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Extremwetterkomgress 2009 III

Wenn Sonnenstürme unsere Stromversorgung lahmlegen (Wie anfällig sind wir gegenüber Weltraumwetter?) Referent Prof.Dr.Rainer Hippler

Die Sonne, ein durchschnittlicher gelber Zwergstern unserer Milchstrasse hat einen Durchmesser von 1,39 Millionen km. Sie besteht aus einem hochkomprimierten, elektrisch leitenden Plasma (ionisierte Materie), das sich zu 73,5 % aus Wasserstoff, zu 25% aus Helium und zu 1,5% aus anderen chemischen Elementen („Metalle“) zusammensetzt. Im Kern der Sonne (Durchmesser etwa 300.000 km) herrschen bei extremen Druckverhältnissen (der Kern macht 50% der Sonnenmasse aus!)Temperaturen von über 15 Millionen Grad Kelvin. Hier wird durch die Fusion von Wasserstoff- zu  Heliumkernen (Kernfusion) die Energie der Sonne erzeugt. Durch Strahlungtransport gelangt die Energie durch weiter aussen liegende Schichten der Sonne (Strahlungszone), um dann schliesslich die etwa 70.000 km unter der Sonnenoberfläche beginnende sogenannte Konvektionszone von unten aufzuheizen, innerhalb  der hochgradig erhitzte Gasblasen an die Oberfläche steigen. Das Brodeln dieser „aufkochenden“ Konvektionsschicht ist als Granulation der Sonnenoberfläche mit einem Teleskop (Sonnenfilter!) gut erkennbar. So gelangt die Energie an die Sonnenoberfläche, die extrem hell leuchtende Photosphäre, welche die gesamte Sonnenenergie im sichtbaren und unsichtvbaren Wellenspektrum abstrahlt. Über der Photosphäre liegt als weitere, allerdings schon weitaus weniger dichte Schicht noch die Chromosphäre, die „Atmosphäre der Sonne. Die Chromosphäre wird durch die Photosphäre vollkommem überstrahlt, macht sich aber bei Sonnenfinsternissen als rote Leuchterscheinung bemerkbar. 

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Aufbau der Sonne: 1= Sonnenkern mit Fusionsreaktor, 2=Strahlungszone, 3=Konvektionszone, 4=Photosphäre, 5=Chromosphäre, 6=Sonnenkorona, 7=Sonnenflecken, 8=Granulen, 9=Protuberanz (entlang einer magnetischen Feldlinienschleife) Quelle: Wikipedia

Die Sonne verfügt über ein starkes Magnetfeld (Dynamo-Effekt. Die magnetischen Feldlinien und das elektrisch leitende Sonnenplasma sind eng aneinander gekoppelt. Einerseits bestimmen die magnetischen Feldlinien die Bewegung  des Plasmas, andererseits nimmt dieses auch die Feldlinien bei seiner Bewegung mit. Infolge der differentiellen Eigenrotation der Sonne (vom Äquator zu den Polen abnehmende Rotationsgeschwindigkeit) werden die anfangs senkrecht verlaufenden Magnetfeldlinien unterschiedlich schnell mitgenommen und wickeln sich dadurch spiralförmig um die Sonne. Hinzu kommt noch eine Extra-Verdrillung durch die Konvektion des Sonnenplasmas. Geraten die magnetischen Feldlinien eng aneinander, so stossen sie sich  heftig voneinander ab und können die Sonnenoberfläche schleifenförmig durchbrechen. Der Energienachschub durch die von unten aufsteigenden Gasblasen wird blockiert, die betroffene Region kühlt ab und wird als dunkler Sonnenfleck sichtbar. Entlang der Feldlinienschleifen über den Sonnenflecken sammeln sich heisse, ionisierte Gasmassen (ruhende Protuberanzen). Schliesslich reissen die Schleifen und die Gasmassen werden als eruptive Protuberanzen von der Sonne weggeschleudert (Coronal Mass Ejection CME, Sonnensturm).

