Neues vom Svensmark-Wolken-Solarverstärker

Vor einigen Jahren beschrieb Henrik Svensmark einen Mechanismus, bei dem solare Aktivitätsschwankungen die Wolkenbedeckung verändern. War dies der gesuchte Solarverstärker? Der vorgeschlagene Prozess enthält eine Reihe von Zwischenschritten, wobei das Sonnenmagnetfeld die kosmische Strahlung mal mehr und mal weniger stark abschirmt, also moduliert. Die kleinen galaktischen Teilchen sollen dann als Kondensationskeime für Wolken dienen. Der Mechanismus leuchtet im Großen und Ganzen ein, und Svensmark konnte zunächst eine schöne Korrelation der Sonnenaktivität mit den Wolken liefern. Dann allerdings liefen die Kurven auseinander. Es war wohl doch etwas komplizierter. Der IPCC freute sich und verwarf das Modell kurzerhand. Vermutlich vorschnell, denn Stück für Stück wird nun allmählich klarer, dass man stärker differenzieren muss: Zwischen verschiedenen Breitengraden, Wolkenstockwerken, Jahreszeiten. Im Folgenden wollen wir für Sie das Neueste zum Wolken-Solarverstärker zusammenfassen.

Im November 2014 berichteten M. Kancirova und K. Kudela in Atmospheric Research über eine Studie zur Entwicklung der Wolkenbedeckung und der kosmischen Strahlen auf einem 2634 m hohen Berg in der Slovakei für den Zeitraum 1982–2010. Die Autoren fanden dabei eine stabile Korrelation zwischen Wolken und kosmischer Strahlung, wenn auch schwach ausgeprägt. Hier der Abstract:

Cloud cover and cosmic ray variations at Lomnický štít high altitude observing site
We studied the relation of cloud cover and cosmic rays during the period 1982–2010 measured at Lomnický štít (2634 m above sea level, in the direction of 49.40°N, 20.22°E, geomagnetic vertical cut-off rigidity for cosmic ray ~ 3.85 GV). Daily means are used. It is seen that the correlations are insignificant for averaging shorter than about one year. We have found weak positive correlation for longer averaging times. Difference in distributions of cosmic ray intensity between the days with cloudless and overcast sky level at α = 0.05 is found in the data. In addition to the experiments and clarification of physical mechanisms behind the relations studied here, longer time intervals and analysis at different sites with respect to cut-off rigidity and sea/continents along with the satellite data are important for progress in understanding the cosmic ray–cloud relation questions, at least from the point of view of empirical description of the dependencies.

Im Januar 2015 legten Badruddin & Aslam dann im Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics nach. Sie studierten den Einfluss der kosmischen Strahlung auf den Indischen Sommermonsun. Und sie wurde fündig: Dürrephasen ereigneten sich überwiegend wenn die kosmische Strahlung abnahm, während feuchte Phasen mit zunehmender kosmischer Strahlung gepaart waren. Zudem fanden sie einen Zusammenhang mit der Temperatur. Hier die Kurzfassung:

Influence of cosmic-ray variability on the monsoon rainfall and temperature
We study the role of galactic cosmic ray (GCR) variability in influencing the rainfall variability in Indian Summer Monsoon Rainfall (ISMR) season.
We find that on an average during ‘drought’ (low ISMR) periods in India, GCR flux is decreasing, and during ‘flood’ (high ISMR) periods, GCR flux is increasing. The results of our analysis suggest for a possibility that the decreasing GCR flux during the summer monsoon season in India may suppress the rainfall. On the other hand, increasing GCR flux may enhance the rainfall. We suspect that in addition to real environmental conditions, significant levitation/dispersion of low clouds and hence reduced possibility of collision/coalescence to form raindrops suppresses the rainfall during decreasing GCR flux in monsoon season. On the other hand, enhanced collision/coalescence efficiency during increasing GCR flux due to electrical effects may contribute to enhancing the rainfall. Based on the observations, we put forward the idea that, under suitable environmental conditions, changing GCR flux may influence precipitation by suppressing/enhancing it, depending upon the decreasing/increasing nature of GCR flux variability during monsoon season in India, at least. We further note that the rainfall variability is inversely related to the temperature variation during ISMR season. We suggest an explanation, although speculative, how a decreasing/increasing GCR flux can influence the rainfall and the temperature. We speculate that the proposed hypothesis, based on the Indian climate data can be extended to whole tropical and sub-tropical belt, and that it may contribute to global temperature in a significant way. If correct, our hypothesis has important implication for the sun – climate link.

Weiterhin erwähnenswert ist eine Arbeit von L.Z. Biktash im Dezember 2014 in Advances in Space Research. In dieser Studie geht es ebenfalls um die kosmische Strahlung und ihr Bezug zur globalen Temperatur. Für die Phase 1965–2012 sollen sich die Temperaturmaxima während der Minima der kosmischen Strahlung ereignet haben. Hier die Kurzfassung:

Evolution of Dst index, cosmic rays and global temperature during solar cycles 20–23
We have studied conditions in interplanetary space, which can have an influence on galactic cosmic ray (CR) and climate change. In this connection the solar wind and interplanetary magnetic field parameters and cosmic ray variations have been compared with geomagnetic activity represented by the equatorial Dst index from the beginning 1965 to the end of 2012. Dst index is commonly used as the solar wind–magnetosphere–ionosphere interaction characteristic. The important drivers in interplanetary medium which have effect on cosmic rays as CMEs (coronal mass ejections) and CIRs (corotating interaction regions) undergo very strong changes during their propagation to the Earth. Because of this CMEs, coronal holes and the solar spot numbers (SSN) do not adequately reflect peculiarities concerned with the solar wind arrival to 1 AU. Therefore, the geomagnetic indices have some inestimable advantage as continuous series other the irregular solar wind measurements. We have compared the yearly average variations of Dst index and the solar wind parameters with cosmic ray data from Moscow, Climax, and Haleakala neutron monitors during the solar cycles 20–23. The descending phases of these solar cycles (CSs) had the long-lasting solar wind high speed streams occurred frequently and were the primary contributors to the recurrent Dst variations. They also had effects on cosmic rays variations. We show that long-term Dst variations in these solar cycles were correlated with the cosmic ray count rate and can be used for study of CR variations. Global temperature variations in connection with evolution of Dst index and CR variations is discussed.

Im Text der Arbeit heißt es:

We demonstrate that the detrended annual means of global surface air temperature in 1965–2012 show the maxima during CRs [Cosmic Rays] and Dst index [of the solar wind] minima. It proves that CRs [Cosmic Rays] play essential role in climate change and main part of climate variations can be explained by Pudovkin and Raspopov’s (1992) mechanism of action CRs [Cosmic Rays] modulated by the solar activity on the state of lower atmosphere and meteorological parameters. Following this we have to seek for another ways of looking for global warming reason, first of all, as a man impact on climate.”

Eine Gruppe um Nicolas Huneeus überraschte im Mai 2014 im Journal of Geophysical Research mit einer etwas versteckten Bestätigung des Sonne-Wolken-Bezugs. Im Rahmen von Modellierungen fanden sie eine bedeutende Beeinflussung der Wolken durch solare Aktivitätsschwankungen. Lesen Sie selbst im Abstract:

Forcings and feedbacks in the GeoMIP ensemble for a reduction in solar irradiance and increase in CO2
The effective radiative forcings (including rapid adjustments) and feedbacks associated with an instantaneous quadrupling of the preindustrial CO2 concentration and a counterbalancing reduction of the solar constant are investigated in the context of the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP). The forcing and feedback parameters of the net energy flux, as well as its different components at the top-of-atmosphere (TOA) and surface, were examined in 10 Earth System Models to better understand the impact of solar radiation management on the energy budget. In spite of their very different nature, the feedback parameter and its components at the TOA and surface are almost identical for the two forcing mechanisms, not only in the global mean but also in their geographical distributions. This conclusion holds for each of the individual models despite intermodel differences in how feedbacks affect the energy budget. This indicates that the climate sensitivity parameter is independent of the forcing (when measured as an effective radiative forcing). We also show the existence of a large contribution of the cloudy-sky component to the shortwave effective radiative forcing at the TOA suggesting rapid cloud adjustments to a change in solar irradiance. In addition, the models present significant diversity in the spatial distribution of the shortwave feedback parameter in cloudy regions, indicating persistent uncertainties in cloud feedback mechanisms.

