Wie die Sonnenaktivität in Deutschland in den letzten vier Jahren Sonnenscheindauer und Temperaturniveau im Hochsommer geprägt hat

Von Dr. Ludger Laurenz

Zusammenfassung

  • Die Sonne durchläuft wie bei einem Uhrwerk alle 22 Jahre einen Aktivitätszyklus, der mit Wettertrends (Monats- oder Jahreswerten) korreliert und dafür sorgt, dass sich bestimmte Trends nach etwa 22 Jahren wiederholen.
  • In Deutschland machen sich Schwankungen der Sonnenaktivität auf Wettertrends am stärksten in der Mitte des 22-jährigen Hale-Zyklus bemerkbar, in den Zyklusjahren 8 bis 12. Dazu zählen die Jahre 2018, 2019, 2020 und 2021.
  • In den Zyklusjahren 8 bis 12 besteht in den Hochsommermonaten Juli/August eine enge Korrelation zwischen Sonnenaktivität, Sonnenscheindauer und Temperatur.
  • Der Unterschied im Temperaturniveau zwischen dem sehr sonnigen und heißen Hochsommer 2018 und dem relativ kühlen und regenreichen Hochsommer 2021 kann primär auf den Einfluss der Sonnenaktivität zurückgeführt werden.

Einleitung

Wissenschaftler sind sich bisher uneinig über den Einfluss schwankender Sonnenaktivität auf Wettertrends und Klimaveränderungen. Die eine Seite vertritt die Ansicht, von der Sonne könne nur geringer Einfluss auf das Klima ausgehen, weil die direkt messbare Sonnenstrahlung (TSI) nur um 0,1 Prozent schwankt. Dies würde bedeuten, dass natürliche Faktoren kaum einen Beitrag zur langfristigen Erwärmung leisten und die Erwärmung der letzten Zeit primär anthropogen verursacht ist. Diese Ansicht vertreten zum Beispiel der Weltklimarat IPCC und das Potsdam Institut für Klimafolgenforschung (PIK).

Auf der anderen Seite widersprechen 23 weltweit anerkannte Experten auf dem Gebiet der Sonnenphysik und Klimawissenschaft mit einer Publikation von Juni 2021 nach Auswertung von 545 Literaturquellen der Auffassung, dass von der Sonne kein relevanter Einfluss auf die aktuellen Klimaerwärmung ausgehen kann: „Die Wissenschaft um den Einfluss der Sonnenaktivität auf das Klima ist NICHT geklärt“. Sie weisen nach, dass der globale Temperaturanstieg seit Mitte des 19. Jahrhunderts größtenteils auf natürliche Zyklen zurückzuführen ist, vor allem auf langfristige Veränderungen der von der Sonne abgegebenen Energie (1).

Neudefinition des 22-jährigen Sonnenzyklus ermöglicht umfangreichen Nachweis von solarem Einfluss auf Wettertrends

In den letzten Monaten macht die Erforschung des Zusammenhanges zwischen der Sonnenaktivität und möglicher Einflüsse auf Wettertrends große Fortschritte. Unter Wettertrends sind Mittelwerte einzelner oder mehrerer Monate oder auch Jahresmittelwerte zu verstehen. Bisher dienten Sonnenflecken mit dem 11-jährigen Schwabe- und 22-jährigen Hale-Zyklus als Orientierung für die Suche nach solarem Einfluss auf Wettertrends. Neuere Untersuchungen lösen sich von der Sonnenfleckenorientierung, betrachten die Sonnenflecken nur als Symptom,  nutzen u.a. Satelliten gestützte sonnenphysikalische Messdaten (3).

Dadurch kann die Sonnenaktivität viel exakter erfasst und Phasen mit hoher Intensität schärfer von Phasen mit geringer Aktivität abgegrenzt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Sonnenaktivität wie bei einem Uhrwerk sehr zuverlässig ca. 22-jährige Zyklen durchläuft, wobei jedes einzelne Zyklusjahr charakteristische Sonnenaktivitätsmuster aufweist. Die exakte Abgrenzung einzelner Zyklusjahre untereinander war bisher anhand der schwammigen Sonnenfleckenmuster nicht möglich. Erst jetzt lassen sich Start- und Endtermine der 22-jährigen Sonnenzyklen definieren.

