TU-BERLIN Erläuterungen zur Vorlesung TWK an der TU-Berlin
Inst. f. Ökologie
LV-TWK-Kehl
  ZM53
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Vegetationsökologie Tropischer & Subtropischer Klimate
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Die Sonne
 
 Das zyklische Auftreten von Sonnenflecken
 
Einführung
Stand der Forschung, kleiner Überblick
Weitere Hyperlinks zum Thema
Weitere Literatur (eigene Seite)
Bedeutung der Sonnenaktivität (eigene Seite)
 
Die kürzesten bisher bekannten Perioden von Klimaschwankungen korrelieren offensichtlich eng mit der Sonnenfleckenaktivität, d.h. den Schwankungen der sogenannten "Solarkonstanten" (einer Grösse also, die selbstredend noch nie konstant war!). Dabei handelt es sich um den
 
Schwabe-Zyklus von durchschnittlich 11 (9-14) Jahren, vgl. die zugehörige Abbildung,

Abb. A2-27/01: An Erupting Solar Prominence from SOHO - Credit: SOHO-EIT Consortium, ESA, NASA

Hale-Zyklus von etwa 22 Jahren (auch magnetischer Zyklus genannt),
Schove-Zyklen von ca. 42 bzw. ca. 50 Jahren,
Gleissberg-Zyklus von 80-90 (bis 120) Jahren (zwischen Minimum und Maximum liegen etwa 40-45 Jahre), der den Schwabe-Zyklus moduliert und über ein beträchtliches Akkumulationspotential verfügt (vgl. die zugehörige Abbildung) und dem
Seuss-Zyklus, auch Zyklus 208a genannt, von 180-210 (208) Jahren.
1.470-Jahreszyklus, vgl. Braun et al. (2005) Possible solar origin of the 1.470-year glacial climate cycle demonstrated in a coupled model.- Nature 438: 208 - 211.
Siehe auch: NASA, Solar Physics - The Sunspot-Cycle.
 
 
Die verschiedenen Zyklen können sich überlagern und zeichnen sich selbst durch starke Schwankungen in ihrer Intensität aus.
 
 

Abb. A2-27/02: aus: Max-Planck-Gesellschaft - Presseinformation vom 27. Oktober 2004 - PDF-File   4 S [date of access: 30.03.07]

"Aus C14-Daten rekonstruierte Sonnenfleckenzahlen (10-Jahres-Mittelwerte) für die vergangenen 11.400 Jahre (blaue Kurve) und die direkt beobachteten Sonnenfleckenzahlen seit 1610 (rote Kurve). Die verlässlichen C14-Daten enden 1900, so dass der starke Anstieg der Sonnenaktivität im 20. Jahrhundert dort nicht in Erscheinung tritt. Die Rekonstruktion zeugt deutlich, dass ein vergleichbarer Zeitraum hoher Sonnenaktivität mehr als 8.000 Jahre zurückliegt."
Bild aus MPI für Sonnensystemforschung, in:

 
Vgl. Solanki et al. 2004 und nächste Abb. aus der gleichen Publikation, Original aus NATURE!
 
 

Abb. A2-27/03:
Aus "Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years"
by S. K. Solanki, I. G. Usoskin, B. Kromer, M. Schüssler and J. Beer.- Nature 431, 1084-1087(28 October 2004) doi:10.1038/nature02995.

FIGURE 2. Comparison between directly measured sunspot number (SN) and SN reconstructed from different cosmogenic isotopes.

"Plotted are SN reconstructed from Delta 14C (blue), the 10-year averaged group sunspot number1 (GSN, red) since 1610 and the SN reconstruction 14 from 10Be under the two extreme assumptions of local (green) and global (magenta, dashed) production, respectively. The slightly negative values of the reconstructed SN during the grand minima are an artefact; they are compatible with SN = 0 within the uncertainty of these reconstructions as indicated by the error bars. Delta14C is connected with the 14C production rate via a carbon cycle model21. The connection between the 14C production rate, R, and the cosmic ray flux is given by
where theta is the colatitude relative to the geomagnetic dipole axis, and Pc (theta, M) is the local cosmic ray rigidity cutoff (which depends on theta and the virtual geomagnetic dipole moment, M)23. X(P, Phi) is the differential cosmic ray rigidity spectrum near Earth, Phi is the modulation strength describing the average rigidity losses of cosmic rays inside the heliosphere, Y(P) is the differential yield function 24 of 14C, and P is the rigidity of the primary cosmic rays.

