Forschung im HLRN-Verbund 2011

46Wie beeinflußt der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus das Klima?Project on Solar Effects on Chemistry and Climate including Ocean Interactions(ProSECCO)U. Langematz, A. Kubin, Institut für Meteorologie,Freie Universität BerlinKurzgefasst• Neben dem durch menschliche Aktivität verursachtenKlimawandel beeinflussen auchnatürliche Faktoren wie der 11-jährige Sonnenfleckenzyklusoder Vulkanausbrüche das Klima.• Aus Messungen weiß man, dass sich zum Beispieldie Temperatur oder der Niederschlag inder unteren Atmosphäre mit dem 11-jährigenSonnenfleckenzyklus ändern.• Es ist noch ungeklärt, wie diese Änderungen genauzustande kommen. Es gibt Hinweise dafür,dass sowohl Sonneneinstrahlungs- als auch luftchemischeProzesse an der Entstehung der gemessenenÄnderungen beteiligt sind.• Simulationen mit einem Klima-Chemie-Modellsollen helfen, die Abläufe in der Atmosphärewährend der Änderung der Sonnenaktivität zuverstehen.Der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus kann das Klimaauf der Erde auf verschiedene Arten beeinflussen.Einerseits nimmt die gesamte Sonneneinstrahlungzu, wenn die Zahl der Sonnenflecken zunimmt.Dadurch kommt in den wolkenfreien Gebietender Subtropen an der Erdoberfläche mehr Sonnenenergiean. Andererseits ändert sich die spektraleZusammensetzung der Sonnenstrahlung, diedie Erdatmosphäre erreicht. Am stärksten reagiertdie UV-Strahlung mit sehr kurzen Wellenlängen,die mit steigender Sonnenaktivität zunimmt. Eineverstärkte kurzwellige Sonneneinstrahlung beeinflusstdie Erwärmungsraten und die Temperatur inden oberen Schichten der Atmosphäre, insbesonderein der Stratosphäre (zwischen 18 und 50 km),wo sich in etwa 30 km Höhe die Ozonschicht befindet.Der Ozongehalt der Luft wird ebenfalls vonder veränderten UV-Strahlung beeinflusst. Ozongehaltund Temperatur stehen in enger Wechselwirkungmiteinander. Darüber hinaus können geladeneTeilchen von der Sonne die Erdatmosphäreerreichen und die chemische Zusammensetzungder Luft verändern. Dies geschieht meist in denPhasen abnehmender Sonnenaktivität.Im vorliegenden Projekt wird der Einfluss derwellenlängenabhängigen Änderung der Sonneneinstrahlungmit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklusauf die Erdatmosphäre mit Hilfe von Modellsimulationenuntersucht. Der enge Zusammenhangvon Temperatur und chemischer Zusammensetzungder Luft erfordert den Einsatz einessogenannten Klima-Chemie-Modells (Chemistry-Climate Model, CCM). Das Modell EMAC-FUB simuliertatmosphärenphysikalische Größen wie dieTemperatur, die Windgeschwindigkeit und Windrichtung,die Luftfeuchte und chemische Größenwie die Konzentrationen von Spurenstoffen (Ozon,Methan, Lachgas, etc.) auf einem Gitter, das miteiner Maschenweite von 2.8 mal 2.8°über die Erdegelegt wird und vom Boden bis in etwa 80 kmHöhe reicht. Das Modell beinhaltet ein Strahlungsschema,das im Vergleich zu den üblicherweisein Klimamodellen verwendeten Codes spektral höheraufgelöst ist. Das heißt, im Bereich der UV-Strahlung werden 49 kleine Wellenlängenbereichebenutzt statt eines einzigen breiten Intervalls.Dies ist wichtig um die verhältnismäßig großenÄnderungen der Sonneneinstrahlung bei kurzenWellenlängen korrekt wiedergeben zu können. EineSimulation mit dem Modell ist durch die Modellierungder chemischen Reaktionen an jedemGitterpunkt sehr rechenzeitaufwändig, 128 CPUsbenötigen etwa 24 Stunden um ein Jahr zu simulieren.Es kann gezeigt werden, dass ein vergleichsweiseschwacher äußerer Antrieb, wie die Variationder wellenlängenabhängigen Sonneneinstrahlung,zu messbaren Änderungen in der Stratosphäreführt. Beispielhaft soll dies an den Ergebnisseneiner Simulation der Jahre 1960 bis 2005 erklärtwerden. Für diese Simulation wurden beobachteteMeeresoberflächentemperaturen und Meereisbedeckungenvorgegeben. Außerdem ging der beobachteteAnstieg sowohl von Treibhausgasen alsauch von Ozon zerstörenden Substanzen in dieSimulation ein. Drei starke Vulkanausbrüche inden Jahren 1963, 1982 und 1991, die die Atmosphärebis in große Höhen beeinflusst haben, wurdenebenfalls berücksichtigt. Da mehrere Einflüssegleichzeitig auf die Atmosphäre einwirken, wird zurAuswertung eine so genannte multiple lineare Regressionsmethodebenutzt. Damit ist es möglich,die Änderungen, die vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklusverursacht werden, von anderen Variationen(z.B. Schwankungen der Meeresoberflächentemperaturenim Zusammenhang mit demElNiño-Phänomen) zu trennen.Im Sonnenfleckenmaximum ist in etwa 45-50 kmHöhe die Temperatur im Mittel über das ganze Jahrum 1 K erhöht. Gleichzeitig findet man in etwaGeowissenschaften