Der Schlüssel für die Aufdeckung des solaren Einflusses auf Wettertrends ist der 22-jährige Hale-Zyklus und die Bestimmung des Startjahres, in dem der Hale-Zyklus beginnt. Die Festlegung der Startjahre erfolgt als Synthese aus den Beobachtungen und Proxies der Sonnenaktivität, die Leamon et al. genutzt haben (3) und aus Beobachtungen des Autors dieses Beitrages zum Trend von historischer Wetterdaten (4).

Startjahre der Hale-Zyklen seit 1900:      1903    1926   1946   1968    1988    2011

Mit Hilfe der Startjahre können erstmalig jedem einzelnen Sonnenaktivitätsjahr die Wetterdaten desselben Jahres  gegenübergestellt werden. Dabei kommt heraus, dass die Korrelation zwischen dem von der Sonne beeinflussten Weltraumwetter (mit variabler UV-Strahlung, kosmischer Strahlung, Sonnenwind und Magnetfeldern) und den globalen Wettertrends enger als bisher angenommen ist und eine solide physikalische Verbindung zwischen solarer und troposphärischer Variabilität besteht. Belege liefern die Publikation von Leamon et al. (3) und mehrere Beiträge des Autors:

Signifikanter Einfluss der Sonnenaktivität auf die Wintertemperatur in der Polarnacht von Skandinavien (4)

Signifikanter Einfluss der Sonnenaktivität auf die Dürre 2018 und 2019 in Deutschland (5).

In Deutschland zeigen sich Schwankungen der Sonnenaktivität auf Wettertrends am stärksten in der Mitte des Hale-Zyklus, in den Zyklusjahren 8 bis 12. Das lässt sich am anschaulichsten und beispielhaft mit Hilfe der Juni-Niederschlagssumme demonstrieren, s. Anhang. 

Physikalische Zusammenhänge, über die die Variabilität der Sonnenaktivität aus dem Weltraum auf Wettertrends übertragen wird, werden immer noch schwer verstanden, sind Gegenstand intensiver Forschung.

Beziehung zwischen Sonnenaktivität und Sonnenscheindauer Juli/August in den Hale-Zyklusjahren 8 bis 12

Der Einfluss der Sonnenaktivität auf Wettertrends zeigt sich in der Sonnenscheindauer am stärksten in den beiden Hochsommermonaten Juli und August, s. Abb. 2. Im Zeitraum des gesamten Sommers von Juni bis August ist der Einfluss ebenfalls vorhanden, allerdings nicht ganz so stark ausgeprägt wie im Juli/August.

Abbildung 1: Sonnenscheindauer Juli/August in Deutschland während der Hale-Zyklusjahre 8 bis 12 seit 1953

Messwerte zur Sonnenscheindauer liegen vom Deutschen Wetterdienst erst seit 1951 vor. Insofern sind die Kurven in Abbildung 1 von nur vier Hale-Zyklen dargestellt. Die Kurven der Sonnenscheindauer folgen einem gemeinsamen Trend, was auf solaren Einfluss hindeutet. Im Mittel der Zyklen sinkt die Sonnenscheindauer vom Jahr 8 mit 484 Stunden über zwei Übergangsjahre im Jahr 11 auf 326 Stunden, um im Jahr 12 mit etwas größerer Streuung auf ähnlich tiefem Niveau zu verharren.

Der 1953 beginnende Zykluswert mit der grünen Linie weicht in den beiden ersten Jahren vom Trend der anderen Kurven ab, ohne allerdings den Haupttrend in Frage zu stellen. Der aktuelle, rot gestrichelte Zyklus mit den Jahren 2018, 2019, 2020 und 2021 folgt dem Trend, mit insgesamt überdurchschnittlichem Niveau der Sonnenscheindauer. Der Kurvenverlauf im aktuellen Zyklus trägt wesentlich zu der Annahme bei, dass der Trend nicht zufällig ist, sondern mit hoher Wahrscheinlichkeit von der Sonnenaktivität geprägt ist. Die Wahrscheinlichkeit steigt noch, wenn alle anderen Beobachtungen des Autors zum Einfluss der Sonnenaktivität auf Wettertrends in Deutschland und Europa, besonders die Ausführungen im Anhang dieses Beitrages einbezogen werden.

Seit 1953 hat das Niveau der Sonnenscheindauer von Zyklus zu Zyklus zugenommen. Der Hinweis ist bedeutsam im Hinblick auf die Suche nach Ursache für den Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte im letzten Abschnitt. In den nicht dargestellten Phasen vor dem Zyklusjahr 8 und nach dem Zyklusjahr 12 ist auch solarer Einfluss zu erkennen, allerdings nicht in dem Ausmaß wie in der Kernzone vom Jahr 8 bis 12.

