Hinweise auf Klimaeinfluss der Sonne verdichten sich weiter

In unserem Buch “Die kalte Sonne” haben wir den enormen Einfluss von Sonnenaktivitätsschwankungen auf das Erdklima zeigen können. Die Forschung zum Thema läuft weiter auf Hochtouren. Im Folgenden wollen wir einige jüngere Arbeiten vorstellen.

Aus dem März 2016 stammt eine Arbeit von Yamakawa et al. in Quaternary International, in der die Autoren den solaren Klimaeinfluss über die Stratosphäre und die Meeresoberfläche beschreiben:

Relationships between solar activity and variations in SST and atmospheric circulation in the stratosphere and troposphere
Relationships between solar activity and variations in both sea surface temperature (SST) and atmospheric circulation at the time of the solar maximum are presented. The global distribution of correlation coefficients between annual relative sunspot numbers (SSN) and SST from July to December was examined over a 111-year period from 1901 to 2011. Areas with a significant positive correlation accounted for 11.7% of the global sea surface in December, mainly over three regions in the Pacific. The influence of solar activity on global atmospheric pressure variations and circulation in the maximum years was also analyzed from 1979 to 2011. The results indicated that higher geopotential height anomalies tended to appear in the stratosphere and troposphere in the northern hemisphere, centering on around the Hawaiian Islands from November to December, in the second year of the solar maximum. The SST distribution in the Pacific with strong north and south Pacific Highs produced a pattern that resembled teleconnection patterns such as the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and the Central-Pacific (CP) El Niño, or El Niño Modoki (ENM). It is suggested that the solar activity had an influence on the troposphere via not only the stratosphere but also the sea surface.

Im Dezember 2015 war der Klimaeinfluss des solaren 11- Jahreszyklus Thema im AGU-Mitgliederblatt Eos:

[...] The Sun’s impact on the climate is a hot and tangled topic. Mounting evidence suggests that the 11-year solar cycle can affect climate and temperatures—the most famous example being Europe’s Little Ice Age, when the Sun went through several nearly sunspotless cycles from 1645 to 1715. [...] Over the course of the 11-year cycle, the rotation of the Sun slowly twists its magnetic field into knots, creating dark sunspots. Although the overall brightness of the Sun varies by only 0.1%, the twisted bundles of magnetic energy can boost its ultraviolet (UV) radiation by 4%–8% at the solar cycle’s peak. These powerful UV rays trigger chemical reactions in the stratosphere that bind oxygen atoms and molecules to form ozone. Since ozone itself is a good absorber of UV radiation, it can heat the stratosphere near the equator, which affects the winds that circle the globe.

Ganzen Artikel in Eos lesen.

Eine Gruppe um Willie Soon publizierte im November 2015 in Earth Science Reviews zur Klimawirkung der Sonne im Rahmen der Erwärmung der letzten 150 Jahre:

Re-evaluating the role of solar variability on Northern Hemisphere temperature trends since the 19th century

Debate over what influence (if any) solar variability has had on surface air temperature trends since the 19th century has been controversial. In this paper, we consider two factors which may have contributed to this controversy:

1. Several different solar variability datasets exist. While each of these datasets is constructed on plausible grounds, they often imply contradictory estimates for the trends in solar activity since the 19th century.

2.
Although attempts have been made to account for non-climatic biases in previous estimates of surface air temperature trends, recent research by two of the authors has shown that current estimates are likely still affected by non-climatic biases, particularly urbanization bias.

With these points in mind, we first review the debate over solar variability. We summarise the points of general agreement between most groups and the aspects which still remain controversial. We discuss possible future research which may help resolve the controversy of these aspects. Then, in order to account for the problem of urbanization bias, we compile a new estimate of Northern Hemisphere surface air temperature trends since 1881, using records from predominantly rural stations in the monthly Global Historical Climatology Network dataset. Like previous weather station-based estimates, our new estimate suggests that surface air temperatures warmed during the 1880s–1940s and 1980s–2000s. However, this new estimate suggests these two warming periods were separated by a pronounced cooling period during the 1950s–1970s and that the relative warmth of the mid-20th century warm period was comparable to the recent warm period.

