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Beeinflusst galaktische kosmische Strahlung die Wolkenbildung – und damit das Klima?

20.07.2012 von

Lässt sich die Klimaänderung der letzten Jahrzehnte mit dem Einfluss der Strahlung aus dem Weltall auf die Wolkenbildung erklären – und damit mit einer natürlichen Ursache? Die Wissenschaft hat dazu verschiedene Hypothesen geprüft.

Hypothese 1: Galaktische kosmische Strahlung beeinflusst die Wolkenbildung

«Beeinflusst galaktische kosmische Strahlung die Wolkenbildung?» Diese Frage ist eine Hypothese, mit der die Klimaänderung der letzten Jahrzehnte mit natürlichen Ursachen erklärt werden könnte. Die Hypothese basiert auf der Korrelation zwischen den Veränderungen der galaktischen kosmischen Strahlung und dem Bedeckungsgrad tiefliegender Wolken über einen Zeitraum von 5-10 Jahren. Allerdings ist diese Korrelation weder über längere Zeiträume robust noch wenn die Analyse auf bestimmte Wolkentypen oder Regionen beschränkt wird.

Wie sollte Hypothese 1 funktionieren? Die Hypothese basiert auf der durch Ionen erhöhten Aerosolbildung in sauberer Luft über dem Ozean. In dieser Luft gibt es zu wenig Schwefelsäure, als dass sich hinreichend Aerosolpartikel bilden würden. Deshalb kommt den Ionen eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Aerosolpartikeln zu. Die Hypothese wurde im CLOUD-Experiment im CERN evaluiert (siehe Blogbeitrag von Stefan Brönnimann vom 3. Mai 2012 und Kirkby et al., Science, 2011). Die Ergebnisse zeigen Folgendes: Ionen können die Bildung von Schwefelsäure-Aerosolpartikeln auslösen und deren Anzahl erhöhen – jedoch nur in der mittleren und oberen Troposphäre, nicht aber in den untersten Schichten der Atmosphäre, in der sich die oben genannten tiefliegenden Wolken befinden.

Ein weiteres Problem mit dieser Hypothese ist, dass selbst wenn sich Aerosolpartikel durch Ionen bilden, diese erst noch bis zur Grösse von Wolkentröpfchen anwachsen müssten, bis das galaktische Signal in der Wolkenbildung sichtbar wäre. Ob das passieren kann, wurde mit einigen globalen Klimamodell-Simulationen geprüft. Diese Simulationen zeigten, dass das Signal der kosmischen Strahlung nicht gross genug ist, um die Konzentration der Wolkentröpfchen und damit die von den Wolken reflektierte Sonnenstrahlung signifikant zu erhöhen. Diese Hypothese ist demnach keine Erklärung für die Klimaänderung.

Hypothese 2: Kosmische Strahlung verändert elektrisches Feld

Eine zweite Hypothese besagt, dass die kosmische Strahlung das globale elektrische Feld verändern könnte, und so die Wechselwirkungen beeinflusst zwischen Aerosolpartikeln und Wolkentröpfchen an den Rändern der Wolken. Unser Verständnis dieses Mechanismus ist noch sehr limitiert ebenso wie die Studien in dieser Richtung. Zurzeit gibt es jedoch keine Anzeichen, dass dieser Mechanismus bedeutend genug ist, um klimarelevant zu sein.

Hypothesen können Klimaänderung nicht erklären

Fazit: Selbst wenn die galaktische kosmische Strahlung zu einer erhöhten Aerosolbildung in der mittleren und oberen Troposphäre beiträgt, ist dieser Mechanismus zu schwach, um global die Konzentration von Wolkentröpfchen signifikant zu beeinflussen. Somit lässt sich die Klimaänderung des letzten Jahrhunderts nicht mit natürlichen Ursachen erklären, sondern ist mit grosser Sicherheit menschengemacht.

