Erdatmosphäre Was macht die Sonne mit unserem Klima?

Immer wenn Du aufgehst im Osten, erfüllst Du jedes Land mit Deiner Schönheit.“ Vor 3350 Jahren besang der ägyptische König Echnaton in seinem großen Aton-Hymnus die ruhig glänzende Sonnenscheibe als Manifestation Gottes. Was er wohl zu den Bildern auf dieser Seite gesagt hätte? Etwa zu dem grünlich-gelben unten, das ein nagelneuer Forschungssatellit, das „Solar Dynamics Observatory“ (SDO), kürzlich aufnahm und das vergangene Woche manche Titelseite zierte?

Der fromme Pharao hätte sich vielleicht etwas beruhigt, wenn er erfahren hätte, dass die Sonne schon seit über vier Milliarden Jahren so aussieht - jedenfalls für den, der sie vom Weltall aus mit geeigneten Filtern und Detektoren anschaut. Dabei zeigt das glühende Chaos auf dem SDO-Bild unseren Stern noch von einer besonders zahmen Seite. Denn die Sonne ist gerade dabei, aus einem Minimum ihrer Aktivität zu erwachen.

Ein Maß dafür ist die Anzahl dunkler Flecken auf ihrer Oberfläche. Sie nimmt gewöhnlich in einem Takt von etwa elf Jahren zu und wieder ab. Im Moment liegt die Sonnenfleckenzahl nahe null. In den Jahren 2008 und 2009 war die Sonne 70 Prozent der Zeit völlig fleckenfrei. Erst Mitte Dezember ließ sich wieder eine größere Fleckengruppe blicken. „Dieses Minimum war viel länger und tiefer als erwartet“, sagt Bernhard Fleck, Projektwissenschaftler der europäischen Raumfahrtorganisation Esa für die Sonnensonde Soho. „Wir haben schon gewitzelt, dass nun ein neues Maunder-Minimum beginnt.“

Der Brite Edward Maunder hatte um 1890 historische Beobachtungen ausgewertet und dabei festgestellt, dass in der Zeit zwischen 1645 und 1715 kaum Flecken registriert worden waren, obgleich man durchaus danach Ausschau gehalten hatte. Just in diesen Jahrzehnten war es in Europa ungewöhnlich kalt. Die Vermutung, diese „kleine Eiszeit“ müsse durch eine besonders ruhige Sonne ausgelöst worden sein, wurde schon so oft geäußert, dass nicht wenige sie für eine Gewissheit halten. Und seit sich Hinweise häufen, dass die Sonne während einer Warmphase im Europa des Hochmittelalters ähnlich aktiv gewesen sein muss wie am Ende des 20. Jahrhunderts, wurde für so manchen aus der Korrelation eine Kausalität und daraus bald ein Argument, dessen Suggestivität sich selbst studierte Naturwissenschaftler nicht immer entziehen können: Demnach habe die gegenwärtige Klimaerwärmung nichts mit unseren Treibhausgasemissionen zu tun, sondern mit der Sonne.

Fleckeln und Fackeln

Was ist da dran? Wie wirken sich solare Aktivitätsschwankungen auf das irdische Klima aus? Diese Frage beschäftigt heute einen ganzen Forschungszweig. Seit 1978 zeichnen Satelliten die auf die Erde eingestrahlte Sonnenenergie auf; tatsächlich schwankt sie von Tag zu Tag um bis zu 0,3 Prozent, insbesondere in Zeiten einer aktiven, fleckigen Sonne. Die Flecken selbst blockieren zwar den Energiefluss, doch zumeist wird das mehr als ausgeglichen durch die „Fackeln“, Systeme von Vertiefungen, durch die tiefere, heißere Schichten Energie abstrahlen können. Dreht die Sonnenrotation aktive, fackelreiche Regionen ins Gesichtsfeld der Erde, steigt dort die Einstrahlung.