For studies of long-term changes of the cosmic ray flux, the parameter Phi alone adequately describes the modulation of the cosmic ray spectrum X(P)11,24. The two most abundant cosmic ray species, protons and alpha-particles, are taken into account in the model13. The cosmic ray transport model relates R to Phi, which in turn depends on the Sun's open magnetic flux12.

The open flux is linked with the magnetic flux in sunspots (and thus with the SN) via the source term in a system of differential equations9,10. The value of R is obtained from Delta14C and M is known for the whole interval of interest25,26, so that Phi can be obtained from the inversion of the equation given above. Error bars depict the 68% confidence interval for the reconstructed SN, which takes into account both random and systematic uncertainties."

 
Siehe dazu auch: Aktueller Stand der Forschung
 
 
Abb. A2-27/04:
Quelle / Source
newscientist.com - Vgl. Sie auch: Solar and Heliospheric Observatory [date of access: 18.01.07] und die folgenden Abbildungen unten mit den Sonnenfleckenrelativzahlen zwischen 1600 und 2000 A.D.
 
 
 

Abb. A2-27/05:
Die Zahl der Sonnenflecken schwankt in einem regelmässigen Zyklus von etwa 11 Jahren, welche in Gruppen auftreten (Gleissberg-Zyklen - 80-90 Jahre). Die Maxima sind unterschiedlich stark ausgeprägt. In der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts war die Sonne fast fleckenlos (H.Wöhl, Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik, Freiburg, verändert und ergänzt nach
Intellicast sowie University of Nebraska-Lincoln, Natural Resources)."

Ursprünglich aus: Schmitt, D. & M. Schüssler (2002), S. 4, farblich verändert. Die Zyklen wurden seit ca. 1749 gezählt. Um das Jahr 2000 wurde der Zyklus 23 durchlaufen. Im März 2008 beginnt der Zyklus 24, welcher evtl. die gleiche Sonnenfleckenrelativzahl haben kann wie die Zyklen 3, 18, 21 oder 22. Andere Berechnungen gehen davon aus, dass 23 und 24 wohl ähnlich sein werden. Siehe unten!

 
 
Abb. A2-27/06:
"Die Länge der Sonnenfleckenzyklen zeigt eine auffallende Ähnlichkeit mit der Temperaturveränderung zwischen 1860 und 1980".
Aus Friis-Christensen, E. & K. Lassen (1991), stark verändert und ergänzt. Beachten Sie jedoch bitte die Anmerkungen weiter unten.
 

Anmerkung:

Die Aussagen von Friis-Christensen und Lassen (1991) in Science sind mittlerweile umstritten und waren sicher sehr "ambitiöse Interpretationen" (Beer 2004, siehe unten!). Gleichwohl waren die Hinweise sehr wichtig und haben die Notwendigkeit weiterer Forschungen in diese Richtung deutlich gemacht. Mittlerweile hat es hier einige Korrekturen gegeben, die vor allem die Daten-Interpretation der letzten 30 Jahre betrifft (vgl. Lassen 1997, siehe unten!). Andererseits scheint heute kein Zweifel mehr dahingehend zu bestehen, dass wenigstens vor Mitte der 70er Jahre die Sonne eine entscheidende Rolle bei der Temperaturentwicklung gespielt hat. Damit wird die Bedeutung von CO2 für die "post LIA-Phase" stark relativiert (nicht negiert). Exogene Faktoren spielen aber offensichtlich eine weitaus grössere Rolle als von den Befürwortern der AGW-Hypothese bisher akzeptiert.

Ganz generell kann man wohl konstatieren, dass die Wolkenbildungs-Hypothese noch auf sehr wackligen Beinen steht, obwohl sich die Hinweise mehren, wonach Wechselwirkungen existieren, die überhaupt nicht gut verstanden sind, vgl. Kirkby, J., (2007) Cosmic Rays and Climate. Man darf gespannt sein, was z.B. die Heidelberger um Prof. Frank Arnold vom MPI für Kernphysik noch herausfinden.

Eine populärwissenschaftliche Abhandlung finden sie hier: Henrik Svensmark & Nigel Calder (2008) Sterne steuern unser Klima.- Patmos, 251 Seiten, 24,90 Euro.