Hochinteressant auch die Studie einer Forscherguppe um Mai Mai Lam, die ihre Ergebnisse im September 2014 in den Geophysical Research Letters publizierte. (weiterlesen …)

Neues vom stratosphärischen Solarverstärker

Eines des großen ungelösten Rätsel der Klimawissenschaften ist die Frage, auf welchem Wege solare Aktivitätsschwankungen zu klimatischen Veränderungen führen. Eine Vielzahl von geologisch-paläoklimatologischen Untersuchungen belegt einwandfrei, dass es einen solaren Einfluss auf das Klima gibt. Allerdings wird hierzu ein solarer Verstärkermechanismus benötigt, da die Sonne-Schwankungen im sichtbaren Strahlungsbereich des Lichtes wohl zu gering sind, um den beobachteten Effekt zu erzeugen. In unserem Buch „Die kalte Sonne“ haben wir die beiden wahrscheinlichsten Verstärker-Kandidaten vorgestellt. Zum einen wäre hier der Svensmark-Wolkeneffekt zu nennen, wobei von der Sonne modulierte galaktische Strahlung Keime für Wolken bilden könnte. Zum anderen geht es um die UV-Strahlung, die viel stärker schwankt als der sichtbare Lichtanteil der Sonne. Das UV erzeugt in der Stratosphäre, Ozon. Mittlerweile gibt es sich verdichtenede Hinweise darauf, dass sich das Geschehen in der Stratosphäre auch in die tieferen Atmosphärenstockwerke durchpaust, wo das Wettergeschehen stattfindet. Im Folgenden wollen einen Streifzug durch die neuere Literatur unternehmen. Was gibt es Neues vom stratosphärischen Solarverstärker?

Im November 2012 wartete eine Gruppe um David Thompson in Nature mit einer großen Überraschung auf: Die Forscher hatten einen neuen Datensatz zur Temperaturentwicklung der mittleren und oberen Stratosphäre ermittelt, der sich signifikant von früheren Temperaturkurven unterschied. Hierdurch wurde nun alles durcheinandergewirbelt. Offenbar stimmten die früheren Modelle zur Entwicklung hinten und vorne nicht. Auch Modelle mussten nun plötzlich auf den Prüfstand, die nur die veraltete Temperaturkurve nachvollziehen konnten, nicht jedoch die neue. Dies ist insbesondere bedenklich, da hier Emissionen von CO2 und ozonzerstörenden Gasen eine Rolle spielen. Hier der Abstract der Arbeit:

The mystery of recent stratospheric temperature trends
A new data set of middle- and upper-stratospheric temperatures based on reprocessing of satellite radiances provides a view of stratospheric climate change during the period 1979–2005 that is strikingly different from that provided by earlier data sets. The new data call into question our understanding of observed stratospheric temperature trends and our ability to test simulations of the stratospheric response to emissions of greenhouse gases and ozone-depleting substances. Here we highlight the important issues raised by the new data and suggest how the climate science community can resolve them.

Auch Katja Matthes vom Kieler Geomar ist zusammen mit Kollegen an der Erforschung des stratosphärischen Solarverstärkers beteiligt. Hier gelangten in den letzten Jahren gleich drei Arbeiten zur Publikation, die wir hier vorstellen möchten. So erschien im September 2012 im Journal of Geophysical Research ein Paper, das von Christof Petrick angeführt wurde. In der Studie geht es um solare UV-Schwankungen, die stratosphärische Veränderungen hervorrufen, die sich über Ozeanzyklen in die Ozeane fortpflanzen. Die Matthes-Gruppe nennt dies „Top-Down-Mechanismus“. Hier der Abstract:

Impact of the solar cycle and the QBO on the atmosphere and the ocean
The Solar Cycle and the Quasi-Biennial Oscillation are two major components of natural climate variability. Their direct and indirect influences in the stratosphere and troposphere are subject of a number of studies. The so-called “top-down’ mechanism describes how solar UV changes can lead to a significant enhancement of the small initial signal and corresponding changes in stratospheric dynamics. How the signal then propagates to the surface is still under investigation. We continue the “top-down’ analysis further down to the ocean and show the dynamical ocean response with respect to the solar cycle and the QBO. For this we use two 110-year chemistry climate model experiments from NCAR’s Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM), one with a time varying solar cycle only and one with an additionally nudged QBO, to force an ocean general circulation model, GFZ’s Ocean Model for Circulation and Tides (OMCT). We find a significant ocean response to the solar cycle only in combination with a prescribed QBO. Especially in the Southern Hemisphere we find the tendency to positive Southern Annular Mode (SAM) like pattern in the surface pressure and associated wind anomalies during solar maximum conditions. These atmospheric anomalies propagate into the ocean and induce deviations in ocean currents down into deeper layers, inducing an integrated sea surface height signal. Finally, limitations of this study are discussed and it is concluded that comprehensive climate model studies require a middle atmosphere as well as a coupled ocean to investigate and understand natural climate variability.

Im April 2013 publizierte die Matthes-Gruppe mit Ermolli et al 2013 im Fachblatt Atmospheric Chemistry and Physics eine weitere Studie zum Thema. Die Hauptnachricht: Klimamodelle unterschätzten bislang die UV-Schwankungen um einen Faktor von 4-6. Das ist enorm. In Wirklichkeit waren die UV-Schwankungen also im Mittel 5 mal so hoch wie angenommen. Ermolli und Kollegen prognostizieren, dass auch die atmosphärischen Effekte entsprechend viel größer sind als zuvor modelliert. Hier der Abstract:

Recent variability of the solar spectral irradiance and its impact on climate modelling
The lack of long and reliable time series of solar spectral irradiance (SSI) measurements makes an accurate quantification of solar contributions to recent climate change difficult.
Whereas earlier SSI observations and models provided a qualitatively consistent picture of the SSI variability, recent measurements by the SORCE (SOlar Radiation and Climate Experiment) satellite suggest a significantly stronger variability in the ultraviolet (UV) spectral range and changes in the visible and near-infrared (NIR) bands in anti-phase with the solar cycle. A number of recent chemistry-climate model (CCM) simulations have shown that this might have significant implications on the Earth’s atmosphere. Motivated by these results, we summarize here our current knowledge of SSI variability and its impact on Earth’s climate.
We present a detailed overview of existing SSI measurements and provide thorough comparison of models available to date. SSI changes influence the Earth’s atmosphere, both directly, through changes in shortwave (SW) heating and therefore, temperature and ozone distributions in the stratosphere, and indirectly, through dynamical feedbacks. We investigate these direct and indirect effects using several state-of-the art CCM simulations forced with measured and modelled SSI changes. A unique asset of this study is the use of a common comprehensive approach for an issue that is usually addressed separately by different communities.
We show that the SORCE measurements are difficult to reconcile with earlier observations and with SSI models. Of the five SSI models discussed here, specifically NRLSSI (Naval Research Laboratory Solar Spectral Irradiance), SATIRE-S (Spectral And Total Irradiance REconstructions for the Satellite era), COSI (COde for Solar Irradiance), SRPM (Solar Radiation Physical Modelling), and OAR (Osservatorio Astronomico di Roma), only one shows a behaviour of the UV and visible irradiance qualitatively resembling that of the recent SORCE measurements. However, the integral of the SSI computed with this model over the entire spectral range does not reproduce the measured cyclical changes of the total solar irradiance, which is an essential requisite for realistic evaluations of solar effects on the Earth’s climate in CCMs.
We show that within the range provided by the recent SSI observations and semi-empirical models discussed here, the NRLSSI model and SORCE observations represent the lower and upper limits in the magnitude of the SSI solar cycle variation.
The results of the CCM simulations, forced with the SSI solar cycle variations estimated from the NRLSSI model and from SORCE measurements, show that the direct solar response in the stratosphere is larger for the SORCE than for the NRLSSI data. Correspondingly, larger UV forcing also leads to a larger surface response.
Finally, we discuss the reliability of the available data and we propose additional coordinated work, first to build composite SSI data sets out of scattered observations and to refine current SSI models, and second, to run coordinated CCM experiments.

