Über den Einfluß von Schwankungen der Sonneneinstrahlung auf die globale Erwärmung

20. März 2022

In den UN Klimaberichten wird die Auffassung vertreten, dass die Treibhausgasemissionen durch die fossile Energienutzung und andere Aktivitäten (CH4, N2O, FCKWs) der Menschheit die alleinige Ursache für die globale Erwärmung der letzten 100 – 150 Jahre sind. Natürliche Ursachen werden ausgeschlossen. Die Erwärmung durch Treibhausgase soll teilweise durch Schwefelemissionen, die bei der Verbrennung von Kohle und Öl ebenfalls freigesetzt werden, kompensiert worden sein (s. z. B. IPCC, 2021 ).

Wir hatten bereits in der Vergangenheit die Frage diskutiert, ob und wenn ja, welche natürlichen Einflußfaktoren ebenfalls zu einer Erwärmung geführt, bzw. einen Beitrag dazu geleistet haben könnten.

Wir hatten damals argumentiert, dass die Erwärmung seit Mitte der 1970er Jahre (zwischen Mitte der 1940er und der 1970er Jahre hat sich das Klima geringfügig abgekühlt, weswegen es damals zu einer Debatte über eine mögliche heraufziehende Eiszeit gab) auch durch natürliche Schwankungen im Klimasystem mit verursacht wurde, nämlich durch den Übergang der sog PDO in eine positive Phase und seit Mitte der 1990er Jahre durch den Übergang der sog. AMO ebenfalls in eine positive Phase. Beides führt zu einer Erwärmung des globalen Klimas.

Die positive Phase der PDO ist vom häufigeren Auftreten des El Nino Phänomens begleitet. El Nino Jahre sind global etwa 0,3 – 0,5 Grad wärmer, als La Nina Jahre, das kühle Gegenstück von El Nino.

Die starke Erwärmung zwischen Mitte der 1970er Jahre und Ende der 1990er Jahre wurde entscheidend mit geprägt von den sehr kühlen La Nina Jahren 1974 – 1976 und durch die sehr warmen El Nino Jahre 1997 – 1998, wodurch sich ein stark steigender Erwärmungstrend für diesen Zeitraum errechnete, der nichts mit Treibhausgasen zu tun hatte. (In dieser Grafik sind die El Nino und La Nina Phasen (ENSO) mit dem MEI ENSO Index gezeigt, der positive Werte - rot – für warme El Nino Jahre und negative – blau – für kühle La Nina Jahre zeigt. Man erkennt, dass etwa ab Mitte der 1970er Jahre die rot colorierten warmen Zeitabschnitte überwiegen).

Die Erwärmungspause zwischen Ende der 1990er Jahre und der frühen 2010er Jahre (bis 2014) war wiederum durch ein häufigeres Auftreten von La Nina Ereignissen charakterisiert, was zu einer Abkühlung geführt hat, die eine Treibhausgas bedingte Erwärmung maskiert haben könnte. In der Klimawissenschaft wird dieser Zeitraum als Erwärmungspause oder “global warming hiatus” bezeichnet.

Zwischen 2015 und 2020 kam es dann wieder zu einem gehäuften Auftreten vo El Nino Ereignissen, besonders dem starken Super El Nino 2015 – 2016, wodurch die globalen Mitteltemperaturen wieder stark gestiegen sind.

Ein weiterer natürlicher Parameter, um den es in diesem Beitrag hauptsächlich gehen soll, ist die Variabilität der solaren Strahlung.

Hier muss man zwischen drei unterschiedlichen Effekten unterscheiden.

Nämlich erstens zwischen dem Energieausstoß der Sonne, der sog. Total Solar Irradiance TSI, also dem schwankenden Energieausstoß der Sonne selbst. Der ist an sich konstant, wie der Name Solarkonstante nahelegt, aber diese Konstante ist nicht absolut konstant, sondern variiert innerhalb enger Grenzen. Diese Schwankungen sind nach Auffassung der meisten Klimaforscher zu gering, um signifikante Auswirkungen auf das Klima zu haben.

Allerdings gibt es eine Reihe von vergleichsweise hohen Korrelationen zwischen solaren Parametern und der globalen Mitteltemperatur, was den Verdacht nahelegt, dass es doch einen Einfluss der Sonne auf das Klima gibt (s. dazu auch die Diskussion hier).

Physikalisch ist das möglicherweise durch die Beeinflussung des solaren Windes auf die kosmische Strahlung zu erklären, die in der Atmosphäre über die Modifizierung von Kondensationskeimen die Wolkenbedeckung beeinflussen könnte: Mehr Wolken, eine höhere Rückstreuung des Sonnenlichtes (kühleres Klima), weniger Wolken, weniger Rückstreuung (wärmeres Klima).