We then compare our weather station-based temperature trend estimate to several other independent estimates. This new record is found to be consistent with estimates of Northern Hemisphere Sea Surface Temperature (SST) trends, as well as temperature proxy-based estimates derived from glacier length records and from tree ring widths. However, the multi-model means of the recent Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) climate model hindcasts were unable to adequately reproduce the new estimate — although the modelling of certain volcanic eruptions did seem to be reasonably well reproduced.

Finally, we compare our new composite to one of the solar variability datasets not considered by the CMIP5 climate models, i.e., Scafetta and Willson, 2014′s update to the Hoyt and Schatten, 1993 dataset. A strong correlation is found between these two datasets, implying that solar variability has been the dominant influence on Northern Hemisphere temperature trends since at least 1881. We discuss the significance of this apparent correlation, and its implications for previous studies which have instead suggested that increasing atmospheric carbon dioxide has been the dominant influence.

Von 2015 stammt auch ein Buch von Olavi Kärner mit dem Titel “Towards a New Climate Representation: Analysis of Forcing and Response Time Series“. Aus der Beschreibung:

This book provides a mutual analysis of temporal variability of total solar irradiance (TSI) at the top of the atmosphere (TOA) and various air temperature time series. The first part covers exploratory studies of the daily series in order to fit a statistical model for representing their long range temporal variability. The second part contains climatological interpretation of the fitted model. The results show essentially different temporal variability structure than that predicted by the theory of anthropogenic global warming.

Weiter mit einer Publikation aus dem Oktober 2015 in Advances in Space Research. Alexander Ruzmaikin und Joan Feynman dokumentieren darin den klimatischen Einfluss des solaren Gleissberg-Zyklus, der eine Periode von 90 Jahren besitzt:

The Earth’s climate at minima of Centennial Gleissberg Cycles
The recent extended, deep minimum of solar variability and the extended minima in the 19th and 20th centuries (1810–1830 and 1900–1920) are consistent with minima of the Centennial Gleissberg Cycle (CGC), a 90–100 year variation of the amplitude of the 11-year sunspot cycle observed on the Sun and at the Earth. The Earth’s climate response to these prolonged low solar radiation inputs involves heat transfer to the deep ocean causing a time lag longer than a decade. The spatial pattern of the climate response, which allows distinguishing the CGC forcing from other climate forcings, is dominated by the Pacific North American pattern (PNA). The CGC minima, sometimes coincidently in combination with volcanic forcing, are associated with severe weather extremes. Thus the 19th century CGC minimum, coexisted with volcanic eruptions, led to especially cold conditions in United States, Canada and Western Europe.

Im Mai 2016 veröffentlichten Al-Tameemi & Chukin im Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics eine Analyse zum globalen Wasserzyklus. Interessanterweise fanden die Autoren eine deutliche Beeinflussung der globalen Verdunstung und des Wasserhaushaltes durch solare Aktivitätsschwankungen:

Global water cycle and solar activity variations
The water cycle is the most active and most important component in the circulation of global mass and energy in the Earth system. Furthermore, water cycle parameters such as evaporation, precipitation, and precipitable water vapour play a major role in global climate change. In this work, we attempt to determine the impact of solar activity on the global water cycle by analyzing the global monthly values of precipitable water vapour, precipitation, and the Solar Modulation Potential in 1983–2008. The first object of this study was to calculate global evaporation for the period 1983–2008. For this purpose, we determined the water cycle rate from satellite data, and precipitation/evaporation relationship from 10 years of Planet Simulator model data. The second object of our study was to investigate the relationship between the Solar Modulation Potential (solar activity index) and the evaporation for the period 1983–2008. The results showed that there is a relationship between the solar modulation potential and the evaporation values for the period of study. Therefore, we can assume that the solar activity has an impact on the global water cycle.