In unserer Monatskolumne “Die Sonne im August 2015“ hatten wir bereits eine weitere aktuelle Matthes-Arbeit besprochen, Thiéblemont et al., die im September 2015 in Nature Communications erschien. Laut der Arbeit ist die Nordatlantische Oszillation mit einer Verzögerung von 1-2 Jahren an die Sonnenaktivität gekoppelt. Die Forscher benutzten ein Klimamodell, das die Atmosphäre bis zu einer Höhe von 140 km modelliert  und somit die Wirkung der UV-Strahlung auf die Chemie der Stratosphäre, etwa der Ozonbildung, besser berücksichtigen kann. Hier der Abstract:

Solar forcing synchronizes decadal North Atlantic climate variability
Quasi-decadal variability in solar irradiance has been suggested to exert a substantial effect on Earth’s regional climate. In the North Atlantic sector, the 11-year solar signal has been proposed to project onto a pattern resembling the North Atlantic Oscillation (NAO), with a lag of a few years due to ocean-atmosphere interactions. The solar/NAO relationship is, however, highly misrepresented in climate model simulations with realistic observed forcings. In addition, its detection is particularly complicated since NAO quasi-decadal fluctuations can be intrinsically generated by the coupled ocean-atmosphere system. Here we compare two multi-decadal ocean-atmosphere chemistry-climate simulations with and without solar forcing variability. While the experiment including solar variability simulates a 1–2-year lagged solar/NAO relationship, comparison of both experiments suggests that the 11-year solar cycle synchronizes quasi-decadal NAO variability intrinsic to the model. The synchronization is consistent with the downward propagation of the solar signal from the stratosphere to the surface.

Mithilfe eines Klimamodells, das auch die Stratosphäre berücksichtigt, konnte ein Forscherteam um Lon Hood einen Einfluss des 11-Jahres-Sonnenzyklus in der winterlichen Temperaturentwicklung des Pazifiks nachweisen. Das macht Hoffnung. Die Arbeit erschien im Oktober 2013 im Journal of Climate. Hier der Abstract: (weiterlesen …)

Die Sonne im August 2015 und der klimatische UV-Verstärker in der Stratosphäre

Von Frank Bosse und Fritz Vahrenholt

Die Sonne war auch im August 2015 schwach und nur zu 71 % so aktiv wie im Mittel dieses Zyklusmonats. Die festgestellte SSN betrug 64,6 und das Mittel aller Zyklen 1…23 errechnet sich zu 91. Über den gesamten Zyklus stellt sich der Verlauf so dar:

Abb.1: Die monatliche SunSpotNumber (SSN) im solaren Zyklus (SC) 24 (rot), ein durchschnittlicher Zyklus als Mittelwert der Monate der Zyklen 1…23 (blau) und der ähnliche SC 5 (schwarz).


Der Zyklus ähnelt immer mehr dem 5. Solarzyklus von 1798 bis 1810 – mitten im Dalton Minimum. Der damalige Zyklus war mit 12,6 Jahren sehr lang, was wir auch für den jetzigen Zyklus erwarten. Schwache Zyklen sind in der Regel länger als Zyklen mit starker solarer Aktivität. Die aufsummierten Anomalien, also die über den Zyklus akkumulierten monatlichen Differenzen zwischen den festgestellten Werten und den in Abb. 1 blauen Mittelwerten,waren seit dem Dalton-Minimum noch nie so negativ wie im jetzigen Zyklus.

Abb.2:  Die Anomalien der SSN der einzelnen Zyklen 1-24. Der Abstieg der Aktivität nach dem Zyklus 22 (er dauerte bis Mitte 1996) ist deutlich zu erkennen.


Wir haben an dieser Stelle schon häufiger  über den Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität und der nordatlantischen Oszillation (NAO) berichtet. Schon im Buch „Die kalte Sonne“ hatten wir die Arbeiten Lockwoods zitiert, der eine statistisch sichere Korrelation zwischen der Sonnenaktivität, der NAO und der Kälte britischer Winter herstellte. Viele weitere Arbeiten sind seither erschienen, die diese Korrelation für Nordeuropa erhärten. Zur Erinnerung:  Die NAO errechnet sich aus dem Luftdruckluftunterschied zwischen Reykjavik und den Azoren.

Im September 2015 erschien nun eine Arbeit eines Forscherteams um Katja Matthes und Remi Thieblemont vom Kieler Geomar Zentrum für Ozeanforschung in Nature communications. Danach ist die Nordatlantische Oszillation mit einer Verzögerung von 1-2 Jahren an die Sonnenaktivität gekoppelt. Die Forscher benutzten ein Klimamodell, das die Atmosphäre bis zu einer Höhe von 140 km modelliert  und somit die Wirkung der UV-Strahlung auf die Chemie der Stratosphäre, etwa der Ozonbildung, besser berücksichtigen kann.

Wir wissen, dass Modellrechnungen mit Vorsicht zu genießen sind. Das Versagen der unzureichenden numerischen Modelle  haben wir an dieser Stelle häufig genug dokumentiert. Bemerkenswert ist allerdings, dass man mittlerweile auch auf Seiten der konventionellen Klimaforschung die Wirkung der Sonne auf unser Klima für relevant hält. Bislang hatte man sich bemüht, den Einfluss der Sonne damit kleinzureden, dass lediglich die solare Gesamtstrahlung (TSI), die in der Tat sich nur um etwa 0,1 % während eines Zyklus verändert, berücksichtigt wird. In Teilbereichen der UV-Strahlung treten aber starke Strahlungseinwirkungen von bis zu 70 % auf. Das UV-Licht wird in der Ozonschicht und der Ionosphäre  in Wärme umgewandelt und führt dort zu entsprechenden deutlichen Temperaturänderungen im Bereich von mehreren Grad. Diese Erwärmung und die vermehrte Bildung von Ozon führt über Wechselwirkungsmechanismen zu Zirkulationsänderungen in der Atmossphäre.

Matthes und Thieblemont hatten schon vor Jahresfrist auf Grund von  Untersuchungen an Eisbohrkernen den Nachweis erbringen können, dass Jahre mit strengen Wintern  auf der Nordhalbkugel mit geringer Sonnenaktivität zusammenhängen (Adolphi et al. 2014). Ein Beispiel dafür ist der starke Wintereinbruch 2008 bis 2010 in Nordeuropa unmd Nordamerika. In diesen Jahren befanden wir uns in einem Sonnenfleckenminimum.

Und schaut man sich die Entwicklung der kosmischen Strahlung seit 1964 an, so ist vom 20. Sonnenzyklus (1964-1976) bis zum 22. ein immer stärker werdendes Magnetfeld mit einer Schwächung der kosmischen Strahlung und seit dem 23. Zyklus eine Umkehr der Effekte zu verzeichnen. Wie groß der UV-Effekt oder des schwankenden solaren Magnetfeldes auf unser Klima  ist, kann zur Zeit niemand genau abschätzen. Es gibt aber in der Vergangenheit eine gute Übereinstimmung zwischen Erwärmungsphasen und hohen solaren Aktivitätsphasen. Die Annahme, allein das CO2 bestimmt die Temperaturentwicklung in diesem Jahrhundert ist jedenfalls hoch fragwürdig.

