02.09.2011

CERN Forscher finden Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Wolkenbildung

Essay von Rudolf Kipp

Ein aktuelles Experiment am CERN-Forschungszentrum lässt Zweifel an der CO2-These des menschengemachten Klimawandels aufkommen. Aber bereits zuvor wurde über den Zusammenhang von Sonnenaktivität, kosmischer Strahlung und Klima geforscht. Über die Ergebnisse.

Wenn man in den letzten paar Jahrzehnten die Berichte aus der Klimaforschung verfolgt hat, vor allem jene die die Aufmerksamkeit unserer Medien erreicht haben, dann war das Bild ziemlich eindeutig. Die Globaltemperaturen und das daraus resultierende globale Klima sollten eigentlich mehr oder weniger konstant sein, weil sich die Kreisläufe der Natur in einem stabilen Gleichgewicht befänden. Veränderungen aus diesem Zustand heraus kann es nur geben, wenn ein natürlicher oder unnatürlicher Einfluss das System Erde “aus dem Gleichgewicht” bringt.

Kohlendioxid oder CO2, ein Gas dass bei so ziemlich allen Verbrennungsprozessen freigesetzt wird, sollte aufgrund seiner Absorption von Wärmestrahlung dazu führen, dass sich die Erde “unnatürlich” erwärmen würde. Dieses Modell ist bis heute äußerst erfolgreich, sicherlich auch, weil es einen Schuldkomplex vieler Menschen anspricht, den sich auch die großen Religionen der Welt seit vielen Jahrhunderten zunutze machen. Der Mensch, welcher sich durch ein ungehemmtes Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum schamlos an den Ressourcen unseres Planeten vergreift, führt die Erde damit unweigerlich in eine Katastrophe biblischen Ausmaßes. Und selbstverständlich fanden sich auch sofort Wissenschaftler, welche die These vom drohenden Untergang anhand von immer komplizierteren Klimamodellen mit Hilfe von immer schnelleren Großcomputern untermauern konnten.

Zweifel an der CO2-These unerwünscht

Schnell war die Rede davon, dass die Wissenschaft sich sicher sei (“The science is settled”). Verbesserungen wären nur noch bei Detailfragen zu erwarten, etwa ob die Katastrophe doch noch etwas schneller eintrifft als erwartet, oder noch größere Ausmaße annehmen würde, als man bislang gesichert gewusst hatte.

Zwar gab es bereits in der Geburtsstunde der These von der Klimakatastrohe durch CO2-Emissionen Zweifler welche etwa einwandten, dass sich das Klima doch auch bereits vor dem Auftreten des Menschen vielfach massiv gewandelt hätte. Aber diese waren eine, zumindest von den Medien wenig beachtete, Minderheit. Was lange fehlte war eine schlüssige Erklärung für kurzfristig auftretende Klimaveränderungen.
Die großen, in der Vergangenheit zu beobachtenden Wechsel zwischen Warm- und Kaltzeiten, ließen sich einigermaßen befriedigend mit Veränderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne und mit veränderten Meeresströmungen durch die Kontinentaldrift erklären. Das Fehlen von schlüssigen Mechanismen zur Erklärung von Klimaschwankungen auf einer Größenskala von einigen Jahrzehnten oder wenigen Jahrhunderten war dann auch lange eines der stärksten Argumente für einen starken Zusammenhang zwischen CO2 und Klima. Die Erwärmung ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts könne mit den bisherigen Theorien einfach nicht erklärt werden, damit bliebe nur noch CO2 als Auslöser übrig.

Mit Hilfe diese Denkschemas wurde der wichtigste Einflussfaktor auf das Klima auf der Erde einfach ausgeblendet: die Sonne. Wobei unserem Zentralgestirn doch eigentlich eine zentrale Rolle zum Verständnis vom Wetter und damit letztendlich des Klimas zukommen müsste. Auch fehlte es nicht an Hinweisen, dass die Aktivität der Sonne nicht etwa stabil ist, sondern Schwankungen unterliegt. Und auch dass diese Schwankungen bereits in der Vergangenheit eine wichtige Einflussgröße auf die Temperaturen und das Klima hatten.