 
 
Abb. A2-27/07:
Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado at Boulder:
LASP over longer periods of time. Measuring solar variability SIM and Sorce
 
"How does the variation in sunspot number (easy to see and measure) relate to variation in UV flux (the quanity that matters for atmospheric photochemisty)? This is a tricky issue - we have to develop "proxies" - quantities we can measure now and compare with the current UV output of the Sun and then go back to historic measurements (e.g. from rocks, icecores, tree logs, etc) of these proxies"
 

Anmerkung:

  • Wie Ende des 20. und zu Beginn des 21. Jahrhunderts ein sogenanntes "Modernes Minimum" herausgelesen werden kann, ist nicht so leicht nachzuvollziehen. Zyklus 23 (siehe oben!) zeigt bestenfalls eine Abschwächung auf hohem Niveau. Vgl. Solanki et al. (2004), MPG 2004 und auch die nächste Abb. des LASP mit der TSI (Reconstructed Total Solar Irradiance). Im übrigen müsste dann wesentlich eher von einem "Minimum" um 1900 (Krakatao-Ausbruch) gesprochen werden. Um ein Minimum im eigentlichen Sinne, d.h. ein Minimum solarer Aktivität, handelte es sich aber mitnichten.
 

Nachtrag:

  • Neuere Beobachtungen zeigen tatsächlich eine signifikante Abschwächung der Sonnenfleckenaktivität zu Beginn des 21.Jh. (einhergehend mit einer Stagnation bis Rückläufigkeit der "globalen Temperaturen"). Die Bedeutung von Zyklus 24 wurde von Hathaway & Wilson (2006) - siehe unten! - überschätzt. Aber auch von Ihnen wurde für die erste Hälfte des 21. Jh. ein Rückgang der Sonnenfleckenaktivität prognostiziert. Jedoch sollte erst der Zyklus 25 - ab etwa 2020 - ihren Berechnungen zufolge extrem schwach ausfallen.
 
 

Abb. A2-27/08:
Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado at Boulder: LASP over longer periods of time Measuring Earth's surface temperature and solar radiation

"After accounting for the increase in CO2 and other greenhouse gases, the Earth’s surface temperature corresponds with the increase in solar radiation, except during major volcanic eruptions"

 
 
 
Abb. A2-27/09:
University of Nebraska-Lincoln, Natural Resources. - Intellicast - Global "cooling" about to kick in? " Relation to Solar Cycle: 'Global Warming' and Solar Flux: Warming" [date of access: 16.04.07]

"The periods of warming shown above also coincide nicely with the stronger eleven year solar cycles shown (above). The cooler periods during the last one hundred years or so correspond with the weaker solar cycles of the last one hundred years. Thus it seems that the sun is a factor in the global temperatures and the stronger cycles of late may be a significant factor in recent global warming."

 
 
Abb. A2-27/10:
Science@NASA -
Scientists Predict Big Solar Cycle vom 21. Dezember 2006, aus Hathaway, D. H. and Wilson, R. M. (2006) "Geomagnetic activity indicates large amplitude for sunspot cycle 24", Geophys. Res. Lett.
 

"According to their analysis (Hathaway and Wilson's prediction for the amplitude of Solar Cycle 24), the next Solar Maximum should peak around 2010 with a sunspot number of 160 plus or minus 25. This would make it one of the strongest solar cycles of the past fifty years - which is to say, one of the strongest in recorded history. [Eine Einschätzung, die bisher noch weit neben der Realität liegt, Anm. Verfasser, 07.03.2010]

Astronomers have been counting sunspots since the days of Galileo, watching solar activity rise and fall every 11 years. Curiously, four of the five biggest cycles on record have come in the past 50 years. "Cycle 24 should fit right into that pattern," says Hathaway.

These results are just the latest signs pointing to a big Cycle 24. Most compelling of all, believes Hathaway, is the work of Mausumi Dikpati and colleagues at the National Center for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, Colorado. "They have combined observations of the sun’s 'Great Conveyor Belt' with a sophisticated computer model of the sun’s inner dynamo to produce a physics-based prediction of the next solar cycle." In short, it's going to be intense. Details may be found in the Science@NASA story Solar Storm Warning."

"Hathaway points out that there are actually two types of geomagnetic activity:

(1) storms caused by the gentle buffeting of solar wind streams and
(2) storms caused by the more forceful impact of flares and coronal mass ejections (CMEs).

Only the first type has predictive value," says Hathaway. "Storms caused by solar wind streams come and go in a regular pattern that foretells the solar cycle. Storms caused by flares and CMEs don't have this property."