Im Februar 2016 erschien eine Arbeit von Kunihiko Kodera unter Beteiligung der Geomar-Forscherin Katja Matthes. Die Wissenschaftler beschreiben eine Erwärmung in mittleren Breiten durch den solaren Zyklus. Das Klimasignal wird dabei in der Stratosphäre durch die Sonne generiert und dann in die Troposphäre nach unten weiter gegeben:

How can we understand the solar cycle signal on the Earth’s surface?
To understand solar cycle signals on the Earth’s surface and identify the physical mechanisms responsible, surface temperature variations from observations as well as climate model data are analyzed to characterize their spatial structure. The solar signal in the annual mean surface temperature is characterized by (i) mid-latitude warming and (ii) no warming in the tropics. The mid-latitude warming during solar maxima in both hemispheres is associated with a downward penetration of zonal mean zonal wind anomalies from the upper stratosphere during late winter. During Northern Hemisphere winter this is manifested in a modulation of the polar-night jet whereas in the Southern Hemisphere the subtropical jet plays the major role. Warming signals are particularly apparent over the Eurasian continent and ocean frontal zones, including a previously reported lagged response over the North Atlantic. In the tropics, local warming occurs over the Indian and central Pacific oceans during high solar activity. However, this warming is counter balanced by cooling over the cold tongue sectors in the southeastern Pacific and the South Atlantic, and results in a very weak zonally averaged tropical mean signal. The cooling in the ocean basins is associated with stronger cross-equatorial winds resulting from a northward shift of the ascending branch of the Hadley circulation during solar maxima. To understand the complex processes involved in the solar signal transfer, results of an idealized middle atmosphere–ocean coupled model experiment on the impact of stratospheric zonal wind changes are compared with solar signals in observations. The model results suggest that both tropical and extra-tropical solar surface signals can result from circulation changes in the upper stratosphere through (i) a downward migration of wave–zonal mean flow interactions and (ii) changes in the stratospheric mean meridional circulation. These experiments support earlier evidence of an indirect solar influence from the stratosphere.

Weitere Beiträge zum Thema Sonne/Klima von Javier und Stefan Kämpe.

Angesichts der Vielzahl von Belegen zur starken Klimawirkung der Sonne wird es für die Sonnen-Gegner nun eng. Im Rahmen des Forschungsnetzwerks TOSCA haben sich einige Forscher zusammengschlossen, um die Sonne klimatisch abzuschalten. In einer Pressemitteilung vom 29. August 2016 behaupten sie, dass die Sonne nichts mit der globalen Erwärmung des 20. Jahrhunderts zu tun habe. Ironischerweise schreiben sie dann aber gleich im nächsten Satz, dass die Sonne sehrwohl im Jahrhundertmaßstab klimatische Wirkung entfaltet:

A changing Sun, a changing climate?
[...] By comparing recent measurements with results from new models, the network challenged the long-debated assumption that the Sun’s slight change in radiation could cause the Earth’s climate to change. They found mechanisms by which solar variation can alter climate variability regionally, but none that would trigger global warming. Looking at time scales longer than a century, the impact of solar variability on climate change is evident, but the effect of greenhouse gases has been proven much more considerable in the short run. However, there are still many questions behind the Sun-Earth connection, some of which TOSCA helped answer. By examining the different phenomena defining the solar impact on climate in general, the team showed several subtle phenomena could have a significant impact, often locally. For instance, UV radiation amounts to a mere 7% of solar energy, but its variation produces changes in the stratosphere near the Equator, all the way to the polar regions, which govern climate. This means that winters in Europe would become wetter and milder or, on the contrary, drier and cooler, depending on the Sun’s state. They also found that streams of electrons and protons known as the solar wind, affecting the Earth’s global electric field, lead to changes in aerosol formation, which ultimately impact rainfall. These effects, largely ignored so far, will now be incorporated into several climate models in order to build a more complete picture.