Antizyklisch zur Sonnenscheindauer tendieren die Monatsniederschlagssummen von Juni und August. Je sonniger der Hochsommer, umso niedriger die Niederschlagssumme. Die hohe Niederschlagssumme in diesem Sommer 2021 war aufgrund des Zusammenhanges zwischen Sonnenaktivität und Sonnenscheindauer sowie Niederschlagsaktivität vorhersehbar.

Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Mitteltemperatur Juli/August in den Hale-Zyklusjahre 8 bis 12

Der Trend der Mitteltemperatur der beiden Hochsommermonate Juli und August ähnelt dem der Sonnenscheindauer, s. Abb. 2. Der Zeitraum ist auf die letzten 4 Hale-Zyklen beschränkt, um eine Vergleichbarkeit mit der zuvor beschriebenen Sonnenscheindauer zu erleichtern.

Abbildung 2: Mitteltemperatur Juli/August in Deutschland während der Hale-Zyklusjahre 8 bis 12 seit 1953

Die Temperatur sinkt im Mittel von Jahr 8 mit 18,7 °C nach zwei Übergangsjahren auf 16,2 °C. Der Abstieg beträgt beachtliche 2,5 °C. Die Kurven folgen einem gemeinsamen Trend, der auf solaren Einfluss hindeutet. Der aktuelle Zyklus mit der rot gestrichelten Linie folgt dem Trend. Wie schon bei der Sonnenscheindauer steigt das Temperaturniveau von Zyklus zu Zyklus.

Wie die Sonnenscheindauer die Hochsommertemperatur in Deutschland beeinflusst

In der folgenden Abbildung 3 ist die Beziehung zwischen der Sonnenscheindauer von Abbildung 1 und dem Temperaturmittel Juli/August von Abbildung 2 dargestellt. Der Zeitraum ist auf die Hale-Zyklusjahre 8 bis 11 begrenzt, der Phase mit besonders starkem solarem Einfluss.

Abbildung 3: Korrelation zwischen der Sonnenscheindauer und dem Temperaturmittel Juli/August in den Hale-Zyklusjahren 8 bis 11 seit 1953

Die vier zum gleichen Hale-Zyklus gehörenden Jahreszahlen sind einheitlich gefärbt, zum Beispiel mit Rot im jüngsten Hale-Zyklus (in Abb. 3 rechts oben).  Zwischen der Sonnenscheindauer und der Mitteltemperatur im Juli/August besteht eine statistisch hoch signifikante Korrelation. 250 Sonnenstunden korrelieren mit 15 °C, 550 Sonnenstunden mit 20 °C. Ein Teil der Streuung der Punkte um die Trendlinie kann mit der Schwankung der Wassertemperatur im nördlichen Atlantik erklärt werden, die durch den AMO-Index beschrieben wird. In Warmphasen wie aktuell (rot) liegen die Punkte eher über der Trendlinie, in Kaltphasen wie in den 70er Jahren (schwarz) eher unterhalb der Trendlinie.

In den vier Zyklen weist das vierte Jahr (1954, 1978, 1998, 2021) die niedrigste Temperatur auf. Im Mittel der vier Zyklen liegt die Temperatur im vierten Jahr um 2,5 °C niedriger als im ersten Zyklusjahr. Diese Temperaturdifferenz ist analog dem Kurvenverlauf in Abbildung 2 primär auf die Variation der Sonnenaktivität während des 22-jährigen Hale-Zyklus zurückzuführen. Damit ist die während des Hale-Zyklus periodisch schwankende Sonnenaktivität für die eine Hälfte der Temperaturdifferenz in Abbildung 4 hauptverantwortlich.

Ist die Sonnenaktivität am Unterschied im Temperaturniveau zwischen den Hale-Zyklen eventuell auch beteiligt?

Es bleibt die spannende Frage, was die Ursache für die andere Hälfte der Temperaturvariabilität von insgesamt 5 °C sein könnte. In Abbildung 2 und 3 ist zu erkennen, dass sich das Temperaturniveau in den vier Hale-Zyklen erheblich unterscheidet. Das Temperaturmittel zwischen den einzelnen Hale-Zyklen ist mit den Kreisen in Abbildung 3 gekennzeichnet. Die Spanne beträgt 2,6 °C.

