Eines des großen ungelösten Rätsel der Klimawissenschaften ist die Frage, auf welchem Wege solare Aktivitätsschwankungen zu klimatischen Veränderungen führen. Eine Vielzahl von geologisch-paläoklimatologischen Untersuchungen belegt einwandfrei, dass es einen solaren Einfluss auf das Klima gibt. Allerdings wird hierzu ein solarer Verstärkermechanismus benötigt, da die Sonne-Schwankungen im sichtbaren Strahlungsbereich des Lichtes wohl zu gering sind, um den beobachteten Effekt zu erzeugen. In unserem Buch „Die kalte Sonne“ haben wir die beiden wahrscheinlichsten Verstärker-Kandidaten vorgestellt. Zum einen wäre hier der Svensmark-Wolkeneffekt zu nennen, wobei von der Sonne modulierte galaktische Strahlung Keime für Wolken bilden könnte. Zum anderen geht es um die UV-Strahlung, die viel stärker schwankt als der sichtbare Lichtanteil der Sonne. Das UV erzeugt in der Stratosphäre, Ozon. Mittlerweile gibt es sich verdichtenede Hinweise darauf, dass sich das Geschehen in der Stratosphäre auch in die tieferen Atmosphärenstockwerke durchpaust, wo das Wettergeschehen stattfindet. Im Folgenden wollen einen Streifzug durch die neuere Literatur unternehmen. Was gibt es Neues vom stratosphärischen Solarverstärker?
Im November 2012 wartete eine Gruppe um David Thompson in Nature mit einer großen Überraschung auf: Die Forscher hatten einen neuen Datensatz zur Temperaturentwicklung der mittleren und oberen Stratosphäre ermittelt, der sich signifikant von früheren Temperaturkurven unterschied. Hierdurch wurde nun alles durcheinandergewirbelt. Offenbar stimmten die früheren Modelle zur Entwicklung hinten und vorne nicht. Auch Modelle mussten nun plötzlich auf den Prüfstand, die nur die veraltete Temperaturkurve nachvollziehen konnten, nicht jedoch die neue. Dies ist insbesondere bedenklich, da hier Emissionen von CO2 und ozonzerstörenden Gasen eine Rolle spielen. Hier der Abstract der Arbeit:
The mystery of recent stratospheric temperature trends
A new data set of middle- and upper-stratospheric temperatures based on reprocessing of satellite radiances provides a view of stratospheric climate change during the period 1979–2005 that is strikingly different from that provided by earlier data sets. The new data call into question our understanding of observed stratospheric temperature trends and our ability to test simulations of the stratospheric response to emissions of greenhouse gases and ozone-depleting substances. Here we highlight the important issues raised by the new data and suggest how the climate science community can resolve them.
Auch Katja Matthes vom Kieler Geomar ist zusammen mit Kollegen an der Erforschung des stratosphärischen Solarverstärkers beteiligt. Hier gelangten in den letzten Jahren gleich drei Arbeiten zur Publikation, die wir hier vorstellen möchten. So erschien im September 2012 im Journal of Geophysical Research ein Paper, das von Christof Petrick angeführt wurde. In der Studie geht es um solare UV-Schwankungen, die stratosphärische Veränderungen hervorrufen, die sich über Ozeanzyklen in die Ozeane fortpflanzen. Die Matthes-Gruppe nennt dies „Top-Down-Mechanismus“. Hier der Abstract:
Impact of the solar cycle and the QBO on the atmosphere and the ocean
The Solar Cycle and the Quasi-Biennial Oscillation are two major components of natural climate variability. Their direct and indirect influences in the stratosphere and troposphere are subject of a number of studies. The so-called „top-down‘ mechanism describes how solar UV changes can lead to a significant enhancement of the small initial signal and corresponding changes in stratospheric dynamics. How the signal then propagates to the surface is still under investigation. We continue the „top-down‘ analysis further down to the ocean and show the dynamical ocean response with respect to the solar cycle and the QBO. For this we use two 110-year chemistry climate model experiments from NCAR’s Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM), one with a time varying solar cycle only and one with an additionally nudged QBO, to force an ocean general circulation model, GFZ’s Ocean Model for Circulation and Tides (OMCT). We find a significant ocean response to the solar cycle only in combination with a prescribed QBO. Especially in the Southern Hemisphere we find the tendency to positive Southern Annular Mode (SAM) like pattern in the surface pressure and associated wind anomalies during solar maximum conditions. These atmospheric anomalies propagate into the ocean and induce deviations in ocean currents down into deeper layers, inducing an integrated sea surface height signal. Finally, limitations of this study are discussed and it is concluded that comprehensive climate model studies require a middle atmosphere as well as a coupled ocean to investigate and understand natural climate variability.