 

Abbildung: Schematische Darstellung der Aerosolbildung durch Ionen in so genannter Reinluft. Diese Ionen-induzierte Nukleation führt zur Bildung von ultrafeinen Kondensationsnuklei (UCN) aus Schwefelsäure und Wasser, die ggf. bis zur Grösse von Wolkentropfen anwachsen (Carslaw et al., Science, 2002).

Literaturhinweise
  • Carslaw, K.S., Harrison, R.G. and Kirkby, J., 2002. Cosmic rays, clouds, and climate. Science, 298(5599): 1732-1737.
  • Kirkby, J., et al., 2011. Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation. Nature, 476(7361): 429-433.
Zur Autorin

Ulrike Lohmann ist Professorin für Atmosphärenphysik an der ETH Zürich. Persönliches Zitat und Biografie





Kommentare (3) >Alle Kommentare aufklappen>Alle Kommentare zuklappen

Wegen 2000 Zeichen in 2 Teilen – Teil I

Die kosmische Strahlung kann aus zwei Gründen keinen Einfluß haben:
Erstens – Es können beliebig viel Aerosolpartikel vorhanden sein – eine Wolkenbildung kann nur einsetzen, wenn übersättigte Luft vorhanden ist. Die Übersättigung wird aber nicht beeinflußt.
Zweitens – Im Mittel ist der Temperaturgradient der Troposphäre ca. 6,5K/km. Da praktisch jeder Anlaß zu einer Änderung dieser Größe schon durch geringfügige Änderungen der Zirkulation „weggebügelt“ wird bleibt dieser Gradient erhalten.
Wie ändert sich dann die Größe des Treibhauseffekt?

Die thermodynamischen Parameter ändern sich bei Verdopplung der CO2-Konzentration praktisch nicht – aber die Strahlungsparameter, deren Auswirkung durch die Strahlungsübertragungsgleichung mit dem wesentlichen Parameter Absorptionslänge beschrieben wird.. – Dieser wird bei Verdopplung der CO2-Konzentration halbiert. Daraus folgt:

1. Die Atmosphäre ist im Wesentlichen zweigeteilt: unten die konvektionsreiche Troposphäre, in der das Wetter ist und wo wir leben – und oben die konvektionsarme Stratosphäre, wobei sich die Grenze zwischen beiden Sphären bei Änderung der Treibhausgaskonzentration verschoben wird.

2. Der Temperaturgradient in der Troposphäre ist (fast) konstant – auch wenn sich die Dicke der Troposphäre ändert. Diese Konstanz ist konvektionsbedingt.

3. Die optische Dicke der Stratosphäre kann sich bei Verdopplung der CO2-Konzentration zwischen zwei Extremen ändern: Gleich bleiben oder verdoppeln. Die genaue Änderung kann man schon jetzt aus den Meßwerten genauer extrapolieren. Diese Änderung ist strahlungsbedingt (Strahlungsparameter) und wird beschrieben mit der Skalierung (Maßstabsänderung) der Strahlungstransportgleichung (deren Anwendbarkeit und Gültigkeit auch die meisten Klimaskeptiker anerkennen) bei Änderung der Absorptionslänge. Dabei muß nur vorausgesetzt werden, das die Lösungen existieren – ohne das die Lösungen explizit bekannt sein müssen.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 2

Wegen 2000 Zeichen in 2 Teilen – Teil II

4. Am unteren Rand der Stratosphäre überschreitet der Temperaturgradient den Grenzwert, der stabilen Luftschichtung und Konvektion setzt ein = Kennzeichen der Troposphäre. Durch die Skalierung muß sich der Ort dieses Grenzwertes zu niedrigeren Atmosphärendrücken verschieben – was auch beobachtet wird.