Einfluss der Sonne auf das Klima

Der Erste, der einen solchen Einfluss auch quantitativ bestimmen konnte, war gegen Ende des 18. Jahrhunderts der deutsch-britische Astronom Wilhelm Herschel. Er erforschte durch sein Fernrohr die Sonnenflecken und stellte dabei einen seltsamen Zusammenhang fest: In Jahren, in denen er in seinem Fernrohr sehr viele Sonnenflecken beobachten konnte, fielen die Weizenpreise.

Die Zeit zu der Herschel lebte, fällt in die heute als “kleine Eiszeit” bezeichnete Periode, die von etwa Anfang des 15. Jahrhundert bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts reichte. Besonders kalte Abschnitte in diesem Zeitraum fallen mit einem Minimum an Sonnenflecken zusammen und werden heute nach zwei Pionieren der Sonnenflecken-Forschung als Maunder- und Spörer-Minimum bezeichnet. Die Forscher konnten dabei auf Beobachtungen der Anzahl von Sonnenflecken zurückgreifen, die bereits seit der Zeit Galileo Galileis systematisch durchgeführt wurden.

Trotz dieser eindeutigen Hinweise, dass die Anzahl der Sonnenflecken für Sonnenaktivität einen wichtigen Maßstab darstellt, hat sich die Wissenschaft lange schwer getan, diese Aktivitätsschwankungen als hauptsächliche Ursache der dramatischen Klimaveränderungen, die zur kleinen Eiszeit führten, anzuerkennen. Man konzentrierte sich dabei lediglich auf die Schwankungen der Strahlungsintensität der Sonne. Und dies betrug selbst zum Höhepunkt der kleinen Eiszeit, dem Mander Minimum, nur etwa 0,4%. Betrachtet man nur die Strahlungsintensität der Sonne, dann würde die Schwankung der Sonnenaktivität auch bei der modernen Erwärmung seit etwa 1850 nur eine untergeordnete Rolle spielen. Von der beobachteten Erwärmung der Erde von etwa 0,8 °C in diesem Zeitraum wären demnach lediglich 0,1 °C solaren Ursprungs.

Abbildung 1: Die Veränderung der Soneneinstrahlung der Erde (Total Solar Irradiance, TSI). Quelle: A new approach to long-term reconstruction of the solar irradiance leads to large historical solar forcing
 

Einer, dem ein so einfacher Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität und dem Klima zu simpel erschien ist der dänische Physiker Henrik Svensmark. In einer 1997 publizierten Arbeit stellte er zusammen mit seinem Kollegen Eigil Friis-Christensen einen alternativen Mechanismus vor, wie Schwankungen in der Sonnenaktivität auf das irdische Klima Einfluss nehmen können.

Kosmische Strahlung und Wolkenbildung

Der Schlüssel für das Zusammenspiel zwischen einer schwankenden Sonne dem sich wandelnden Klima auf der Erde findet sich weit außerhalb unseres Sonnensystems. Von dort trifft uns ein stetiges Bombardement an geladenen Teilchen, welche ihren Ursprung in Explosionen sehr massenreicher Sterne, sogenannter Supernovae, haben. Von dieser äußerst hochenergetischen sogenannten Höhenstrahlung kommt allerdings nur ein geringer Bruchteil auch wirklich auf der Erde an. Vor dem größten Teil dieser kosmischen Strahlung schützt uns die Sonne. Durch ihr Magnetfeld, das bis weit über die Grenzen unseres Sonnensystems herausragt, werden große Teile der Strahlung wieder zurückgeworfen.

Abbildung 2: Eine Brutstätte für kosmische Strahlung: Die Cassiopeia A Supernova (NASA/CXC/UMass Amherst/M D Stage et al.)
 