Abbildung 3. Neutronenmonitor Oulu (Finnland) als Maß für die kosmische Strahlung


Nordatlantischer Ozeanzyklus (NAO) an Sonnenaktivität gekoppelt: Neue Studie findet zeitlichen Verzug der NAO von 3 Jahren gegenüber Sonnensignal

In unserem Buch „Die kalte Sonne“ hatten wir beschrieben, dass das Klima signifikant von Ozeanzyklen und Sonnenaktivitätsschwankungen gesteuert wird. Das Klimaestablishment mochte dies damals gar nicht. Mittlerweile hat sich das Blatt grundlegend gewendet. Eine Vielzahl von Wissenschaftlern forscht zum Thema und publiziert nahezu im Wochentakt hierzu. Es wird zudem immer klarer, dass wohl auch die Ozeanzyklen zu einem gewissen Grad an die Sonnenaktivität gekoppelt sind. Eine hochinteressante Studie hierzu konnte man im Mai 2015 in den Environmental Research Letters finden. Ein Forscherteam um M. B. Andrews vom Hadley Centre des britischen Met Office untersuchte den Zusammenhang zwischen Nordatlantischer Oszillation (NAO) und solaren Aktivitätsschwankungen. Es ist seit längerer Zeit bekannt, dass die NAO in den positiven Bereich umschwenkt, wenn die Sonne stärker wird. Negative NAO-Werte fallen hingegen oft mit einer schwachen Sonnenaktivität zusammen. Für alle NAO-Neulinge erläutert Wikipedia:

Unter der Nordatlantischen Oszillation (NAO) versteht man in der Meteorologie die Schwankung des Druckverhältnisses zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden über dem Nordatlantik. Bei einem positiven NAO-Index sind sowohl Azorenhoch als auch Islandtief gut ausgebildet. Dies führt in den meisten Fällen zu einer starken Westwinddrift, die milde und feuchte Luft nach Europa führt. In Extremfällen bringt diese sogar zahlreiche Stürme mit sich. So resultierten die Winterstürme und Orkane 1999 (Anatol, Lothar, Martin) aus solch einer Lage. Bei einem negativen NAO-Index sind die Aktionszentren (Islandtief und Azorenhoch) nur schwach ausgeprägt, womit auch die Westwinddrift „einschläft“. So führen häufige Kaltlufteinbrüche aus Nordosten in Mitteleuropa immer wieder zu entsprechend kalten Wintern. Die abgeschwächte Westwinddrift verlagert sich südwärts und führt im Mittelmeerraum zu feuchterem Wetter.

Andrews und Kollegen versuchten den empirischen NAO-Sonnen-Bezug nun in einem Simulationsmodell nachzuvollziehen. In vorangegangenen Versuchen hatten die Modelle die Größenordnung des Effekts nicht in den Griff kriegen können. Diesmal jedoch hatten die Forscher mehr Glück. Sie erkannten, dass sie wohl einen zeitlichen Verzug von 3 Jahren übersehen hatten, mit dem die NAO der Sonne hinterherhinkt. Andrews und Kollegen erkennen darin einen Hinweise, dass weitere Prozesse eine Rolle spielen, außer der bisher berücksichtigten reinen atmosphärischen Aufheizung und dynamischen Folgeeffekten. Im Folgenden die Kurzfassung der Arbeit:

A simulated lagged response of the North Atlantic Oscillation to the solar cycle over the period 1960–2009
Numerous studies have suggested an impact of the 11 year solar cycle on the winter North Atlantic Oscillation (NAO), with an increased tendency for positive (negative) NAO signals to occur at maxima (minima) of the solar cycle. Climate models have successfully reproduced this solar cycle modulation of the NAO, although the magnitude of the effect is often considerably weaker than implied by observations. A leading candidate for the mechanism of solar influence is via the impact of ultraviolet radiation variability on heating rates in the tropical upper stratosphere, and consequently on the meridional temperature gradient and zonal winds. Model simulations show a zonal mean wind anomaly that migrates polewards and downwards through wave–mean flow interaction. On reaching the troposphere this produces a response similar to the winter NAO. Recent analyses of observations have shown that solar cycle–NAO link becomes clearer approximately three years after solar maximum and minimum. Previous modelling studies have been unable to reproduce a lagged response of the observed magnitude. In this study, the impact of solar cycle on the NAO is investigated using an atmosphere–ocean coupled climate model. Simulations that include climate forcings are performed over the period 1960–2009 for two solar forcing scenarios: constant solar irradiance, and time-varying solar irradiance. We show that the model produces significant NAO responses peaking several years after extrema of the solar cycle, persisting even when the solar forcing becomes neutral. This confirms suggestions of a further component to the solar influence on the NAO beyond direct atmospheric heating and its dynamical response. Analysis of simulated upper ocean temperature anomalies confirms that the North Atlantic Ocean provides the memory of the solar forcing required to produce the lagged NAO response. These results have implications for improving skill in decadal predictions of the European and North American winter climate.

Auch andere Modellierer haben die solare Steuerung der atlantischen Ozeanzyklen näher unter die Lupe genommen. Lin et al. berichteten im Juni 2014 in Climate of the Past Discussion über eine Simulation zu einer abgebremsten atlantischen Ozeanzyklik (AMOC) im Zeitraum 1915-1935. Die Autoren sehen den Anstieg der Sonnenaktivität nach 1914 als einen der Auslöser an und konnten den Effekt in ihrer Simulation abbilden. Hier der Abstract: (weiterlesen …)

Sonne macht Klima: Neues aus der Antarktis

Die Antarktis ist ein phantastisches Freiland-Forschungslaboratorium. Eine Vielzahl von Forschungsstationen ist über den Kontinent verteilt, darunter auch die russische Station Wostok. Mithilfe von Eisbohrkernen wurde die Klimageschichte der vergangenen 11.000 Jahre detailliert rekonstruiert. Im Januar 2015 veröffentlichten Zhao und Feng im Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics eine Studie in der sie die Temperaturentwicklung mit dem Verlauf der Sonnenaktivität verglichen. Die Forscher entdeckten in der Temperaturkurve charakteristische Zyklen, die dem solaren Suess-de Vries Zyklus (208 Jahre) und Eddy Zyklus (1000 Jahren) entsprechen. Auffällig war ein leichter Zeitverzug zwischen solarem Auslöser und Temperaturreaktion von 30-40 Jahren. Die Wissenschaftler schlussfolgern, dass Sonnenaktivitätsschwankungen eine große Rolle in der Ausgestaltung der antarktischen Klimaentwicklung spielen. Hier der Abstract der Arbeit:

Correlation between solar activity and the local temperature of Antarctica during the past 11,000 years
The solar impact on the Earth’s climate change is a long topic with intense debates. Based on the reconstructed data of solar sunspot number (SSN), the local temperature in Vostok (T), and the atmospheric CO2 concentration data of Dome Concordia, we investigate the periodicities of solar activity, the atmospheric CO2 and local temperature in the inland Antarctica as well as their correlations during the past 11,000 years before AD 1895. We find that the variations of SSN and T have some common periodicities, such as the 208 year (yr), 521 yr, and ~1000 yr cycles. The correlations between SSN and T are strong for some intermittent periodicities. However, the wavelet analysis demonstrates that the relative phase relations between them usually do not hold stable except for the millennium-cycle component. The millennial variation of SSN leads that of T by 30–40 years, and the anti-phase relation between them keeps stable nearly over the whole 11,000 years of the past. As a contrast, the correlations between CO2 and T are neither strong nor stable. These results indicate that solar activity might have potential influences on the long-term change of Vostok’s local climate during the past 11,000 years before modern industry.

In diesem Zusammenhang ist auch eine Arbeit von Volobuev zu erwähnen, die im Mai 2014 in Climate Dynamics publiziert wurde. Der Autor beschreibt für die Region der Wostok-Station eine „relativ hohe Klimasensitivität“ für den solaren Temperaturantrieb. Hier die Kurzfassung:

Central antarctic climate response to the solar cycle
Antarctic “Vostok” station works most closely to the center of the ice cap among permanent year-around stations. Climate conditions are exclusively stable: low precipitation level, cloudiness and wind velocity. These conditions can be considered as an ideal model laboratory to study the surface temperature response on solar irradiance variability during 11-year cycle of solar activity. Here we solve an inverse heat conductivity problem: calculate the boundary heat flux density (HFD) from known evolution of temperature. Using meteorological temperature record during (1958–2011) we calculated the HFD variation about 0.2–0.3 W/m2 in phase with solar activity cycle. This HFD variation is derived from 0.5 to 1 °C temperature variation and shows relatively high climate sensitivity per 0.1 % of solar radiation change. This effect can be due to the polar amplification phenomenon, which predicts a similar response 0.3–0.8 °C/0.1 % (Gal-Chen and Schneider in Tellus 28:108–121, 1975). The solar forcing (TSI) is disturbed by volcanic forcing (VF), so that their linear combination TSI + 0.5VF empirically provides higher correlation with HFD (r = 0.63 ± 0.22) than TSI (r = 0.50 ± 0.24) and VF (r = 0.41 ± 0.25) separately. TSI shows higher wavelet coherence and phase agreement with HFD than VF.


