Die Sonne schuld am Klimawandel ?

Die einen sagen:
Biogas, Photovoltaik, Solarthermie, Windräder, Elektromobilität – raus aus allem. was irgendwie mit fossilen Ressourcen zu tun hat. Wir dürfen kein Kohlenstoff mehr in die Atmosphäre jagen und den Klimawandel weiter befördern.

Die anderen sagen:
Für den Klimawandel gibt es natürliche Ursachen. Der Mensch hat keinen Einfluss darauf. Die Sonne alleine treibt durch ihre Schwankungen diesen Klimawandel an.

Naturwissenschaftliche Fragestellungen
Betrachten wir die naturwissenschaftlichen Fragestellungen. Natürlich ist die Sonne an unserem Klima beteiligt. Als habitable Zone oder Habitat bezeichnet die Astronomie die bewohnte Zone eines Planeten um einen anderen Stern herum. Je näher ein Planet an einem Stern dran ist, wird dieser wärmer. Ist er weiter weg wird er dadurch kälter. Die Frage heisst also: Bei welchem Abstand hat ein Planet eine mittlere Temperatur, sodass Wasser unter normalen atmosphärischen Bedingungen flüssig ist als Voraussetzung für Leben. Bei dieser Fragestellung ist der Stern selbstverständlich die zentrale Wärmequelle für den Planeten. Die Sonne macht das Klima.
Der Klimawandel bezeichnet allerdings die Veränderung des Klimas, also die Erhöhung der mittleren Temperatur innerhalb kurzer Zeit oder aber die Verringerung der Temperatur innerhalb kurzer Zeit.

Eine These besagt, dass die Sonne an diesem Wandel Schuld sei. Begründ wird die These mit dem Argument, dass die Leuchtkraft der Sonne ebenfalls variabel ist. Grund dafür sind die Sonnenflecken, die über die Oberfläche der Sonne wandern. Dadurch verändert sich die Leuchtkraft der Sonne.

Sonnenfleck-Zyklus
Solar Cycle Prediction

Als Sonnenflecken werden dunkle Stellen auf der sichtbaren Sonnenoberfläche bezeichnet. Sie sind kühler und strahlen deshalb weniger sichtbares Licht ab als der Rest der Sonnenoberfläche. Die Zahl und Grösse der Sonnenflecken sind ein Mass für die Sonnenaktivität. Die Häufigkeit der Sonnenflecken unterliegt einer Periodizität von im Mittel 11 Jahren, was als Sonnenfleckenzyklus bezeichnet wird.

In den letzten Jahren werden die Schwankungen der Leuchtkraft der Sonne allmählich immer schwächer. Gemäss dieser These wäre also zu erwarten, dass die Temperaturen dadurch sinken, es also kälter wird. Umgesetzt auf das Diagramm ist von zunehmend ‚kühlenderem Einfluss‘ auf unseren Erdtrabanten bis 2022/23 auszugehen.
Und die Realität?

Temperature vs Solar Activity
Temperature vs Solar Activity

Statistisch gesehen nimmt die Leuchtkraft der Sonne, die sogenannte Sola (L) seit 1960 bis heute systematisch ab. Neueste Zahlen deuten an, dass sich dieser Trend fortsetzt.
Auf diesem Diagramm sieht man als blaue Linie die Sonneneinstrahlung (Solar Activity), die Sola.
Die rote Linie zeigt die Temperaturentwicklung unseres Planeten.
Das Diagramm lässt die Schlussfolgerung zu, dass die Sonneneinstrahlung keinesfalls Ursache des Temperaturanstieges seit Ende der 1960er Jahre ist, ganz im Gegenteil.
Glaubt man an den kühlenden Effekt auf unseren Erdtrabanten bei abnehmender Sonnanaktivität,  dann ist die tatsächlich nachgewiesene Temperaturentwicklung um so erschreckender: Die Temperaturen steigen weltweit trotz dem kühlenden Effekt durch die abnehmende Sonnenaktivität. Wie wird es wohl, wenn die Sonnanaktivität ab 2023 wieder zunimmt und anstelle des kühlenden, der aufheizende Effekt tritt?

Beitrag zum Klimwandel

Unter den zahlreichen Mechanismen, die kühlenden oder heizenden Einfluss auf die Temperatur unseres Planeten haben, haben sich ganz deutlich die Treibhausgase als der dominante Faktor erwiesen.

