anteils der Atmosphäre mit einer Veränderung des Energiehaushaltes der Erde gleich. Die große Schwäche dieser Modelle sei aber, dass sie die Rückkopplungseffekte - also die Sensibilität des Weltklimas auf Veränderungen des Energiehaushaltes - gar nicht gut abbilden können, kritisiert Shaviv.

Die "Billionen-Dollar"-Frage sei deshalb: "Was ist die Klimasensibilität der Erde? Wenn man das wüßte, könnte man vorhersagen, was im 21. Jahrhundert unter einem bestimmten Emissions-Szenario passieren würde." Man könnte dann bestimmen, wieviel CO2-Emissionen wieviel Temperaturerhöhung mit sich bringe, sagt Shaviv.

Das gelingt in der Praxis aber nicht. Denn die Rückkopplungseffekte in den Modellen ändern sich immer dann besonders stark, wenn die Wissenschaftler ihre Methoden zur Berechnung der Wolkendecke ändern. Weil man nicht weiß, wie sich die Wolkendecke bei einer bestimmten Temperatur oder einer veränderten Wassersättigung der Atmosphäre verändert, sei es auch nicht möglich, durch Klimamodelle verlässliche Aussagen über die Klimasensibilität zu treffen.

Viel Sonne - wenig Wolken

Forschungen des Zentrums für Sonnen- und Klimaforschung des dänischen Raum-Zentrums konnten nun die Brücke zwischen kosmischer Strahlung und Wasserdampf schlagen. Sie bewiesen, dass sich kosmische Strahlung direkt auf die Wolkenbildung auswirkt. "Es gibt eine Verbindung zwischen kosmischen Strahlen und dem Klima. Jedesmal, wenn wir eine Veränderung in den kosmischen Strahlen hatten, sahen wir eine Klimaveränderung", erklärt der Physiker Henrik Svensmark. Er hat herausgefunden, dass die ionisierende Wirkung der kosmischen Strahlung den entscheidenden Impuls gibt.

Deshalb versuchte Svensmark auch die molekularen Prozesse zu verstehen, die diese Beobachtung erklären konnten. Seine Idee war, dass Ionen, die durch kosmische Strahlen hervorgerufen wurden, kleinste Aerosol-Teilchen über den Ozeanen hervorrufen, die die Wolkenbildung verstärken. "Wenn man mehr kosmische Strahlen hat, die hereinkommen, produzieren sie auch mehr dieser kleinen Aerosole. So entstehen mehr Wolken-Kondensations-Nukleide."

Dadurch verändern sich die Eigenschaften der Wolken: Es entstehen mehr kleinste Wolkentröpfchen, die Wolken wirken dadurch breiter, es gibt weniger Niederschlag und die Wolken halten sich länger, bevor sie abregnen.

Beweis im Teilchenbeschleuniger

Diese These konnte Svensmark in verschiedenen Laborversuchen verifizieren. Dazu ionisierte er ein atmosphärisches Gasgemisch in einer Versuchskammer mit Gammastrahlen. Den Effekt konnte er sogar noch verstärken, indem er UV-Licht in das Experiment einbrachte. Auch in einem Teilchenbeschleuniger in Aarhus, wo die Kammer nicht mit Gammastrahlen sondern mit Elektronen beschossen wurde, bildeten sich die Aerosole.

Svensmark sieht seine Forschungen durch die Ergebnisse eines separaten Forschungsprojekt, namens CLOUD, bei der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN in Genf bestätigt, das 2011 ähnliche Ergebnisse zeigte. Auch in der realen Atmosphäre konnte er diese physikalischen Prozesse beobachten. Svensmark verfolgte dazu zunächst die Entwicklung der Intensität kosmischer Strahlung nach einer riesigen Explosion auf der Sonnenoberfläche.

Direkt nach diesem Ereignis nahm die kosmische Strahlung um etwa 15 Prozent ab. Das entspricht den üblichen Veränderungen der Strahlungsintensität im Laufe eines Sonnenzyklus. Wenige Tage nach der Explosion war durch Satelliten ein deutlicher Rückgang der weltweiten Wolkenbedeckung messbar. Die Zeitverzögerung erklärt Svensmark damit, dass es einige Zeit braucht, bis aus kleinsten Aerosolen richtige große Wolken werden.

Autor: Fabian Schmidt
Redaktion: Judith Hartl