Die Sonne

Die gesamte Energieabstrahlung der Sonne beträgt 3,85 ⋅ 10²⁶ Joule pro Sekunde (!), was der Verbrennung von 13 100 000 000 000 000  (13 Billiarden) Tonnen Steinkohle pro Sekunde entspräche. Da die Sonne ihre Energie nicht aus Verbrennung bezieht, sondern aus der Umwandlung von Wasserstoff in Helium mittels Kernfusion, werden "nur" 4 Millionen Tonnen Masse pro Sekunde verbraucht. Diese werden nach der bekannten Einstein'schen Formel vollständig in Energie umgewandelt. Nach dieser Formel sind Materie und Energie äquivalent. Da man die Masse mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multiplizieren muss, um den Betrag der Energie zu erhalten, braucht man nur wenig Materie für sehr viel Energie. Durch Kernfusion werden bei 15 Millionen Grad Celsius im Sonneninneren pro Sekunde 567 Millionen Tonnen Wasserstoff in 563 Millionen Tonnen Helium umgewandelt. Die Differenz ist der Verbrauch von 4 Millionen Tonnen Masse pro Sekunde, was sich nach sehr viel anhört, aber nur 0,1 % der Sonnenmasse in 10 Milliarden Jahren darstellt!

Aber natürlich besteht die Sonne nicht aus Kohle, und sie brennt auch nicht. Zu drei Vierteln besteht sie aus Wasserstoff, das restliche Vietel zum größten Teil aus Helium. Nur ganz wenig (unter 1%) machen Sauerstoff, Kohlenstoff und Eisen aus.

Alle Energie, mit Ausnahme der Atomenergie, die wir Menschen verwenden, stammt von der Sonne. Von der Braunkohle bis zum Erdöl und Erdgas, alles gespeicherte Sonnenenergie. Und selbst Wasserkraftwerke beziehen ihre Energie von der Sonne, da diese über die Verdunstung, die Wolken und den Regen das Wasser nach oben befördert hat. Das Wasserkraftwerk entzieht ihm diese potentielle Energie wieder. Bei den Windkraftwerken, okay, da könnte man einen Kompromiss machen, ein Teil der Windenergie stammt nämlich aus der Korioliskraft (Corioliskraft) durch die Erddrehung, der größte Teil allerdings aus Thermik durch die Erwärmung von der Sonne. Weitere Ausnahmen sind nur Randerscheinungen. Ein Gezeiten-Kraftwerk zum Beispiel. Hier stammt der Hauptteil der Energie aus der Gravitation des umlaufenden Mondes. Wissen Sie noch eine praktisch genutzte Energieform, die nicht von der Sonne stammt? Mir fällt keine ein!

Die Sonnenaktivität

Die abgestrahlte Energie schwankt in einem Zyklus von ca. 11 Jahren. Auf den ersten Blick könnte man meinen, diese Sonnenaktivität müsste sich direkt auf die Temperaturen der Erdoberfläche auswirken. Dass dies nicht so ist, liegt in erster Linie daran, dass sich die Temperatur und damit das Klima, aus eingestrahlter und abgestrahlter Wärmestrahlung auf der Erde ergibt. Verstärkt sich die eingestrahlte Energie, steigt auch die abgestrahlte, so dass sich der Effekt größtenteils wieder ausregelt. Die Rückstrahlfähigkeit (das Rückstrahlvermögen, die Albedo) der Erde hat einen viel größeren Einfluss und wird vor allem von den sogenannten Treibhausgasen beeinflusst. Vor allem aber behindern diese die erneute Abstrahlung der Wärme in den Weltraum.

Außerdem betragen die elfjährigen Energieschwankungen, wenn ich richtig gerechnet habe, nur grob 0,15 %. Allerdings stellt sich in letzter Zeit durch historische Klima-Statistiken immer mehr heraus, dass der Einfluss dieser Aktivitätsschwankungen in verschiedenen Gegenden der Erde doch größer ist als sie rechnerisch sein sollte. Einmal ändert sich durch die Aktivitäts-Zyklen nicht nur die Gesamt-Energiestrahlung der Sonne, sondern auch die Verteilung der Energie im Spektrum der elektromagnetsichen Strahlung und auch die Intensität der Partikel-Strahlung. Durch die konzentrierten Magnetfelder der Sonnenflecken entsteht mehr UV-Strahlung und Röntgenstrahlung, die beide energiereicher sind als Licht- und Infrarot-Strahlung. Auf der anderen Seite wird vor allem die Röntgenstrahlung schon in der oberen Atmosphäre absorbiert und kommt gar nicht zur Erdoberfläche. Durch diese verteilten Effekte können zum Beispiel die Strömungsverhältnisse in der Atmosphäre, der Luftdruck und die Luftfeuchtigkeit in verschiedenen Gebieten unterschiedlich beeinflusst werden, so dass die Auswirkungen auf das Klima in manchen Gegenden überproportional hoch sein können und in anderen kaum merkbar. Als Ursache werden verschiedene Zusammenhänge genannt:

• Bei www.wetterzentrale.de kann man zum Beispiel lesen, dass eine erhöhte Sonnenaktivität (Sonnenwind) vermehrt hochenergetische kosmische Strahlungspartikel aus unserer Galaxis und den Tiefen des Weltraums von der Erde weglenkt, womit weniger Kondensationkerne oder Kondensationskeime in die Atmosphäre gelangen, an denen sich Wolken bilden können. Es würde somit wärmer. Zwei Wissenschaftler, Nir Shaviv und Jan Veizer, beschäftigten sich ebenfalls mit dem Zusammenhang zwischen der Intensität der kosmischen Strahlung und der globalen Erdtemperatur, ihre Ergebnisse sind jedoch sehr umstritten und beziehen sich eher auf lange erdgeschichtliche Zeiträume.
• In der Zeitschrift PM 08/2010 liest man, dass ein Professor Mike Lockwood herausfand, dass "eine verminderte Sonneneinstrahlung die Bildung von Wellen im Jetstream hoch über dem Atlantik fördert, die sogenannten Rossby-Wellen. Dadurch würde Europa vom Nachschub milder Meeresluft abgeschnitten, wodurch stattdessen kalte Luft aus Russland und der Arktis einfließen kann. Da zunehmende Kälte auch oft mit Trockenheit einhergeht, weist er darauf hin, dass in vielen Gebieten Dürren drohen. Der Jetstream wird jedoch auch durch den Klimawandel und die Eismassen der Arktis beeinflusst. Es sieht so aus, als hätten diese Veränderungen uns in Mitteleuropa 2018 und 2019 die warmen und trockenen Sommer beschert. Sie bewirken jedoch auch ein schnelleres Abschmelzen des Grönlandeises, was einen klimatischen Rückkopplungseffekt bedeuten würde. Lt. Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung bildet der Jetstream vor allem im Sommer durch Resonanz-Effekte eine Stehende Welle aus, welche die Hoch- und Tiefdruckgebiete lange Zeit an Ort und Stelle stehen bleiben, was manchen Gebieten viel Nässe und anderen Trockenheit über Monate bescheren kann.
• Nach Dr. Erich Roeckner vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg scheint die Sonnenaktivität Einfluss auf die Arktische Oszillation (Nordatlantische Oszillation) zu haben, damit also auf die Anordnung und die Stärke von Hochdruckgebieten und Tiefdruckgebieten in den nördlichen Breiten vom Atlantik bis zur Arktis und auch deren Druckdifferenz. Für uns relevant sind vor allem das Islandtief und das Azorenhoch. Das Tief über Island dreht sich entgegen des Uhrzeigersinns, das Hoch bei den Azoren im Uhrzeigersinn. Je stärker beide ausgeprägt sind, um so mehr atlantische Meeresluft wird dazwischen Richtung Mitteleuropa geblasen, was vor allem milde Winter bedeutet. Im Sommer ist es so, dass sich ein starkes Azorenhoch oft nach Mitteleuropa ausdehnt und uns warme und trockene Sommer beschert. Welche Wetterlagen durch welche Sonnenaktivitäten hervorgerufen oder zumindest begünstigt werden, darüber herrscht anscheinend noch keine Einigkeit. So kann uns die bekannte, sehr beständige Omega-Wetterlage sowohl Flutkatastrophen wie auch Hitzewellen bescheren. Es kommt nur auf die Anordnung an.
• Schon Ende der 1960er Jahre konnte man in den deutschen Mittelgebirgen wie dem Fichtelgebirge Klagen der Skiliftbetreiber hören, dass es keinen Schnee mehr gibt. Folgen der damals hohen Sonnenaktivität? Das Sonnenfleckenmaximum im Internationalen Geophysikalischen Jahr 1958 war das höchste bisher beobachtete.
  Nach dem kalten Winter 2005/2006 hatten wir auch 2010/11 und 11/12 dagegen wieder "richtige Winter" und in den letzten zehn Jahren ist ein Absinken der Winter-Durchschnittstemperatur in Deutschland zu beobachten. Verschiedene Quellen (Dr. Vladimir Petoukhov am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, Professor Noel Keenlyside an der Universität Bergen) machen dafür das Abschmelzen des Eises um den Nordpol und auf Grönland verantwortlich. Zwar handelt es sich bei dem Schmelzwasser um Süßwasser, das leichter als Salzwasser ist und deshalb trotz der Kälte nicht so leicht absinken kann, dadurch würde es dem warmen Wasser des Golfstroms keinen Platz machen. Theorien, dass dieser dadurch verringert werden könnte, seien aber eher unwahrscheinlich, vielmehr vermuten beide eine Störung der nordatlantischen Luftströmungen durch die Erwärmung, wodurch uns im Winter öfter die berüchtigte sibirische Festlandluft heimsucht. Alles in allem erinnert mich das alles eher an das berühmte Lesen im Kaffeesatz. Nun korrelieren die kälteren Winter bei uns ab dem Jahr 2005 aber auch sehr deutlich mit dem extrem langen und tiefen Sonnenflecken-Minimum um 2008 und dem nur sehr schwach ausgeprägten Maximum der Sonnenaktivität um 2012/13. Aber Korrelation ist eben kein Beweis der Ursache (siehe unten).

Die Kleine Eiszeit

Als Ursache der Kleinen Eiszeit vom 16. bis zum 18. Jahrhundert nimmt man neben einer hohen vulkanischen Aktivität eine verringerte Sonnenaktivität an. Die Aktivität der Sonne lässt sich durch den C-14-Gehalt in der Atmosphäre gut zurückverfolgen. So ergeben sich in dieser Zeit das sogen. Spörer-Minimum und das Maunder-Minimum. Ab der Industrialisierung im 19. Jahrhundert ist der starke Anstieg des C-14-Gehalts auf die vermehrte Verbrennung fossiler Energieträger zurückzuführen, deshalb kann man ab dieser Zeit nicht mehr vom C-14-Gehalt auf die Sonnenaktivität schließen und die Kurve ist ab da nur grau gezeichnet.

Zum Ende des Maunder-Minimums sorgte 1783 der Ausbruch des Laki-Kraters auf Island und des Vulkans Asama in Japan für einen der kältesten Winter auf der Nordhalbkugel und vor allem in Europa. Auf Island, Großbritannien und in Frankreich starben viele Menschen an der schwefeldioxidhaltigen Aschewolke des Laki, die im Kontakt mit Wasser Schwefelsäure erzeugte. Daran war die Sonne natürlich unschuldig. Wie man in obigem Diagramm sieht, hatte sie zu dieser Zeit schon wieder eine höhere Aktivität erreicht. Genauso verhält es sich mit dem sogenannten Jahr ohne Sommer 1816, für das man als Ursache den Ausbruch des Vulkans Tambora in Indonesien verantwortlich macht.

In der folgenden längerfristigen Grafik des Temperaturverlaufs ist die Kleine Eiszeit nur als kleine Delle erkennbar.

