Solon-Line.de

Kaum ein anderes Gebiet der jetzigen Forschung wird so überlagert von ideologischen Eingaben wie die Klimaforschung. Bei Zeiten ist es daher gut für eine Disziplin in dieser Lage, wenn ein Wissenschaftler aus einem anderen Gebiet die Klimaforschung in Augenschein nimmt. Noch besser ist es dann, wenn dieser Wissenschaftler Dinge findet, die bisher übersehen wurden und sich seine eigenen Gedanken und Theorien überlegt. Ein Beispiel für so einen Wissenschaftler ist der Dortmunder Physiker und Lehrstuhlinhaber für theoretische Festkörperphysik Prof. Dr. Werner Weber, dessen Artikel in den „Annalen der Physik“ Ausgabe 522(6) S. 372-381 (2010) erschienen ist und dessen Arbeit wir hier für ein Nicht-Fachpublikum vorstellen wollen.

Von Patrick Grete

Ausgangslage

In groben Zügen ist die Ausgangslage schnell umrissen. Es gilt die gängige These, dass der menschliche CO₂-Ausstoß die mittlere Temperatur des Planeten erhöht, das Klima damit völlig aus den Fugen gerät und die Erde für Jahrhunderttausende für den Großteil der Menschen unbewohnbar sein wird, weil der Meeresspiegel ansteigen und extreme Wetterphänomene zunehmen werden. Daneben gibt es die sog. „Skeptiker“, die andere Einflüsse auf das Klima für wesentlich halten wie etwa die Sonne mit ihren Sonnenfleckenzyklen oder auch die kosmische Strahlung. So haben die 11-jährigen Sonnenzyklen im Laufe der letzten beiden Jahrhunderte an Aktivität deutlich zugenommen und haben so auch eine höhere Sonneneinstrahlung bewirkt.

Es gibt ein gewichtiges Gegenargument gegen die Vorstellung, dass die Schwankungen der Sonneneinstrahlung für den Klimawandel verantwortlich sind: Satellitenmessungen am oberen Rand der Atmosphäre messen die Sonneneinstrahlung seit den 1970er Jahren (also bereits über mehrere Sonnenfleckenzyklen hinweg) und die Daten zeigen, dass sich die Einstrahlung durch die Sonne nur im Promille-Bereich ändert. Diese Schwankungen müssten aber im Prozentbereich liegen, um dominant verantwortlich für den Klimawandel sein zu können. Die Schwankungen müssten also Zehnmal größer sein, als sie es in Wirklichkeit sind. Daher ist eine gängige Schlußfolgerung, dass die Sonne höchstens für 1/3 des Temperaturanstiegs verantwortlich ist. An diesem Punkt kommen auch die Skeptiker nicht vorbei.

Das wichtigste Wort an obiger Aussage ist der Begriff „direkte Einstrahlung“. Denn die Messungen zeigen lediglich, dass die Einstrahlungsänderungen am oberen Rand der Atmosphäre nicht direkt für den Klimawandel in der Atmosphäre darunter verantwortlich sein können, aber es ist nicht ausgeschlossen, dass es bisher noch nicht beachtete Mechanismen in der Atmosphäre gibt, die sehr wohl auf Änderungen der Sonne empfindlich reagieren. Diese Mittelbarkeit ist auch bei CO₂ vorhanden, weil CO₂ auch nicht direkt für mehr Einstrahlung verantwortlich ist, sondern an einem Gleichgewicht von Ein- und Abstrahlung empfindliche Änderungen durchführen soll.

Gibt es indirekte Mechanismen in der Atmosphäre, die von der Sonnenaktivität herrühren und die Sonneneinstrahlung am Boden stark beeinflussen? Ein solcher Mechanismus wurde vor einiger Zeit von Svensmark vorgeschlagen. Er weist darauf hin, dass die einfallende kosmische Strahlung, deren Intensität von der Sonnenaktivität erheblich abgeschwächt wird, als ionisierende Strahlung in der Atmosphäre Kondensationskeime für Wolkenbildung erzeugt. Damit wäre die Wolkenbildung in Zeiten großer Sonnenaktivität deutlich unterdrückt und damit die Sonneneinstrahlung erheblich gesteigert. Um einem anderen indirekten Mechanismus, wiederum bewirkt von der kosmischen Strahlung, geht es im Artikel von Weber.

