Hypothese: Einfluss der Sonnenaktivität auf den Regen in Deutschland viel größer als bisher gedacht

Neueinteilung des 11-jährigen Schwabe-Zyklus und Einbeziehung des 22-jährigen Hale-Zyklus machen solaren Einfluss sichtbar

Von Dr. Ludger Laurenz

Zusammenfassung

Mehrjährige Langfristprognosen für Niederschläge in Deutschland waren bisher wenig zuverlässig. Die Prognosequalität verbessert sich dank eines neu entdeckten Zusammenhanges zwischen der Sonnenaktivität und der Niederschlagssumme. Der Zusammenhang lässt sich in zwei Schritten aufdecken. Der erste Schritt besteht in der Neueinteilung des 11-jährigen Schwabe-Zyklus. Bei der Neueinteilung beginnt und endet der Schwabe-Zyklus in der Phase des Sonnenaktivitätsmaximums. Im zweiten Schritt wird der 22-jährige Hale-Zyklus einbezogen. Ein Hale-Zyklus überspannt zwei Schwabe-Zyklen. Mit Hilfe der letzten 10 Schwabe-Zyklen seit 1917 kann belegt werden, dass nur in einem der beiden Schwabe-Zyklen eine enge Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Regenmenge besteht.

Der aktuelle 2013 beginnende Schwabe-Zyklus liegt in der Hälfte des Hale-Zyklus mit starkem solaren Einfluss und der Möglichkeit von solar basierten mehrjährigen Langfristprognosen für Niederschläge. Die extreme Dürre 2018 hätte schon mehrere Jahre früher vorhergesagt werden können. Für den Zeitraum bis 2025 sind durchschnittliche bis überdurchschnittliche Jahresniederschlagssummen zu erwarten und außergewöhnlich niederschlagsarme Jahre unwahrscheinlich. Mitteleuropa ist nach bisheriger Recherche ein globaler Hotspot für solaren Einfluss auf die Niederschlagssumme. Aber auch in vielen anderen Klimaräumen ist solarer Einfluss auf die Niederschlagsmenge bedeutsam. Mit Hilfe eines auf dem 11- und 22-Jahreszyklus der Sonne gestützten Prognosemodells sind in Zukunft verbesserte Einschätzungen des Risikos von Dürreschäden in der Landwirtschaft oder der Wahrscheinlichkeit von Hochwasserereignissen  in verschiedenen Ländern und Kontinenten möglich.

Diese Analyse unterstützt frühere Belege für einen 22-Jahresrhytmus der Niederschlagsmenge und legt nahe, dass die Niederschlagsmenge in Europa durch langfristige Sonnenvariabilität und solare magnetische Effekte gesteuert wird und dass der 22-jährige solarmagnetische Hale-Zyklus eine größere Rolle bei Klimaveränderungen spielt als bisher angenommen wird. Dieser Beitrag ist als Hypothese gekennzeichnet, da es sich noch nicht um eine Bestätigung der Idee mit wissenschaftlichen Methoden/Statistiken handelt. Er liefert Argumente für die Intensivierung der Forschung zum Einfluss der Sonnenaktivität auf unser Wetter und schließlich auf alle atmosphärischen Prozesse.

Zwei Schwabe-Zyklen bilden einen 22-jährigen Hale-Zyklus

Der erste Schritt zur Aufdeckung des Sonnensignals in den Niederschlägen besteht in der Neueinteilung des 11-jährigen Schwabe-Zyklus. Die Neueinteilung beginnt und endet in der Phase des Sonnenaktivitätsmaximums. Das Jahr des Aktivitätsminimums liegt in der Mitte und dient der – für Vergleiche untereinander – notwendigen Ausrichtung der einzelnen Zyklen Mit dieser Einteilung ist schon allein mit Hilfe des Schwabe-Zyklus solarer Einfluss auf den Regen nachweisbar (1).

Erst mit dem zweiten Schritt, mit Einbeziehung des 22-jährigen Hale-Zyklus, lässt sich das volle Ausmaß solaren Einflusses auf die Niederschläge aufdecken. In den rund 22 Jahren durchläuft die Sonne einen vollständigen magnetischen Zyklus. Über den gesamten Zeitraum verändert sich das kompliziert verdrehte Magnetfeld der Sonne, das auf unsere Erde einwirkt. Das solare Magnetfeld kontrolliert die Intensität der kosmischen Strahlung, die die Atmosphäre erreicht. Die Intensität der kosmischen Strahlung hat Einfluss auf die Wolkenbildung und damit auf das Wetter und die Niederschläge.