Inzwischen ist unbestritten, dass sich der Klimawandel derzeit vollzieht. Zu beobachten ist diese Tatsache beispielsweise daran, dass

  • die Erwärmung im Winter stärker ist als im Sommer.
    Das widerspricht der These des solaren Einflusses auf den Klimawandel.
  • die Erwärmung in höheren Breiten stärker ist als am Äquator.
    Die stärkste Einstrahlung hat die Erde von der Sonne sicherlich am Äquator, deshalb kann auch unter diesem Gesichtspunkt der solare Einfluss auf den Klimawandel ausgeschlossen werden.
  • die stärkere Erwärmung haben wir eher nachts als am Tage.
    Vertreter des solaren Einflusses können dies auch nicht erklären.

Welche Treihausgase kennen wir

Quelle von Treihausgasen
Quelle von Treihausgasen

Die wichtigsten Treibhausgase sind:

  • Kohlendioxid (CO2)
    Entstehung;
    Bei Verbrennen fossiler Energieträger wie Kohle, Erdgas oder Erdöl
    Abbau in der Atmosphäre: Im Mittel 120 Jahre
  • Methan (CH4)
    Entstehung:
    Beim Abbau organischen Materials unter Ausschuss von Luft, wie beispielsweise in Mülldeponien, Klärwerken, beim Nassreisanbau, in Feuchtgebieten, Ozeanen und Wiederkäuern.
    Treihauseffekt: 25-mal so stark wie Kohlendioxid.
    Abbau in der Atmosphäre: Bis zu 15 Jahre
  • Lachgas [Distickstoffmonoxid] (N2O)
    Entstehung:
    Beim Abbau von Stickstoffverbindungen, hauptsächlich beim stickstoffhaltigen Düngen (natürliche als auch der industriell hergestellte Dünger) in der Landwirtschaft
    Treibhauseffekt: 298-mal so stark wie Kohlendioxid
    Abbau in der Atmosphäre: rund 114 Jahre
  • fluorierte Treibhausgase (F-Gase)
    dazu zählen: wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW)
    Entstehung:
    hauptsächlich als Treibsubstanz in Spraydosen und als Kühlmittel. Schon im Jahr 1987 im Montrealer Abkommen schrittweiser Verzicht auf FCKW vereinbart, da sie die Ozonschicht schädigen. In der EU ist es schon seit 1995 verboten.
    Treihauseffekt: 100- bis 24’000-mal stärker als Kohlendioxid
    Abbau in der Atmosphäre: Bis zu 100 Jahre
  • Schwefelhexafluorid (SF6)
  • Stickstofftrifluorid (NF3)

Was versteht man unter Treihauseffekt

Konzentration von Treihausgasen in der Atmosphäre (bis 2018)
Konzentration von Treihausgasen in der Atmosphäre (bis 2018)

Die Sonnenstrahlung wird an der Erdoberfläche zu einem grossen Teil absorbiert, in Wärme abgewandelt und in Form von Wärmestrahlung wieder abgegeben. Treibhausgase können aufgrund ihrer chemischen Natur in unterschiedlichem Ausmass die Wärmestrahlung absorbieren und so die Wärme in die Atmosphäre abgeben. Das Treibhauspotenzial eines Gases hängt ganz wesentlich davon ab, inwieweit sein Dipolmoment durch Molekülschwingungen geändert werden kann. Die zweiatomigen Gase Sauerstoff und Stickstoff verändern ihr Dipolmoment durch Molekülschwingungen nicht, sind also transparent für Infrarotstrahlung. Grosse Moleküle, wie FCKWs, besitzen dagegen sehr viele Schwingungsebenen und damit ein Vielfaches des Treibhauspotentials von beispielsweise CO2.

Von der Atmosphäre übertragene Strahlung
70 bis 75 % der von der Sonne emittierten kurzwelligen Strah­lung (rot) gelangen durch die Atmosphäre auf die Erdober­fläche, die sich dadurch erwärmt und langwellige Infrarot­strah­lung aussendet (blau), deren Abstrahlung ins All von Treibhaus­gasen behindert wird. Eingezeichnet sind drei Strahlungskurven der Infrarotstrahlung von Körpern zwischen −63 °C und +37 °C (violett, blau, schwarz). Die Grafiken darunter zeigen, welche Treibhausgase welche Teile des Spektrums absorbieren.

Das Treibhausgas-Modell liefert Erklärungen zu alledem!

Aufbau der Erdatmosphäre
Aufbau der Erdatmosphäre
Temperaturdiagramm der unteren Troposphäre 1979 - 2019
Temperaturdiagramm der unteren Troposphäre 1979 – 2019

Wir beobachten eine Erwärmung der Troposphäre unter der unteren Atmosphäre. Dort ist die Treibhausgas Konzentration am höchsten.