Aktuell war ein Minimum im elfjährigen Zyklus der Sonnenaktivität für Herbst 2008 angekündigt. Danach hätte die Aktivität wieder ansteigen müssen zum 24. Zyklus. Dieser Anstieg hat sich verzögert und die Sonne bildete das längste und tiefste Minimum seit über 100 Jahren. Im Frühjahr 2010 erschienen wieder die ersten (bescheidenen) Anstiege und Sonnenflecken. Deshalb könnte es möglich sein, dass die nächsten Maximas geringer ausfallen, so dass die geringe Sonnenaktivität den Einfluss der  Globalen Erwärmung vielleicht teilweise ausgleichen kann. Leider geschieht dies nicht gleichmäßig über die Erde verteilt. Es sieht so aus, dass gerade die Gegenden, die stark vom Klimawandel betroffen sind, am wenigsten Ausgleich abbekommen. Bleibt die Sonnenaktivität in den nächsten Jahrzehnten gering, könnte es sogar in den kalten Gegenden Europas noch kälter werden! Bei uns im  Fichtelgebirge in  Oberfranken könnten wir leichter ein paar Grad mehr vertragen als die Tropen. Die ruhige Sonne 2008 bis 2010 hat uns aber sehr kalte und lange Winter beschert, und das obwohl schon seit 150 Jahren große Mengen Kohlendioxid in die Luft geblasen werden!

Bestimmt wird die Aktivität der Sonne vor allem mittels ihrer Aussendung von elektromagnetischen Wellen im Bereich einer Wellenlänge von 10,7 cm= 2,8 GHz und mittels der mit einfacheren Mitteln feststellbaren Sonnenflecken-Relativzahl R. In den Phasen erhöhter Sonnenaktivität bilden sich auf der Sonnenoberfläche Flecken durch Störungen des Magnetfelds der Sonne. Je mehr Flecken, desto größer ist die Sonnenaktivität. Die Sonnenflecken-Relativzahl berechnet sich folgendermaßen:

R = Anzahl der Flecken + 10 x Anzahl der Fleckengruppen

Systematische Aufzeichnungen begann Galileo Galilei im Jahr 1610. Während des Maunderminimums von 1645 bis 1715 konnten 70 Jahre lang fast keine Sonnenflecken festgestellt werden. Die Kleine Eiszeit führte nach den Wirren des Dreißigjährigen Krieges zu großen Hungersnöten. Aktuelle Werte finden Sie hier beim Space Weather Prediction Center (SWPC), bei der NASA oder auf deutsch bei den sehr interessanten Seiten der Wetterstation Zwönitz. Heute geht man allerdings davon aus, dass die kleine Eiszeit zum größten Teil durch eine erhöhte vulkanische Aktivität verursacht wurde, und nur zu einem geringen Teil durch die Sonnenaktivität.

Oft hört man Befürchtungen, dass eine erhöhte Sonnenaktivität und damit ein stärkerer Sonnenwind die Strahlenbelastung im Hochgebirge oder auf langen Flügen erhöht. Seltsamerweise ist genau das Gegenteil der Fall: Die kosmische Strahlung aus den Tiefen des Alls außerhalb unseres Sonnensystems ist nämlich wesentlich energiereicher und ein stärkerer Sonnenwind drängt genau diese Strahlung zu den Randbereichen und den äußeren Planeten ab, so dass die schädliche Strahlenbelastung in Flugzeugen in Zeiten hoher Sonnenaktivität eher sinkt.

Im Jahr 2019 ging eine Meldung durch die Presse, dass Messungen der NASA-Sonde Advanced Composition Explorer (ACE) die höchste Belastung durch kosmische Strahlung seit Beginn der Messungen ergaben. Als Grund vermutet man den sehr schwachen Sonnenwind durch die seit ca. 2007 andauernde relative Ruhe unserer Sonne. Das bedeutet auch eine höhere Strahlenbelastung für Vielflieger, Piloten und Bordpersonal. Besonders betroffen sind natürlich Astronauten, die sich längere Zeit im Weltall aufhalten, zum Beispiel auf der Internationalen Raumstation ISS.