Sonne macht Klima: Neues aus Amerika

Die Sonne ist ein wichtiger Klimafaktor, auch in Amerika. Im Mai 2014 bekräftigten Gorji Sefidmazgi und Kollegen dies in einer Arbeit in Nonlinear Processes in Geophysics. Die Forscher untersuchten die Temperaturentwicklung des US-Bundesstaats North Carolina für die vergangenen 60 Jahre. Dabei fanden sie, dass die Schwankungen fast vollständig mit Sonnenaktivitätsschwankungen und Ozeanzyklen erklärbar wären. Hier die Kurzfassung:

Trend analysis using non-stationary time series clustering based on the finite element method
In order to analyze low-frequency variability of climate, it is useful to model the climatic time series with multiple linear trends and locate the times of significant changes. In this paper, we have used non-stationary time series clustering to find change points in the trends. Clustering in a multi-dimensional non-stationary time series is challenging, since the problem is mathematically ill-posed. Clustering based on the finite element method (FEM) is one of the methods that can analyze multidimensional time series. One important attribute of this method is that it is not dependent on any statistical assumption and does not need local stationarity in the time series. In this paper, it is shown how the FEM-clustering method can be used to locate change points in the trend of temperature time series from in situ observations. This method is applied to the temperature time series of North Carolina (NC) and the results represent region-specific climate variability despite higher frequency harmonics in climatic time series. Next, we investigated the relationship between the climatic indices with the clusters/trends detected based on this clustering method. It appears that the natural variability of climate change in NC during 1950–2009 can be explained mostly by AMO and solar activity.

Einige Monate später, im Oktober 2014, publizierte ein Forscherteam um Erich Osterberg im Journal of Geophysical Research eine Studie zum Einfluss von solaren Aktivitätsschwankungen auf das Aleuten-Tief im Golf von Alaska. Das Ergebnis lässt aufhorchen: Die Veränderungen des Aleuten-Tiefs während der vergangenen 1500 Jahre korrelieren stark mit der Sonnenaktivität. Eine starke Sonnenaktivität geht dabei typischerweise mit einem schwachen Aleuten-Tief und tropischen La Nina-Bedingungen einher. Hier der Abstract:

Mount Logan ice core record of tropical and solar influences on Aleutian Low variability: 500–1998 A.D.
Continuous, high-resolution paleoclimate records from the North Pacific region spanning the past 1500 years are rare; and the behavior of the Aleutian Low (ALow) pressure center, the dominant climatological feature in the Gulf of Alaska, remains poorly constrained. Here we present a continuous, 1500 year long, calibrated proxy record for the strength of the wintertime (December–March) ALow from the Mount Logan summit (PR Col; 5200 m asl) ice core soluble sodium time series. We show that ice core sodium concentrations are statistically correlated with North Pacific sea level pressure and zonal wind speed. Our ALow proxy record reveals a weak ALow from circa 900–1300 A.D. and 1575–1675 A.D., and a comparatively stronger ALow from circa 500–900 A.D., 1300–1575 A.D., and 1675 A.D. to present. The Mount Logan ALow proxy record shows strong similarities with tropical paleoclimate proxy records sensitive to the El Niño–Southern Oscillation and is consistent with the hypothesis that the Medieval Climate Anomaly was characterized by more persistent La Niña-like conditions while the Little Ice Age was characterized by at least two intervals of more persistent El Niño-like conditions. The Mount Logan ALow proxy record is significantly (p < 0.05) correlated and coherent with solar irradiance proxy records over various time scales, with stronger solar irradiance generally associated with a weaker ALow and La Niña-like tropical conditions. However, a step-like increase in ALow strength during the Dalton solar minimum circa 1820 is associated with enhanced Walker circulation. Furthermore, rising CO2 forcing or internal variability may be masking the twentieth century rise in solar irradiance.

Noch einen Monat später, im November 2014, berichtete eine Forschergruppe um Keyan Fang im Journal of Climate über einen Bezug der Sonnenaktivität mit der Klimaentwicklung in Nordamerika und Asien. Anhand eines Datensatzes der letzten 600 Jahre konnten die Autoren zeigen, dass eine enge klimatische Kopplung zwischen den Kontinenten bestand, und zwar umso intensiver, je stärker die Sonne strahlte. Hier die Kurzfassung:

Covarying Hydroclimate Patterns between Monsoonal Asia and North America over the Past 600 Years
Proxy data with large spatial coverage spanning to the preindustrial era not only provide invaluable material to investigate hydroclimate changes in different regions but also enable studies on temporal changes in the teleconnections between these regions. Applying the singular value decomposition (SVD) method to tree-ring-based field reconstructions of the Palmer drought severity index (PDSI) over monsoonal Asia (MA) and North America (NA) from 1404 to 2005, the dominant covarying pattern between the two regions is identified. This pattern is represented by the teleconnection between the dipole pattern of southern–northern latitudinal MA and the dipole of southwest NA (SWNA)–northwest NA (NWNA), which accounts for 59.6% of the total covariance. It is dominated by an antiphase low MA and SWNA teleconnection, driven by the El Niño–Southern Oscillation (ENSO), and is most significant at an interannual time scale. This teleconnection is strengthened (weakened) in periods of increased (decreased) solar forcing and high (low) temperature, which is associated with intensified (weakened) ENSO variability. Additional forcing by SST anomalies in the Indian and western Pacific Oceans appears to be important too.

Springen wir nun auf die Südhalbkugel nach Südamerika. Im Juni 2015 veröffentlichte eine Forschergruppe um C. Turney von der University of New South Wales in Sydney im Fachblatt Climate of the Past Discussions eine Arbeit zum Klimageschehen der Falklandinseln. Anhand einer Torfabfolge rekonstruierten die Wissenschaftler die Stärke der Westwinde für die vergangenen 2600 Jahre. Im Rahmen einer Spektralanalyse fanden Turney und Kollegen einen charakteristischen Zyklus von 250 Jahren, der in den Bereich des solaren Suess-de Vries fällt. Ein faszinierendes Ergebnis: Die Westwinde der Südhalbkugel wehten ganz offensichtlich im Takte der Sonne. Hier der Abstract:

A 250 year periodicity in Southern Hemisphere westerly winds over the last 2600 years
Southern Hemisphere westerly airflow has a significant influence on the ocean–atmosphere system of the mid- to high-latitudes with potentially global climate implications. Unfortunately historic observations only extend back to the late nineteenth century, limiting our understanding of multi-decadal to centennial change. Here we present a highly resolved (30 yr) record of past westerly air strength from a Falkland Islands peat sequence spanning the last 2600 years. Situated under the core latitude of Southern Hemisphere westerly airflow, we identify highly variable changes in exotic pollen derived from South America which can be used to inform on past westerly air strength and location. The results indicate enhanced airflow over the Falklands between 2000 and 1000 cal. yr BP, and associated with increased burning, most probably as a result of higher temperatures and/or reduced precipitation, comparable to records in South America. Spectral analysis of the charcoal record identifies a 250 year periodicity within the data, suggesting solar variability has a modulating influence on Southern Hemisphere westerly airflow with potentially important implications for understanding global climate change through the late Holocene.

Wie wir bereits vor einiger Zeit an dieser Stelle berichteten, steuerte die Sonnenaktivität auch den südamerikanischen Monsunregen während der letzten 1500 Jahre.