Ein Hale-Zyklus überspannt zwei Schwabe-Zyklen. Die beiden Schwabe-Zyklen erscheinen nach der Dynamik der Sonnenflecken annähernd identisch. Nicht identisch ist die Kraft des Magnetfeldes der Sonne, das während der beiden Schwabe-Zyklen auf die Erdatmosphäre einwirkt. Innerhalb des Hale-Zyklus besteht hinsichtlich des solaren Magnetfeldes eine deutliche Asymmetrie zwischen der ersten und zweiten Hälfte (2). Mit Hilfe der letzten 10 Schwabe-Zyklen seit 1917 kann belegt werden, dass sich die Asymmetrie auch in der Niederschlagssumme in Deutschland zeigt. So ist in nur einem der beiden Schwabezyklen eine enge Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Regenmenge vorhanden.

Zum Aufdecken des Einflusses der beiden Hälften des Hale-Zyklus auf die Regensumme dienen die letzten 10 neu eingeteilten Schwabe-Zyklen seit 1917. Fünf Schwabe-Zyklen werden der ersten Hälfte des Hale-Zyklus zugeordnet, die fünf anderen der zweiten Hälfte, s. Tabelle 1. Welche Hälfte als Erste oder Zweite bezeichnet wird, ist natürlich willkürlich. Von Bedeutung ist nur, dass jeder zweite Schwabe-Zyklus zur gleichen Hälfte des Hale-Zyklus gezählt wird.

Tabelle 1: Die zehn seit 1917 aufgetretenen Schwabe-Zyklen und Zuordnung zur ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus

In den folgenden Abschnitten wird der Unterschied des solaren Einflusses auf die Regensumme zwischen der ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus am Beispiel verschiedener Jahreszeiträume dargestellt.

Jahresniederschlagssumme

Die beiden Hälften des Hale-Zyklus unterscheiden sich hinsichtlich der Kurvenbilder der Jahresniederschlagsumme, s. Abbildung 1. In der ersten Hälfte (oberes Bild) verlaufen die fünf Linien während des gesamten Sonnenzyklus meist chaotisch. Der Niederschlagstrend aus dem aktuellen Schwabe-Zyklus, der 2013 beginnt und zur zweiten Hälfte des Hale-Zyklus gehört, ist zur Orientierung eingefügt (rot gestrichelte Linie). Eine Beziehung zu den anderen Linien ist nicht erkennbar.

Abbildung 1: Trend der Jahresniederschlagssumme in jeweils fünf Schwabe-Zyklen aus der ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus

Ein anderes Kurvenbild zeigt sich in der zweiten Hälfte (s. unteres Bild). Die 5 Kurven verlaufen zeitweise in ähnlichen Bahnen, wobei die blaue Mittelwertkurve den Trend kennzeichnet. Die Ausschläge der blauen Trendlinie sind mit der solar verursachten Spanne von 200 mm im unteren Bild wesentlich stärker als im oberen Bild aus der ersten Hälfte des Hale-Zyklus. Die Zyklusphasen mit ähnlichem Kurvenverlauf und daraus abgeleitetem solaren Einfluss sind mit grauen Feldern markiert. Im linken Feld sinkt die Niederschlagssumme im Mittel der 5 Zyklen vom ersten zum zweiten Zyklusjahr um 155 mm auf 80 Prozent des Vorjahres, um im Zyklusjahr 3 wieder um fast den gleichen Betrag anzusteigen. Im mittleren Feld sinkt das Mittel der 5 Kurven vom Zyklusjahr 5 zu 6 um 166 mm auf ebenfalls 80 Prozent. Im rechten Feld steigt die Niederschlagssumme im Zyklusjahr 9 wieder auf das Niveau aus dem Zyklusjahr 5 und verharrt dort für mindestens zwei Jahre.