Auch wenn die Zahl der Sonnenflecken und damit die Sonnenaktivität in den letzten 500 Jahren gut mit Änderungen des Klimas in Mitteleuropa übereinstimmt, darf man den Grundsatz nicht vergessen, dass ein hoher Korrelationskoeffizient kein Beweis für eine Verursachung ist. Für diesen Lehrsatz wird gern als Beispiel die hohe Korrelation zwischen der europäischen Geburtenrate und der Anzahl der Störche Europas genannt, sie würde beweisen, dass doch der Storch die Babies bringt. Die Indizien sind allerdings zwingend, egal ob man sich über die Ursachen noch streitet.

Die Intensitäts-Schwankungen der elfjährigen Aktivitäts-Maximas und -Minimas unterliegt weiteren mehr oder weniger regelmäßigen übergeordneten Zyklen. Einer davon ist der Gleißberg-Zyklus, benannt nach dem deutschen Astronomen Wolfgang Gleißberg, der besonders stark ausgeprägte Sonnenflecken-Maximas alle ca. 88 Jahre festgestellt hat. Dieser könnte für das lang andauernde und besonders fleckenarme Sonnenfelcken-Minimum von 2008 bis 2010 verantwortlich sein. Überlagert man den Gleißberg-Zyklus mit dem de-Vries-Zyklus (= Seuss-Zyklus) von 210 Jahren, könnten diese beiden kombiniert die Ursache für die Aktivitätsschwankungen alle 1470 Jahre sein. In diesen Zeitabständen gab es in der letzten Eiszeit plötzliche Temperatursprünge mit einem kurzen starken Temperaturanstieg und danach einer allmählichen Abkühlung. Durch Auswertung von Eisbohrkernen aus dem Grönland-Eis sind 23 dieser Temperatursprünge belegt, die man als  Dansgaard-Oeschger-Ereignisse bezeichnet. Ob sie ihre Ursache wirklich in Aktivitätsänderungen der Sonne haben, ist allerdings noch nicht abschließend geklärt. Es gibt auch Vermutungen, dass die globalen Strömungsverhältnisse in den Ozeanen regelmäßigen Schwankungen unterliegen, die von großflächiger Vereisung in den Polarregionen und Schwankungen des Salzgehalts der Meere ausgelöst werden. Sie sind vor allem als Heinrich-Ereignisse bekannt.

Im Zusammenhang mit großen Artensterben in der Erdgeschichte oder sogar plötzlichen Klimasprüngen werden immer wieder sogenannte Supereruptionen der Sonne ins Gespräch gebracht. Diese hätten jedoch höchstens gravierende Auswirkungen auf unsere Technik und Stromversorgung. Die direkten Folgen für das Klima und das Leben wären wohl eher gering.

Lange Zeit ging man davon aus, dass die Planeten durch ihre große Entfernung und ihre Winzigkeit keinen Einfluss auf die Sonne und ihre Aktivität haben. Insbesondere das Verhalten der Magnetfelder der Sonne scheint aber recht labil zu sein und auch auf kleine Veränderungen zu reagieren. Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) halten es für möglich, dass die Planeten auf der Sonne Gezeitenkräfte verursachen, ähnlich wie der Mond auf der Erde, natürlich mit viel geringerem Einfluss. Da die Sonne nicht fest ist, drehen sich die Gebiete an ihrem Äquator und die nahe den Polen unterschiedlich schnell um die Sonnenachse. An den Reibungsflächen dazwischen entstehen zwei ringförmige Magnetfelder südlich und nördlich des Sonnenäquators (der Omega-Effekt). Wahrscheinlich durch sekundäre Effekte entstehen dadurch aber auch Magnetfelder, die um 90° gedreht dazu entlang der Längengrade der Sonne verlaufen (der Alpha-Effekt). Sowohl die Strömungen wie auch die Magnetfelder sind chaotisch und instabil, ähnlich der Rayleigh-Taylor-Instabilität in Flüssigkeiten oder der Kelvin-Helmholtz-Instabilität in Gasen. Die Richtung der Magnetfelder polt sich etwa alle 11 Jahre um, was die Aktivitätsschwankungen verursacht. Die Gezeitenkräfte der inneren und der schweren Planeten könnten auf diese labilen Schwingungen einen Einfluss ausüben, als ob man einer Schaukel im richtigen Moment immer einen wintizen Schubs gibt, so dass sie sich aufschaukelt. Besonders wenn mehrere Planeten von der Sonne aus in einer Reihe stehen, könnte der so erzeugte winzige Einfluss einen Resonanz-Effekt haben (Quelle: Dr. Frank Stefani, HZDR).