5. Im stationären Zustand (d.h. auch wenn Zeit vergeht, ändert sich der mittlere Zustand fast nicht) ist im Mittel die Wärmeabgabe der Erde genau so groß wie die Wärmeabsorption – andernfalls müßten sich die mittleren Temperaturen laufend erheblich ändern. Das aber widerspräche der Stationarität.

Das bedeutet eine Zunahme der Oberflächentemperatur (mit erhöhter Strahlung durch das offene atmosphärische Fenster) und Abnahme der Stratosphärentemperatur (mit verringerter Abstrahlung ins All). Durch die langsame Steigerung der Oberflächentemperatur wegen der gebrauchten Wärmespeicherung – insbesondere der Ozeane – ist das ein langsamer Prozess bis zum stationären Zustand.

Auf der Basis dieser 5 Punkte kann man eine Grundsensitivität der Oberflächentemperatur gegenüber Änderungen der CO2-Konzentration berechnen – und die stimmt etwa mit ganz umfangreichen Rechnungen überein:

In mittleren Breiten ist der Tropopausendruck etwa 200mbar. Der Partialdruck des CO2 ist daran mit ca. 0,12 mbar beteiligt. Zum Vergleich: der Druck der Venustropopause (fast reine CO2-Atmosphäre) ist ca. 0,4 mbar.

Eine konstante optische CO2-Dicke der Stratosphäre würde den Erhalt des Partialdrucks von 0,12 mbar bedeuten, was eine Abnahme des Geamttropopausendrucks auf ca. 100mbar bedeuten würde. Ein Konstantbleiben des Tropopausendrucks würde eine Zunahme des Partialdrucks auf ca. 0,24 mbar bedeuten.

Die Realität liegt zwischen beiden Extremen, wie die Messungen von Tropopausendruck und CO2-Konzentration zeigen – woraus eine Erhöhung der Oberflächentemperatur von 3 K folgt.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 2

Sehr geehrte Frau Professor Lohmann,

Kosmische Strahlung haben mit grosser Warhscheinlichkeit keinen entscheidenden Einfluss auf das Klima und zwar nicht, weil das prinzipiell unmöglich wäre, sondern weil die Forschungsresultate , die es heute gibt – inklusive Experimenten am CERN – nicht dafür sprechen, dass die Wolken- und Aerosolkondensation genug stark von ionisierender Strahlung kosmischen Ursprings beeinflusst werden.

Doch solche Untersuchungen zeigen eben auch, dass das Klima erst seit wenigen Jahrzehnten ein Forschungsgegenstand mit robusten Resultaten ist, ja dass man die Robustheit der meisten heute vorliegenden Klimaforschungsresultate durchaus bezweifeln darf. Nicht einmal der anthropogene Einfluss auf das Klima über die vom Menschen emittierten Treibhausgase ist ein robustes Resultat: Es ist zwar aufgrund von theoretischen Überlegungen plausibel, doch bei einem solch komplexen System wie es die Atmosphäre zusammen mit andern das Klima beeinflussenden Erdsystemteilen ist, sind sichere Aussagen zum heutigen Zeitpunkt nicht zu erwarten.

Deshalb wird ja auch immer wieder das Vorsorgeprinzip bemüht um Klimaschutzmassnahmen schon jetzt zu rechtfertigen. Da die fossilen Rohstoffe jedoch eine solch zentrale Rolle für die Weltwirtschaft spielen, ist ein wirksamer Klimaschutz allein aus Vorsicht jedoch kaum zu erwarten. Etwas ganz anderes wäre eine Häufung von extremen Wetter- oder Klima-Ereignissen, die am besten mit dem anthropogenen Klimawandel erklärt werden können.
Würden sich also Dürren, wie es sie im Jahr 2012 in den USA gibt, (nachdem es bereits eine Südstaatendürre seit 2010 gibt) mehrmals wiederholen, würden sich bestimmt viele fragen, ob hier ein Zusammenhang mit dem Klimawandel besteht und wären eher zu Klimaschutzmassnahmen bereit.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 5

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