Für die Landwirtschaft kritische Dürrejahre mit einer Jahresniederschlagssumme unter 650 mm treten in Deutschland in beiden Hälften des Hale-Zyklus fast ausschließlich in den Zyklusjahren 2 sowie 6 und 7 auf. In der zweiten Hälfte des Hale-Zyklus im unteren Bild ist die Wahrscheinlichkeit für Dürre in den beiden Zyklusjahren 2 und 6 sogar hoch bis sehr hoch. Zu den Zyklusjahren 2 und 6 gehören auch die meisten in einer Forschungsarbeit zum Auftreten von Extremdürre in Mitteleuropa genannten Jahre wie 1949, 1953, 1959, 1976, 2003 und 2018 (3). Das Auftreten von Dürrejahren ist in Mitteleuropa offensichtlich eng an die Sonnenaktivität gekoppelt.

Der aktuelle 2013 beginnende Zyklus (rot gestrichelte Linie) verläuft innerhalb des Korridors der anderen Zyklen. Der Abstand der roten Linie zur blauen Mittelwertlinie ist klein. Der insgesamt mehr oder weniger gleichförmige Kurvenverlauf eröffnet neue Möglichkeiten der langfristigen Prognose der Jahresniederschlagssumme für die Jahre, die in der zweiten Hälfte des Hale-Zyklus liegen. Die Dürre 2018 hätte mit den Erkenntnissen aus Abbildung 1 schon Jahre vorher prognostiziert werden können. Für 2021 und 2022 ist entsprechend der Kurvenverläufe in der unteren Hälfte von Abbildung 1 eine überdurchschnittliche Regensumme zu erwarten.

Niederschlagssumme von August bis Oktober

Der solare Einfluss auf die Jahresniederschlagssumme lässt vermuten, dass auch in einzelnen Monatsgruppen oder sogar einzelnen Monaten solarer Einfluss vorhanden ist. Im ersten Schritt wurden Dreimonatsgruppen gebildet und nach solarem Einfluss untersucht. Die engste Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Regensumme besteht im Dreimonatszeitraum von August bis Oktober.

Im Zeitraum August bis Oktober unterscheiden sich die Kurvenbilder zwischen der ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus, s. Abbildung 2. In der ersten Hälfte (s. oberes Bild) verlaufen die fünf Linien während des gesamten Sonnenzyklus wie schon bei der Jahresniederschlagssumme chaotisch und ohne erkennbaren gemeinsamen Trend und ohne dass ein Zusammenhang zwischen dem Trend des aktuellen zur ersten Hälfte des Hale-Zyklus gehörenden Schwabe-Zyklus (rote gestrichelte Linie) und den anderen Linien zu erkennen ist.

Abbildung 2: Trend der Niederschlagssumme August bis Oktober in jeweils fünf Schwabe-Zyklen aus der ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus

In der zweiten Hälfte im unteren Bild zeigt sich an der Ähnlichkeit der Kurven eine Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Niederschlagssumme. Auch hier sind die Ausschläge der blauen Trendlinie im unteren Bild wesentlich stärker als im oberen Bild aus der ersten Hälfte des Hale-Zyklus. Die drei grau eingefärbten Felder kennzeichnen Zweijahresblöcke mit gleichförmigem Kurvenverlauf, was auf starken solaren Einfluss schließen lässt. Im linken Feld sinkt die Niederschlagssumme im Mittel von Zyklusjahr 1 zu 2 um 52 mm auf 75 Prozent. Vom Zyklusjahr 5 zu 6 im mittleren Feld sinkt die Niederschlagssumme um 94 mm auf 62 Prozent. Vom Zyklusjahr 9 zu 10 beträgt der Abstieg 79 mm auf 70 Prozent des Vorjahresniveaus.

Der Abstand der roten Linie des aktuellen Zyklus zur blauen Mittelwertlinie ist in den meisten Zyklusjahren gering. Die blaue Linie kann zumindest in 6 von 11 Jahren, in denen die fünf Kurven eng beieinander liegen, für Prognosen genutzt werden. Wer im Spätsommer oder Herbst in Deutschland  langfristig einen Urlaub plant, kann in den Zyklusjahren 2 und 6 am ehesten mit trockenem, in den Zyklusjahren 5 und 9 am wahrscheinlichsten mit verregnetem Wetter rechnen. Landwirte können in Deutschland in den Zyklusjahren 2 und 6 entspannt der Ernte und der Herbstbestellung der neuen Saat entgegensehen und sich auf Nässeprobleme in den Zyklusjahren 5 und 9 einstellen.

