Von Dr. Ludger Laurenz
Zusammenfassung:
Der Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Wettertrends ist bisher noch nicht wissenschaftlich geklärt. Dazu gibt es viele wissenschaftliche Meinungen, die voneinander abweichen und sich widersprechen. In dieser Situation liefert die neue Publikation von Leamon et al. einen wichtigen Baustein zur Aufdeckung von solarem Einfluss (1). Die Sonne durchläuft 22-jährige Magnetzyklen, die auch als Hale-Zyklen bezeichnet werden. Das Autorenteam hat für die letzten 60 Jahre die Kalenderjahre bestimmt, in denen der Wechsel von einem zum nächsten Zyklus stattfindet. Durch Bestimmung der Wechseljahre ist es möglich, solaren Einfluss in historischen Klimadaten, von der Oberflächentemperatur tropischer Ozeane bis zu Temperatur-, Sonnenschein- und Niederschlagsdaten aufzuspüren, zu belegen und quantitative Aussagen zum Einfluss der Sonnenaktivität auf Wetterdaten zu machen.
Mit Hilfe der Wechseljahre zwischen den Hale-Zyklen kann mit hoher statistischer Signifikanz eine Korrelation zwischen dem 22-jährigen Hale-Zyklus der Sonne und dem Trend der Wintertemperatur in der Polarnacht von Norwegen nachgewiesen werden. Parallel zum Temperaturtrend zeigt sich der solare Einfluss der Hale-Zyklen auch in den Indexwerten der Nordatlantischen und Arktischen Oszillation. Der Nachweis des Einflusses der Sonnenaktivität in der Polarnacht von Skandinavien belegt, dass Unterschiede in der Sonnenaktivität über Verstärkermechanismen wie Änderung der Zirkulationsmuster in der Nordatlantischen und der Arktischen Oszillation auf die bodennahe Temperatur übertragen werden.
Mit Hilfe der Wechseljahre zwischen den einzelnen Hale-Zyklen kann nachgewiesen werden, dass die aktuelle Frühjahrskälte in Mittel- und Westeuropa von der Sonnenaktivität beeinfluss wird. Für den Sommer 2021 ist ebenfalls mit eher kühler Temperatur zu rechnen, weil die Sommertemperatur in den letzten 6 Hale-Zyklen seit 1900 speziell im Zyklusjahr 11, zu dem auch 2021 gehört, gesetzmäßig ca. 1,5 °C niedriger liegt als in den Zyklusjahren davor.
Einleitung
In der Wissenschaft wird aktuell intensiver den je über den Anteil der Sonne an Klimaveränderungen und Wettereinflüssen diskutiert. In einer Publikation von Juni 2021 fasst ein internationales Autorenteam von 23 namhaften Wissenschaftlern den aktuellen Stand der Forschung zum solaren Einfluss zusammen (2). Dazu wurden 536 wissenschaftliche Publikationen ausgewertet. Darunter ist auch eine Arbeit, an der der Autor dieses Beitrages beteiligt ist (3). Als Ergebnis der Auswertung wird so zusammengefasst: “Im Titel haben wir gefragt: „Wie stark hat die Sonne die Temperaturtrends der nördlichen Hemisphäre beeinflusst?“ Es sollte nun jedoch offensichtlich sein, dass diese Frage trotz der Zuversicht, mit der viele Studien behaupten, sie beantwortet zu haben, noch nicht zufriedenstellend beantwortet wurde. Angesichts der vielen gültigen abweichenden wissenschaftlichen Meinungen, die zu diesen Fragen bestehen, argumentieren wir, dass die jüngsten Versuche, einen scheinbaren wissenschaftlichen Konsens (einschließlich der IPCC-Berichte) zu diesen wissenschaftlichen Debatten zu erzwingen, verfrüht und letztlich für den wissenschaftlichen Fortschritt nicht hilfreich sind. Wir hoffen, dass die Analyse in diesem Papier weitere Analysen und Diskussionen anregen und fördern wird“.