Dass die Ursache für die Unterschiede im Temperaturniveau zwischen den vier Hale-Zyklen ebenfalls in der Variabilität der Sonnenaktivität liegen könnte, soll mit der folgenden Abbildung 4 zum Ausdruck gebracht werden. Hier wird das Temperaturniveau der einzelnen Zyklen in Beziehung gebracht zur Sonnenaktivität, deren Niveau sich zwischen den Zyklen erheblich unterscheidet.

Abbildung 4: Korrelation zwischen Sonnenaktivität und Temperatur Juli/August von vier Hale-Zyklen (in den Zyklusjahren 8 bis 12)

Zwischen der Sonnenaktivität und dem Temperaturniveau im Mittel der vier Hale-Zyklen besteht eine lineare Beziehung. Hier handelt es sich zunächst nur um eine Orientierung ohne statistische Bewertung, zumal die Streuung der Einzeljahreswerte ausgeblendet ist.  Die Darstellung ist angreifbar, weil die Temperatur über die Zeit kontinuierlich ansteigt, was auch durch andere Ursachen ausgelöst worden sein könnte.

Nahrung bekommt die These vom Einfluss der Sonnenaktivität auf das Temperaturniveau zwischen der Hale-Zyklen durch eine kürzlich erschienene Publikation von M. Ionita et al. ( Alfred Wegener Institut Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven) zum Auftreten von extremen Dürreperioden in Mitteleuropa (6). „Die Megadürren der letzten 1000 Jahre in Mitteleuropa scheinen mit einem geringeren solaren Antrieb einherzugehen“. Das würde bedeuten, dass extreme Dürren und damit auch die in der Regel mit Dürren verbundene längere Sonnenscheindauer durch geringe Sonnenaktivität begünstigt werden.

Dass mit sinkender Sonnenaktivität in Mitteleuropa die Gefahr von Dürren und der Trend zu längerem Sonnenschein steigt, lässt sich auch mit der seit 140 Jahren vorliegenden Jahresniederschlagssumme von Deutschland ableiten: Das Niveau der Jahresniederschlagssumme nimmt im Zeitraum seit 1881mit sinkender Sonnenaktivität um ca. 80 mm bzw. 10 Prozent ab.

Fazit

Das Niveau der Sonnenscheindauer und Temperatur von Juli/August der letzten vier Jahre in Deutschland ist in erheblichem Umfang von der periodisch schwankenden Sonnenaktivität beeinflusst worden. Das widerspricht der Annahme, von der Sonne könne nur geringer Einfluss auf das Klima und Wettertrends ausgehen, weil die direkt messbare Sonnenstrahlung (TSI) nur um 0,1 Prozent schwankt. Die Ergebnisse in diesem Beitrag stützen die in der Einleitung zitierte Aussage, dass der globale Temperaturanstieg seit Mitte des 19. Jahrhunderts größtenteils auf natürliche Zyklen zurückzuführen ist, vor allem auf langfristige Veränderungen der von der Sonne abgegebenen Energie.

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Anhang:

In Deutschland zeigen sich Schwankungen der Sonnenaktivität auf Wettertrends am stärksten in der Mitte des Hale-Zyklus, in den Zyklusjahren 8 bis 12. Das lässt sich am anschaulichsten und beispielhaft mit Hilfe der Juni-Niederschlagssumme demonstrieren.

Der solare Einfluss auf Wettertrends ist über die 22 Jahre des Hale-Zyklus ungleich verteilt. Je nach Wetterfaktor wie Niederschlagssumme, Temperatur oder Sonnenscheindauer, je nach Land oder auch Jahreszeit und Einzelmonat konzentriert sich der solare Einfluss mal mehr auf die ersten Jahre des Hale-Zyklus, mal auf die mittleren Jahre  oder auch das Ende.

In Deutschland machen sich Schwankungen im solaren Weltraumwetter am stärksten in der Mitte des Hale-Zyklus bemerkbar, in den Zyklusjahren 8 bis 12.  In dieser Phase besteht eine enge Korrelation zwischen der Sonnenaktivität und Wettertrends. Am Beispiel der Juni-Niederschlagssumme wird der Weg beschrieben, über den die Beziehung zwischen Sonnenaktivität und Wettertrend aufgedeckt werden kann. In Abbildung 5 sind die Juni-Niederschlagssummen im Mittel von Deutschland seit 1900 dargestellt.