Einer der Leiter des TOSCA-Programms ist Benjamin Laken, der sich bereits in der Vergangenheit mit Kritik an Svensmark und seinem solaren Wolkenmodell profilierte. Seltsamerweise hatte Laken in früheren Arbeiten die Svensmark-Modelle noch unterstützt. Hin- und hergerissen zwischen solarem PRO und CONTRA geht es hier vielleicht aber auch um die wissenschaftspolitische Eignung für eine Institutsdauerstelle, wobei Sonnenkritik unabdingbar ist. In der Pressemitteilung heißt es:

Dr Benjamin Laken had a leading role in one of TOSCA’s training schools: “I demonstrated the use of Python for data analytics, and also guided a small team of students through an independent research project. This helped expose the students – many for the first time – to critical tools and methods relevant to their development into research. TOSCA enabled me to identify the most pressing knowledge gaps, which I could personally contribute to, and see how to effectively communicate my findings back to an interdisciplinary community. Thanks to the network, I was able to grow as a researcher at a critical time in my career.

 

Eine kleine Sensation, von der Presse unbemerkt: Sonnenaktivität erreichte im späten 20. Jahrhundert nun doch Maximalwerte

In der Vergangenheit wurde uns stets erklärt, die Sonnenaktivität könne nichts mit der Erwärmung im späten 20. Jahrhundert zu tun haben, denn die beiden Kurven würden ja vollkommen entgegengesetzt zueinander verlaufen. Zum Beweis wurden dann Graphiken wie die folgende aus Wikipedia verwendet:

Abbildung 1: Vergleich der Entwicklung von globaler Temperatur, CO2 und Sonnenaktivität. Aus Wikipedia. Quelle: Leland McInnes at the English language Wikipedia [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons

 

Das Problem: Die Sonnenaktivität wird mittlerweile gar nicht mehr allein an den wackeligen Sonnenflecken festgemacht. Das oben dargestellte Diagramm ist ein Update von 2014, das offenbar von einem User mit dem wenig vertrauenserweckenden Namen “Kopiersperre” zur Verfügung gestellt wurde. Die aktualisierten Verlaufskurven der Sonnenaktivität gibt es bei der Österreichischen Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) sowie der Forschergruppe PAGES:

 

Abbildung 2: Schwankungen des solaren Klimaantriebes in Jahrtausenden, Jahrhunderten und Jahrzehnten. Oben: Im 20. Jahrhundert war die stärkste Sonnenaktivität seit 11.000 Jahren (hier 7.000 Jahre) zu verzeichnen. Mitte: Dem starken Antrieb des Hochmittelalters und dem geringeren in den Jahrhunderten danach folgte der ungewöhnliche Anstieg zum aktuellen Niveau. Unten: Erst im kurzfristigen Maßstab tritt der elfjährige Zyklus deutlich hervor (Fröhlich 2000 aktual., Wagner u.a. 2007). Abbildungs-Quelle: ZAMG

 

Abbildung 3: Sonnenaktivität während der vergangenen 400 Jahre.Weiße Kurve gibt die Total Solar Irradiance (TSI) an, die gelbe Kurve repräsentieren die Sonnenflecken. Abbildungsquelle: PAGES.

 

 

Die starken Veränderungen im Verständnis der Sonnenaktivität haben Matthes & Funke Ende 2015 bereits in einem Konferenzbeitrag auf Seite 9 dargestellt (alte Kurve SATIRE-TS in rot):

Abbildung 4: Neue und alte Kurven zur Sonnenaktivität während der vergangenen 165 Jahre. Quelle: Seite 9 in Matthes & Funke 2015.

 

 

Aber es kommt noch besser. Die Sonne erzielte am Ende des 20. Jahrhundert nicht nur ihre Maximum der letzten Jahrhunderte, sondern war offenbar so stark wie nie zuvor in den vergangenen 10.000 Jahren. Matthes et al. zeigten es in einer aktuellen Publikation von 2016 im Fachblatt Geoscientific Model Development Discussions:

Abbildung 5: Sonnenaktivität während der letzten 10.000 Jahre. Quelle: Abb. 20 in Matthes et al. 2016

 

Die außergewöhnlich starke Sonnenaktivität in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhundert hatte übrigens bereits Sami Solanki vor mehr als 10 Jahren in Nature berichtet. Danach zog er sich jedoch auf mysteriöse Weise aus der Klimadiskussion zurück. Ist dies vielleicht der Grund, weshalb die Sonnenforscher nun nahezu unbemerkt unterhalb des medialen Radars operieren? Die unerwartet starke Sonne wirft unbequeme Fragen auf, denen man gerne ausweicht. Könnte die hohe Sonnenaktivität vielleicht doch irgendetwas mit der starken Erwärmung 1980-2000 zu tun haben?