Neue Studie dokumentiert bedeutenden Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Temperaturen in Grönland

Die American Geophysical Union (AGU) gab kürzlich eine Pressemitteilung zu einer neuen interessanten Studie von Kobashi und Kollegen heraus, die sich mit den Auswirkungen solarer Aktivitätsschwankungen auf das Klima beschäftigt. Die Untersuchung fand, dass die Temperaturen in Grönland im Jahrzehnt-Maßstab signifikant von der Sonnenaktivität beeinflusst werden. Aufgrund von Ozeanzirkulationseffekten führt hier eine starke Sonnenaktivität zu einer lokalen Abkühlung. Dabei entdeckten die Forscher klimatische Verzögerungseffekte von 10-40 Jahren, die es dauerte, bis sich das solare Auslösersignal im trägen Klimasystem auswirkte. Bereits 2013 berichteten wir an dieser Stelle über eine Vorgängerarbeit derselben Arbeitsgruppe (siehe unseren Blogartikel “Grönlandische Temperaturen von Sonnenaktivität beeinflusst: Je stärker die Sonne, desto kälter war es in Grönland“).

Im folgenden die Pressemitteilung der AGU vom 16. Juli 2015 zur neuen Studie:


Sun’s activity controls Greenland temperatures

The sun’s activity could be affecting a key ocean circulation mechanism that plays an important role in regulating Greenland’s climate, according to a new study. The phenomenon could be partially responsible for cool temperatures the island experienced in the late 20th century and potentially lead to increased melting of the Greenland ice sheet in the coming decades, the new research suggests. Scientists have sought to understand why Greenland cooled during the 1970s through the early 1990s while most of the Northern Hemisphere experienced rising temperatures as a result of greenhouse warming.

The new study suggests high solar activity starting in the 1950s and continuing through the 1980s played a role in slowing down ocean circulation between the South Atlantic and the North Atlantic oceans. Combined with an influx of fresh water from melting glaciers, this slow-down halted warm water and air from reaching Greenland and cooled the island while temperatures rose across the rest of the Northern Hemisphere, according to the new study accepted for publication in Geophysical Research Letters, a journal of the American Geophysical Union. The new research also suggests weak solar activity, like the sun is currently experiencing, could slowly fire up the ocean circulation mechanism, increasing the amount of warm water and air flowing to Greenland.

Starting around 2025, temperatures in Greenland could increase more than anticipated and the island’s ice sheet could melt faster than projected, according to Takuro Kobashi, a climate scientist with the Department of Climate and Environmental Physics at the University of Bern in Switzerland and lead author of the new study. This unexpected ice loss would compound projected sea-level rise expected to occur as a result of climate change, Kobashi said. The melting Greenland ice sheet accounted for one-third of the 3.2 millimeters (0.13 inches) rise in global sea level every year from 1992 to 2011. “We need to really consider how solar activity will change in the future,” said Kobashi. “If solar activity becomes really low, as scientists expect, the Greenland ice sheet will melt faster than we expected from the climate model with just greenhouse gas [warming].”

The new study compared past solar activity with historical temperature records to figure out if the cooling Greenland experienced during the late 20th century was part of a long-term pattern.The authors of a new paper placed ice from subsections of Greenland ice cores in glass flasks. Under a vacuum, the ice melted, releasing the air trapped within the ice. The scientists used the trapped air to calculate the island’s temperatures for the past 2,100 years and compare them to vacillations in solar activity.

The team used ice cores drilled from the Greenland ice sheet to reconstruct snow temperatures for the past 2,100 years. A relatively new technique, which measures argon and nitrogen gases trapped in the ice, allowed the scientists to measure small changes in temperature at 10- to 20-year increments. The ice cores showed that for the past 2,000 years changes in Greenland temperatures have generally followed any temperature shifts occurring in the Northern Hemisphere. The new research found that the change in Greenland temperatures vacillated up and down around the average change in Northern Hemisphere temperatures over time. The vacillations coincided with changes in the sun’s energy output that occurred over multiple decades, according to the new study.

When the sun’s energy output increased, there was a bigger drop in Greenland’s temperature compared to the change in average temperature across the Northern Hemisphere. When the sun’s energy output decreased, there was a larger increase in Greenland’s temperature compared to the change in average temperature that occurred across the Northern Hemisphere. Climate models showed that changes in solar activity could prompt shifts in ocean and air circulation in the North Atlantic that affect Greenland’s climate, according to the new study.

Shifting circulation patterns

Water circulation in the Atlantic follows a steady pattern of movement, called the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Warm water flows from the South Atlantic toward the North Atlantic, transferring heat toward Greenland. As the water cools, it sinks to the ocean floor and travels south toward the tropics, completing the circular pattern. During a period of high solar activity, more energy from the sun reaches Earth and is transferred to tropical waters. When this warmer-than-usual water reaches the North Atlantic, it is not dense enough to sink. With nowhere to go, the water causes a traffic jam and the water circulation pattern slows down. Changes in solar activity can also alter the atmospheric circulation pattern over the Atlantic, which in turn affects ocean circulation, but how this process works is still unknown, said Kobashi.

In the late 20th century, there also was a compounding problem. Large amounts of freshwater gushed into the North Atlantic as climate change caused increased melting of glaciers, icebergs, and the Greenland ice sheet. Freshwater, being more buoyant than salt water, entered the intersection where cool water drops to the ocean floor and travels south to the tropics. Climate models showed that the water in the intersection became less salty and less likely to sink. Models also showed that additional freshwater came from an increase in rainfall, according to the new study. The traffic jam worsened and the water circulation pattern that transfers heat from the South Atlantic to the North Atlantic slowed. This slow-down caused the air above Greenland to cool and temperatures there to drop, according to the new study.

Because the oceans take a long time to heat up or cool down, the temperature changes in Greenland lagged 10 to 40 years behind the high solar activity, showing up from the 1970s through the early 1990s, according to the new study. The new study suggests low solar activity could have the opposite effect and lead to warmer temperatures in Greenland in another decade. When there is less solar energy reaching the Earth, water reaching Greenland easily sinks and returns to the tropics along the ocean floor. The water circulation pattern speeds up, quickly funneling heat toward Greenland and warming the island.

Greenhouse gases versus solar activity

The new study makes a good case that the solar maximum in the 1950s through the 1980s may have played a role in the cooling Greenland saw in the late 20th century, said Michael Mann, a climate  scientist with the Department of Meteorology at Penn State University in University Park, Pennsylvania, who was not involved in the new study. Another recent study by Mann and his colleagues proposed that trapped greenhouse gases from fossil fuel burning caused warming across the Northern Hemisphere and triggered an increase in ice melt. This led to the slowdown in ocean circulation and a cooler Greenland.

Both studies suggest buoyant meltwater from melting glaciers would have interrupted the sinking of the AMOC and its return to the tropics along the bottom of the ocean. But the new research suggests solar activity is the main driver behind the changes to the ocean circulation pattern. “I’m open-minded that the real answer is more complicated, and it may be a combination of the two hypotheses,” said Mann. “This article paves the way for a more in-depth look at what is going on. The challenge now will be teasing apart the two effects and trying to assess the relative importance of both of them.” Kobashi contends that solar activity explains the change in ocean circulation and Greenland warming since 1995, which he says cannot be explained by increasing greenhouse gases alone.


Hier der Abstract der beprochenen Arbeit von Kobashi et al., die im Juli 2015 in den Geophysical Research Letters erschien: (weiterlesen …)

Sonne macht Klima: Neues aus Indien

Im September 2014 erschien im Fachblatt Palaeo3 unbemerkt von der ansonsten so klimainteressierten Presse ein wichtiges Paper einer Forschergruppe um Philip Menzel von der Universität Hamburg. Eine Pressemitteilung hierzu gab die Universität leider nicht heraus. Und auch die ebenfalls beteiligten deutschen Institute, darunter das Geoforschungszentrum Potsdam und das Senckenberg Institut schwiegen beredt. Dies ist umso bedauerlicher, da die Wissenschaftler um Philip Menzel spannende neue Erkenntnisse gewonnen hatten, die einen lang gehegten Verdacht bestätigten: Sonnenaktivitätsschwankungen spielen in der Klimahistorie der letzten 10.000 Jahre eine bedeutende Rolle.