Wie die Sonne vermittelst kosmischer Strahlung das Klima beeinflussen könnte

Wie könnte, rein physikalisch betrachtet, der Sonnenfleckenzyklus auf der Erde bemerkbar sein? Von der Erde aus betrachtet handelt es sich ja nur um vergleichsweise kleine Flecken auf der riesigen Sonne. Ein unbedarfter Leser könnte sich hier an Astrologie erinnert fühlen. Das ist mit Nichten der Fall, denn gleichzeitig mit der Anzahl der Sonnenflecken ändert sich das Magnetfeld der Sonne und der Sonnenwind aus geladenen Partikeln. Letztere sehen wir als Polarlichter auf der Erde. Die Erde ist aber auch noch den kosmischen Strahlen ausgesetzt, die nicht von unserer Sonne herrühren, sondern aus unserer Galaxie stammen. Indes ist die Erde dem Schauer hochenergetischer geladener Teilchen nicht schutzlos ausgeliefert, da das Erdmagnetfeld und auch das von der Sonne erzeugte Magnetfeld uns davor schützt. Erhöht sich das Magnetfeld der Sonne durch die Sonnenaktivität (was wir an der Anzahl der Sonnenflecken bemerken), so sind wir weniger kosmischer Strahlung ausgesetzt, da uns das Magnetfeld der Sonne besser vor ihnen schützt. Umgekehrt treffen mehr geladene Teilchen auf die Atmosphäre, wenn sich das Magnetfeld der Sonne verringert.

Svensmark wurde für seine Thesen heftig angegriffen. Kritiker würden dies auf die implizite Marginalisierung eines menschlichen Einflusses auf das Klima zurück führen, der im Svensmark'schen Mechanismus steckt. Diesen Punkt werden Wissenschaftshistoriker und -soziologen zu beantworten haben. Indes, der höchste Richter über die Theorie ist das Experiment und so lautete die Ausgangsfrage für Webers Artikel, ob man in den gemessenen Einstrahlungsdaten, die seit etwa 100 Jahren an verschiedenen Orten der Welt aufgenommen wurden und werden, nicht Hinweise auf Veränderungen durch den Sonnenfleckenzyklus sieht. Die simple Antwort auf diese Frage lautet: Ja, man sieht einen solchen Effekt und man sieht ihn im Prozentbereich.

Nun könnte man einwerfen, dass doch ein Physiker, der sich seit Jahrzehnten mit den quantenphysikalischen Eigenschaften von fester Materie beschäftigt hat, kaum kompetent genug ist, um auf dem fachlich weit entfernten Gebiet der Klimaforschung solche Fragen zu beantworten. Nun wusste schon Thomas von Aquin, dass das Autoritätsargument das schwächste aller Argumente im wissenschaftlichen Diskurs ist. Dennoch wird diese Frage aufkommen und sich dann aber sofort gegen den skeptischen Frager wenden: In der Tat war es für Weber gar nicht nötig, irgendwelche großen Klimamodelle zu erdenken oder auf teuren Großrechnern zum Laufen zu bringen. Die besagten Solardaten sind meist über Internet frei verfügbar bzw. werden auf Nachfrage zur Verfügung gestellt. Wenn man weiß, wie man diese Daten in ein gängiges Tabellenkalkulationsprogramm einlesen kann, dann kann man die dem Artikel zu Grunde liegende Datenauswertung nachvollziehen. So erhält die Frage, warum nicht schon vorher Jemand aus dem Bereich der Klimaforschung diese Analyse gemacht hat, ein bedrückendes Gewicht. Wenn es um die Frage geht, ob Sonnenflecken irgendeinen Einfluss auf das Klima haben, dann liegt es doch geradezu auf der Hand, in schon vorhandenen Daten nach Hinweisen zu suchen. Dennoch bleibt fest zu halten, dass die riesige Datenmenge bisher noch nicht darauf hin untersucht worden ist. Auch hier werden Kritiker der Klimaforschung vermuten, dass dies an dem hohen Maß an Ideologisierung dieser Disziplin liege; wiederum ein Punkt, den Wissenschaftshistoriker und -soziologen zu beantworten haben.

Natürlich bleibt Weber in dem Artikel nicht bei der bloßen Feststellung einer Korrelation stehen. Denn Korrelation ist höchstens notwendig aber nicht hinreichend, um von einer Verursachung zu sprechen. Es gibt ja auch Witzbolde, die bisweilen zwischen der lokalen menschlichen Geburtenrate und der lokalen Storchenpopulation eine Korrelation festgestellt haben. Trotzdem käme niemand auf die Idee, dies als Beweis für babybringende Klapperstörche zu sehen.