Auf jeden Fall kann uns nun niemand mehr erzählen, dass Sonnenaktivität und Temperatur divergieren und daher der Zusammenhang widerlegt sei. Die Attribution muss auf jeden Fall neu aufgerollt werden, das ist alternativlos.

 

Solares Paradoxon Deutschlands Teil II: Das Klimapendel schlägt zurück

140 Jahre Forschung zu Sonne und Klima in Deutschland

Von Steven Michelbach, Geograph, Bad Mergentheim

Bereits Anfang des 20 Jahrhunderts war die Klimaerwärmung Gegenstand umfassender Untersuchungen. Forscher sprachen schon 1930 von einer regelrechten „Klimaverwerfung“. Ab 1940 setzte eine markante und völlig unerwartete Abkühlung ein. Tausende von Forschern suchten eine Erklärung dafür, ob Atomwaffentestversuche oder das CO2 aus der Nutzung fossiler Brenn­stoffe verantwortlich war. Als Forschungsergebnis stand 1967 schließlich fest: „Die Sonne ist jene Kraft, die Schwankungen und Pendelungen unseres Klimas verursacht. Sie hält den Motor in Gang, der für die Zirkulationssysteme der Atmosphäre und Meere verantwortlich ist. Schwankungen der Sonnenaktivität schlagen sich direkt auf Wetter und Klima in allen Regionen der Erde nieder.“

Irgendwie geriet dieses Wissen in Vergessenheit oder wurde verdrängt. Ab 1980 war plötzlich die CO2-Treibhaustheorie wieder in der Diskussion und beschäftigt die Klimaforschung inzwischen aufs Heftigste. Fast panikartig blickt man in eine vermeintlich bedrohliche Zukunft und ist von jeder Form von eventuellen Rekorden wie Hitzerekorden fasziniert und schockiert. In aller Eile wird die Energieversorgung einer ganzen Nation in großer Hektik umgekrempelt.

Eine alte Weisheit aber besagt, man soll den Fluss überqueren und dabei die Steine unter seinen Füßen spüren. Bezogen auf den Klimawandel und die Energiewende gilt dies ebenso. Jeder gewissenhafte Unternehmer prüft ständig die Betriebsbilanz. Immer wieder schaut er auch zurück, ob die Grundlagen für einmal getroffene Entscheidungen noch haltbar sind.

Im Hinblick auf Klimaveränderungen ist seit Jahrhunderten bekannt, dass es natürliche Schwan­kungen gibt. Gerade deshalb ist es zwingend erforderlich, die Entwicklung konzentriert zu verfolgen. Dabei darf der Blick zurück im Maßstab einzelner Klimaperioden nicht vernachlässigt werden. Auch das vorhandene Datenmaterial muss wiederholt gesichtet und überprüft werden, ob die verwendeten Daten überhaupt noch repräsentativ sind. Hier scheint es erheblichen Arbeitsbedarf im deutschen Klimadatenfundus zu geben. Manche Stationen zeigen einen vermeintlichen Temperaturanstieg durch globalen Klimawandel. Benachbarte Stationen belegen 100 Jahre Stagnation der Temperatur. Was ist da los? Spiegeln sich hier nur Veränderungen im näheren Umfeld in den Daten wider mit der Folge einer notwendigen und konsequenten Disqualifikation der Station, oder entspricht das Gemessene tatsächlich einer natürlichen Entwicklung. Am Beispiel der Extremwerte verschiedener Wetterstationen von der Zugspitze, über den Hohenpeißenberg bis hinunter nach Schwerin in Ostseenähe wird aufgezeigt, welche Kraft tatsächlich für den Klimawandel im deutschen Temperaturdatensatz verantwortlich ist: der Mensch oder die Sonne.

