© NasaAuf der Erde sorgen Sonnenwinde für Himmelspektakel. Diese Aurora entstand über Alaska
Welchen Anteil an der globalen Erwärmung haben natürliche Faktoren, etwa eine Veränderung in der Sonnenstrahlung? Und welchen Anteil hat der Mensch, durch die global noch immer rasant ansteigenden Emissionen von Treibhausgasen? Die Frage ist noch immer nicht vollständig beantwortet und deshalb Gegenstand heftiger Debatten. Dabei machen sich die sogenannten Klimaskeptiker, die bestreiten, dass menschliche Aktivitäten den seit Ende der 1970er-Jahre gemessen Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur verursachten, diese Unsicherheit für ihre Zwecke zunutze.
Einer der wichtigsten Bestandteile der irdischen Wettermaschine sind die Wolken. Damit beeinflussen sie das Klima, das sich als längerfristige Abfolge bestimmter Wetterverhältnisse manifestiert. Doch welche Rolle die Wolken beim Klimawandel spielen, ist unklar. Helle Wolken in der oberen Atmosphäre halten die von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung zurück und tragen so zur globalen Erwärmung bei. Tiefe, dichte und dunkle Wolkenfelder wiederum schirmen die Erdoberfläche vor dem Sonnenlicht ab und kühlen so unseren Planeten.
Forscher bilden Erdatmosphäre nach
Dieses komplexe Wechselspiel lässt sich von den derzeit vorhandenen Klimamodellen nicht ausreichend simulieren. Auch sind die atmosphärischen Prozesse, die zur Entstehung von Wolken führen, längst nicht vollständig geklärt. Aufschluss soll nun ein Experiment mit der kryptischen Bezeichnung „Cosmics Leaving Outdoor Droplets“ (kurz CLOUD) geben, das Physiker am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf eingerichtet haben.
Es besteht aus einer großen Kammer, in der sich die Erdatmosphäre nachbilden und gezielt verändern lässt. Über ein Glasfasersystem wird UV-Licht eingeleitet, um die natürliche Sonnenstrahlung zu imitieren. Schließlich simuliert ein Teilchenstrahl, der von einem Protonenbeschleuniger erzeugt und in die Kammer eingeschossen wird, die kosmische Strahlung. Jetzt legten die beteiligten Forscher in einer Studie, veröffentlicht im Wissenschaftsjournal Nature, ihre ersten Ergebnisse vor.
Sonnenwind schützt Erde vor Strahlung
Einen Mechanismus, über den die Wolkenbildung das Klima beeinflussen könnte, postulierten die dänischen Forscher Henrik Svensmark und Eigil Friis-Christensen bereits in den 1990er Jahren. Ihrer Theorie zufolge liefert die kosmische Strahlung, die aus dem All unablässig auf die Lufthülle der Erde einprasselt, sogenannte Kondensationskeime, an denen sich Wasserdampf anlagert. Daraus entstehen die Wassertröpfchen, aus denen die Wolken bestehen und die schließlich als Regen zur Erde fallen. Zugleich beeinflusst die Aktivität der Sonne die Menge der Strahlungsteilchen, die unseren Planeten erreicht.
© J. Tarduno and R. CottrellForscher haben herausgefunden, dass das Magnetfeld der Erde vor 3,5 Milliarden Jahren nur halb so stark war wie heute. So war der Blaue Planet auch weniger vor den energetischen Partikeln der jungen Sonne geschützt. Wahrscheinlich verlor die junge Erde durch den Sonnenwind viel Wasser.
In Zeiten starker Aktivität schirmen das Magnetfeld der Sonne sowie der von ihr ausgehende Teilchenstrom - der sogenannte Sonnenwind - die kosmische Strahlung stärker ab, so dass weniger Kondensationskeime entstehen. Als Folge davon bilden sich weniger Wolken in der unteren Atmosphäre. Ist unser Tagesgestirn weniger aktiv, wird auch sein Magnetschild schwächer, sodass mehr Strahlungspartikel aus dem All die Lufthülle erreichen und als Kondensationskeime zur Verfügung stehen. Entsprechend können mehr Wolken entstehen.