Temperaturänderungen der unteren Stratosphäre 1958 bis Juni 2007
Veränderung der Temperatur in der unteren Stratosphäre 1958-2007 als Abweichung vom Mittel der Jahre 1979-1997.

Hingegen verzeichnet man eine Abkühlung der oberen Stratosphäre. In der Stratosphäre nimmt die Temperatur im Mittel mit steigender Höhe zu. Dieser inverse (im Vergleich zur Troposphäre) Temperaturverlauf wird hauptsächlich durch das in der Stratosphäre befindliche Ozon verursacht, das UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht absorbiert und dabei elektromagnetische Strahlung in Wärme umwandelt.

90 % der gesamten Ozonmenge entfallen auf die Stratosphäre (12-50 km Höhe), und hier zu 75 % auf die Höhe von 15-30 km, und nur 10% befinden sich in der Troposphäre
Das stratosphärische Ozon ist der Schutzschild der Erdoberfläche gegen die lebensgefährliche UV-Strahlung. Durch die Absorption der solaren UV-Strahlung besitzt das stratosphärische Ozon auch eine geringe erwärmende Wirkung. Wichtiger jedoch ist die vom Ozon absorbierte und emittierte langwellige Strahlung, da Ozon ein starkes Treibhausgas ist. Der Ozonverlust in der unteren Stratosphäre durch die Einwirkung von FCKW hat entsprechend in den letzten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts zu einem negativen Strahlungsantrieb geführt
Eine grössere klimatische Bedeutung kommt aber der geringen Ozonmenge zu, die sich in der Troposphäre befindet. Auch hier wirkt Ozon als ein Treibhausgas.  Anders als Kohlendioxid, Methan, Lachgas oder FCKW besitzt das troposphärische Ozon jedoch nur eine relativ kurze Lebensdauer und ist deshalb sehr ungleichmässig um den Globus verteilt.
Ozon ist nach Kohlendioxid und Methan seit Beginn der Industrialisierung zum drittwichtigsten anthropogenen Treibhausgas geworden. Ozon spielt auch eine wichtige Rolle in der troposphärischen Chemie und ist besonders eng verbunden mit der Chemie von OH, das als „Waschmittel der Atmosphäre“ bezeichnet wird, weil es jedes Jahr insgesamt etwa 3,7 Milliarden Tonnen vieler anderer schädlicher Gase wie vor allem des Treibhausgases Methan (CH4) abbaut.

Am stärksten ist die Aufheizung im Bereich der Ozonschicht, dort steigt die Temperatur von ca. –60 °C bis auf knapp unter 0 °C an. Dieser Bereich ist die Stratosphäre im engeren Sinne, darüber fällt die Temperatur mit der Höhe wieder ab.

Übersetzt heisst dies: In der Troposphäre (bis 12km Höhe) haben wir so etwas wie eine Isolation der nach oben weisenden Wärmestrahlung. Die Stratosphäre (ab 12km – 50km Höhe) darüber kühlt sich ab.

Klimafolgen der stratosphärischen Ozonabnahme
Klimafolgen der stratosphärischen Ozonabnahme, Quelle: https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Stratosph%C3%A4risches_Ozon_und_Klimawandel

Vielleicht gelangt dereinst die Wissenschaft zur Erkenntnis, dass unser Treibhausgas-Eintrag in die Troposphäre zur zunehmenden Isolation gegenüber der Stratosphäre (mit welcher Zeitverzögerung?) führt, weshalb der derzeit zu erwartende ‚abkühlende‘ Einfluss der Sonnenaktivität nur noch die Stratosphäre erreicht.
Frage: Ist es denkbar, das die Treibhausgase oder Teile davon  mit einer Zeitverzögerung in weitere Schichten der Erdatmosphäre aufsteigen wie etwa das FCKW, das das Ozonloch befördert(e)? Was sind die Folgen davon?

Diese Erscheinungen lassen sich allesamt mit dem Treibhausgas-Modell gut erklären. Das Modell des Einflusses der Leuchtkraft der Sonne liefert dafür kaum Erklärungen.