 

Allgemeiner Einfluss der Sonne auf die Temperatur

Der heiße Sommer 2015 hat gezeigt, wie Rekordtemperaturen tatsächlich zustande kommen. Es sind klare, wolkenlose Tage an denen es zu den vermeintlichen neuen deutschen Temperatur­rekorden kam. CO2 in der Atmosphäre soll für diese Rekorde verantwortlich gewesen sein.

Allerdings nur tagsüber, denn an der Rekordstation in Kitzingen lag vor und nach diesem Rekord (05.07. 2015 und wiederholt am 7.08.2015) die Minimumtemperatur in den Nächten um ca. 25 °C niedriger als tagsüber. Trotz hoher CO2-Konzentrationen kann es also innerhalb von 12 Stunden zu einem Wärmeverlust von ca. 25 °C kommen. Kann CO2 tatsächlich nur tagsüber Temperatur­rekorde erzeugen, nachts dagegen aber weitgehend wirkungslos sein? Nein! 140 Jahre Klima­forschung in Deutschland haben immer wieder den Einfluss der Sonne auf das Temperatur­geschehen weltweit nachgewiesen. Solche Hitzetage bei klarem Himmel sind eindeutig einer sehr hohen Sonnen­einstrahlung geschuldet. In den Nächten fehlt die Einstrahlung und mangels schützender Wolkendecke purzeln die Temperaturen dann „in den Keller“. Die Klimakunde nennt dies „Steppenklima“, wie es schon lange für den unterfränkischen Raum bekannt ist.

Doch nicht nur hier, überall auf der Erde kann man den Einfluss der Sonne auf die Temperatur am eigenen Leib spüren. Ist man direkt der Sonne ausgesetzt, ist an einem klaren Tag ein kräftiger Sonnenbrand aufgrund der intensiven UV-Strahlung unausweichlich. Dies passiert im Hochgebirge, auf dem flachen Land und am Meer. 90 % der Masse der Atmosphäre befinden sich in den unteren 20 km. Ein Teil der auf der Erde eintreffenden Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden (hier besonders von Schnee) zu 30 % wieder in den Weltraum reflektiert. Die restlichen 70 % werden absorbiert: rund 20 % von der Atmosphäre, 50 % von der Erdoberfläche (Kontinente und Ozeane). Wenn also 50 % der Sonnen­energie bis auf die Erdoberfläche gelangen, dann ist das Auftreten eines Sonnenbrandes verursacht durch einen Teil dieses Strahlungsmixes, dem UV-Anteil, verständlich. Entsprechend müssten dann aber auch die bekannten Strahlungs­schwankungen der Sonne direkt auf der Erdoberfläche im Lebensraum des Menschen wirksam werden und dort festgestellt werden können. Es verwundert schon, warum dann der Einfluss der Sonne auf das Klima so gering sein soll, wie in den Rechenmodellen des PIK e.V. und des IPCC suggeriert wird.

Jahrzehntelange Solarforschung hat ergeben, dass einzelne Anteile der Energieabstrahlung der Sonne sich dabei in durchaus respektablen Schwingungsbreiten oder Amplituden verändern. Die UV-Strahlung schwankt bis um 40 %, bei der Röntgenstrahlung sollen es sogar über 100 % sein, Faktor 2 (!). Die Sonnenfleckenzahl kann zwischen Null und maximal 500 Stück pro Tag variieren. Ähnliches gilt für solare Massenauswürfe, den Sonneneruptionen. Dabei verändert sich auch das Magnetfeld (Ursache der Sonnenflecken und –eruptionen) und auch der Sonnenwind. Wer sich die neuen Fotos der NASA der Raumsonde SDO (Solar Dynamics Observatory) z.B. auf der Webseite der NASA ansieht, kann erkennen, was es bedeutet, wenn im Sonnenmaximum bei hunderten von Sonnenflecken unglaublich große und spektakuläre Energiefreisetzungen stattfinden. Diese beeinflussen zwangsweise auch die Erde. Denn die kleine Erde ist ja gerade nur wenige 107 Sonnendurchmesser von ihrem riesigen Mutterstern entfernt und somit dem riesigen Solarreaktor direkt ausgeliefert.

Link zum Video 5 Jahre Solar Dynamics Observatory SDO hier und hier.

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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:

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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.

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