Wolkendecke beeinflusst Temperatur auf der Erde
Die Wolkendecke wirkt sich dabei unmittelbar auf die Sonneneinstrahlung und damit auf die Temperatur der Erdoberfläche aus. Es handelt sich allerdings um einen indirekten Effekt, denn die Änderung der direkten Sonneneinstrahlung bewirkt einen Anstieg oder Abfall der Erdtemperatur um allenfalls wenige hundertstel Grad.
In einer 1997 veröffentlichten Studie erklärten Svensmark und Friis-Christensen, sie könnten den Einfluss der Sonnenaktivität auf die Bewölkung für einen Zeitraum von 16 Jahren nachweisen. Am Dänischen Nationalen Raumfahrtzentrum in Kopenhagen hatte Svensmark ein Experiment namens SKY aufgebaut, mit dem er den Bildungsprozess der Wolkentröpfchen untersuchte. Es handelte sich um eine Art riesige Nebelkammer. Sekundärteilchen, die bei der Kollision von Höhenstrahlungspartikeln mit Luftmolekülen entstehen, durchdringen die Decken des Gebäudes und wirken in der Kammer als Kondensationskeime für Wassertröpfchen. Diese entstehen jedoch in einem komplizierten mehrstufigen Prozess, der laut Svensmark aber überraschend schnell abläuft und Tröpfchen in großer Zahl erzeugt.
Plausibel, aber unzureichend
In der Klimaforschung ist die Theorie von der kosmischen Strahlung als Wettermaschine jedoch höchst umstritten. „Der Mechanismus ist plausibel, aber er reicht quantitativ nicht, um die beobachtete Erwärmung zu erklären“, urteilte etwa Jochem Marotzke, Direktor am Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie. Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung verwarf die Idee noch vor kurzem völlig. „Die kosmische Strahlung wird seit 1953 gemessen, sie zeigt analog zur Sonnenhelligkeit keinen Trend zur Zu- oder Abnahme. Ohne einen solchen Trend kann man auch keine Veränderung der Wolkendecke erklären“, konstatierte er.
© ColourboxStatt den Treibhausgas-Ausstoß zu drosseln, wird immer mehr CO2 in die Atmosphäre geblasen
Davon unbeeindruckt legte eine dänische Forschergruppe um Svensmark jüngst die Ergebnisse eines Experiments mit dem Teilchenbeschleuniger der Universität von Aarhus vor. Sie untersuchte die Bildung von Kondensationskeimen aus Schwefelsäure-Aerosolen bei Atmosphärendruck in einer Druckkammer, in die sie einen Elektronenstrahl schoss, der darin elektrisch geladenen Teilchen - sogenannte Ionen - erzeugte. Dabei zeigte sich, dass die Ionen die Zahl der natürlicherweise - etwa durch die UV-Strahlung der Sonne - entstehenden Kondensationkeime stark erhöhen. „Wir betrachten dies als erste eindeutige Beobachtung der Auswirkungen von Ionen auf die Entstehung von Aerosolkeimen, bei der ein Teilchenstrahl unter Bedingungen eingesetzt wird, die der Erdatmosphäre gleichen“, schreiben die Dänen in ihrer Studie.
Zweifel am Experiment
Das mag etwas verquast klingen. Doch es ist zum einen ein Seitenhieb auf das CLOUD-Experiment, das an einem riesigen und teuren Teilchenbeschleuniger durchgeführt wird, während Svensmark eine einfache und billige Elektronenkanone nutzt. Zum anderen aber sieht der dänische Klimaforscher seine ursprüngliche Hypothese, dass die Sonne durch die Änderung der kosmischen Strahlung das Klima beeinflusst, damit erneut bestätigt.
In den Foren der Klimaskeptiker erhob sich nach Veröffentlichung der Studie das übliche Triumphgeheul. Sie sahen die These, dass die Treibhausgase die Fieberkurve der Erde steigen lassen, als endgültig erledigt an. Doch dies lässt sich aus dem dänischen Experiment keineswegs schließen, und das behaupten auch Svensmark und seine Kollegen nicht. So erklärte der Studien-Mitautor Jens Olaf Pedersen vom Institut für Weltraumforschung der Dänischen Technischen Universität, dass das vorhandene Reaktionsgefäß zu klein sei, um die Verbindung zwischen kosmischer Strahlung und Wolkenbildung endgültig zu bestätigen. Denn darin ließen sich nur Molekülklumpen atmosphärischer Gase von drei Nanometern Durchmesser nachweisen. Doch um als Kondensationskeime für Wolken zu dienen, müssten sie mindesten 100 Nanometer groß werden. Dazu bedürfe es einer Reaktionskammer wie CLOUD, die 26 Kubikmeter Volumen aufweist.
Kein Freispruch für die Treibhausgase
Svensmarks Hypothese, so Pedersen weiter, könne erst als bewiesen gelten, wenn die Keime einige Mikrometer Größe erreichen, und dann müsse auch noch geklärt werden, was der Effekt für die Wolkenbildung bedeutet. „Es gibt so viel, das wir über diesen Prozess nicht wissen“, sagte er gegenüber Pressevertretern. „Er könnte aber eine wichtige Komponente der globalen Erwärmung sein.“
Die endgültige Klärung des Sachverhalts sollte also dem CLOUD-Experiment vorbehalten sein, dessen Ergebnisse deshalb in der Fachwelt mit Spannung erwartet wurden. Jetzt liegt die Studie mit den ersten Messreihen vor, doch auch sie sind alles andere als eindeutig. Sie zeigen zwar, dass der Prozess in der Natur offenbar tatsächlich wie von Svensmark postuliert abläuft. Doch einen Freispruch für die Treibhausgase als Hauptverursacher der globalen Erwärmung liefern die CERN-Forscher nicht.
Maulkorb für Forscher?
Im Vorfeld der Veröffentlichung sorgte zunächst eine Äußerung des CERN-Generaldirektors Rolf-Dieter Heuer in einem Interview mit der online-Ausgabe der Welt für Wirbel. Es gehe darum, die Wolkenbildung besser zu verstehen, erklärte er. In der Natur gebe es sehr viele Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Verunreinigungen, die sie beeinflussen - und eben auch die Höhenstrahlung. Beim Experiment CLOUD sollte deren Einfluss unter kontrollierten Bedingungen erforscht werden. Aber dann: „Ich habe die Kollegen gebeten, die Ergebnisse klar dazustellen, aber nicht zu interpretieren. Damit würde man sich sofort in die hochpolitische Arena der Klimawandeldiskussion begeben.“
© ColourboxEinige Forscher stellen infrage, dass der Klimawandel menschengemacht ist
Damit verpasse er den Forschern einen Maulkorb, jaulte es in Skeptikerkreisen. „Die Ergebnisse müssen wirklich langweilig sein - oder es könnte sein, dass das Experiment eine politisch nicht hinnehmbare Hypothese über das Klima erbringt“, schrieb etwas der britische Wissenschaftsautor Nigel Calder, ein profilierter Klimazweifler. So beziehe der Weltklimarat IPCC Svensmarks „ketzerische Hypothese“ nicht in seine Klimabetrachtungen ein. Offenbar sei es nur gut, die politische Arena zu betreten, wenn die Ergebnisse das Bild der vom Menschen verursachten globalen Erwärmung bestätigen.
Kein schlüssiger Beweis
Tatsächlich sind die Studie und die begleitende Presseerklärung des CERN sehr zurückhaltend formuliert, die globale Erwärmung erwähnen sie überhaupt nicht. Der Grund mag sein, dass das 2006 gestartete Experiment einen schlüssigen Beweis dafür schuldig bleibt, dass die Sonne über den indirekten Effekt ihres Magnetfelds Hauptverursacher der globalen Erwärmung ist. Dafür förderte es einige überraschende Sachverhalte zutage und zeichnet das erwartete komplexe Bild der Entstehung von Wolken.
Schwebteilchen essentiell für Wolkenbildung
So zeigte sich, dass die Spurengase, die bislang als wichtigste Quelle für Aerosole in der Luft galten, nur einen Bruchteil der tatsächlich vorhandenen Schwebeteilchen erzeugen können, aus denen dann die Kondensationskeime für Wasserdampf hervorgehen - selbst bei einer Verstärkung durch kosmische Strahlen. Quasi im Gegenzug war erkennbar, dass die Ionisation von Luftmolekülen durch die Strahlung die Aerosolbildung drastisch verstärkte, und zwar abhängig von der Temperatur.
Auf Meereshöhe und bei 20 Grad Celsius verdoppelte die Strahlung die Bildungsrate der Schwebeteilchen, bei fünf und minus 25 Grad stieg sie jedoch auf über das Zehnfache. „Diese Ergebnisse sind wichtig, weil wir erstmals sehr wichtige atmosphärische Prozesse beobachten“, erklärt der Sprecher der CLOUD-Forschergruppe Jasper Krikby. „Wir fanden heraus, dass kosmische Strahlen die Aerosolbildung in der mittleren Troposphäre und darüber deutlich erhöht. Diese Aerosole können gegebenenfalls zu Kondensationskeimen für Wolken heranwachsen.“
Die Schwebeteilchen spielen schon für sich genommen eine wichtige Rolle im Klimageschehen. Es kann sich dabei um Pollen, Russteilchen aus Dieselmotoren, Wüstenstaub, Dimethylsulfid, das von Meeresalgen abgegeben wird, und andere winzige Partikel handeln. Sie reflektieren das Sonnenlicht und kühlen so den Globus. Gäbe es mehr davon, würden die Wolken heller und auch langlebiger.
Nach heutigen Schätzungen entsteht aber die Hälfte aller Regentropfen durch die Zusammenlagerung von Molekülen von Spurenstoffen, die durch die Luft schwirren. Die wichtigsten davon sind Schwefelsäure und Ammoniak. Beide stammen aus natürlichen Quellen, werden aber auch aus Industrieschloten, der Tierzucht und von gedüngten Äckern freigesetzt. Doch wie genau daraus Wassertröpfchen entstehen, ist nur wenig verstanden.
Begrenzte Aussagekraft
Das CLOUD-Experiment lässt nun erkennen, dass sich Wasserdampf und Schwefelsäure in ein paar Kilometern Höhe in der Atmosphäre zu kleinen Klumpen zusammenballen. Dieser Prozess wird durch die kosmische Strahlung vielfach verstärkt. In der untersten Luftschicht, die etwa einen Kilometer hoch reicht, braucht es dafür weitere Spurenstoffe. Schwefelsäure, Ammoniak und Wasserdampf allein reichen nicht aus, um die beobachteten Aerosolkonzentrationen zu erklären. „Es war eine große Überraschung, dass die Aerosolbildung in der unteren Atmosphäre nicht nur von diesen drei Stoffen abhängt“, sagt Kirkby. „Jetzt müssen wir die weiteren beteiligten Substanzen identifizieren und sehen, ob sie vom Menschen erzeugt werde und wie sie die Wolken beeinflussen. Das ist unsere nächste Aufgabe.“ Würde sie vom Menschen freigesetzt, hätte die Umweltverschmutzung einen stärkeren Kühleffekt als gedacht. Wäre die verborgene Substanz dagegen natürlichen Ursprungs, könnte es bislang unbekannte Rückkopplungen im Klimasystem geben - etwa, wenn Bäume bei höheren Temperaturen vermehrt organische Moleküle absondern.
Svensmark selbst begrüßte im Online-Journal „Physicsworld“ die neuen Ergebnisse und sagte, dass diese die Forschungsarbeit seiner Gruppe bestätigen. „Natürlich gibt es viele Dinge zu erkunden“, bekennt er. „Ich glaube aber, dass die Kosmische Strahlung/- Wolkenkeim-Hypothese mit der Realität zusammenläuft.“ Allerdings lassen die CLOUD-Resultate die wichtige Frage offen, bis zu welcher Größe die Aerosole heranwachsen. CLOUD-Sprecher Kirkby gesteht zu, die Resultate des Experiments würden „nichts über den Einfluss kosmischer Strahlung auf die Wolken“ aussagen, denn die bislang produzierten Aerosole seien zu klein, um als Kondensationskeime zu dienen.
Das Experiment hat also nur eine begrenzte Aussagekraft. „Es liefert direkte Messungen der Zusammensetzung von einzelnen Molekülen bis hin zu stabilen Aerosol-Partikeln. Die Klumpen wachsen dabei durch die schrittweise Anlagerung von Molekülen“, resümieren die beteiligten Forscher in ihrer Studie. „Der Anteil der neu erzeugten Partikel, der groß genug wird, um als Keime für Wolkentröpfchen zu dienen, ebenso wie die Rolle organischer Dämpfe bei der Keimbildung und dem Wachstumsprozess, bleiben experimentell offene Fragen. Dies sind wichtige Beobachtungen für den möglichen Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung und Wolken.“
Kein Grund zum Faulenzen
Der Atmosphäreforscher Jeffrey Pierce von der kanadischen Dalhousie University stellt den CLOUD-Ergebnisse eigene Berechnungen gegenüber. Danach nimmt die Menge von Kondensationskeimen bei einer Veränderung der Konzentration atmosphärischer Ionen um zehn bis 20 Prozent nur um ein Prozent zu. Diese Variabilität geht mit Sonnenstürmen - also heftigen Sonnenwinden nach Eruptionen auf unserem Tagesgestirn - sowie der sich wandelnden solaren Aktivität im Lauf eines Sonnenzyklus einher.
Selbst wenn sich herausstellt, dass der Svensmark-Prozess die Wolkenbildung beeinflusst, ist offen, wie er sich auf das Erdklima auswirkt. Zum einen bleibt das Problem bestehen, dass die Korrelation zwischen der Intensität der kosmischen Strahlung, die den Erdboden erreicht, und der globalen Temperatur vor 40 Jahren kollabierte. Die Erde wurde wärmer, obwohl die Strahlungsintensität weitgehend unverändert blieb. Doch selbst wenn die Bewölkung der Erde im Zusammenhang mit der Sonnenaktivität zunähme, ist nicht klar, ob der Effekt positiv oder negativ wäre. Darauf weist der Klimatologe Chris Folland vom britischen Met Office hin. Denn es können durchaus mehr wärmende Höhenwolken als kühlende tiefere Wolkendecken entstehen. Unterm Strich liefert CLOUD also keine Begründung dafür, mit den Anstrengungen zur Minderung der Treibhausgas-Emissionen nachzulassen.
Kommentar: Angeblich soll auch Kometenstaub zusätzlich die Erdatmosphäre belasten und somit das Sonnenlicht reflektieren.
Das folgende Video von Laura Knight-Jadczyk verfügt über deutsche Untertitel:
Schauen Sie sich auch die folgenden Dokumentationen über den angeblichen Klimawandel an:
Dokumentation - Die Klima Lüge
Widerlegung des CO2-Treibhauseffekts anhand der physikalischen Gesetze