Das Auftauchen der Sonnenflecken unterliegt einem 11- jährigen Zyklus (Schwabe-Zyklus). Mit zunehmender Aufwickelung der magnetischen Feldlinien um die Sonne erscheinen immer mehr Sonnenflecken bis ein Fleckenmaximum erreicht ist. Durch die immer stärkere Wechselwirkung der Feldlinien untereinander nimmt schwächt sich das Magnetfeld der Sonne jedoch ab, so dass die Anzahl der Sonnenflecken wieder zurückgeht. Im Minimum polt sich das Magnetfeld der Sonne um und wird dann wieder stärker. Der nächste Sonnenfleckenzyklus beginnt, allerdings mit entgegengesetzter Polarität der Sonnenflecken. Dem 11jährigen Schwabe-Zyklus liegt also ein doppelt so langer Magnetfeldzyklus zugrunde.

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Sonnenfleckenzyklen: Das obere Schmetterlingsdiagramm zeigt die räumliche Verteilung und Ausdehnung der Sonnenflecken. Diese erscheinen zu Beginn eines Zyklus in Höhe der 40. Breitengrade. Später verlagern sich die Sonnenflecken-Entstehungsgebiete in Richtung Äquator. Die untere Abbildung zeigt die Anzahl der Sonnenflecken über die Zeit. Quelle: NASA

Obwohl die Sonnenflecken im Vergleich zur übrigen Sonnenoberfläche kühler sind, geht ein Sonnenfleckenmaximum mit einem Aktivitäts- und Strahlungsmaximum der Sonne einher und nicht umgekehrt, wie man auf den ersten Blick erwarten könnte. Der Grund: Bei einem Aktivitätsmaximum ist die Konvektion entsprechend stark und damit auch die Verdrillung der Magnetfeldschleifen, was automatisch auch zu mehr Sonnenflecken führt. Das Strahlungsdefizit innerhalb der dunklen Sonnenflecken (Umbra) wird dann durch erhöhte Abstrahlung von der umgebenden Sonnenoberfläche (Periumbra) überkompensiert.

Im Rahmen der Sonnenfleckenzyklen schwankt die Gesamtstrahlung der Sonne nur wenig, der kurzwellige Anteil (UV-Strahlung) und der elektrisch geladenene Teilchenstrom schwanken dagegen umso mehr.

Im Sonnenmaximum kommt es besonders häufig zu heftigen Eruptionen in Form von Coronal Mass Ejections (CME, s.o.) bzw. Solar Flares. Wenn der dabei abgegebene intensive, elektrisch geladene  Teilchenstrom als Sonnensturm auf die Erde prallt, so kommt es zu erheblichen Störungen in den satellitengestützten Kommunikations- und Navigationssystemen, auch wenn das irdische Magnetfeld den Aufprall deutlich abmildert. Dieser geht mit dem vermehrten Auftauchen von Polarlichtern einher. In der Erdatmosphäre entstehen geomagnetische Stürme, die über elektromagnetische Induktion (von elektrischen Strömen)  oft zu Stromausfällen und zu einer erhöhten Korrosion von Öl- und Gas-Pipelines führen können.

Klimawandel: Was gibt es Neues seit dem Weltklimabericht 2007? Referent:Prof.Dr. Stefan Rahmstorf 

Der Anstieg der Treibhausgase in der Erdatmosphäre beschleunigt sich und liegt schon jetzt im oberen Bereich der Prognosen des IPCC. Lag die Zunahme von CO2 in den Jahren 1970-1979 noch bei 1,3 ppm (parts per million) pro Jahr, so waren es von 1980-1989 bereits 1,6 ppm, von 1990-1999 1,8 ppm und von 2000 – 2006 schon 2,0 ppm. Dann ging es noch steiler bergauf. Im Jahre 2007 waren es 2,2 ppm und 2008 2,3 ppm!