Eine wichtige Einflussgröße auf das Wetter, und damit auch das Klima, ist die Wolkenbedeckung. Mehr Wolken bedeuten vereinfacht gesagt, dass weniger Sonnenstrahlung die Erde erreicht, was zu niedrigeren Temperaturen führt. Allerdings sind die Bedingungen unter denen Wolken entstehen bislang nur äußerst unzureichend verstanden. Auch der Weltklimarat hat in seinem letzten Sachstandsbericht (AR 4) eingestehen müssen, dass die Wolkenbedeckung weiterhin eine Hauptquelle für Unsicherheiten bei der Vorhersage der zukünftigen Klimaentwicklung darstellt. Zu einer ähnlichen Einschätzung kam auch der hochrangige Klimawissenschaftler Kevin Trenberth im Jahr 2004:

Wie groß die Unsicherheit bei der Modellierung dieser für die Entwicklung des Globalklimas immens wichtigen Einflussgröße tatsächlich war, hat eine im darauf folgenden Jahr publizierte Studie ermittelt:

Abbildung 2: Die wichtigsten kosmischen Partikelstrahlen, die eine Wolkenbildung in den unteren Atmosphärenschichten fördern, die Myonen, entstehen aus besonders hochenergetischer kosmischer Strahlung.
 

Die von Svensmark aufgestellte Theorie war nun in der Lage, die Veränderungen in der Wolkenbedeckung mit den Veränderungen der Intensität der Höhenstrahlung zu erklären, welche die Erdatmosphäre erreichen. Danach führt der Beschuss der Erdatmosphäre mit hochenergetischen geladenen Teilchen zur Bildung von Sekundärteilchen (Abbildung 3). Diese wiederum können in der Atmosphäre zusammen mit anderen in Spuren vorhandenen Partikeln zu Aerosolen führen, die als Kondensationskeime für die Bildung von Wolken maßgeblich mitverantwortlich sind.

Svensmarks Hypothese

Diese Hypothese ist natürlich nicht aus dem Nichts entstanden. Grundlage waren Auswertungen von Messungen der Wolkenbedeckung des International Cloud Climatology Project (ISCCP). Diese Messungen analysierte Svensmark in seinem Labor gemeinsam mit seinem Kollegen Nigel Marsh bezüglich der Höhe der Wolken und ihrer Position auf dem Globus. Die Ergebnisse verglichen sie mit den Höhenstrahlungsmessungen der Station Huancayo in Peru welche auf die Änderungen im Magnetfeld der Sonne reagierten. Die Resultate waren erstaunlich (Abbildung 4). Es zeigte sich der Einfluss der Sonnenschwankungen am deutlichsten in den unteren Wolkenschichten, unterhalb von 3000 Metern.

Abbildung 3: Kosmische Strahlung beeinflusst vor allem die Bildung von abkühlenden tief hängenden Wolken. Quelle: Marsh et al. Cosmic Rays, Clouds and Climate
 

Anders ausgedrückt reagieren also die Wolken in den Atmosphärenschichten, in denen die kosmischen Strahlen am schwächsten sind, am stärksten auf eine Zu- oder Abnahme der Sonnenaktivität. Für die Betrachtung des Einflusses der kosmischen Strahlung auf das Klimageschehen ist diese Beobachtung von großer Bedeutung.

Es hat sich nämlich beim Experiment der NASA zum Strahlenhaushalt der Erde (Earth Radiation Budget Experiment, ERBE) herausgestellt, dass gerade tief hängende Wolken einen großen Anteil bei der Abkühlung der Erde haben, wohingegen höher gelegene Wolken eher den umgekehrten Effekt zeigen indem :sie aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaften zu einer Erwärmung der Erde beitragen.

Nun ist die von Svensmark gefundene Korrelation zwischen der Wolkenbedeckung und der Höhenstrahlung an sich noch kein Beweis, sondern lediglich ein Hinweis, dass die Zusammenhänge so sein könnten wie vermutet. Auch wenn auf manchen Gebieten der Wissenschaft gerne so getan wird, als würde eine statistischer Zusammenhang zwischen zwei Größen als Nachweis hinreichend sein, kann man doch nicht oft genug betonen: Eine Korrelation beweist noch lange keinen Ursache-Wirkungs-Zusammenhang. Eine wissenschaftliche Hypothese gilt erst dann auch als Theorie, wenn sie durch verifizierende Beobachtungen nachgewiesen werden kann.