Weber geht von der Svensmarkschen Überlegung aus und stellt die Hypothese auf, dass die kosmische Strahlung Ionen von Sauerstoffmolekülen erzeugt, die sofort von Wassertropfen umschlossen werden. Das ist keine neue These, sondern wurde schon vom Erfinder der Nebelkammer Charles Thomson Rees Wilson untersucht. Die neue Hypothese in Webers Artikel ist nun, dass positiv und negativ geladene Tröpfchen zusammenkommen und so neutrale Tropfen bilden, jedoch ohne dass sich die Ladungen der einzelnen Ionen ausgleichen, sich wieder neutrale Sauerstoffmoleküle bilden und die Tröpfchen verschwinden. Bildlich kann man etwa an Luftpolsterfolie denken, die verhindert, dass Gegenstände in einem Paket aneinander stoßen. In diesem Bild ist Wasser die Luftpolsterfolie. Wasser umgibt die Ionen, so dass die Ionen sich nicht neutralisieren können. Diese Tröpfchen wären dann von außen betrachtet neutral. Um im Bild zu bleiben: Wenn man mehrere solcher Luftpolsterfolienpakete von Weitem betrachtet, sehen sie wie ein Paket aus. Erst wenn man sie durchleuchtet sieht man eine Feinstruktur; hier die einzelnen Ionen. Denn wenn nun Licht auf solche bipolar-neutralen Tröpfchen trifft, dann streuen sie das einstrahlende Licht der Sonne immer noch so, als wenn es sich um Ionen handeln würde. Die Lichtstreuung heißt auch Rayleighstreuung und wird umso stärker, je näher die Wellenlänge des Streulichts an der Wellenlänge einer molekularen Anregung liegt. Bei Luftmolekülen liegen solche Anregungswellenlängen bei 200 Nanometern. Die Rayleighstreuung an den Luftmolekülen bewirkt den blauen Himmel, es bedeutet, dass blaues Licht (ca. 400 - 500 Nanometer) stärker gestreut wird als rotes Licht (600 - 800 Nanometer). Es ist bekannt, dass negativ geladene Sauerstoffmoleküle ihre Anregungswellenlänge bei ca. 300 Nanometern haben, was zu einer relativ starken Streuung des blauen Lichts führt. Dies bedeutet, je mehr Tröpfchen vorhanden sind, desto weniger blaues Licht kommt am Erdboden an. In der Tat ergibt die Analyse von 100 Jahre alten Daten eine solche Blauverschiebung bei zunehmender Sonnenaktivität.

Die von der kosmischen Strahlung erzeugten Tröpfchen könnten dann längere Zeit in der Atmosphäre stabil sein und würden erst durch Regen oder Schneefall daraus entfernt. Sonnenlicht kann an den Tröpfchen nicht nur gestreut, sondern auch durch das Wasser absorbiert werden, was dann zur Aufheizung und Abstrahlung von Infrarotlicht führt. Diese Streu- und Absorptionsprozesse führen dazu, dass weniger Sonnenlicht am Boden ankommt. Da die Tröpfchen das Streulicht und das Infrarotlicht in alle Richtungen lenken, wird praktisch die Hälfte in den Weltraum abgestrahlt. Wenn genügend viele langlebige Aerosoltröpfchen durch die kosmische Strahlung erzeugt werden, kann so der Sonnenfleckenzyklus indirekt erheblichen Einfluss auf das irdische Klima nehmen.

Das ist natürlich nur eine Hypothese und müsste genauer überprüft werden. Aber wenn es einen solchen Mechanismus gäbe, gäbe es dann nicht weitere Hinweise darauf in den Daten? Ein offenes Problem der Atmosphärenphysik ist, woher die Diskrepanz zwischen der gemessenen Absorption im Bereich des sichtbaren Lichts und des nahen Infrarot und dem berechneten Wert der Absorption stammt (die Berechnung basiert auf den Absorptionsdaten aller Treibhausgase, mit dem größten Beitrag vom Wasserdampf). Diese nicht verstandene Diskrepanz beträgt 30 Watt/m², was zu vergleichen ist mit der Berechnung des Treibhauseffekts aus ähnlichen Rechnungen von 1-2 Watt/m² oder der mittleren Sonneneinstrahlung am äußeren Rand der Atmosphäre von 340 Watt/m². Würden die Aerosoltröpfchen mit 30 Watt/m² absorbieren, so würden sie im Laufe des Tages erheblich aufgeheizt, würden sich in kleinere Tröpfchen zerlegen und wie heiße Luftballons nach oben steigen. Dies würde bedeuten, dass im Laufe des Tages mehr Tröpfchen vorhanden sind, was zur Folge hätte, dass nachmittags bei sonst gleichen Bedingungen weniger Sonnenlicht am Erdboden ankommt als beim gleichen Sonnenstand des Vormittags. In der Tat geben die Daten deutliche Hinweise auf solche Asymmetrien.