In der Studie rekonstruierten die Forscher anhand eines Seesedimentbohrkerns das Monsungeschehen in Zentral-Indien für die vergangenen 11.000 Jahre. Dabei fanden Menzel und Kollegen eine starke Variabilität mit einem Wechsel von feuchten und trockenen Phasen. Die Dürrezeiten ereigneten sich dabei während solarer Schwächephasen. Wenn dann die Sonne wieder aufdrehte, kam auch der Regen zurück. Interessanterweise weist diese Niederschlagszyklik ein hohes Maß an Synchronität mit Temperatur-Zyklen im Nordatlantik auf, den sogenannten Bond-Zyklen, die laut Bond et al. 2001 ebenfalls einen solaren Ursprung haben. Kältephasen im Nordatlantik korrespondieren hierbei mit Dürrezeiten in Zentral-Indien. Diese sogenannte Millenniumszyklik ist aus zahlreichen Studien aus der ganzen Welt beschrieben (siehe Details in unserem Buch „Die kalte Sonne“). Die neue Studie bringt ein weiteres wichtiges Mosaiksteinchen in das wissenschaftliche Bild, in dessen Kontext auch die klimatische Millenniumszyklik der letzten 1000 Jahre mit Mittelalterlicher Wärmeperiode, Kleiner Eiszeit und Moderner Wärmephase zu sehen ist.

Im Folgenden die Zusammenfassung der Arbeit von Menzel und Kollegen:

Linking Holocene drying trends from Lonar Lake in monsoonal central India to North Atlantic cooling events
We present the results of biogeochemical and mineralogical analyses on a sediment core that covers the Holocene sedimentation history of the climatically sensitive, closed, saline, and alkaline Lonar Lake in the core monsoon zone in central India. We compare our results of C/N ratios, stable carbon and nitrogen isotopes, grain-size, as well as amino acid derived degradation proxies with climatically sensitive proxies of other records from South Asia and the North Atlantic region. The comparison reveals some more or less contemporaneous climate shifts. At Lonar Lake, a general long term climate transition from wet conditions during the early Holocene to drier conditions during the late Holocene, delineating the insolation curve, can be reconstructed. In addition to the previously identified periods of prolonged drought during 4.6–3.9 and 2.0–0.6 cal ka that have been attributed to temperature changes in the Indo Pacific Warm Pool, several additional phases of shorter term climate alteration superimposed upon the general climate trend can be identified. These correlate with cold phases in the North Atlantic region. The most pronounced climate deteriorations indicated by our data occurred during 6.2–5.2, 4.6–3.9, and 2.0–0.6 cal ka BP. The strong dry phase between 4.6 and 3.9 cal ka BP at Lonar Lake corroborates the hypothesis that severe climate deterioration contributed to the decline of the Indus Civilisation about 3.9 ka BP.

In den Highlights zum Paper schreiben die Autoren:

Changes in solar activity seem to cause the centennial climate shifts.

In den Conclusions gehen die Autoren etwas genauer auf die Zyklik und den nordatlantischen Vergleich ein:

The long term climate trend is superimposed by several shorter term climate fluctuations. Some of these fluctuations have also been observed in other high resolution climate records from Asia, and they can be correlated with the North Atlantic Bond events (Bond et al., 2001; Bond et al., 1997). The correlation is the same as observed for the long term trend with cold periods in the North Atlantic correlating with dry periods over South Asia and vice versa. All the 9 Bond events during the Holocene are isochronally (within dating uncertainties) reflected in the Lonar Lake record. This points to a connection between the two climate systems or to an identical trigger of climate variability. The fact that the Bioclastic Climate Index (BCI) quite well delineates the solar output proxy 14C production rate (Bond et al., 2001) corroborates the assumption that variations in solar activity triggered centennial scale variability of the Indian monsoon climate during the Holocene.

Einige Monate später, im April 2015, bestätigte eine Forschergruppe um Hai Xu im Fachblatt The Holocene das generelle Ergebnis: Der wiederholte Ausfall des Indischen Sommermonsuns während der letzten 10.000 Jahre geht hauptsächlich auf Schwankungen in der Sonnenaktivität zurück:

Abrupt Holocene Indian Summer Monsoon failures: A primary response to solar activity?
Knowledge of the millennial abrupt monsoon failures is critical to understanding the related causes. Here, we extracted proxy indices of Indian Summer Monsoon (ISM) intensity during the early to mid-Holocene, from peat deposits at Lake Xihu, in southwestern China. There are a series of abrupt, millennial-scale episodes of ISM weakening inferred from the Lake Xihu records, which are generally synchronous with those inferred from other archives over ISM areas. An important feature is that the ISM failures inferred from the Lake Xihu proxy indices synchronize well with abrupt changes in solar activity. We argue that changes in solar activity play a primary role in producing most of these millennial ISM failures, while some other causes, including freshwater outbursts into the North Atlantic Ocean and changes in sea surface temperatures of the eastern tropical Pacific Ocean, may have also exerted influences on parts of the millennial ISM failures.

Einen Sonnenbezug des Indischen Monsuns fanden auch Hiremath und Kollegen, nachzulesen in der Februar 2015-Ausgabe des Fachblatts New Astronomy: (weiterlesen …)

Sonne macht Klima: Neues aus China

Schwankungen der Sonnenaktivität stellen einen bedeutenden Klimafaktor in China dar wie eine Vielzahl von Studien zeigt. Dies gilt auch für Tibet. Im November 2013 publizierte eine Forschergruppe um Yuxin He in den Quaternary Science Reviews eine Untersuchung zur Klimageschichte der letzten zweieinhalb Jahrtausende auf dem nördlichen Tibetplateau. He und Kollegen fanden starke natürliche Schwankungen, die gut mit der solaren Aktivitätsentwicklung korrelierten. Hier der Abstract:

Late Holocene coupled moisture and temperature changes on the northern Tibetan Plateau
The northern Tibetan Plateau involves complex interactions between the mid-latitude westerly circulation and the subtropical Asia monsoon circulation, acting as a bridge communicating high and low latitude climatic processes. Previous studies from the region suggest relatively wet conditions in cold periods during the late Holocene, for instance, the Little Ice Age (LIA). However, the inference of such temperature-moisture association is subject to the large uncertainty in lacustrine 14C chronology, due to the particularly large lake reservoir effect in the region. Here we take a different approach by reconstructing paired temperature and moisture records from the same sediment cores to assess the temperature-moisture association, independent of chronology uncertainty. We use alkenone indices UK′37 and %C37:4 to reconstruct high resolution temperature and moisture changes simultaneously from two lakes in the Qaidam Basin, northern Tibetan Plateau, over the last 2500 years. Characterized by marked climatic variability, our paired records confirm the warm-dry and cold-wet association in arid northwestern China during the late Holocene, opposite to the warm–wet and cold–dry association in subtropical Asian monsoonal regions. Our moisture records further suggest substantially drier conditions during the Medieval Warm Period (MWP) than the current warm period. Lastly, the temperature and moisture changes inferred from our records can be well correlated with solar irradiance changes, suggesting a possible link between solar forcing and natural climate variability during the late Holocene on the northern Tibetan Plateau.