Treibhausgas-Konzentration in der Atmosphäre
Treibhausgas-Konzentration in der Atmosphäre
Quelle: NOAA Earth System Research Laboratory

Die langlebigen Treibhausgase leisteten 2018 insgesamt mit 3,101 Watt pro Quadratmeter einen Beitrag zur globalen Erwärmung. Verglichen mit dem Stand von 1990 ergibt dies eine Zunahme von fast 43.3 %. In der Summe bilden Kohlendioxid (CO2), Methan, Lachgas und die halogenierten Treibhausgase diesen Treibhauseffekt . Dabei leistet atmosphärisches CO2 mit 65,9% den vom Menschen in erheblichem Umfang mit verursachten Hauptbeitrag zur Erwärmung des Erdklimas. In Folge dieser Klimaerwärmung nimmt dann der sehr mobile und wechselnd wirkende Wasserdampf in der Atmosphäre zu, der hinsichtlich der Erwärmung im Vergleich zu CO2 deutlich potenter ist. Atmosphärisches CO2 aber bleibt der vom Menschen verursachte Hauptantrieb.

Pragmatische Haltung
Mit welcher der beiden Theorien kann ich zuverlässige(re) Vorhersagen treffen, die beispielsweise der Landwirtschaft helfen? Weiss der Landwirt, wie das Wetter wird, dann weiss der Landwirt, wann er sät und wann er ernten kann.

Richten wir unseren Fokus auf die ökonomische Betrachtung. In Publikationen aus dem Jahr 2011 sind Vorhersagen über den Verlauf der zukünftigen Temperaturen zu finden.

Temperaturanomalie 1960 - 2017
Temperaturanomalie 1960 – 2017

Der markierte Korridor zeigt den Erwartungswert für eine in der Aktivität nachlassenden Sonne, wie wir sie beobachten.
Zu erwarten wäre jetzt eigentlich seit einigen Jahren das entsprechende Absinken der mittleren Temperatur auf unserem Planeten.
Doch wir beobachten genau das Gegenteil: die Vorhersagen des ‘Sonnenflecken’-Modells werden überhaupt nicht erfüllt. Obwohl dieses Modell den tatsächlichen Beobachtungen widerspricht könnte man geneigt sein, trotzdem an diesem Modell festzuhalten.

Temperature Anomaly 1980 - 2015
Temperature Anomaly 1980 – 2015

Doch das Treibhausgas- Modell erweist sich – ganz pragmatisch – als viel nützlicher / näher an der Realität, wie das Diagramm belegt. Das Diagramm zeigt für den Zeitraum von 2008 bis 2016 den Korridor, den das International Panel on Climate Change veröffentlicht hat.
Die Daten und die entsprechenden Simulationen bzw. Klimaszenarien passen weitgehend überein.

Ohne vorgefasste Meinung kommt man zum Schluss, dass das Treibhausgas-Modell deutlich besser die Daten erklärt, als das ‚Sonnenflecken‘-Modell wo man eine deutliche Abweichung von der Realität besteht.

Was haben wir
Wir haben einen Klimawandel! Wir beobachten die globale Erwärmung auf der ganzen Welt. 97 Prozent aller Forscher lehnen die These ab, dass die natürlichen Ursachen dafür verantwortlich sein können.

Was wir wissen

Wir wissen, dass der Eintrag von Gasen wie Kohlendioxyd und Methan und damit einhergehend einer stärkeren Verdunstung von Wasser – ein weiteres Treibhausgas von Wasserdampf – menschlichen Ursprungs ist und all das miteinander sich sozusagen gegenseitig beschleunigt und zu einer immer weiteren Erwärmung des Planeten führt.

Die Datenlage ist klar
Die schlechte Nachricht:
Wir Menschen sind es, die den Klimawandel antreiben.
Die gute Nachricht: Wir können es verhindern, dass es noch schlimmer wird. Wäre tatsächlich die Sonne dafür zuständig, dann hätten wir keine Chance.
Unumkehrlich: Die Menschheit muss ihr Verhalten schnellst möglich nachhaltig ändern, an die Gegebenheiten anpassen und damit leben lernen.
Ungewöhnliche Hitzeperioden,  Wassermangel und Extrem-Wettereignisse mit Stürmen und Starkregen sind vermehrt zu erwarten und verharren länger in einer Region. Das hat Einfluss auf

  • die nachhaltige Energiegewinnung
    (Stichwort: Wassermangel für Wasserkraftwerke / Stauseen)
  • Landwirtschaft
  • Alpinismus & Bergbauern
    (Stichwort: Erhöhte Steinschlaggefahr infolge Auflösung des Permafrost)
  • Fauna & Flora ganz allgemein

All das hat wiederum Einfluss auf

  • die Volksgesundheit
    (Stichwort: übertragbare Krankheiten durch Stechmücken).
  • Migrationsbewegungen
    (Stichwort: Inhabitable Zonen)

Wir haben die Möglichkeit: Wir sollten diese einmalige Chance nicht verstreichen lassen!