CLOUDS-Projekt

Bei der Entwicklung eines Experimentes, mit dessen Hilfe die Wolkenbildung durch von Höhenstrahlung gebildete Keime genauer untersucht werden könnte, kam im Jahr 1997 Hilfe von prominenter Seite. Jasper Kirby, ein Teilchenphysiker am CERN in Genf, dessen Interesse am Zusammenhang zwischen Höhenstrahlung und Bewölkung durch einen Vortrag des Wissenschaftsjournalisten Nigel Calder geweckt worden war, entwickelte eine Versuchsanordnung, mit deren Hilfe dieser Zusammenhang weiter untersucht werden konnte. Kirby witterte in dem Projekt auch die Chance seinem etwas geheimnisvollen Zweig der Grundlagenforschung mehr Aufmerksamkeit zukommen zu lassen, indem er eine mögliche Ursache für den Klimawandel untersuchte. Als Namen für das Projekt wählte er CLOUDS (Wolken) für cosmics leving outdor droplets (Kosmische Strahlen lassen im Freien Tröpfchen zurück).

Wie so oft, wenn eine neue Hypothese aufgestellt wird, welche die bisherige Lehrmeinung zum Klimawandel infrage stellt, sah sich auch Svensmark einer ganzen Armee von Kritikern gegenüber. Obwohl die Forschung noch in den Kinderschuhen steckte, waren sich viele etablierte Klimaforscher bereits sicher, dass die Resultate eines solchen Experiments nicht zielführend wären. Und auch am CERN selbst gab es nicht nur Unterstützung für das Vorhaben. Den vorläufigen Todesstoß erhielt das Projekt dann mit dem Bau des “Large Hadron Colliders” am CERN, des mächtigsten Teilchenbeschleunigers der Welt. Weil dieses Vorhaben sehr große Summen verschlang, beschloss der Aufsichtsrat des CERN, vorerst alle neuen Versuche einzustellen. Dann, 2005, sieben Jahre nachdem das Projekt erstmals in Grundzügen skizziert worden war, beschloss der Ausschuss dann doch, dass CERN seine Teilchenbeschleuniger für das CLOUD-Experiment zur Verfügung stellen würde.

SKY Experiment

In der Zwischenzeit, angespornt von den frustrierenden Nachrichten aus dem CERN, hatten Svensmark und Kollegen am Dänischen Nationalen Raumfahrtzentrum auf eigene Faust einen bescheideneren Versuch zusammengestellt und gestartet. Sie nannten ihr Projekt SKY, was im Dänischen „Wolke“ bedeutet. Das Experiment kam im Sommer 2005 zum Abschluss.

Nach einigen erfolglosen Versuchen, ihre Ergebnisse in führenden wissenschaftlichen Zeitschriften zu publizieren, und einigen fadenscheinigen Ablehnungen (ein Schicksal, dass Svensmark mit vielen Forschern teilt, die entgegen dem wissenschaftlichen Mainstream forschen), wurde der Aufsatz schließlich von der renommierten Proceedings of the Royal Scociety angenommen. Die Ergebnisse zeigten, wie Elektronen, die von Höhenstrahlen freigesetzt wurden, katalytisch ein Zusammenballen von Schwefelsäuremolekülen, der wichtigsten Quelle für Wolkenkondensationskeime, bewirken:

Diese Ergebnisse stellen für sich gesehen nur einen kleinen Baustein in der Entwicklung einer möglichst vollständigen Theorie dar. Weitere Ergebnisse werden vom CLOUD-Experiment erwartet, von denen die ersten jetzt in der Fachzeitschrift Nature publiziert wurden.