Der Terminator am Ende des 22-jährigen Hale-Zyklus der Sonne
Einen extrem wichtigen Baustein für Fortschritte bei der Suche nach solaren Einflüssen auf den Temperaturtrend und schließlich das Klima und Wetter liefert eine aktuelle Publikation von Leamon et al. (1). Das Ergebnis dieser Arbeit kann folgendermaßen zusammengefasst werden: Die Sonne durchläuft einen 22-jährigen Magnetzyklus. Am Zyklusende wird das Zyklusprogramm der Sonne wie bei einem Reset gelöscht und innerhalb weniger Tage nach wiederkehrendem Muster neu gestartet. Der Reset-Zeitpunkt wird als Terminator bezeichnet. „Unter Verwendung von direkten Beobachtungen und Proxies der Sonnenaktivität, die etwa sechs Jahrzehnte zurückreichen, können wir mit hoher statistischer Signifikanz eine Korrelation zwischen dem Auftreten von Terminatoren (Ende des 22-jährigen Hale-Zyklus) und den größten Schwankungen der ozeanischen Indizes der Erde nachweisen: dem Übergang von El Niño zu La Niña-Zuständen im zentralen Pazifik“.
Der Autor hat die Terminatoridee aufgegriffen und damit in historischen Wetterdaten nach solarem Einfluss gesucht. Dazu werden im ersten Schritt die Terminatorjahre, in denen die Sonne von einem Zyklus in den nächsten 22-Jahreszyklus wechselt, bestimmt. Die Bestimmung ist beim aktuellen Zyklus einfach, weil Leamon et al. das Jahr 2011 als Wechseljahr aus sonnenphysikalischen Messergebnissen ableiten können. Diese Messergebnisse liegen aber aus früheren Zyklen nicht vor. Leamon et al. haben die Terminatorjahre aus der Zeit vor 2000 aus direkten Beobachtungen und Proxies der Sonnenaktivität gewonnen.
Der Autor hat die Terminatorjahre, die vor 2000 liegen, aus seinen eigenen Beobachtungen in historischen Wetterdaten abgeleitet (4). Bei den Beobachtungen war aufgefallen, dass nur in jedem zweiten 11-Jahreszyklus eine enge Korrelation zwischen der Sonnenaktivität und historischen Wetterdaten besteht, während die Beziehung in den anderen Zyklen wesentlich schwächer oder nicht vorhanden ist. Damit war die Idee entstanden, dass der 22-jährige Hale-Zyklus eine wichtige Rolle beim Einfluss der Sonnenaktivität auf das Wetter spielt. Die in der folgenden Abbildung 1 angegebenen Wechseljahr zwischen den einzelnen Hale-Zyklen sind eine Synthese aus Beobachtung historischer Wetterdaten und den Beobachtungen und Proxies der Sonnenaktivität, die Leamon et al. genutzt haben.
Abbildung 1: Wechseljahre („Terminatorjahre“) der 22-jährigen Hale-Zyklen der Sonne (senkrechte gestrichelte Linien) vor dem Hintergrund der Sonnenfleckenverteilung auf den beiden Polhälften (oberes Bild) und der täglichen Anzahl von Sonnenflecken (unteres Bild)
In der oberen Hälfte der Abbildung wird anhand der bunten „Schmetterlingsbilder“ die Wanderung der Sonnenflecken innerhalb der 11-Jahreszyklen von den Polen der Sonne zum Sonnenäquator beschrieben. In der unteren Hälfte der Abbildung ist an den schwarzen Säulen zu erkennen, dass die gewählten Terminatorjahre (senkrechte rot gestrichelte Linien) im aufsteigenden Ast der Sonnenfleckenaktivität liegen. Die Terminatorjahre in der obigen Abbildung unterscheiden sich nur geringfügig von denen, die Leamon et al. verwendet haben.