Februar-Niederschlagssumme

Der Februar ist der Einzelmonat mit der engsten Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Regensumme. Das konnte schon mit Hilfe von Korrelationskoeffizienten zwischen der Sonnenaktivität und der Regensumme für Deutschland qualitativ nachgewiesen und publiziert werden (4). In diesem Beitrag kann der solare Einfluss auch quantitativ in Millimetern Niederschlag dargestellt werden.

Wie schon in den beiden zuvor beschriebenen Zeiträumen unterscheiden sich die Bilder der Februar-Niederschlagssumme zwischen der ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus, s. Abbildung 3.  Im oberen Bild aus der ersten Hälfte des Hale-Zyklus ist am zeitweise gemeinsamen Trend der Kurven ein leichter solarer Einfluss erkennbar. Allerdings ist der Korridor, in dem die Kurven verlaufen, relativ breit.  Zwischen dem Trend des aktuellen 2013 beginnenden Schwabe-Zyklus (rot gestrichelte Linie) und dem Trend der anderen Kurven ist wenig Ähnlichkeit feststellbar.

Abbildung 3: Trend der Februar-Niederschlagssumme in jeweils fünf Schwabe-Zyklen aus der ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus

In der zweiten Hälfte des Hale-Zyklus im unteren Bild verlaufen die Kurven in zwei Phasen (grau gekennzeichnet) fast ausnahmslos gleichgerichtet. Von Zyklusjahr 1 zu 2 sinkt das Mittel der fünf Zyklen um 55 mm auf 34 Prozent des Vorjahreswertes.  Von Zyklusjahr 7 zu 8 steigt die gemittelte Niederschlagssumme um 58 mm, sinkt im Folgejahr wieder um 49 mm und steigt zum Zyklusjahr 10 wieder um 43 mm an. Die Beträge, um die sich die Niederschlagssumme von Jahr zu Jahr verändern, sind beachtlich und weisen auf ein außergewöhnlich starkes Sonnensignal hin.

Der Niederschlagstrend im aktuellen Zyklus (s. rot gestrichelte Linie) verläuft innerhalb des Korridors der anderen Kurven. In den beiden grau hinterlegten Zeiträumen liegt die rot gestrichelte Linie in der Nähe der blauen Mittelwertlinie. Das ist ein Hinweis auf die gute Prognostizierbarkeit der Regensumme in den Zyklusjahren 1 und 2 sowie 7 bis 11.

Die an drei Zeiträumen beispielhaft aufgezeigten Unterschiede zwischen der ersten und zweiten Hälfte des Hale-Zyklus bestehen auch in anderen Mehrmonatszeiträumen, besonders im Zeitraum von Januar bis März und in den Einzelmonaten Juni und Oktober. Dabei zeigt sich das gleiche Bild mit höchstens schwacher Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Niederschlagssumme in der ersten Hälfte und bisher nicht bekanntem zeitweiligem schon fast zuverlässigem solarem Einfluss in der zweiten Hälfte des Hale-Zyklus.

Solar basierte Niederschlagsprognose für 2021

Nur für die Kalenderjahre, die nach der Vorgabe in Tabelle 1 zur zweiten Hälfte des Hale-Zyklus gehören, wie die Jahre des aktuellen Schwabe-Zyklus, ist eine mehrjährige Langfristprognose möglich.  Die aus Mittelwerten von 4 Schwabe-Zyklen errechneten Prognosewerte der Monatsniederschlagssummen für das Kalenderjahr 2021 sind in Abbildung 4 mit prozentualen Werten angegeben. Für Januar sind überdurchschnittliche, für Februar unterdurchschnittliche Niederschlagssummen für Deutschland zu erwarten. Im Sommer 2021 ist gegenüber dem langjährigen Trend mit überdurchschnittlicher Niederschlagsmenge zu rechnen, im Herbst sogar mit außergewöhnlich hoher Niederschlagssumme.  Die rot gestrichelte Linie mit den Prozentangaben aus diesem Jahr zeigt, inwieweit Prognose und Messwert bisher übereinstimmen. Die Zuverlässigkeit dieser Niederschlagsprognose ist in den Monaten März, April, Mai und August am geringsten, weil die Beziehung zwischen Sonnenaktivität und Regen in diesen Monaten relativ schwach ist.