Ist dies nun alles relevant für das Klima? Dazu ein erster Blick in die Zahlen. Der Einfluss des CO₂ wird gemäß IPCC auf 1-2 Watt pro Quadratmeter angenommen. Wertet man die Änderungen der Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit der Sonnenaktivität aus, so findet man, verglichen mit den Jahren der minimalen Sonnenaktivität, Anstiege von ca. 10 Watt/m² bei schwächeren Sonnenzyklen wie dem letzten Zyklus 23 (Maximum zwischen 1999 und 2004) und von ca. 15 Watt/m² bei starken Zyklen wie dem Zyklus 22. Gerade die zweite Hälfte des vorigen Jahrhunderts besaß mehrere starke Zyklen. Also ist dieser neue Effekt, den Weber im Artikel veröffentlicht hat, sehr relevant für das Klima.

Letzterer Satz ist möglicher Weise in einem viel weiteren Sinne zutreffend, als dies auf den ersten Blick erscheint. Bisherige Klimamodelle beinhalten nur sehr rudimentär die Wechselwirkung der Ozeane auf das Klima. Abgesehen von der Einsicht, dass die großen Strömungen Einfluss auf das Klima haben (was z.B. auch schon im Action-Film „The Day after tomorrow“ verarbeitet wurde) und dass es weitgehend unverstandene Phänomene wie „El Nino“ gibt, findet die ozeanographische Hydrodynamik noch keinen Eingang in die Klimamodelle. In einer seiner letzten Arbeiten hat der bekannte Klimaforscher M. Latif bereits die Vermutung geäußert, dass der CO₂-Effekt für 10 Jahre aussetzen wird, weil der Ozean hier (grob gesagt) als Puffer wirkt. Es könnte also sein, dass wir einen Großteil des CO₂-Effektes wegen der Wechselwirkung von Atmosphäre und Ozean noch nicht in den Messdaten sehen. Hat auch Webers Entdeckung hier eine Relevanz? Wir haben bereits die Farbabhängigkeit des von Weber entdeckten Effektes erwähnt. Ferner muss man wissen, dass blaues Licht viel tiefer (ca. 100 m) in Wasser eindringen kann (weshalb tiefe Gewässer immer eine blaue Färbung aufweisen) als rotes Licht (welches nur ca. 1 m tief eindringt). Man kann die Weber'schen Ergebnisse nun dahin interpretieren, dass in Zeiten weniger aktiver Sonne viel weniger Strahlungsenergie in tiefere Schichten des Ozeans deponiert wird. Wie groß der Einfluss dieser reduzierten Energiemenge auf Ozeanströmungen ist, ist eine sehr spannende Frage, da bisher ein Einfluss der veränderten Einstrahlungsmenge auf Ozeanströmungen noch nicht untersucht wurde. Vielleicht ist Webers Arbeit der Ausgangspunkt für ein tiefer gehendes Verständnis dieser Mechanismen.

In jedem Fall stellt Webers Arbeit einen erfrischenden Beitrag zur ansonsten emotional aufgeladenen Klimadebatte dar. Er regt zum Nachdenken an und wirft neue Fragen auf und kann im Prozess der Beantwortung dieser Fragen die Klimareligion mit ihren Untergangsauguren und Klimakriegern wieder zurück zur Wissenschaft führen. In der Wissenschaft sind immer Zweifel angebracht und Fragen ebenso erlaubt wie notwendig. Vor dem Hintergrund, dass in dieser Disziplin so große Effekte wie die hier beschriebenen seit Jahrzehnten übersehen wurden, sind Aufrufe, Kritiker an der CO₂-These doch endlich zu ignorieren (so wie man Menschen ignoriert, die an eine flache Erde glauben) mehr als unangebracht. Auch wenn der Konkurrenzkampf um Drittmittel den unschönen Nebeneffekt haben kann, dass Kritiker der Mehrheitsmeinung zum Schweigen gebracht werden, da Uneinigkeit die Akquise der Drittmittel behindert, so sind die Drittmittel immer noch eine Förderung der Wissenschaft (und nicht der Ideologie), die zum Fortschritt des Zweifels notwendig bedarf. Verlässlichkeit der Ergebnisse und Tiefe des Verständnisses mögen länger dauern und kontroverse Debatten mit sich bringen, die man medial als „Zerstrittenheit“ ausschlachten mag, was wiederum politische Entscheidungsträger dazu veranlassen könnte, weniger in dieses Gebiet zu investieren. Wenn man aber die Reichweite der Schlussfolgerungen aus der Klimaforschung auf die Menschheit betrachtet, dann sollte man der Tiefe des Verständnisses den Vorzug vor der Einhelligkeit und der damit verbundenen leichteren Drittmittel-Akquise geben.

Bildnachweis: Gemeinfreies Bild einer Gewitter-Superzelle (LINK)

Weitere Artikel von Patrick Grete finden Sie hier.