Der nächste Effekt ist die Beeinflussung der Sonneneinstrahlung durch Aerosolpartikel in der Atmosphäre, die das Sonnenlicht zurück streuen und zu einer Abkühlung führen können.

In der Wissenschaft wurde besonderes Augenmerk auf Schwefelaerosolpartikel gerichtet, die bei der fossilen Energienutzung, besonders von Kohle und Öl neben dem CO2 auch emittiert werden.

Diese Schwefelpartikel waren bis weit in die 1980er Jahre für einen großen Teil der Luftverschmutzung in den Industriestaaten verantwortlich.

Sie waren aber nicht nur für die schlechte Luftqualität verantwortlich, sondern auch dafür, dass ein Teil des Sonnenlichtes zurück in den Weltraum gestreut wurde, was zu einer Abkühlung des Klimas führen würde.

Ihr Einfluss beschränkte sich jedoch nicht nur darauf, dass Sonnenlicht in wolkenfreier Atmosphäre verstärkt zurück gestreut wurde, sondern sie agierten auch als Kondensationspartikel für die Wolkenbildung, wodurch diese verstärkt wurde, was den Abkühlungseffekt wiederum verstärkte.

Beide Effekte wirkten sich insbesondere im Sommerhalbjahr aus.

Dadurch kam es zwischen den 1950er und den 1980er Jahren, besonders in den Industriestaaten, zu einem Rückgang der kurzwelligen Sonneneinstrahlung und zu einem Anstieg der Wolkenbedeckung.

Dieses Phänomen ist als “Global Dimming” bekannt.

Der dritte Effekt, der allerdings von dem zweiten, eben dargelegten nicht gänzlich zu trennen ist, ist die zunehmende kurzwellige Sonneneinstrahlung in vielen Regionen der Erde seit etwa Ende der 1980er/Anfang der 1990er Jahre, der auf die zurückgehende Wolkenbedeckung seit dieser Zeit zurückzuführen ist. Die Zunahme der kurzwelligen Sonneneinstrahlung seit Ende der 1980er Jahre wird als “Global Brightening” bezeichnet.

Die Ursache des “Global Brightening” sind die hier beschriebenen Faktoren.

Der erste ist der dramatische Rückgang der Schwefelemissionen in den meisten Ländern der westlichen Welt, in Europa und den USA durch die Luftreinhaltemaßnahmen und in Osteuropa durch den industriellen Zusammenbruch seit dem Fall des Eisernen Vorhangs 1989 – 1991.

Dadurch, dass die Luft sauberer wurde, konnte die Sonnenstrahlung ungehinderter den Erdboden erreichen, was zu einem Anstieg der kurzwelligen Sonnenstrahlung führte.

Dieser Effekt ist vom Rückgang der Wolkenbedeckung zu trennen. Denn auch wenn die Wolkenbedeckung sich nicht geändert hätte, wäre es zu einer Zunahme der kurzwelligen Sonnenstrahlung unter wolkenlosen Himmel gekommen, da die Luft sauberer wurde und weniger Sonnenlicht reflektiert worden wäre.

Der wahrscheinlich wichtigere Faktor ist aber die Zunahme der Sonnenscheindauer in vielen Regionen verursacht durch den Rückgang der Wolkenbedeckung seit den 1980er Jahren.

Im Sommerhalbjahr ist die monatliche Sonnenscheindauer hoch mit der Monatsmitteltemperatur, höher noch mit der mittleren monatlichen Höchsttemperatur korreliert.

Dies scheint eine triviale Erkenntnis zu sein: Ein sonniger Sommertag ist in der Regel wärmer als ein wolkiger.

Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass zumindest ein Teil der Erwärmung im Sommerhalbjahr in vielen Teilen der Erde in den letzten Jahrzehnten auf die abnehmende Wolkenbedeckung, die zunehmende Sonnenscheindauer und den Anstieg der kurzwelligen Solarstrahlung zurückgeführt werden kann, was wir auf diesen Seiten bereits mehrfach dargelegt haben, besonders in der Ursachenanalyse der Hitze- und Dürresommer 2018 und 2019.

Strahlungsmessungen zeigen, dass dieser Anstieg etwa 1 – 3 W/m2 pro Jahrzehnt betragen hat, wobei einzelne Autoren zu teilweise recht unterschiedlichen Werten gelangen und es in vielen Fällen nicht klar ist, ob der beobachtete Anstieg der kurzwelligen Sonneneinstrahlung auf die sauberere Luft (weniger Schwefeldioxid) oder auf die abnehmende Wolkenbedeckung zurückzuführen ist – sehr wahrscheinlich auf beides.