Solarer Einfluss auf die Wintertemperatur in Norwegen
Mit Hilfe der oben aufgeführten Terminatorjahre lässt sich in historischen Wetterdaten solarer Einfluss nachweisen. Dazu wird der Temperaturtrend mehrerer ca. 22-jährige dauernder Hale-Zyklen so übereinandergestapelt, dass das Terminatorjahr am Beginn des Zyklus liegt. Ein besonders großer solarer Einfluss besteht im Trend der Wintertemperatur von Skandinavien. Der solare Einfluss ist in Norwegen am größten und im Temperaturmittel der Monate Dezember und Januar besonders stark ausgeprägt, s. Abbildung 2.
Abbildung 2: Trend der Mitteltemperatur Dezember/Januar in Norwegen während des 22-jährigen Hale-Zyklus der Sonne seit 1903
Die untere x-Achse kennzeichnet die 22 Jahre des Hale-Zyklus. Die an der X-Achse ergänzten roten Jahresangaben von 2011 bis 2032 dienen als Orientierung, um die aktuellen Kalenderjahre den einzelnen Jahren des Hale-Zyklus zuordnen zu können. Die Kurven beschreiben den Temperaturtrend innerhalb der 6 Hale-Zyklen, die seit 1903 entstanden sind. Die Jahreszahl des Beginns der jeweiligen Zyklen ist in dem Rahmen am linken Bildrand angegeben.
Auffällig ist der gleichförmige Kurvenverlauf in den ersten vier Jahren des Zyklus. In jedem der 6 Zyklen steigt und fällt die Temperatur in den ersten vier Zyklusjahren um mehr als 2 ° C. Das Temperaturniveau sinkt im weiteren Verlauf des Hale-Zyklus in jedem der 5 vollständigen Zyklen um etwa 3 ° C ab. Als Ursache für das Auf und Ab der Kurven in den ersten 4 Zyklusjahren wird ein solar beeinflusster jährlicher Windrichtungswechsel in der Quasi-Biennalen Oszillation in der Stratosphäre über dem Äquator vermutet.
Wegen der grundsätzlichen Bedeutung für die Klimaforschung wird in den beiden folgenden Abbildungen das Ergebnis der Signifikanzprüfung dargestellt. Zur Auswertung wurde ein niederländisches Auswertungsprogramm genutzt (https://climexp.knmi.nl/start.cgi).
Abbildung 3 : Periodogramm der Mitteltemperatur Dezember/Januar aus Norwegen 1902 bis 2020 mit Überschreiten der Signifikanzschwelle (blaue Linie) bei ca. 20 Jahren
Im Periodogramm in Abbildung 3 übersteigt die rote Linie die Signifikanzschwelle bei ca. 20 Jahren. Bei der Wavelet-Transformation in Abbildung 4 ist die Zeitzone um die Periode von ca. 20 Jahren über fast den gesamten Zykluszeitraum rot-violett eingefärbt, als Beleg für das Vorhandensein einer Periodizität von ca. 20 Jahren.
Abbildung 4: Wavelet-Transformation der Mitteltemperatur Dezember/Januar aus Norwegen 1902 bis 2020 mit farbiger Hervorhebung der Periodizität von ca. 20 Jahren
Die Korrelation zwischen der durch den Hale-Zyklus repräsentierten Sonnenaktivität und den Temperaturschwankungen in Norwegen ist statistisch signifikant. In beiden Abbildungen ist auch zu erkennen, dass der 11-Jahreszyklus der Sonne und der ca. 60-jährige Zyklus der Atlantischen Wassertemperatur (AMO) die Wintertemperatur in Norwegen beeinflussen.
Mit dem Wechsel von einem Hale-Zyklus zum nächsten sind wiederkehrende Temperaturveränderungen in der Wintertemperatur von Norwegen verbunden
Mit Terminator oder Terminator-Ereignis bezeichnen Leamon et al. das Ende des 22-jährigen Hale-Zyklus, bevor die Sonne den neuen Hale-Zyklus startet. Jedes Terminator-Ereignis in der Sonne löst wiederkehrende Änderungen in der Wintertemperatur von Norwegen aus, s. Abbildung 5.