To improve their results, Hathaway and Wilson used a technique developed by Joan Feynman to remove storms caused by flares and CMEs from their data.

 

Anmerkung:

  • Zu den Prognosen von Hathaway & Wilson (2006) vgl. Sie bitte die Angaben zum aktuellen Stand der Forschung, speziell Solanki et al. (2009) und Vieira & Solanki (2010), wonach der Zyklus 24 evtl. nur sehr schwach ausgeprägt, oder sehr spät auftreten wird.
 
 

Abb. A2-27/11:
"Long Range Solar Forecast - Solar Cycle 25 peaking around 2022 could be one of the weakest in centuries", vom 05.10.2006 / Author: Dr. Tony Phillips | Production Editor: Dr. Tony Phillips | Credit: Science@NASA

 

"In red, David Hathaway's predictions for the next two solar cycles and, in pink, Mausumi Dikpati's prediction for cycle 24.

On the other hand, they will have to worry more about cosmic rays. Cosmic rays are high-energy particles from deep space; they penetrate metal, plastic, flesh and bone. Astronauts exposed to cosmic rays develop an increased risk of cancer, cataracts and other maladies. Ironically, solar explosions, which produce their own deadly radiation, sweep away the even deadlier cosmic rays. As flares subside, cosmic rays intensify - yin, yang.

Hathaway's prediction should not be confused with another recent forecast: A team led by physicist Mausumi Dikpata of NCAR [vgl. Lit. unten!] has predicted that Cycle 24, peaking in 2011 or 2012, will be intense. Hathaway agrees: "Cycle 24 will be strong. Cycle 25 will be weak. Both of these predictions are based on the observed behavior of the conveyor belt."

 
 
 
Vgl. Sie in der nächsten Abbildung unten auch die aktuellen - und korrigierten - Voraussagen (Sunspot Number Prediction - March 2010) von Hathaway / NASA / MSFS:
 
 
Abb. A2-27/12:
NASA, Solar Physics, Marshall Space Flight Center, The Sunspot Cycle (Updated 2010/03/02)
 
Sunspot Cycle Predictions:
"MSFC Solar Physics Branch members Wilson, Hathaway, and Reichmann have studied the sunspot record for characteristic behavior that might help in predicting future sunspot activity. Our current predictions of solar activity for the next few years can be found at this
link. Although sunspots themselves produce only minor effects on solar emissions, the magnetic activity that accompanies the sunspots can produce dramatic changes in the ultraviolet and soft x-ray emission levels. These changes over the solar cycle have important consequences for the Earth's upper atmosphere."
 
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Stand der Forschung:
 
Weitere, umfangreiche Literatur zum Thema "Sonnenaktivität"
 
AGU Fall Meeting, 14 - 18 Dec. 2009, San Francisco, USA, Featured Lecture Videos,
Lecture U34A: "Consequences of an unusually long and deep solar minimum I"
 

Esp. the next two contributions of:

 

Solanki, S.K., N.A. Krivova & L.E. Vieira (2009) Solar magnetic field and irradiance: How unusual is the current minimum? AGU Fall Meeting, 14 - 18 Dec. 2009, San Francisco, USA

 

McCracken, F.B. McDonald, J. Beer, J. Abreu & F. Steinhilber (2009) The effects of low solar activity upon the cosmic radiation and the interplanetary magnetic field over the past 10,000 years, and implications for the future. AGU Fall Meeting, 14 - 18 Dec. 2009, San Francisco, USA. [date of access: 22.02.2010]

 

Balmaceda, L., N.A. Krivova & S.K. Solanki (2007) Reconstruction of solar irradiance using the Group sunspot number.- PDF-File 4 S. Advances in Space Research 40: 886-989.[date of access: 25.02.10]

 
"Abstract:
We present a reconstruction of total solar irradiance since 1610 to the present based on variations of the surface distribution of the solar magnetic .eld. The latter is calculated from the historical record of the Group sunspot number using a simple but consistent physical model. Our model successfully reproduces three independent data sets: total solar irradiance measurements available since 1978, total photospheric magnetic .ux from 1974 and the open magnetic .ux since 1868 (as empirically reconstructed from the geomagnetic aaindex). The model predicts an increase in the total solar irradiance since the Maunder Minimum of about 1.3 Wm²."
 
Beer, J. (2004) Kosmische Strahlung und Wolken.- EAWAG news 58
 
Friis-Christensen, E. & H. Svensmark (1997) What do we really know about the Sun-climate connection? - Advances in Space Research, Volume 20, Issue 4-5, p. 913-921.
 