So hat beispielsweise die Sonnenscheindauer in Berlin seit Ende der 1980er Jahre im Sommerhalbjahr um 15 – 20% zugenommen.

Dies spiegelt sich auch in Strahlungsmessungen wider, die für Potsdam (bei Berlin) vorliegen und zeigen, dass die kurzwellige Sonneneinstrahlung zwischen den 1980er Jahren und 2017 um 10 – 15 W/m2 zugenommen hat ( Wild et al, 2021, Abb 1 )

Die strahlungsreichen Jahre 2018 und 2019 sind dabei noch gar nicht berücksichtigt.
Aus anderen Teilen Europas, so z. B. aus Polen, wird Ähnliches berichtet ( Kulesza, 2020).

Obwohl man argumentieren kann, dass ein Teil des Wolkenrückgangs auf die verminderte Schwefelbelastung zurückgeführt werden kann, gibt es eine Reihe von Hinweisen darauf, besonders in Europa, dass der Rückgang der Wolkenbedeckung und die Zunahme der Sonnenscheindauer durch Schwankungen in atmosphärischen Zirkulationsparametern verursacht wurde (s. dazu auch noch einmal hier). Konkret ist es in den vergangenen Jahrzehnten im Sommerhalbjahr April – September zu einem häufigeren Auftreten (s. z. B. hier ) von Hochdruckgebieten und generell von Wetterlagen gekommen, in denen Wolkenauflösung vorherrscht, verbunden mit einem deutlichen Anstieg der Sonnenscheindauer, mithin auch zu einem Anstieg der kurzwelligen Sonneneinstrahlung.

Deswegen kann man davon ausgehen, dass das häufigere Auftreten von Hochdruckwetterlagen im Sommerhalbjahr (s. z. B. hier hier hier und hier hier und die dadurch bedingte Wolkenauflösung in Europa zu einem deutlichen Anstieg der Sonnenscheindauer und mithin zu einer Zunahme der kurzwelligen Sonneneinstrahlung geführt hat.

Der Befund, dass die kurzwellige Sonneneinstrahlung in den letzten Jahrzehnten zugenommen hat, wird durch Satellitenmessungen untermauert.

So konnte man u. a. zeigen, dass vom Weltraum aus betrachtet, die reflektierte kurzwellige Strahlung abgenommen hat, weil durch die abnehmende Wolkenbedeckung weniger Sonnenlicht in den Weltraum zurück gestreut wurde (z. B. Posselt et al, 2014).

Diese Autoren finden heraus, dass über die gesamte von Meteosat Satelliten beobachtete Region (Afrika, Europa, Nord- und Südatlantik) der kurzwellige Strahlungsfluss zwischen 1994 und 2010 um 3,63 W/m2 pro Jahrzehnt zugenommen hat.

In Europa betrug dieser Anstieg 4,35 W/m2 pro Jahrzehnt, was ungefähr im Einklang mit Messungen in Erdbodennähe steht.

Zu den Ursachen dieses Anstiegs führen die Autoren aus:

This could be due to changes in cloudiness or due to changes in the clear sky state of the atmosphere. We demonstrate that most of the trends in the surface radiation dataset is caused by changes in the cloudiness (i.e., CAL) which can be due to changes in either circulation patterns or indirect aerosol effects.

Direkte Auswirkungen eines Aerosoleffektes schliessen die Autoren dann aber aus, da sie den Aerosolgehalt mit klimatologischen Mittelwerten als konstant angesetzt haben.

In die gleiche Richtung weist eine Arbeit von Dübal und Vahrenholt, 2021, in der von einem abnehmenden reflektierten kurzwelligen Strahlungsfluß an der Obergrenze der Atmosphäre berichtet wird. Ursache ist eine zurückgehende Bedeckung mit Wolken, wodurch weniger Sonnenlicht in den Weltraum zurück reflektiert wird.

Mit komplexen statistischen Analysen konnte man überdies zeigen, dass die zunehmende kurzwellige Sonneneinstrahlung in den letzten Jahrzehnten der entscheidende Faktor für den langwelligen Strahlungsfluss war (und nicht umgekehrt), der dem kurzwelligen mit einer gewissen Verzögerung folgte ( Delgado – Bonal et al, 2020 ).

Will heißen: Der Anstieg der kurzwelligen Einstrahlung hat zur Erwärmung geführt und nicht die Abnahme der langwelligen zum Weltraum gerichteten Strahlung, was man eigentlich für eine Treibhaus bedingte Erwärmung erwarten würde.