Die mittlere Sonneneinstrahlung auf die Erde ist in einem Fleckenmaximum allerdings höchstens 0,1 Prozent höher als in einem Minimum. Das ist möglicherweise zu wenig, um in längeren Ruhephasen wie dem Maunder-Minimum global so gravierende Klimaänderungen zu zeitigen, wie es die Berichte aus der „kleinen Eiszeit“ nahelegen, in der etwa die Themse öfter zufror und Winterszenen ein beliebtes Sujet der Maler waren.

Doch die „kleine Eiszeit“ oder die mittelalterliche Warmphase müssen ja keine globalen Phänome gewesen sein. Für die Nordhalbkugel zeigt ein Vergleich der aus verschiedenen Klimaindikatoren rekonstruierten Temperaturen zwar eine gewisse Übereinstimmung mit Indikatoren für die Sonnenaktivität, doch kam es während des Maunder-Minimums zufälligerweise auch gehäuft zu Vulkanausbrüchen, deren Aerosolwolken einen kühlenden Effekt auf das Klima haben.

Phasen aktiver und ruhiger Sonne

Im Jahr 2006 haben Forscher um den Astronomen Peter Foukal Modellrechnungen für die Temperaturen der Nordhalbkugel im vergangenen Jahrtausend veröffentlicht, die alle in Frage kommenden Klimafaktoren berücksichtigen - darunter auch die belegbaren Schwankungen der Sonnenaktivität. Ihr Ergebnis ist ernüchternd: „Die totale Sonneneinstrahlung hätte mindestens dreimal stärker variieren müssen, um damit eine Klimaänderung von der Stärke der Abkühlung im 17. Jahrhundert zu erklären.“

Und doch häufen sich in letzter Zeit die Hinweise, dass die Sonnenaktivität tatsächlich beim Klima mitmischt. Nur sind die Zusammenhänge subtiler als gedacht - und eben nicht global, sondern regional. So ist die Korrelation zwischen stiller Sonne und kaltem Klima für Zentralengland statistisch eindeutig, wie jetzt Michael Lockwood von der University in Reading in den Environmental Research Letters gezeigt hat. Möglicherweise reagiert das europäische Klima besonders empfindlich auf die Sonnenaktivität. Unser Erdteil liegt nämlich unter dem Jetstream, einem starken Höhenwind, der normalerweise aus Westen bläst, aber hin und wieder abknickt, was über Europa im Winter zum Einstrom kalter Luftmassen aus Nordosten führt. Die Neigung zum Abknicken des Jetstreams scheint bei geringer Sonnenaktivität höher, was vermutlich mit der am Wettergeschehen sonst kaum beteiligten Stratosphäre zu tun hat. Dort wird die ultraviolette (UV) Strahlung absorbiert, und in deren Frequenzbereich schwankt die Sonnenstrahlung während eines Aktivitätszyklus um ein volles Prozent.

Neben der stärkeren UV-Einstrahlung in die Stratosphäre scheinen in bestimmten Weltregionen aber auch Klimaprozesse am Werke zu sein, welche die Wirkung einer nur sehr leicht erhöhten Zufuhr sichtbarer Sonnenstrahlung verstärken. Über dem tropischen Pazifik etwa, wo nur wenig zusätzliche Strahlung die Bildung von Wasserdampf merklich erhöht, misst man in Phasen aktiver Sonne in Äquatornähe tendenziell stärkere Niederschläge (und in höheren Breiten niedrigere) als in Phasen ruhiger Sonne. Unlängst ist es Gerald Meehl vom National Center for Atmospheric Research in Colorado gelungen, dies mit einer Kombination aus UV- und Dampf-Verstärkungseffekt zu erklären.

Kompensation von Treibhausgasen

Nur eines können solche Prozesse, soweit man sie bisher versteht, nicht: physikalisch plausible Aktivitätsänderungen unseres Gestirns in globale Klimaänderungen umsetzen. Daher dürfte auch die globalen Erwärmung der letzten Jahrzehnte nichts mit der Sonne zu tun haben. Denn während die weltweiten Durchschnittstemperaturen im späten Jahrhundert mit gut einem Zehntel Grad pro Dekade anstiegen, gab es bei der Sonnenaktivität, abgesehen von dem elfjährigen Auf und Ab ihrer Flecken, keinen langfristigen Trend.