Auch die Coriolis-Kraft, die auf der Erde am entstehen der großen Meeresströmungen wie dem Golfstrom beteiligt ist, und vermutlich auch auf dem Saturn des bekannten Wolken-Sechsecks, erzeugt auf der Sonne ringförmige Wirbel. Von den Planeten als Planetarische Wellen oder Rossby-Wellen bekannt, hat man diese auch auf der Sonne festgestellt. All diese Erscheinungen tragen zu dem chaotischen System von Strömungen und Schwingungen bei, das die Sonnenaktivität langfristig nur schwer vorhersagbar macht.

Seltsam ist auch, dass die Ebene des Sonnenäquators gegenüber den Planetenbahnen um ca. 7° gekippt ist. Nach einer Theorie Elizabeth Bailey's vom California Institute of Technology könnte der rätselhafte und noch nicht entdeckte Planet X oder Planet Neun dafür verantwortlich sein, der möglicherweise weit außerhalb der Neptunbahn in einer stark elliptischen Bahn die Sonne umkreist. Nach langen Zeiträumen in seiner weiten Ellipse könnte er wiederholt im Bereich seines sonnennähesten Punktes durch seine Gravitation die Sonne ins taumeln gebracht und so die Neigung der Sonnenachse verursacht haben. Dazu müsste seine Umlaufbahn allerdings um mindestens 30° gegenüber der Äquatoreben der Sonne geneigt sein und es müsste sich um einen sehr großen Himmelskörper handeln, der dann nicht in unserem Planetensystem entstand, sondern von außen kommend von der Schwerkraft der Sonne eingefangen wurde, also ein Exoplanet. Im Bereich der Sonnennähe könnte er das gesamte Sonnensystem beeinflussen und Umlaufbahnen auch der Erde verändern. Auch könnte er Asteroiden aus dem Kuipergürtel, der Oortschen Wolke oder dem Asteroidengürtel von ihrer Bahn abbringen und möglicherweise auf die Erde lenken.

In den vergangenen 10 000 Jahren waren wärmere Zeiten immer gute Zeiten für die Menschen, auch im Mittelalter. Dass dieses immer als "finster" bezeichnet wird, liegt an den Menschen!

Warum ist es mit der globalen Erwärmung nicht ebenso?

1. Die Erwärmung geschieht sehr schnell.
2. Wir sind zu viele. Gäbe es wie vor tausend Jahren nur(!) 500 Millionen Menschen, wäre die Erwärmung ein geringeres Problem. Wir könnten uns andere Siedlungsgebiete suchen, aber mit 7 Milliarden Menschen und mehr wird es durch den Anstieg des Meeresspiegels noch enger als es sowieso schon ist. Auf lange Sicht müsste auf eine drastische  Reduzierung der Weltbevölkerung hingewirkt werden.
3. Feste Kulturgüter, die nur wenige Meter über dem Meeresspiegel liegen, werden wohl größtenteils verloren sein. Wir sollten schon jetzt anfangen, für die wichtigsten Rettungsmaßnahmen zu ergreifen, die globale Erwärmung und der Anstieg des Meeresspiegels wird auch mit drastischen Maßnahmen nicht zu verhindern sein!

Dass die Sonne erlischt, oder zum Roten Riesen und dann zum Weißen Zwerg wird, darüber brauchen wir uns erst mal keine Sorgen zu machen, das versichern uns alle Wissenschaftler. Sie hat noch Brennstoff für ein paar Milliarden Jahre!