Abbildung 5: Trend der Mitteltemperatur Dezember/Januar in Norwegen während des 22-jährigen Hale-Zyklus der Sonne mit veränderter x-Achse zur Beschreibung des Temperaturtrends im Übergangsbereich von einem Hale-Zyklus zum nächsten
In dieser Darstellung ist die untere Zeitachse um drei Jahre vorgezogen worden. So kann der Temperaturtrend im Übergang vom alten auf den neuen Hale-Zyklus sichtbar gemacht werden. Bis zum Jahr 1 des neuen Zyklus verlaufen die sechs Kurven chaotisch ohne erkennbaren Trend. Exakt im Zyklusjahr 1, das dem Terminatorjahr in der Sonne entspricht, richten sich die Kurven der 6 Zyklen gemeinsam aus. Ohne hier einen statistischen Beleg für die Signifikanz des solaren Einflusses auf die Temperatur im Terminatorjahr zu liefern, ist erkennbar, dass der Kurvenverlauf nicht zufällig sein und die Sonne als Verursacher benannt werden kann.
Der gleiche einheitliche Kurventrend ist auch im Index der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und der Arktischen Oszillation (AO) vorhanden. Das zeigen die beiden folgenden Abbildungen.
Abbildung 6: Trend der Nordatlantischen Oszillation (NAO) während des 22-jährigen Hale-Zyklus mit veränderter x-Achse zur Beschreibung des Trends im Übergangsbereich von einem Hale-Zyklus zum nächsten
Bei der NAO richten sich die Kurven im Zyklusjahr 1 wie schon bei der Temperatur gemeinsam aus und pendeln einheitlich zwischen hohem und niedrigem Wert hin und her. Ab dem Zyklusjahr 7 schwächt sich die ordnende Hand der Sonne ab und erscheint nur noch in einem leicht abnehmenden Trend. Der Trend der Kurven des AO-Index entspricht dem Trend bei der NAO.
Abbildung 7: Trend der Arktischen Oszillation (AO) während des 22-jährigen Hale-Zyklus der Sonne mit veränderter x-Achse zur Beschreibung des Trends im Übergangsbereich von einem Hale-Zyklus zum nächsten.
Als Fazit bleibt festzustellen, dass zwischen der durch den Hale-Zyklus beschriebenen Sonnenaktivität und der Wintertemperatur, der Nordatlantischen und der Arktischen Oszillation eine statistisch signifikante Korrelation besteht.
Wie ist der Einfluss der Sonnenaktivität auf den Temperaturtrend in der Polarnacht von Skandinavien erklärbar?
Die Existenz eines so starken solaren Einflusses auf die Wintertemperatur in Skandinavien überrascht, da zu der Zeit die Polarnacht herrscht und die Sonne praktisch keinen direkten Einfluss auf die Lufttemperatur hat. Der Nachweis des Einflusses unterschiedlicher Sonnenaktivität auf den Temperaturtrend in der Polarnacht von Skandinavien zeigt, dass Unterschiede in der Sonnenaktivität über Verstärkermechanismen wie Änderung der Zirkulationsmuster in der Nordatlantischen und der Arktischen Oszillation auf die bodennahe Temperatur übertragen werden. Die Klärung der Frage, wie die Übertragung des Sonnensignals von der Stratosphäre auf die untere Troposphäre in einzelnen Schritten abläuft, ist Aufgabe von Atmosphärenforschern und soll hier ausgeklammert bleiben.
Kalter April 2021 durch die „kalte Sonne“
Der April 2021 war in Mittel- und Westeuropa so kalt wie seit ca. 40 Jahren nicht mehr. Besonders kalt war es in England. Anhand der Temperaturreihe aus „Centralengland“ (https://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadcet/cetml1659on.dat) ist nachweisbar, dass die Sonne in den letzten 120 Jahren exakt im Jahr 11 des Hale-Zyklus, zu dem das Jahr 2021 gehört, dafür sorgt, dass die Temperatur im April absinkt, um sie ein Jahr später im Zyklusjahr 12 um den gleichen Betrag wieder anzusteigen zu lassen, s. Abbildung 8.