Lassen, K. (1997) Long-term Variations in Solar Activity and their Apparent Effect on the Earth's Climate.- Tekniske rapporter fra No. 97-11.
 
Mausumi Dikpati, Giuliana de Toma & Peter A. Gilman (2006) Predicting The Strength Of Solar Cycle 24 Using A Flux-transport Dynamo-based Tool.- Geophys. Res. Lett., 33, L05102, doi:10.1029/2005GL025221
 
Willson, Richard C., and Alexander V. Mordvinov (2003) Secular Total Solar Irradiance Trend During Solar Cycles 21-23.- Geophysical Research Letters 30: 1199-1202.
 

Vieira, L. E. A. & S. K. Solanki (2010) Evolution of the solar magnetic flux on time scales of years to millenia.- A&A Volume 509, 13 pp., January 2010, Published Online: 26 January 2010. [date of access: 25.02.10]

 
 
Abb. A2-27/13:
A
us: Vieira & Solanki (2010) Evolution of the solar magnetic flux on time scales of years to millenia.- A&A Volume 509, 13 pp.
 

"Abstract:

Aims. We improve the description of the evolution of the Sun's open and total magnetic flux on time scales of years to millenia.

Methods. In the model employed here the evolution of the solar total and open magnetic flux is computed from the flux emerging at the solar surface in the form of bipolar magnetic features, which is related to the sunspot number cycle parameters and can be estimated from historical records. Compared to earlier versions of the model in addition to the long-lived open flux, now also a more rapidly decaying component of the open flux is considered. The model parameters are constrained by comparing its output with observations of the total surface magnetic flux and with a reconstruction of the open magnetic flux based on the geomagnetic indexes. A method to compute the Sun's total magnetic flux and the sunspot number during the Holocene, starting from the open flux obtained from cosmogenic isotopes records, is also presented.

Results. By considering separately a rapidly evolving and a slowly evolving component of the open flux the model reproduces the Sun's open flux, as reconstructed based on the aa-index, much better and a reasonable description of the radial component of interplanetary magnetic field data is obtained. The greatest improvement is in the reproduction of the cyclic variation of the open flux, including the amplitudes of individual cycles. Furthermore, we found that approximately 25% of the modeled open flux values since the end of the Maunder minimum are lower than the averaged value over 2008, i.e. during the current low minimum. The same proportion is observed in reconstructions of the open flux during the Holocene based on cosmogenic isotopes, which suggests that the present solar minimum conditions are below average, but not exceptional in terms of the heliospheric magnetic flux."

 

Science News, (June 9, 2008) The sun has been lying low for the past couple of years, producing no sunspots and giving a break to satellites.

 
" That's good news for people who scramble when space weather interferes with their technology, but it became a point of discussion for the scientists who attended an international solar conference at Montana State University. Approximately 100 scientists from Europe, Asia, Latin America, Africa and North America gathered June 1-6 to talk about "Solar Variability, Earth's Climate and the Space Environment."
 
Weitere, umfangreiche Literatur zum Thema "Sonnenaktivität"
 
 
Weiterführende Links zum Thema "Global Warming" etc. innerhalb dieser Website ( nur kurze Hinweise!):
 
Das zyklische Auftreten Warm- und Kaltzeiten (150 Mio. Zykluszeit)
Das zyklische Auftreten Warm- und Kaltzeiten (125.000. Zykluszeit)
Klimaschwankungen im Jungpleistozän und Holozän und Vegetationsgeschichte
Kurzer Überblick zur Klimageschichte
Literaturangaben zur Klimageschichte, kleine Auswahl
Globalklimatische Grundlagen und Entstehung von Vegetationszonen
Die glaziale und postglaziale Vegetationsgeschichte Afrikas
Postglaziale aride und humide Phasen in der Sahara Afrikas
Meeresspiegel während des LGM (120m unter NN) u. Simulation um +5m ü.NN
Glaziale bis postglaziale Nordseegeschichte
Entwicklung der Insel Sylt
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2000 Jahre Temperaturentwicklung der nördlichen Hemisphäre, Bemerkungen zum "Hockeystick"
Der sogenannte Treibhauseffekt
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Elektromagnetisches Spektrum, Strahlungsenergie und Absorption
Die Bedeutung von Kohlendioxid
Der Kohlenstoffkreislauf - Ein kleiner Einblick
 
 
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