In den Worten der Autoren:

The transfer of information from LW to SW is minimal, being some years not statistically significant

Und weiter:

This decoupling between shortwave and longwave radiation indicates that the dynamics of the climatic system in the last 40 years has changed, as observed in the energy imbalance of the last decades, suggesting that changes in SW played a mayor role.

Wieso sind diese Erkenntnisse wichtig:

In Klimamodellrechnungen wird häufig davon ausgegangen, dass eine Erwärmung durch Treibhausgase zur Verringerung der Wolkenbedeckung führt und dass anschließend durch die höhere solare Einstrahlung die Erwärmung verstärkt wird, also ein positiver Rückkoppelungseffekt eintritt.

Dies ist offenbar aber nicht der Fall, denn der Rückgang der Wolkenbedeckung und mithin ein Anstieg der kurzwelligen Sonneneinstrahlung läuft der Erwärmung voraus, oder, wie es die Autoren ausdrücken: The transfer of information from LongWave to ShortWave is minimal.

Vieles deutet demzufolge darauf hin, dass die abnehmende Wolkenbedeckung in der Atmosphäre (“Global Brightening”) zu einem Anstieg der kurzwelligen Sonneneinstrahlung geführt und deswegen auch einen, wenn nicht sogar signifikanteren, Beitrag zur Erwärmung der letzten Jahrzehnte geleistet hat (s. z. B. auch die Diskussion hier und hier).

Dem “Global Brightening” seit Ende der 1980er Jahre ist eine Periode des “Global Dimming” zwischen den 1950er und den 1980er Jahren vorausgegangen (s. auch hier ), dessen Ursache nach weit verbreiteter Meinung die zunehmende Luftverschmutzug durch die zunehmenden Industrialisierung nach Kriegsende war.

Dem ist eine Periode des Global Brightening in der ersten Hälfte des Jahrhunderts vorausgegangen, die von der Erderwärmung in dieser Zeit begleitet wurde (s. z. B Stanhill et al, 2018).

Diese Autoren zitieren zudem eine Reihe von Arbeiten, aus denen hervorgeht, dass das Phänomen des Global Brightening in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts nicht auf die USA beschränkt, sondern global nachzuweisen war und mit einer allgemeinen globalen Erwärmung einher ging.

Vergleicht man die Größenordnung der kurzwelligen Strahlungszunahme in vielen Regionen der Welt in den letzten Jahrzehnten, nämlich etwa 1 – 3/Wm2 pro Jahrzehnt mit dem Anstieg der langwelligen Wärmeeinstrahlung durch ansteigende Treibhausgas – Konzentrationen, der sich etwa um 0,3 W/m2 pro Jahrzehnt herum bewegt, so wird sofort klar, dass der Anstieg der kurzwelligen Sonneneinstrahlung, entweder verursacht durch zurückgehende Luftverschmutzung oder zurückgehende Wolkenbedeckung, keineswegs außer Acht gelassen werden kann bei der Beurteilung der Frage, welches die Ursachen für den Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte waren.

Es ist sogar eher wahrscheinlich, dass dieser Effekt in einigen Regionen der Welt der entscheidendere Faktor war, als der Treibhausgas – Anstieg. Dies zeigt sich z. Teil auch in Klimamodellrechnungen (z. B. Dong et al, 2017, Abb 6g und 6j ).

Unter Berücksichtigung der hier präsentierten wissenschaftlichen Ergebnisse erscheint es eher zweifelhaft, dass die gesamte globale Erwärmung seit dem 19. Jahrhundert auf die Einwirkung von Treibhausgasemissionen aus der fossilen Energienutzung und anderer menschlicher Aktivitäten (CH4, N2O, FCKW Emissionen) zurückzuführen ist, wie vom UN Klimarat IPCC postuliert.

Vielmehr hat es sowohl in der ersten Hälfte des 20. als auch gegen Ende des 20. Jahrhunderts und zu Beginn des 21. Jahrhunderts natürliche Einflußparameter gegeben, die ebenfalls erwärmend auf das Klima eingewirkt haben (s. dazu auch hier).

Einer dieser Parameter ist die zunehmende kurzwellige Sonneneinstrahlung, die wahrscheinlich sowohl eine Folge der abnehmenden Schwefelaerosol – Konzentrationen (also der viel saubereren Luft, die wir jetzt im Vergleich zu früher haben), als auch von der zurückgehenden Wolkenbedeckung in vielen Teilen der Welt ist.

Eine wahrscheinlich massgebliche Ursache für die zurückgehende Wolkenbedeckung sind Zirkulationsschwankungen, die in einigen Teilen der Welt, besonders in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre im Sommerhalbjahr, zum häufigeren Auftreten von Hochdruckgebieten und allgemein von Wetterlagen geführt haben, bei denen die Wolkenbedeckung abgenommen hat.