Abbildung 8: Trend der April-Temperatur in England während des 22-jährigen Hale-Zyklus der Sonne seit 1903
Der einheitliche Kurvenverlauf in den Zyklusjahren 10 bis 13 erlaubt die Aussage, dass die Sonnenaktivität diesen Temperaturverlauf bestimmt. Der gemeinsame Temperaturtrend in den Zyklusjahren 10 bis 13 kann kein Zufall sein. Dieses Auf und Ab der Apriltemperatur in den Zyklusjahren 10 und 13 lässt sich auch im Zeitraum bis 1703 zurückverfolgen. Im aktuellen Zyklus mit der rot gestrichelten Linie sinkt die Temperatur von 2020 zu 2021 um annähernd 4°C. Dieser Absturz ist solar beeinflusst. Rückwärts betrachtet kann aus dem Kurvenverlauf die Hypothese aufgestellt werden, dass die außergewöhnlich hohe Temperatur in den drei Vorjahren von 2018 bis 2020 ebenfalls solar beeinflusst ist.
Der auffällige solare Einfluss auf die April-Temperatur um das Zyklusjahr 11 herum lässt sich mit dem von Leamon et al. geprägten Terminatorgedanken erklären. Im Zyklusjahr 11 beendet die Sonne den ersten der beiden kleinen Zyklen von 11 Jahren, aus denen sich der 22-jährige Hale-Zyklus zusammensetzt. Zwischen dem ersten und zweiten 11-Jahreszyklus gibt es ein Zwischenrest oder „kleinen Terminator“, mit dem erneut ein deutliches Sonnensignal in Wetterdaten verbunden ist.
Kühler Sommer 2021 durch die „kalte Sonne“?
Die Aussichten für den Sommer 2021 in Deutschland sind aus Sicht der Sonnenaktivität eher unterkühlt. In den letzten 6 Hale-Zyklen seit 1900 war im Jahr 11 des Hale-Zyklus, zu dem auch 2021 gehört, nicht nur der April unterkühlt, sondern auch der Sommer, s. Abbildung 9.
Abbildung 9: Trend der Sommertemperatur in Deutschland während des 22-jährigen Hale-Zyklus der Sonne seit 1903
Im Jahr 11 des Hale-Zyklus liegt das Temperaturmittel von Juni bis August in jedem der 6 Hale-Zyklen seit 1900 gesetzmäßig um ca. 1,5 °C niedriger als in den Zyklusjahren davor. Sehr spannend wird die Temperaturentwicklung in diesem Sommer. Sinkt die Sommertemperatur um nur 1,5 °C wie im Mittel, oder stürzt die Temperatur um 4 °C ab, wie in Abbildung 8 bei der Apriltemperatur in Centralengland?
Hinweis:
In diesem Beitrag sind statistisch signifikante Korrelationen zwischen Sonnenaktivität und Temperatur nachgewiesen worden. In einem Folgebeitrag wird die Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Sonnenscheindauer sowie Niederschlagsaktivität in Deutschland aufgedeckt und die These aufgestellt, dass das Auftreten von Dürre wie in den letzten drei Jahren mit der Sonnenaktivität korreliert.
Quellen:
- Robert J. Leamon et al. (Feb. 2021) Termination of Solar Cycles and Correlated Tropospheric Variability, doi.org/10.1029/2020EA001223
- Ronan Connolly et al. (June 2021): How much has the Sun influenced Northern Hemisphere temperature trends? An ongoing debate, Research in Astronomy and Astrophysics
- Laurenz L, Lüdecke H-J and Lüning S (2019), Influence of solar activity changes on European rainfall, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 185 29–42, doi.org/10.1016/j.jastp.2019.01.012
- Laurenz L, (2021): kaltesonne.de/hypothese-einfluss-der-sonnenaktivitaet-auf-den-regen-in-deutschland-viel-groesser-als-bisher-gedacht/#more-63293