Selbst wenn der Scherz des Soho-Teams Realität würde und mit der gegenwärtigen Ruhe auf der Sonne ein neues Maunder-Minimum begönne, würden wir das Problem der globalen Erwärmung nicht los. Damit sich Politiker oder Interessenvertreter da keine falschen Hoffnungen machen, haben Georg Feulner und Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung in den Geophysical Research Letters unlängst ausgerechnet, was solch ein neues Maunder-Minimum an den Prognosen des Weltklimarates IPCC ändern würde. Ihre Simulationsrechnung berücksichtigt keine Rückwirkungen stratosphärischer UV-Absorption, dennoch illustriert ihr Ergebnis, um wie viel weniger Änderungen in der Sonneneinstrahlung unser Klima beeinflussen als die Treibhausgase unserer fossil befeuerten Zivilisation. Laut Feulner und Rahmstorf blieben uns von den bis zu vier Grad globaler Erwärmung, die uns ohne sinkende Treibhausgasemissionen im Jahr 2100 blühen, bei einem neuen Maunder-Minimum höchstens 0,3 Grad erspart.

Das alles gilt für den direkten Einfluss der solaren Aktivitätsschwankungen. Nun wird seit Beginn der 1990er Jahre aber auch vermutet, das Geschehen auf der Sonne könnte das irdische Klima indirekt steuern. Vater dieser Idee ist Eigil Friis-Christensen, Direktor des dänischen Raumfahrtzentrums in Kopenhagen, vertreten wird sie heute vor allem von seinem Institutskollegen Henrik Svensmark. Das Argument der Dänen beruht auf dem Umstand, dass eine aktive Sonne vor allem magnetisch aktiver ist als eine ruhige. Sie sorgt damit auch in Erdnähe für ein stärkeres Magnetfeld und damit für eine bessere Abschirmung der Erde vor energiereichen geladenen Teilchen aus den Tiefen des Kosmos. Die Intensität dieser sogenannten kosmischen Strahlung schwankt daher im Takt der Sonnenzyklen um 15 Prozent im globalen Mittel - also sehr viel mehr als die Sonnenstrahlung selbst. Wenn die kosmischen Teilchen nun die Wolkenbildung anregen würden, hätten sie damit unter Umständen enorme Wirkung. Denn niedrige Wolken haben einen kühlenden Effekt auf das Klima. Eine dauerhafte Änderung der Wolkenbedeckung um wenige Prozent würde die Wirkung unserer Treibhausgase bereits kompensieren.

Wie kosmische Teilchen klimawirksam werden

Da verwundert die Aufregung nicht, die herrscht, seit die Dänen ihre ersten Untersuchungen über Korrelationen zwischen Wolken und kosmischer Strahlung vorlegten, die den vermuteten Zusammenhang ihrer Ansicht nach belegen. Ihre Resultate wurden immer wieder heftig kritisiert, wobei die Töne umso schriller wurden, je mehr sich politische Interessen in die Klimadebatte einschalteten. Die bedrängten dänischen Atmosphärenphysiker wandten sich daraufhin immer subtileren hypothetischen Zusammenhängen zwischen kosmischen Teilchen und Wolken zu, aus denen die „Klimaskeptiker“ genannten Leugner einer menschlichen Mitschuld am Klimawandel heute kein Kapital mehr schlagen können. Wie Friis-Christensen im Dezember der britischen Zeitung The Independent erklärte, sieht auch er nach 1986 eine klare „Divergenz“, die zeige, dass die beobachtete Erwärmung des Erdklimas nicht durch die Sonnenaktivität allein erklärt werden kann.