Im April 2014 fügte ein Wissenschaftlerteam um Hai Xu eine weitere Studie zum Tibetplateau hinzu, die in den Quaternary Science Reviews erschien. Mithilfe von Isotopenuntersuchungen an Muschelkrebsschalen rekonstruierten die Forscher die Temperaturgeschichte und fanden erneut einen starken Bezug zu Sonnenaktivitätsschwankungen. Hier die Kurzfassung:

Decadal/multi-decadal temperature discrepancies along the eastern margin of the Tibetan Plateau
Knowledge of the synchronicity and discrepancy of temperature variations along the Eastern margin of the Tibetan Plateau (ETP) is critical in understanding the driving forcing of regional temperature variations. In this study, we established δ15N timeseries in organic matter and δ13C timeseries in ostracod shells from sediments of Lake Lugu and attributed their variations to decadal/multi-decadal temperature variations. We compared temperature variations along the ETP transect during the past four centuries based on our presently developed and previously developed temperature proxy indices, as well as temperature variations reconstructed by other researchers. We found that: (1) Over the north ETP area (N-ETP), the decadal/multi-decadal variations in temperature correlate well with each other. (2) Over the south ETP area (S-ETP), temperature variations correlate not so well with each other; while those at south to west portion of the Tibetan Plateau are rather local. (3) The decadal variations in temperature are generally synchronous with those in precipitation over the N-ETP area, and they are broadly anti-phase/out-of-phase with the corresponding ones over the S-ETP area. (4) The long term temperature and precipitation trends are coupling over the N-ETP but decoupling over the S-ETP. We speculate that because the N-ETP is located at the frontier of the Asian summer monsoon (ASM) region, temperature variations there are not as strongly influenced by the ASM; they are most likely dominated by changes in solar activities, and show general similarity to the average of the Northern Hemisphere. Over the S-ETP area, decadal temperature variations are obviously influenced by precipitation. Because the decadal/multi-decadal precipitation variations are anti-phase and/or out-of-phase between the N-ETP and S-ETP, the decadal/multi-decadal temperature variations between these two regions are also anti-phase and/or out-of-phase.

Und noch einmal Tibetplateau. Ein Forscherteam um Xiumei Li beschrieb im Juni 2015 in The Holocene eine Klimarekonstruktion für die vergangenen 2000 Jahre mit ausgeprägter solarer Suess-de Vries 200-Jahres-Zyklizität:

Centennial-scale climate variability during the past 2000 years on the central Tibetan Plateau
It is currently suggested that climate change on the northeastern Tibetan Plateau (TP) was influenced alternately by the monsoon and the Westerlies. However, the mechanisms driving Holocene climate change on the TP remain unclear, since the extent of the influence of individual atmospheric circulation systems has not yet been clearly defined because of the shortage of high-quality paleoclimatic records. This is especially true in the central TP, where only a few ice core and paleolimnological records are available. Here, we present a decadal-resolution temperature record from Dagze Co in the central TP for the past 2000 years, based on the unsaturation index of long-chain alkenones, using an updated temperature calibration, and a record of precipitation isotopes from compound-specific isotope ratios of leaf waxes. The centennial-scale variation of the temperature and precipitation isotope records captures well-known climatic events over the past 1000 years, for example, the ‘Little Ice Age’, which was cooler and drier than the ‘Medieval Warm Period’. However, the relationship between temperature and the precipitation isotope records differed during the interval at 2000–1000 cal. yr BP compared to the past 1000 years, probably because of changes in precipitation seasonality and the additional influence of the Westerlies on the central TP. In addition, the temperature records exhibit a prominent 210-year cyclicity, suggesting a possible influence of solar radiation on temperature variability.

Gehen wir nun in den Nordwesten Chinas. Auch hier prägt der solare Suess-de Vries-Zyklus das Klima, wie Tiwari und Rajesh im Mai 2014 in den Geophysical Research Letters dokumentierten. Die Autoren präsentieren eine Rekonstruktion der Niederschläge für die vergangenen 700 Jahre, wobei das Grundwasser im Takte der Sonne schrumpfte und expandierte: (weiterlesen …)

Asiatischer Monsun in China maßgeblich durch Sonnenaktivitätsschwankungen gesteuert

Der Monsun ist für China von größter Bedeutung. Das Geesthachter Helmholtz-Zentrum schreibt hierzu auf seinem wiki Bildungsserver Klimawandel:

In vielen Monsungebieten ist die Landwirtschaft daher in hohem Maße von den sommerlichen Monsun-Niederschlägen abhängig. Auch für den Anbau in der Nachmonsunzeit (ab November auf der Nordhalbkugel) sind die vorausgegangenen Monsunniederschläge wichtig, da bei reichlichen Niederschlägen Bodenfeuchte und Grundwasserspeicher hoch sind, was den Winterpflanzen zugute kommt bzw. der Bewässerung dient. Es gibt weltweit keine Klimaschwankung, die einen größeren Einfluss auf die Gesellschaft hat, als die Veränderungen des Monsun-Niederschlags, der die Lebensader von Zweidritteln der Weltbevölkerung darstellt.Insbesondere gilt das für Indien und China mit ihren sehr hohen Bevölkerungsdichten in den Monsungebieten. Veränderungen der Monsunzirkulation durch den Klimawandel sind daher von größter Bedeutung für einen erheblichen Teil der Weltbevölkerung.

Paläoklimatologische Untersuchungen konnten eine sehr starke natürliche Variabilität des Asiatischen Monsuns dokumentieren. Es ist daher von größter Bedeutung, zunächst die natürliche Schwankungsbreite und den Antrieb der Veränderungen zu verstehen, bevor über anthropogene Einflüsse spekuliert wird. China hat dies bereits erkannt und eine ganze Reihe von Studien initiiert, die die Monsunvariabilität der letzten 10.000 Jahre zum Thema hatten. Interessanterweise finden fast alle Studien, dass die Stärke des Monsuns maßgeblich von der Sonnenaktivität beeinflusst wird.

Im Oktober 2014 veröffentlichten Yin et al. in Climate of the Past eine Arbeit auf Basis von Untersuchungen von Höhlen-Tropfsteinen aus Zentralchina. Sie fanden, dass der Monsun während extremer solarer Schwächephasen wie dem Maunder Minimum ausblieb und sich Dürren entwickelten. Auch die Temperaturen zeigten einen engen Bezug zur Sonnenaktivität. Hier der Abstract:

Variation in the Asian monsoon intensity and dry–wet conditions since the Little Ice Age in central China revealed by an aragonite stalagmite
This paper focuses on the climate variability in central China since AD 1300, involving:
(1) a well-dated, 1.5-year resolution stalagmite δ
18O record from Lianhua Cave, central China
(2) links of the δ
18O record with regional dry–wet conditions, monsoon intensity, and temperature over eastern China
(3) correlations among drought events in the Lianhua record, solar irradiation, and ENSO (El Niño–Southern Oscillation) variation.
We present a highly precise, 230Th / U-dated, 1.5-year resolution δ
18O record of an aragonite stalagmite (LHD1) collected from Lianhua Cave in the Wuling Mountain area of central China. The comparison of the δ18O record with the local instrumental record and historical documents indicates that (1) the stalagmite δ18O record reveals variations in the summer monsoon intensity and dry–wet conditions in the Wuling Mountain area. (2) A stronger East Asian summer monsoon (EASM) enhances the tropical monsoon trough controlled by ITCZ (Intertropical Convergence Zone), which produces higher spring quarter rainfall and isotopically light monsoonal moisture in the central China. (3) The summer quarter/spring quarter rainfall ratio in central China can be a potential indicator of the EASM strength: a lower ratio corresponds to stronger EASM and higher spring rainfall. The ratio changed from <1 to >1 after 1950, reflecting that the summer quarter rainfall of the study area became dominant under stronger influence of the Northwestern Pacific High. Eastern China temperatures varied with the solar activity, showing higher temperatures under stronger solar irradiation, which produced stronger summer monsoons. During Maunder, Dalton and 1900 sunspot minima, more severe drought events occurred, indicating a weakening of the summer monsoon when solar activity decreased on decadal timescales. On an interannual timescale, dry conditions in the study area prevailed under El Niño conditions, which is also supported by the spectrum analysis. Hence, our record illustrates the linkage of Asian summer monsoon precipitation to solar irradiation and ENSO: wetter conditions in the study area under stronger summer monsoon during warm periods, and vice versa. During cold periods, the Walker Circulation will shift toward the central Pacific under El Niño conditions, resulting in a further weakening of Asian summer monsoons.

Im August 2015 legte eine Forschergruppe um Dianbing Liu in den Quaternary Science Reviews nach. Die Wissenschaftler dokumentierten einen deutlichen 200-Jahreszyklus, der dem solaren Suess-de Vries-Zyklus entspricht. Liu und Kollegen postulieren eine bedeutende solare Beeinflussung des Monsungeschehens in Zentral-China. Hier der Abstract: (weiterlesen …)