Erste Ergebnisse des CLOUD-Experiments

Die Veröffentlichung der Resultate von CLOUD bot bereits im Vorfeld reichlich Diskussionsstoff. Und zwar als der Generaldirektor des CERN, Rolf-Dieter Heuer, in einem Interview sagte, er habe seine Mitarbeiter dazu angehalten, die Ergebnisse des Experiments klar darzustellen, aber nicht zu interpretieren (der Science Skeptical Blog berichtete). Entsprechend äußerte sich auch Jasper Kirby äußerst zurückhaltend, was den Einfluss von kosmischen Strahlen auf die Wolkenbildung und das Klima angeht:

Diese Vorsicht kann man verstehen, schließlich ist das Thema, welchen Einfluss die Höhenstrahlung auf das Weltklima haben kann, kein rein akademisches. Sollte sich im Verlauf weiterer Forschungsarbeiten herausstellen, dass der Einfluss der Sonne den der menschlichen Aktivitäten übertrifft, würde das viele der Maßnahmen zur “Klimarettung” ernsthaft infrage stellen.

Abbildung 4: Die Reaktionskammer, in der eine künstliche Atmosphäre den durch den Teilchenbeschleuniger erzeugten Höhenstrahlen ausgesetzt werden kann.
 

Aber zurück zu den Ergebnissen des Teams um Kirby. Bei ihrem Experiment simulierten sie die Vorgänge in der Atmosphäre in einer 3 Meter großen Kammer (Abbildung 5), in der verschiedene Spurengase einer künstlichen Atmosphäre beigemischt werden können, wobei der Gehalt an Spurengasen wie Schwefeldioxid und Ammoniak, sowie der Wassergehalt für verschiedene Experimente variieren kann. Entgegen der Aussage Kirby’s, die bisherigen Ergebnisse würden keine Aussage zu kosmischen Strahlen und Wolkenbildung erlauben, findet sich in der Veröffentlichung doch etwas mehr handfestes. Es konnte nämlich tatsächlich gezeigt werden, dass unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen die kosmische Höhenstrahlung zu einer Vermehrung der Aerosole (Clusterbildung) in der künstlichen Atmosphäre führte. Jaspar Kirby:

Was die Forscher gefunden haben ist, dass zur Bildung von Aerosolen nicht lediglich Sulfat und Wasser ausreichten, sondern auch die Anwesenheit von Ammoniak erforderlich ist. Die Ergebnisse einer typischen Messung sind in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6: Ein typisches Experiment aus CLOUDS, in welchem gezeigt wird wie kosmische Strahlen die Konzentration von Aerosol-Partikeln in der Versuchskammer erhöht haben. In der Kammer befand sich ein Gemisch aus Schwelfeldioxid und Ammoniak (200 pptv) bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 38%. Zunächst wurden sämtliche gebildeten geladenen Teilchen durch ein elektrisches Feld entfernt. Als man dies um 04:33 abgeschaltet hatte, war ein steiler Anstieg der Konzentration der Aerosole zu beobachten. Quelle: Nature - Supplementary Information
 

Inwieweit diese Ergebnisse auch auf die Bedingungen in der realen Atmosphäre übertragbar sind, mussten die Forscher offen lassen. Jasper Kirby wird auch nicht müde zu betonen, dass die jetzt vorgestellten Ergebnisse lediglich vorläufige Resultate darstellen und dass für belastbarere Aussagen weitere Forschungen notwendig sind.

Man darf also gespannt sein, wie sich diese Geschichte in Zukunft weiterentwickeln wird. Und man darf auch gespannt sein, wie lange die Fraktion der Vertreter des CO2 als einzig relevantem Klimafaktor solche Resultate wie die jetzt vom Team um Kirby vorgestellten noch als irrelevant darstellen kann. Der amerikanische Blogger Antony Watts von Wattsupwitthat.com hat einem Kommentator auf die Frage, ob mit dieser Publikation die Theorie zum menschengemachten Klimawandel jetzt zerstört wäre geantwortet: “Zerstört nicht, aber sie ist verbeult.”