Zuletzt veröffentlichte Henrik Svensmark im Oktober 2009 mit zwei Mitarbeitern einen Artikel in den Geophysical Research Letters, in dem er die Auswirkungen sogenannter „Forbush-Events“ untersuchte. Dabei handelt es sich um Unterbrechungen im Strom der kosmischen Teilchen infolge gigantischer Explosionen auf der Sonne. Erreichen die dabei ausgestoßenen magnetisierten Plasmawolken die Erde, schirmen sie kurzzeitig die kosmischen Teilchen ab. Svensmark leitete aus seinen Daten ab, dass Forbush-Ereignisse mit einer Abnahme des Gehalts an flüssigem Wasser in Wolken einhergeht - was im Umkehrschluss bedeuten könnte, dass die kosmischen Strahlen tatsächlich die Zahl der Wassertröpfchen in den Wolken erhöhen. Aber auch dieser Befund wurde prompt zerpflückt: Unter den sowieso schon wenigen Forbush-Events, aus denen Svensmark seine Schlüsse zog, seien etliche für diese Analyse ungeeignet gewesen, monierte im Februar ein Team um Erwin Flückiger von der Universität Bern. Flückiger und Kollegen konnten selbst keine Korrelation zwischen Wolkenwasser und kosmischen Teilchen feststellen.

Ist damit auch diese mögliche Wirkung der launischen Sonne auf unser Klima aus dem Rennen? Was die gegenwärtige globale Erwärmung angeht, so sieht es ganz danach aus. Doch das bedeutet nicht, die von der Sonne ferngesteuerten kosmischen Teilchen ganz aus Klimaforschung zu streichen. „Ich denke nicht, das man sie ausschließen kann“, sagt etwa Gerald Meehl. „Aber es ist sehr schwierig, etwas über den Mechanismus herauszufinden, über den die kosmischen Teilchen klimawirksam werden.“ Tatsächlich haben Friis-Christensen und Svensmark bislang nur eine zwar plausible, aber physikalisch vage Idee davon, wie die Teilchen die Wolkenbildung anregen könnten: Demnach ionisieren sie Luftmoleküle, die geladenen Ionen lagern sich zu Kondensationskeimen zusammen, um die herum sich dann Tröpfchen bilden. Doch weiß man inzwischen immerhin, dass dafür die Präsenz weiterer Stoffe, etwa Schwefel, notwendig ist. Unter welchen atmosphärischen Bedingungen daraus aber Wolken entstehen, das müsste dringend experimentell erforscht werden.

Unerforschlich ist ihr Lauf

Tatsächlich geschieht das jetzt. Am europäischen Kernforschungszentrum Cern fanden Ende 2009 die ersten erfolgreichen Messungen mit dem „Cloud“-Experiment statt. In einem großen Spezialtank wird dabei eine künstliche Atmosphäre mit Teilchen aus einem Beschleuniger beschossen. „Wir haben jetzt alle technischen Schwierigkeiten im Griff. Das Experiment hat hervorragende Daten geliefert“, sagt der Projektleiter Joachim Curtius von der Universität Frankfurt. Ob diese Daten Henrik Svensmark recht geben oder seiner Hypothese zuwiderlaufen, das kann Curtius vor der Veröffentlichung der Resultate nicht verraten. Tatsächlich wurde das Genfer Experiment im Jahr 2000 durch Svensmarks damals noch nicht ganz so umstrittene Arbeiten überhaupt erst angestoßen, auch wenn die Cloud-Cooperation sich 2008 von Svensmark getrennt hat.

Sollte sich in dem Genfer Teilchentank ein physikalischer Mechanismus nachweisen lassen, durch den kosmische Strahlen unter den Bedingungen der realen Atmosphäre die Wolkenbildung anregen, öffnete sich - neben der Wirkung der UV-Strahlen und den Verstärkungseffekten über Tropenmeeren - ein dritter Kanal, über den die Launen der Sonne auf unser Klima einwirken. Unser Verhältnis zu unserem Tagesgestirn würde damit noch komplizierter, als wenn es tatsächlich für die globale Erwärmung verantwortlich wäre. Und die Sonne bliebe uns ein Stück weit jenes Rätsel, das Echnaton in seinem Hymnus anspricht: „Bist Du auch fern, Deine Strahlen sind auf Erden. Du scheinst in ihre Gesichter, doch unerforschlich ist Dein Lauf.“