Mit einem Anteil von 385 ppm  liegt die CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre heute um 38% über dem vorindustriellen Wert. Aus der Untersuchung von Eisbohrkernen im Rahmen des EPICA-Projekts (European Project for Ice Coring in Antarctica) in der Antarktis wissen wir, dass es seit mindestens 850.000 Jahren nicht so viel CO2 in der Erdatmosphäre gab wie heute.

Dasselbe gilt auch für die globale Durchschnittstemperatur. Auch hier liegt der beobachtete globale Temperaturanstieg der vergangenen Jahre im oberen Bereich der IPCC-Prognosen. Besonders betroffen ist die Arktis. wo die Temperaturen bedingt durch die Eis-Albedo-Rückkopplung  weit überdurchschnittlich zunehmen. Immerhin ist es hier schon um 6°C wärmer geworden, in manchen Regionen sind es sogar 12°C!

Im Jahr 2007 schmolz das arktische Eis auf ein absolutes und so nicht vorhergesehenes Rekordminimum und erholte sich auch im Folgejahr kaum. Bei einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um mehr als 2°C, könnte der gesamte grönländische Eisschild verschwinden, denn von einem bestimmten kritischen Punkt an ist die Eisschmelze nicht mehr zu stoppen, weil Eis durch beschleunigtes Abrutschen in Richtung Meer in immer tiefere und wärmere Luftschichten gelangt. Damit könnte der Meeresspiegel innerhalb von Jahrhunderten um 7m ansteigen.

Der Meeresspiegel steigt aber auch so schon seit Jahrzehnten (um 50%!) schneller als von den Modellen des Weltklimarates (IPCC) vorhergesagt. Hauptsächlich verantwortlich dafür ist die thermische Ausdehnung des Ozeanwassers, daneben aber auch das Abschmelzen des Inlandeises (Gletscher, Eisschilde).

Die  Delta-Kommission der hölländischen Regierung rechnet in ihrem Report mit einen Meeresspiegelanstieg von bis zu 1,10 m bis zum Jahr 2100 und auf einen Anstieg von 3,50 m bis 2200. Die Deltawerke (niederländisch: Deltawerken) sind ein Schutzsystem gegen Hochwasser und Sturmfluten in den Niederlanden.

Auch extreme Wetterereignisse wie Dürreperioden, Hitzewellen oder tropische Wirbelstürme treten heute häufiger und mit grösseren Folgeschäden auf als früher. Die Zahl und Schwere der tropischen Wirbelstürme hängt von der Oberfächentemperatur der Ozeane ab.

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Kippelemente („tipping points“) im Klimasystem Quelle: http://www.pnas.org/

Es besteht die grosse Gefahr das die Belastung des Klimasystems eine kritische Grenze überschreitet, wodurch bestimmte wichtige Prozesse im Gesamtgefüge „kippen“ könnten. Beispiele sind der Verlust des arktischen meereises, das Abschmelzen des grönländischen Eisschildes, eine Unstetigkeit der Monsune, eine grossflächige Versteppung des Amazonas-Regenwaldes, das Auftauen des Permafrostbodens mit Freisetzung grosser mengen an Treibhausgasen (CO2, CH4) oder die Schwächung des Nordatlantikstromes.

Unterschiedliche Regionen, Länder und Bevölkerungsgruppen sind unterschiedlich schwer von den negativen Folgen des menschengemachten Klimawandels betroffen. Gerade die ärmsten Länder, die am wenigsten zum Klimawandel beigetragen haben, leiden häufig überdurchschnittlich stark an den Folgen und sind gleichzeitig am wenigsten in der Lage, sich davor zu schützen.

Die Folgen des Klimawandels werden noch lange anhalten. Selbst wenn der Anstieg der Treibhausgase binnen kürzester Frist gestoppt werden könnte, würde der Anstieg der globalen Duchschnittstemperatur und vor allem der Meeresspiegelanstieg wegen der Trägheit des Klimasystems noch über Jahrhunderte bis Jahrtausende weitergehen, um sich dann auf einem hohen Niveau zu stabilisieren.

Jens Christian Heuer

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