Abbildung 4: Prognose der Monatsniederschlagssummen für 2021 in Deutschland auf Basis der Schwabe- und Hale-Zyklen der Sonne

Regionalität des solaren Einflusses auf die Regensumme

Mitteleuropa ist nach bisheriger Recherche ein globaler Hotspot für solaren Einfluss auf die Niederschlagssumme. Aber auch in vielen anderen Klimaräumen lässt sich solarer Einfluss nachweisen (5). Zum Beispiel schwankt die Jahresniederschlagssumme in dem Agrarstaat Iowa/USA, einem globalen Zentrum für Soja- und Maisproduktion, solar beeinflusst zwischen 720 und 1080 mm. In Indien variiert die Niederschlagssumme in den für die Reisproduktion entscheidenden Monsun-Monaten Juni bis August solar bedingt zwischen 590 und 710 mm. Mit Hilfe eines auf dem 11- und 22-Jahreszyklus der Sonne basierten Prognosemodells sind in Zukunft Einschätzungen des Dürrerisikos und des Risikos von Mindererträgen auf bestimmten Kontinenten oder in verschiedenen Staaten oder Regionen möglich.

Zentrale Rolle der Quasi-Biennalen Oszillation

In diesem Beitrag irritiert beim erstmaligen Betrachten der Abbildungen eventuell der Zickzack-Verlauf der Kurven. Die Ursache für den Verlauf dürfte in einer solar beeinflussten Höhenströmung über dem Äquator liegen, in der sich die Windrichtung fast jährlich umkehrt (Quasi-Biennale Oszillation, QBO). Nach eigenen Analysen besteht im zweiten Teil des Hale-Zyklus zeitweise eine enge Korrelation zwischen der Windrichtung in der QBO und der Niederschlagssumme. Offensichtlich wird das solare Muster in der QBO auf die Niederschlagssumme in Deutschland übertragen.

Diese Analyse unterstützt frühere Belege für einen 22-Jahresrhytmus der Niederschlagsmenge (6) und legt nahe, dass die Niederschlagsmenge in Europa durch langfristige Sonnenvariabilität und solare magnetische Effekte gesteuert wird und dass der 22-jährige solarmagnetische Hale-Zyklus eine größere Rolle bei Klimaveränderungen spielt als bisher angenommen. Die in Tabelle 1 dargestellte jahresgenaue Einteilung der Hale-Zyklen seit 1917 kann dazu genutzt werden, in historischen Baumringdaten nach Spuren des Hale-Zyklus zu suchen. Der Nachweis des Hale-Zyklus in Baumringen ist bisher schon gelungen (7), (8), dürfte mit der Neueinteilung des Schwabe- und Hale-Zyklus aber noch erfolgversprechender sein.

Quellen:

  • Hanel, M., Rakovec, O., Markonis, Y. et al., (2018) Revisiting the recent European droughts from a long-term perspective. Sci Rep 8, 9499, DOI 10.1038/s41598-018-27464-4
  • Ludger Laurenz, Horst-Joachim Lüdecke, Sebastian Lüning, (2019) Influence of solar activity changes on European rainfall. DOI: 0.1016/j.jastp.2019.01.012
  • Horst-Joachim Lüdecke, Gisela Müller-Plath, Michael G. Wallace, Sebastian Luening, (Februar 2021) Decadal and multidecadal natural variability of African rainfall  DOI: 10.1016/j.ejrh.2021.100795
  • Mitchell J.M., Stockton C.W., Meko D.M., (1979) Evidence of a 22-year Rhythm of Drought in the Western United States Related to the Hale Solar Cycle since the 17th Century. DOI: 10.1007/978-94-009-9428-7-13
  • Shumilov,O.I.;Kasatkina,E.A.;Mielikainen,K.;Timonen,M.;Kanatjev,A.G.Palaeovolcanos, (2011) Solaractivity and pinetree rings from the Kola Peninsula (north-western Russia) over the last 560years. Palaeovolcanos.Int.J.Environ.Res.2011,5,855–864

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