Abbildung 5: Juni-Niederschlagssumme in Deutschland seit 1900 mit 6 Hale-Zyklen und Kennzeichnung des ersten Jahres der ca. 22-jährigen Hale-Zyklen (Schwarze Säulen) und den Jahren 8 bis 12 (rote Säulen)

Die Niederschlagssummen variieren stark und chaotisch, ohne dass zunächst eine Struktur erkennbar ist. Das ändert sich, wenn die Hale-Zyklen berücksichtigt werden. Das Jahr 1 der Hale-Zyklen ist als schwarze Säule gekennzeichnet. Die Zyklusjahre 8 bis 12 sind rot eingefärbt. In fast allen Zyklen sinkt die Niederschlagssumme vom Zyklusjahr 8 zum Jahr 9 stark ab, um danach mit dem gleichen Betrag wieder anzusteigen und für zwei weitere Jahre auf dem hohen Niveau zu bleiben. Diese Struktur ist in allen 6 Zyklen zu erkennen. Einziger Ausreißer ist im letzten Zyklus 6 die niedrige Niederschlagssumme im Zyklusjahr 8.

Dass sich hinter den roten Säulen ein gesetzmäßiges Muster verbirgt, wird in der folgenden Abbildung 6 sichtbar, in der die roten Säulenpakete  als Kurvenbilder übereinandergelegt bzw. gestapelt sind.

Abbildung 6: Juni-Niederschlagssumme in Deutschland während des Hale-Zyklus seit 1903

Die untere x-Achse kennzeichnet die Jahre 8 bis 12 des Hale-Zyklus. Die Kalenderjahreszahl des „Jahr 8“ des jeweiligen Zyklus ist im Rahmen am linken Bildrand angegeben. Alle Kurven folgen einem gemeinsamen Trend. Im aktuellen, rot gestrichelten Zyklus schließt sich die Kurve im Jahr 9 dem Trend der anderen Kurven an. Im Jahr 9 liegt das Niederschlagsniveau im Mittel um beachtliche 40 mm unter dem Niveau der beiden vor- und nachgelagerten Jahre.

Korrelation bedeutet nicht gleich Kausalität, aber aufgrund des gemeinsamen Kurvenverlaufs in Abbildung 6 kann angenommen werden, dass das Ergebnis nicht zufällig ist, sondern in den Hale-Zyklusjahren 8 bis 12 eine hoch signifikante Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und der Juni-Niederschlagssumme in Deutschland besteht.

In Abbildung 6 sind die Zyklusjahre 1 bis 7 und 13 bis 22 ausgeblendet. In diesen Zeiträumen verlaufen die Kurven teils chaotisch, teils lässt sich ein schwacher Einfluss der Sonnenaktivität erkennen, s. (5) Abbildung 2.

Quellen:

1-Ronan Connolly, Willie Soon, Michael Connolly u. 19 weitere Autoren (June 2021): How much has the Sun influenced Northern Hemisphere temperature trends? An ongoing debate, Research in Astronomy and Astrophysics How much has the Sun influenced Northern Hemisphere temperature trends? An ongoing debate, DOI: 10.1088/1674-4527/21/6/131

2-Laurenz, L. (März 2021)   Hypothese: Einfluss der Sonnenaktivität auf den Regen in Deutschland viel größer als bisher gedacht, https://kaltesonne.de/hypothese-einfluss-der-sonnenaktivitaet-auf-den-regen-in-deutschland-viel-groesser-als-bisher-gedacht/

3-Robert J. Leamon et al. (Feb. 2021), Termination of Solar Cycles and Correlated Tropospheric Variability,  doi.org/10.1029/2020EA001223

4-Laurenz, L. (Mai 2021), Signifikanter Einfluss der Sonnenaktivität auf die Wintertemperatur in der Polarnacht von Skandinavien und die Frühjahrstemperatur in England, https://kaltesonne.de/signifikanter-einfluss-der-sonnenaktivitaet-auf-die-wintertemperatur-in-der-polarnacht-von-skandinavien/

5-Laurenz, L. (Juni 2021), Signifikanter Einfluss der Sonnenaktivität auf die Dürre 2018 und 2019https://kaltesonne.de/signifikanter-einfluss-der-sonnenaktivitaet-auf-die-duerre-2018-und-2019/

6-M. Ionita et al. (2021) Past megadroughts in central Europe were longer, more severe and less warm than modern droughts.  doi.org/10.1038/s43247-021-00130-w

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