Im April 2013 publizierte die Matthes-Gruppe mit Ermolli et al 2013 im Fachblatt Atmospheric Chemistry and Physics eine weitere Studie zum Thema. Die Hauptnachricht: Klimamodelle unterschätzten bislang die UV-Schwankungen um einen Faktor von 4-6. Das ist enorm. In Wirklichkeit waren die UV-Schwankungen also im Mittel 5 mal so hoch wie angenommen. Ermolli und Kollegen prognostizieren, dass auch die atmosphärischen Effekte entsprechend viel größer sind als zuvor modelliert. Hier der Abstract:
Recent variability of the solar spectral irradiance and its impact on climate modelling
The lack of long and reliable time series of solar spectral irradiance (SSI) measurements makes an accurate quantification of solar contributions to recent climate change difficult. Whereas earlier SSI observations and models provided a qualitatively consistent picture of the SSI variability, recent measurements by the SORCE (SOlar Radiation and Climate Experiment) satellite suggest a significantly stronger variability in the ultraviolet (UV) spectral range and changes in the visible and near-infrared (NIR) bands in anti-phase with the solar cycle. A number of recent chemistry-climate model (CCM) simulations have shown that this might have significant implications on the Earth’s atmosphere. Motivated by these results, we summarize here our current knowledge of SSI variability and its impact on Earth’s climate.
We present a detailed overview of existing SSI measurements and provide thorough comparison of models available to date. SSI changes influence the Earth’s atmosphere, both directly, through changes in shortwave (SW) heating and therefore, temperature and ozone distributions in the stratosphere, and indirectly, through dynamical feedbacks. We investigate these direct and indirect effects using several state-of-the art CCM simulations forced with measured and modelled SSI changes. A unique asset of this study is the use of a common comprehensive approach for an issue that is usually addressed separately by different communities.
We show that the SORCE measurements are difficult to reconcile with earlier observations and with SSI models. Of the five SSI models discussed here, specifically NRLSSI (Naval Research Laboratory Solar Spectral Irradiance), SATIRE-S (Spectral And Total Irradiance REconstructions for the Satellite era), COSI (COde for Solar Irradiance), SRPM (Solar Radiation Physical Modelling), and OAR (Osservatorio Astronomico di Roma), only one shows a behaviour of the UV and visible irradiance qualitatively resembling that of the recent SORCE measurements. However, the integral of the SSI computed with this model over the entire spectral range does not reproduce the measured cyclical changes of the total solar irradiance, which is an essential requisite for realistic evaluations of solar effects on the Earth’s climate in CCMs.
We show that within the range provided by the recent SSI observations and semi-empirical models discussed here, the NRLSSI model and SORCE observations represent the lower and upper limits in the magnitude of the SSI solar cycle variation.
The results of the CCM simulations, forced with the SSI solar cycle variations estimated from the NRLSSI model and from SORCE measurements, show that the direct solar response in the stratosphere is larger for the SORCE than for the NRLSSI data. Correspondingly, larger UV forcing also leads to a larger surface response.
Finally, we discuss the reliability of the available data and we propose additional coordinated work, first to build composite SSI data sets out of scattered observations and to refine current SSI models, and second, to run coordinated CCM experiments.
In unserer Monatskolumne “Die Sonne im August 2015“ hatten wir bereits eine weitere aktuelle Matthes-Arbeit besprochen, Thiéblemont et al., die im September 2015 in Nature Communications erschien. Laut der Arbeit ist die Nordatlantische Oszillation mit einer Verzögerung von 1-2 Jahren an die Sonnenaktivität gekoppelt. Die Forscher benutzten ein Klimamodell, das die Atmosphäre bis zu einer Höhe von 140 km modelliert und somit die Wirkung der UV-Strahlung auf die Chemie der Stratosphäre, etwa der Ozonbildung, besser berücksichtigen kann. Hier der Abstract:
Solar forcing synchronizes decadal North Atlantic climate variability
Quasi-decadal variability in solar irradiance has been suggested to exert a substantial effect on Earth’s regional climate. In the North Atlantic sector, the 11-year solar signal has been proposed to project onto a pattern resembling the North Atlantic Oscillation (NAO), with a lag of a few years due to ocean-atmosphere interactions. The solar/NAO relationship is, however, highly misrepresented in climate model simulations with realistic observed forcings. In addition, its detection is particularly complicated since NAO quasi-decadal fluctuations can be intrinsically generated by the coupled ocean-atmosphere system. Here we compare two multi-decadal ocean-atmosphere chemistry-climate simulations with and without solar forcing variability. While the experiment including solar variability simulates a 1–2-year lagged solar/NAO relationship, comparison of both experiments suggests that the 11-year solar cycle synchronizes quasi-decadal NAO variability intrinsic to the model. The synchronization is consistent with the downward propagation of the solar signal from the stratosphere to the surface.
Mithilfe eines Klimamodells, das auch die Stratosphäre berücksichtigt, konnte ein Forscherteam um Lon Hood einen Einfluss des 11-Jahres-Sonnenzyklus in der winterlichen Temperaturentwicklung des Pazifiks nachweisen. Das macht Hoffnung. Die Arbeit erschien im Oktober 2013 im Journal of Climate. Hier der Abstract: