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INTERVIEW/024: Die DPG stellt vor - im Spiegel der Grenzen ...    Dr. Miriam Sinnhuber im Gespräch (SB)



Seit mehr als 15 Jahren erforscht die Atmosphären- und Umweltphysikerin Dr. Miriam Sinnhuber die Mesosphäre. Durch ihre frühere Arbeit am 'Institut für Umweltphysik' (IUP) der Universität Bremen und inzwischen am 'Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung' (IMK-ASF) ist sie an der Organisation zahlreicher Umwelt-Atmosphären-Projekte beteiligt, die sich mit den Prozessen in der Mesosphäre und ein Stück darüber hinaus in der Mittleren Atmosphäre befassen. [1] Im Anschluß an ihren Vortrag am letzten Tag der DPG-Frühjahrstagung in Bremen (13.-17. März 2017) "Einfluß von geomagnetischer Aktivität auf die Atmosphäre: Beobachtungen und Modellstudien" stellte sie sich dem Schattenblick für einige Fragen zur Verfügung.

Die Mesosphäre, die man per Definition in 50 bis 85 Kilometern Höhe über der Erde suchen muß (die Forschungsarbeit des IMK-ASF geht allerdings weit über diese Grenzen hinaus), scheint auf den ersten Blick weder Laien noch Wissenschaftlern besonders faszinierende Anhaltspunkte zu bieten, von gelegentlich wiederkehrenden nächtlichen Schauspielen wie Sternschnuppen oder "leuchtenden Nachtwolken" [2] abgesehen, die wissenschaftlich bereits geklärt sind. Bei ersteren handelt es sich um Staubteilchen und kleinere Gesteinsbrocken aus dem All, die hier verglühen und ohne diese "Atmosphärenbremse" auf die Erde stürzen würden. Ansonsten ist die Region mit extremen Kältegraden bis unter 100 Grad Celsius die vermutlich kälteste der gesamten Erdatmosphäre, zudem ist die Luft tausendmal dünner, als die Luft auf der Erde in Höhe des Meeresspiegels. Chemische Moleküle oder auch Ozon, das in tieferen Atmosphärenschichten noch einmal wie eine Heizdecke wirkt, sind hier kaum noch zu finden. Sowohl darunter, in der oberen Stratosphäre, als auch direkt darüber in der Ionosphäre, dem Bereich der für das Entstehen der Polarlichter verantwortlich ist, finden Atmosphärenforscher allerdings spektakulärere Phänomene, die miteinander in Verbindung stehen könnten.

Die Vorgänge an dieser Schnittstelle zwischen Weltraum und Atmosphäre wecken gerade wegen ihres potentiellen Anteils an Klima- und Wetterentwicklungen ein breiteres Interesse, wenn es beispielsweise um Voraussagen und Modellierungen geht: Diese Region reagiert besonders auf externe, das heißt solare und kosmische Einflüsse, die aber zunächst auf die irdische Magnetosphäre einwirken, erläuterte die Referentin. Ihre Darlegungen zeigten aber auch, daß sich dies nur an den Folgen und Einwirkungen, d.h. im indirekten Schluß erkennen läßt. Die Forscher können letztlich vor allem Vergleiche anstellen und Zusammenhänge vermuten.

Eine Korrespondenz zwischen Klima, Wetter und höheren oder niedrigen Aktivitäten der Magnetosphäre fanden die Forscher etwa im Vergleich mit meteorologischen Daten von Bodenstationen oder Proxydaten. Sie legen laut Dr. Sinnhuber die Vermutung nahe, daß geomagnetische Aktivitäten die Luft- und Bodentemperaturen wie auch Windbewegungen beeinflussen können. So scheinen auffallend hohe Aktivitäten zeitgleich mit ungewöhnlich warmen, feuchten Wintern in Europa, Rußland und Alaska einherzugehen, die sich ihrer Meinung nach eindeutig von den normalen Klimatrends abgrenzen ließen. Auch wenn die Ergebnisse noch nicht zufriedenstellend seien, zeigten sie doch zudem starke Ähnlichkeiten zu den von Prof. Katja Matthes [3] untersuchten Sonnenaktivitäten im Verlauf des solaren Zyklusses. Beides hängt zusammen:


Die Erde, von einer riesigen, magnetischen Blase umgeben, in der sich energiereiche, geladene Teilchen sammeln. - Bild: 2013 by NASA [gemeinfrei]

Wie ein Windsack in einer lauen Brise - Die Magnetosphäre der Erde steht unter dem Einfluß der Sonne. Erschütterungen machen sie für kosmische Teilchen durchlässig.
Bild: 2013 by NASA [gemeinfrei]

Die Wirkung des Magnetfeldes kann man sich anschaulich wie einen mächtigen Deflektor vorstellen, der unseren Planeten umgibt und den Sonnenwind abweist. Sonnenzugewandt reichen dabei die Magnetfeldlinien aufgrund des gewaltigen Strömungsdrucks des Sonnenwindes nur etwa 60.000 Kilometer in den interplanetaren Raum hinaus. Während starkem Sonnensturm kann die Magnetosphäre sogar auf weniger als 36.000 Kilometer zusammengedrückt werden. An der Nachtseite der Erde werden die Feldlinien hingegen vom vorbeistreifenden Teilchenstrom deutlich mehr als 1 Mio. km in das Weltall hinausgezogen und nehmen die Form eines langgestreckten Schweifes ein. Das "Schutzschild" Magnetosphäre ist wirkungsvoll, perfekt ist es jedoch nicht. Es gibt drei sogenannte "neutrale Zonen", an denen die magnetische Flußdichte auf einen sehr kleinen Wert zurückgeht, zwei sind in der Nähe der beiden geomagnetischen Pole. Die dritte neutrale Zone befindet sich sonnenabgewandt im Zentrum des langgestreckten Schweifs der Magnetosphäre, wo Feldlinien parallel zueinander in entgegengesetzter Richtung verlaufen.

Der Sonnenwind läßt das Erdmagnetfeld (die irdische Magnetosphäre) normalerweise wie einen Windsack in einer leichten Brise flattern. Aber schon eine größere "Böe", die durch Massenauswürfe der Sonnenkorona (CMEs) [4] entsteht, oder ein Sonnensturm (man spricht dann auch von einem "geomagnetischen Sturm") quetscht und rüttelt an dem durch die Feldlinien erzeugten Schild, so daß es unter Umständen für einige Teilchen auch jenseits der neutralen Zonen durchlässig werden kann. Sie diffundieren dann in das Innere der Magnetosphäre und können so die oberen Atmosphärenschichten erreichen.

Heftige Sonnenstürme lassen Polarlichter sogar in mittleren Breiten entstehen, wie etwa während des legendären 'Carringtonereignisses' von 1859, das als die Mutter aller Sonnenstürme in die Geschichte eingegangen ist und von Kanada bis in die Karibik die Nacht mit farbenprächtigen Himmelsschauspielen taghell erleuchtete. In so einem Fall kann die elektromagnetische Strahlung den Funkverkehr in polnahen Breiten vorübergehend zum Erliegen bringen, oder die auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigten, geladenen Teilchen gefährden die komplexe Elektronik von Satelliten.

Gegen diese spektakulären Auswirkungen von kleinsten unorthodoxen Eindringlingen in die obere Mesosphäre sind die Vorgänge unscheinbar, die auf dem gleichen Prinzip beruhen, aber die Mesosphärenforscher wie Dr. Sinnhuber mit ihren Meßgeräten einfangen können. Sie gehen aber auf geomagnetische Aktivitäten mit erhöhten Elektronenflüssen aus den Strahlungsgürteln oder der Auroraregion zurück, die zu Energien von einigen 100 keV (Kiloelektronenvolt) bis zu einigen MeV (Megaelektronenvolt) beschleunigt werden und bis in Höhen von unter 80 km in die Atmosphäre eindringen können. Dort stoßen sie im wahrsten Sinne des Wortes auf die Bestandteile der Atmosphäre (vor allem Stickstoff N2, Sauerstoff O2 und elementarer Sauerstoff O), die aufgrund des Aufpralls unterschiedlich stark angeregt, dissoziiert oder ionisiert werden. Diesen Vorgang kann man von der Erde aus als Aurora bestaunen. Die wesentlich aggressiveren, meist nur kurzlebigen Bestandteile, die gemeinhin als Sauerstoff-, Stickoxid- oder Hydroxyl-Radikale der empfindlichen Atmosphärenchemie diskutiert werden [5], können mit den darauf folgenden, schnellen Ionenchemiereaktionen die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre deutlich verändern. Allein mit den genannten Spezies lassen sich unzählige Kombinationen denken, ähnlich denen in einem angeregten, kalten Plasma, die zudem mit natürlich vorkommenden oder durch menschliche Emissionen eingetragenen Molekülen reagieren könnten. Vieles davon ist noch nicht einmal im Ansatz angedacht, geschweige denn untersucht, weil bislang keine Relevanz darin gesehen wird, die aufwendige Studien rechtfertigt. Auch die Forscher des IMK-ASF konzentrieren sich vor allem auf die Atmosphärenchemie, deren Einfluß auf das Klima bereits einigermaßen verstanden ist.

Das Hauptaugenmerk von Miriam Sinnhuber gilt der Bildung von Stickoxiden, die in der Stratosphäre zum katalytischen Ozonabbau beitragen und bislang die vielversprechendsten Ergebnisse geliefert haben, um eine Kopplung zwischen mittlerer Atmosphäre und Klimageschehen zu bestätigen. Diese haben insbesondere im polaren Winter Lebensdauern von Wochen bis Monaten, so daß sie dann von ihrer Quellregion oberhalb von 70 km durch sogenanntes "Downwelling" bis in die Stratosphäre (unterhalb von 45 km) transportiert werden können. Da Ozon wesentlich zum Strahlungsheizen der Stratosphäre beiträgt, hätte der mit diesem sogenannten "indirekten Teilcheneffekt" verbundene Ozonabbau einen ähnlichen Einfluß auf Temperatur und Dynamik der Atmosphäre wie die Änderungen der solaren UV-Strahlung über den solaren Zyklus.

In ihrem Vortrag stellte Dr. Sinnhuber die mit verschiedenen Rechenmodellen durchgeführten Auswertungen von Satellitenmessungen vor, die von den Instrumenten SCIAMACHY und MIPAS [6] auf ENVISAT [7] stammen. Ihre Gruppe nutzt vor allem drei verschiedene Modelle der Erdatmosphäre, EMAC/Edith, 3dCTM, UBIC für ihre Studien, an deren Entwicklung sie arbeitet. [8] Die bisherigen Ergebnisse ihrer Forschungsgruppe sind möglicherweise zu unscheinbar, um den Bau eines neuen Satelliten zu rechtfertigen, aber doch schon relevant genug, um in Klimamodelle integriert zu werden.

Ihr vorläufiges Credo bisheriger Erkenntnisse: Sowohl die ionisierenden Elektronen der Aurora als auch die von Solar-Protonen-Events können zu Ozonverlusten in der mittleren und oberen Stratosphäre (in 30 bis 45 Kilometer Höhe) und damit zu einer Erwärmung im Winter und Kühlung im Frühjahr führen, allerdings wirkt sich ihr Einfluß auf verschiedene Bereiche der Stratosphäre in der Nord- und Südhemisphäre unterschiedlich aus. So zeigen Solar-Protonen-Events im Süden eine deutlich stärkere Wirkung. Im Norden wirke ein ganz anderer Mechanismus, der eine Folge von plötzlichen und unregelmäßig auftretenden Stratosphärenerwärmungen sei, die zudem durch den Wärmefluß aus dem Nordatlantik in die Atmosphäre verstärkt werden. Dabei sei Dr. Sinnhuber zufolge jedoch noch kein abschließender Stand der Forschung erreicht.


Foto: © 2017 by Schattenblick

"Klimawandel findet in der gesamten Atmosphäre statt." Dr. Miriam Sinnhuber
Foto: © 2017 by Schattenblick

Schattenblick (SB): Wenn man als Mensch auf der Erde Zeuge der Einflüsse der Magnetosphäre wird, etwa bei Naturschauspielen, wie sie die Aurora borealis in nordischen Nächten bietet, dann drängt sich das Bild einer brodelnden Hexenküche in der oberen Atmosphäre geradezu auf. Ihrem Vortrag zufolge, scheint dieser Eindruck nicht zu trügen, wenn man in Betracht zieht, was sich tatsächlich zwischen Magnetosphäre und Hochatmosphäre alles unkontrolliert abspielen kann. Sehe ich das richtig?

Dr. Miriam Sinnhuber (MS): Ich verstehe den Begriff "Hexenküche" in diesem Zusammenhang nicht. Die Einflüsse der geomagnetischen Aktivitäten auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre sind inzwischen sehr gut und für die Aurora auch schon sehr lange durch Messungen belegt.

Was ich darüber hinaus für die sogenannten Solar-Protonen-Events gezeigt habe, diese starken sporadischen Ereignisse von der Sonne, so sind auch diese sehr gut dokumentiert. Wenigstens seit den 1970er Jahren gibt es Messungen dazu, die darauf hinweisen, daß diese SPEs runter bis zu einer Höhe von 40 Kilometern über der Erdoberfläche tatsächlich einen sehr großen Einfluß auf die chemische Zusammensetzung in der Atmosphäre haben. Das heißt, zunächst wirken sie auf die Atmosphärenchemie und dann, wenn dabei angeregte Spezies erzeugt werden, entsteht die Aurora, die man dann auch sehen kann.

SB: Erleben Sie denn als Wissenschaftlerin diesbezüglich keine Überraschungen mehr, daß etwa neue Stoffe entdeckt oder erzeugt werden, mit denen Sie vorher gar nicht gerechnet hatten?

MS: Doch tatsächlich, das ist uns mit den Solar-Proton-Events vor ungefähr 15 Jahren passiert. Da dachten wir schon, wir wüßten alles. Und dann kam MIPAS [6], ein Instrument, das sehr viele verschiedene Spurengase gleichzeitig messen kann. Plötzlich tauchten da Sachen auf, mit denen niemand gerechnet hatte. Es hat einige Zeit gedauert, das zu erklären. Das hat schließlich dazu geführt, daß man gemerkt hat, wie wichtig es ist, auch unterhalb der Auroraregion Ionen-Chemiereaktionen sehr explizit mit zu berücksichtigen. Also Überraschungen oder Unerwartetes kommt immer wieder mal vor, wenn man neue Daten bekommt oder sich auch alte Messungen noch einmal unter einer anderen Fragestellung ansieht.


Leuchterscheinung über einer Berglandschaft - Foto: 2012 von Jónína …skarsdóttir NASA [gemeinfrei]

Aurora in Faskrudsfjordur, Island - zeitgleich zu einem koronalen Massenauswurf auf der Sonne.
Bestandteile der Erdatmosphäre werden dafür von eindringenden Protonen angestoßen und dadurch vorübergehend in höhere Energiezustände versetzt ("angeregt"), so daß sie phosphoreszieren.
Foto: 2012 von Jónína Óskarsdóttir NASA [gemeinfrei]

SB: Worin besteht die Aufgabe Ihrer Forschungsgruppe?

MS: Wir analysieren unter anderem die Satellitenmessungen. Unser Institut, das 'Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) - Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (ASF)', hat das MIPAS-Instrument betreut, also Daten ausgewertet, die davon geliefert wurden. Das gehört allerdings nicht zu meinen Aufgaben. Ich untersuche dann die Auswertungen und Ergebnisse. Wir entwickeln aber auch neue Modelle. Und wie ich in meinem Vortrag dargestellt habe, führt meine Gruppe Studien mit verschiedenen Modellen der Erdatmosphäre durch, die wir kontinuierlich weiterentwickeln. [8] Mit diesen Modellen lassen sich dann auch Voraussagen darüber treffen, wie sich das, was wir immer nur in kurzen Zeiträumen beobachten, über längere Zeiten entwickeln könnte.

Darüber hinaus lassen sich auf diese Weise auch sogenannte On/Off-Experimente durchspielen, also Simulationen unter extremen Bedingungen, die einem die Atmosphäre nicht bietet. Wir fragen beispielsweise, wie sähe es aus, wenn wir an dieser Stelle überhaupt kein Ereignis hätten, oder was passiert, wenn doch ein Ereignis da ist, und analysieren dann den Unterschied.

SB: Der Klimawandel, der gegenwärtig in aller Munde ist, wird normalerweise in der unteren Atmosphäre, der Troposphäre, angesiedelt. Wir haben auf dieser Tagung bereits häufiger gehört, daß Einflüsse aus dem Weltraum und ihre Wirkung auf das Klima untersucht werden. Würden Sie anhand Ihrer Erkenntnisse sagen, der Klimawandel läßt sich auch in der mittleren Atmosphäre beobachten?

MS: Man spricht im Zusammenhang mit dem Klimawandel tatsächlich immer nur von der unteren Atmosphäre. Aber das ist falsch. Klimawandel findet genaugenommen in der ganzen Atmosphäre statt. Und die Temperaturtrends sind in der Stratosphäre sogar noch größer als hier unten, nur mit umgkehrtem Vorzeichen. Während die Atmosphäre durch die zunehmende Konzentration der Treibhausgase die meist vom Boden kommende Wärmestrahlung bzw. Infrarot gleichmäßig in alle Richtungen abgeben und es auf diese Weise in der unteren Atmosphäre immer wärmer wird, sorgt das vermehrte Strahlungskühlen in der Stratosphäre dafür, daß diese deutlich abkühlt. Denn die Treibhausgase in der Stratosphäre strahlen mehr ab und absorbieren nicht. Das heißt, das sogenannte Nettokühlen nimmt zu. Dieser Effekt wird in Zukunft wohl auch noch weiter zunehmen.

SB: Sie sehen darin aber keinen Widerspruch zu den Temperaturtrends in der unteren Atmosphäre?

MS: Es bestätigt genau das, was man erwarten würde.

SB: Für das Klima in der unteren Atmosphäre und entsprechende Modellierungen werden riesige Datenmengen aufgeboten. Woher bezieht das IMK-ASF seine Daten für die Mittlere Atmosphäre?

MS: Für die mittlere Atmosphäre gibt es natürlich nicht so viele Daten. Die globalen Daten, die wir haben, stammen von Messungen verschiedener Satelliten. Etwa 10 Jahre lang waren diese ergiebig. Zwischen 2002 und 2012 wurden allein im Rahmen der ENVISAT-Programme sehr viele verschiedene Sensoren eingesetzt, um Daten über die mittlere Atmosphäre und vor allem auch über die Spurengase in der mittleren Atmosphäre zu ermitteln. Das ist allerdings jetzt vorbei. Prof. Johannes Orphal hat in seinem Vortrag vorhin auch einige der Instrumente gezeigt, die so tangential durch die Atmosphäre gucken und mit denen wir höhenaufgelöste Profile von Spurengasen messen können. Davon ist im Moment und in naher Zukunft fast nichts zu erwarten. Denn solche Messungen, wie ich sie in meiner Präsentation gezeigt habe, werden in den nächsten fünf bis zehn Jahren sicher nicht mehr durchgeführt werden. Wenn man neue Projekte plant, in denen man solche Instrumente einsetzen will, dann braucht das immer einen gewissen Vorlauf.

SB: Sie sprachen von energiereichen, geladenen Teilchen, die aus der Ionosphäre in die Erdatmosphäre präzipitieren. Was muß man sich darunter vorstellen?

MS: Dabei handelt es sich vor allem um Protonen und Elektronen aus dem Sonnenwind. Präzipitieren ist ein Begriff, der aus dem englischen kommt und mit "präzipitieren" eigentlich schlecht "übersetzt" ist. Das deutsche Wort dafür ist ganz einfach runterregnen. Es bedeutet aber, daß die Energie der Teilchen hoch genug ist, daß sie in die Atmosphäre gelangen können, ohne vorher absorbiert zu werden. Da die Erde permanent im Sonnenwind ist, bekommt sie eine Menge dieser Teilchen ab. Der Sonnenwind variiert vielleicht etwas in der Stärke und er ist auch ein bißchen gerichtet, weil er vor allem aus den koronalen Löchern kommt. [9] Außerdem ist die Erde weitestgehend durch ihre Atmosphäre und ihr Magnetfeld vor Sonnenwinden geschützt. Zusätzlich schirmt die Atmosphäre die Erdoberfläche ab. In großen Höhen und in den Polargebieten, wo die Feldlinien des Magnetfeldes stärker gegen die Erdoberfläche geneigt sind, ist dieser Schutz schwächer. Hier können die Teilchen leichter eindringen. Das heißt, wir bekommen lange nicht alles ab. Und auch die Intensität ist nicht immer gleich. Es gibt zum einen die 27-Tage-Periodizität, innerhalb der es durch die Rotation der Sonne zu Materieausbrüchen aus der Corona kommt. [10] Und zum anderen variieren die Sonnenaktivitäten im Laufe des solaren Magnetismus mehr oder weniger innerhalb von 11 Jahren.

SB: Sind diese ausgeschleuderten Sonnenteilchen ein Bestandteil des Weltraumwetters?

MS: Im Prinzip sind sie das. Es ist jedoch ein Einfluß auf die Atmosphäre, der unterhalb der Hochatmosphäre, also unterhalb der Aurora, stattfindet. Aber diese Region schauen sich nicht so viele Leute an. Dort findet man jedoch das Weltraumwetter.

SB: Protonen und Elektronen haben Sie schon genannt. Gibt es noch weitere Sonnenteilchen, die Einfluß auf die Atmosphäre nehmen?

MS: Es sind hauptsächlich Protonen und Elektronen. Je nach dem, was man sich anschaut, die Aurora, Strahlungsgürtel oder solaren Protonenereignisse, handelt es sich immer um Elektronen oder Protonen. In der Aurora findet man hauptsächlich Elektronen und Strahlungsgürtelteilchen, die es bis in die Atmosphäre schaffen, sind ebenfalls meist Elektronen. Aus dem Sonnenwind direkt kommen Elektronen und Protonen und auch noch schwerere Ionen oder Alphateilchen, die aber für die weitere Ionisierung der Atmosphärenchemie keine große Rolle spielen.

SB: Erdgeschichtlich gesehen wäre eine Umkehr der Magnetpole längst überfällig. Welche Auswirkungen hätte das auf die Magnetosphäre?

MS: Das ist, ehrlich gesagt nicht mein Fachgebiet. Es gibt meines Erachtens verschiedene Theorien dazu. Eine Möglichkeit besteht darin, daß nur der Pol wandert. Das scheint momentan schon der Fall zu sein und ich finde, der bewegt sich ziemlich schnell. Die andere Möglichkeit, die diskutiert wird, geht davon aus, daß der Dipolanteil schwächer wird und dann höhere Ordnungen zunehmen. Das heißt, man würde immer noch eine Magnetosphäre haben, aber die Struktur wäre anders, wahrscheinlich nicht mehr so ein schöner Dipol wie jetzt, sondern seltsam geformte Quadropole. Es gibt da verschiedene Konfigurationen, die möglich wären. Es könnte sich im Prinzip in der Magnetosphäre ein Loch am Äquator bilden oder auch mehrere Pole erhalten. Aber was genau passieren wird, scheint noch nicht wirklich klar zu sein. Auch eine Kombination aus mehreren Theorien wäre denkbar.

SB: Ebenfalls denkbar ist, daß es bei einer Polumkehr eine Phase geben müßte, in der die Erde gar kein Magnetfeld hat. Hieße das dann, daß auch keine Magnetosphäre mehr vorhanden sein würde?

MS: Nein, die Magnetosphäre wird ja auch teilweise durch den Sonnenwind selbst gebildet. Also komplett weg wäre sie nicht. Aber ich würde vermuten, daß sie dann deutlich kleiner wäre. Aber das gehört ebenfalls nicht in meine Expertise.

SB: Hätte - einmal weiter spekuliert - so ein Fall Auswirkungen auf das Erdklima?

MS: Tatsächlich haben wir vor einiger Zeit im Zusammenhang mit einem anderen Projekt untersucht, welche Auswirkungen besonders starke Solar-Proton-Events auf das stratosphärische Ozon hätten. Man sieht ihren Einfluß nämlich nur jenseits von 60 Grad geomagnetischer Breite, also in Richtung der Polregionen, wo die Atmosphäre für diese Teilchen durchlässiger ist. Ansonsten ist der Anteil aller Teilchen, die in die Atmosphäre eindringen, verhältnismäßig gering, weil sie von der Magnetosphäre abgelenkt werden und wie in einer Art Speicherring um die Erde kreisen. [7] Da könnte man sich natürlich für den hypothetischen Fall, in dem gar kein Magnetfeld mehr existiert, vorstellen, daß die Teilchen dann einfach überall reinkommen. Während dieser Solar-Proton-Events beobachtet man oberhalb von 40 Kilometern einen relativ starken Ozonverlust in der Stratosphäre. Wenn man nun global gesehen überall solche Ozonverluste hätte, ist natürlich fraglich, wie sich das auf die Strahlungsbelastung am Boden auswirken würde.

Diese Frage haben wir mal mit Modellen untersucht. Und die Antwort war, daß der Einfluß wahrscheinlich gar nicht so groß ist. Man würde zwar durchaus eine höhere Strahlungsbelastung im UV-Bereich bekommen, aber interessanterweise würden sich die Ozonverluste doch ausschließlich in den Polargebieten abspielen, weil dafür zunächst Stickoxide, die gebildet werden, in den Bereich der Ozonschicht runtertransportiert werden müssen. Das passiert aber nur in den Polargebieten, wo man diese Zirkulationsmuster hat, mit denen im Winter ein Stofftransport nach unten stattfindet.

SB: Werden eigentlich beim Weltraumwetter auch schon langfristige Trends beobachtet, gibt es beispielsweise mehr oder weniger Sonnenstürme? [11]

MS: Es würde mich sehr wundern, muß ich sagen.


Im Vergleich zu einem Koronalen Masseauswurf der Sonne wirkt die Erde wie ein Fliegenschiß auf einer Tapete.- Foto: by NASA Goddard Space Flight Center als CC BY 2.0 [http://creativecommons.org/licenses/by/2.0], via Wikimedia Commons

2012 kam es zu einem gewaltigen Sonnensturm, der nur haarscharf die Erde verfehlte und möglicherweise stärker als das berüchtigte Carrington-Ereignis war.
Foto: by NASA Goddard Space Flight Center als CC BY 2.0 [http://creativecommons.org/licenses/by/2.0], via Wikimedia Commons

SB: Gibt es abgesehen vom Sonnenwind noch andere kosmische Einflüsse auf das Erdklima?

MS: Na ja, es gibt die galaktische, kosmische Strahlung, die auch wirklich direkt bis zum Boden kommt, anders als die Aurora. Über dieses Thema haben heute morgen Prof. Bernd Heber im Hauptvortrag und Prof. Dr. Urs Baltensperger gesprochen. [12]

SB: Wie sind Sie persönlich darauf gekommen, sich mit der Mittleren Atmosphäre zu beschäftigen?

MS: In meiner Doktorarbeit habe ich mich mit dem Ozonloch beschäftigt. Das war damals ein ganz heißes Thema. Und mein Doktorvater hat mich dann nach der Promotion auf die Mittlere Atmosphäre gebracht.

SB: Ist das Ozonloch oder die Ozonschicht an sich heute kein heißes Thema mehr?

MS: Auch wenn wir die grundlegenden Prozesse, wie das Ozonloch entsteht, seit einiger Zeit sehr gut verstehen, ist es eigentlich schon noch ein heißes Thema. Momentan wird die Frage untersucht, wie es sich auf das Klima auswirkt. Jedenfalls in der Südhemisphere gibt es starke Indizien, daß das Ozonloch dort tatsächlich auch einen Einfluß auf das Klima hat.

Die Hauptmotivation, daß man seinerzeit sehr erfolgreich die Quellgase politisch reduziert hat, war eigentlich die Strahlungsbelastung, also UV-Belastung am Boden. Das ist ja auch sehr brisant. Doch jetzt, wo man erwartet, daß sich das Ozonloch in den nächsten Jahrzehnten schließen wird, rückt ein weiterer Einfluß des Ozons über die Strahlenbelastung hinaus in den Fokus, und das ist der Einfluß auf die Dynamik der Atmosphäre, der dann ja, wie Prof. Katja Matthes erklärt hat, wieder einen Einfluß auf die Troposphäre und damit auf das Wettergeschehen nimmt. Das alles sind noch neue, aber ebenfalls sehr heiße und interessante Themen.

SB: Frau Sinnhuber, vielen Dank für das Gespräch.


Anmerkungen:

[1] Dr. Miriam Sinnhuber arbeitet am 'Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (IMK-ASF)' des 'Karlsruher Instituts für Technologie' (KIT) und leitet hier die Arbeitsgruppe "Solar Variability, Climate, and the Role of the Mesosphere/Lower Thermosphere". Ihre Spezialgebiete sind: Aeronomie der mittleren und oberen Atmosphäre; Einfluß von solarer und geomagnetischer Aktivität; Chemie-Klimakopplung; atmosphärische Ionenchemie; globale Chemie-Transportmodellierung; atmosphärische Fernerkundung. Neben der Arbeit an verschiedenen Projekten ist Dr. Sinnhuber zudem die Vorsitzende der Arbeitsgemeinschaft Estratrerrestrische Forschung E.V. (AEF-EV.de)
http://www.imk-asf.kit.edu/msk.php

Bevor die Wissenschaftlerin ans KIT kam, hatte sie an der Universität Bremen bereits eine Arbeitsgruppe am Institut für Umweltphysik geleitet. Die PALEOZONE working group dieses Instituts war Teil eines interdisziplinären Kooperationsprogramms, das von der Deutschen Forschungsgesellschaft gegründet wurde. Ziel des Programms war die Erforschung des Phänomens der geomagnetischen Polumkehr. PALEOZONE erforscht die Wirkung des Erdmagnetfelds auf die Mittlere Atmosphäre.

[2] In der extremen Kälte können sich manchmal Wolken aus Eiskristallen formieren, die dann das Licht der Sonne zur Erde reflektieren, wenn dort der Himmel bereits dunkel ist. Diese Nachterscheinung der Mesosphäre ist als "leuchtende Nachtwolken" bekannt.

[3] Siehe auch Interview mit Prof. Dr. Katja Matthes:
INTERVIEW/018: Die DPG stellt vor - die Sonne im Blick ...    Prof. Dr. Katja Matthes im Gespräch (SB)

[4] Teilchen eines koronalen Masseauswurfs der Sonne wechselwirken mit dem Sonnenwind und dem interplanetaren Magnetfeld: Schnelle Teilchen werden auf die Geschwindigkeit des Sonnenwinds abgebremst und langsame beschleunigt. Es kommt zu einer breiten Schockfront, die für die Beschleunigung von Protonen auf Energien oberhalb von 10 MeV verantwortlich sein soll. Der Prozeß der Beschleunigung wird Solar Proton Event (SPE) bezeichnet.

[5] Siehe Interview mit Prof. Dr. Markus Rex:
INTERVIEW/022: Die DPG stellt vor - Ozon und sein doppeltes Gesicht ...    Prof. Dr. Markus Rex im Gespräch (SB)

[6] MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) ist ein Messinstrument des europäischen Umweltsatelliten ENVISAT für die Klima-und Atmosphärenforschung. Es nutzt die Eigenschaft von Gasen, spezifische Infrarot (Wärme)-Strahlung auszusenden. Diese Strahlung gleicht einem Fingerabdruck, sie kann eindeutig einem bestimmten Gas-Molekül zugeordnet werden. MIPAS kann gleichzeitig über 30 Spurengase messen, darunter Wasserdampf, Ozon, Stickoxide und verschiedene Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW). Die Konzentration der Gase in den verschiedenen Bereichen der Atmosphäre liefert wichtige Informationen für die Klimaforschung und den globalen Wandel. MIPAS ist ein gekühltes Fourier-Spektrometer auf der Basis eines Michelson-Interferometers, das die Aufnahme hochaufgelöster Spektren im mittleren Infrarot-Bereich erlaubt. MIPAS wurde entwickelt von Prof. Herbert Fischer und Mitarbeitern im Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Forschungszentrums Karlsruhe. Die europäische Weltraumbehörde ESA stellte für den Einsatz von MIPAS auf dem Umweltsatelliten ENVISAT rund 100 Mio. EURO zur Verfügung. Mehr dazu:
https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa-operational-eo-missions/envisat/instruments/mipas

[7] http://www.esa.int/ger/ESA_in_your_country/Germany/ESA_erklaert_Envisat-Mission_fuer_beendet

[8] Einige Beispiele von Modellen, die Dr. Sinnhuber mit der IMK-ASF-Gruppe am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt, siehe auch hier:
https://www.imk-asf.kit.edu/1035.php

Das darüber hinaus erwähnte KASIMA (Karlsruher Simulationsmodell der Mittleren Atmosphäre) wurde am IMK-ASF entwickelt, um das dynamische, chemische Verhalten der mittleren Atmosphäre zu untersuchen.

[9] Koronale Löcher (eng. Coronal Holes) oder auch kurz CH genannt, sind Gebiete auf der Sonnenoberfläche, aus denen Plasma mit hoher Geschwindigkeit austritt. Sie sind kälter als der Rest der Sonnenoberfläche und besitzen einen geringeren Druck. Die Magnetfeldlinien um ein koronales Loch herum sind nicht geschlossen, sondern reichen in den Raum hinein. Somit kann das Plasma ungehindert und schnell ins All strömen. Trifft der Sonnenwind eines CH die Erde, kann dieser helle Polarlichter erzeugen. Im Gegensatz zu Sonnenflecken sind koronale Löcher langlebiger und überdauern meist mehrere Umdrehungen der Sonne.

[10] Der 27-Tage-Zyklus, in dem es zu einem Ereignis kommen kann, hat damit zu tun, daß die Sonne aus heißen, fluktuierenden Gasen besteht und sich daher an ihrer Oberfläche nicht einheitlich bewegt: Die äquatorialen Regionen rotieren in etwa 25 Tagen, während jene der polnahen Breiten 30 oder mehr Tage für einen Umlauf benötigen. Dadurch kommt es im Laufe eines Zyklus zu Verzerrungen des inneren Magnetfeldes. Es entstehen lokale Feldbögen, die durch die Photosphäre brechen und deren Materie hinaus in die Korona tragen; die daraus resultierende Abkühlung der Oberfläche wird als Fleck sichtbar.

[11] Der Begriff Weltraumwetter (space-weather) umfaßt analog zum meteorologischen Wetterbegriff Veränderungen des interplanetaren und interstellaren Mediums, die speziell im erdnahen Bereich der Magnetosphäre (bis 50.000 km Abstand zur Erde) wahrgenommen werden. Hauptsächliche Ursachen sind der Sonnenwind und die galaktische, kosmische Strahlung der Milchstraße. Durch diese Einflüsse gelangen in unregelmäßigen Abständen verstärkt Materie, Teilchen- und Strahlungsströme in das Umfeld der Erde und beeinflussen damit die irdische Magnetosphäre, Ionosphäre und Erdatmosphäre.

[12] Prof. Bernd Heber von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hielt am 17.3.2017 im Rahmen der DPG-Frühjahrstagung in Bremen den Vortrag: "Cosmic rays and ground level enhancements".
Prof. Urs Baltensperger hielt den Vortrag: "Impact of precursor gases and ions on new particle formation and climate".
In beiden Vorträgen ging es um den Einfluß kosmischer Strahlung u.a. auf das Wetter. Die galaktische kosmische Strahlung besteht aus Atomkernen und Elektronen, die im Verlauf einer Supernova auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden. Die Energie eines kosmischen Teilchens kann bis zu einer Milliarde mal größer sein, als die von Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Durch Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre entstehen daraus molekulare Trümmer und geladene Teilchen. Letztere sind Kondensationskeime für Wolken, die wiederum einen erheblichen Einfluß auf das Erdklima haben. Die Gefahren, die mit einer erhöhten Teilchenstrahlung verbunden sind, wären aber laut Prof. Heber noch weniger bekannt.


Bisher im Schattenblick unter INFOPOOL → NATURWISSENSCHAFTEN → REPORT zur DPG-Frühjahrstagung in Bremen erschienen:

BERICHT/004: Die DPG stellt vor - Verantwortung der Wissenschaft ... (SB)
BERICHT/005: Die DPG stellt vor - Endlichkeit nicht vorgesehen ... (SB)
BERICHT/006: Die DPG stellt vor - Weltraumgravitationsforschung in spe ... (SB)

INTERVIEW/009: Die DPG stellt vor - unzureichend treibt voran ...    Prof. Dr. Claus Lämmerzahl im Gespräch (SB)
INTERVIEW/010: Die DPG stellt vor - Schwingungen und Perspektiven ...    Prof. Dr. Klaus Fredenhagen im Gespräch (SB)
INTERVIEW/011: Die DPG stellt vor - fortschreitendes Verständnis (Teil 1) ...    Prof. Dr. Domenico Giulini im Gespräch (SB)
INTERVIEW/012: Die DPG stellt vor - das Mögliche auch nutzen ...    Prof. Dr. Dr. Claus Beisbart im Gespräch (SB)
INTERVIEW/013: Die DPG stellt vor - die Maßstäbe prüfen ...    Martina Gebbe im Gespräch (SB)
INTERVIEW/014: Die DPG stellt vor - unbekannten Emissionen auf der Spur ...    Dr. Stefan Schmitt im Gespräch (SB)
INTERVIEW/015: Die DPG stellt vor - Zusammenschau ...    Dr. Irena Doicescu im Gespräch (SB)
INTERVIEW/016: Die DPG stellt vor - Vermächtnis der Vergleiche ...    Dipl. Ing. Stefanie Bremer im Gespräch (SB)
INTERVIEW/017: Die DPG stellt vor - fortschreitendes Verständnis (Teil 2) ...    Prof. Dr. Domenico Giulini im Gespräch (SB)
INTERVIEW/018: Die DPG stellt vor - die Sonne im Blick ...    Prof. Dr. Katja Matthes im Gespräch (SB)
INTERVIEW/019: Die DPG stellt vor - Wissenschafts- und Selbsterkenntnis ...    Prof. Dr. Hardi Peter im Gespräch (SB)
INTERVIEW/020: Die DPG stellt vor - Ursuppe der Forschung ...    Dr. Ralf König im Gespräch (SB)
INTERVIEW/021: Die DPG stellt vor - bis zum letzten Augenblick ...    Dr. Rolf König im Gespräch (SB)
INTERVIEW/022: Die DPG stellt vor - Ozon und sein doppeltes Gesicht ...    Prof. Dr. Markus Rex im Gespräch (SB)
INTERVIEW/023: Die DPG stellt vor - selbstredend ...    Prof. Dr.-Ing. Klaus Hofer im Gespräch (SB)

5. Mai 2017


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