Die Sonne ist der Mittelpunkt des Sonnensystems, unserer näheren kosmischen Heimat. Die Sonne versorgt die Erde mit Licht und Wärme. Ohne sie gäbe es auf der Erde kein Leben. Die Sonne strahlt nicht immer gleich, sondern ihre Aktivität ändert sich. Angesichts der schwankenden Sonnenaktivität stellt sich die Frage, in welchem Maße diese das Klima bei uns auf Erden beeinflusst.

Erst seit 1978 kann die gesamte Aktivität der Sonne samt Magnetfeld und verschiedenen Strahlungsspektren direkt mittels Satellit gemessen werden. Für die Zeit davor ist man von einer Berechnung der Sonnenflecken, der gesamten Sonnenstrahlung und der kosmischen Strahlung abhängig. Es stellen sich methodische Fragen und die Ergebnisse sind mit Unsicherheiten behaftet.

Hinzu kommt, dass sich kurzzeitige und langfristige Schwankungen der Sonnenaktivität überlagern, es komplexe Wechselwirkungen zwischen der Sonne und der Erde samt ihrer Atmosphäre gibt und Kenntnis der Mechanismen nötig ist, wie das irdische Klimasystem auf die Wechselwirkungen antwortet. All dies führt dazu, dass die Frage nach dem Ausmaß des Einflusses der Sonne unterschiedlich beantwortet wird. Vieles weist darauf hin, dass die Sonne als Hauptlieferantin der Energie einen erheblichen Einfluss auf das Klima hat. So ist auch anzunehmen, dass besonders starke Sonnenaktivität zu dem langsamen Temperaturanstieg seit dem 20. Jahrhundert beigetragen hat. Fraglich ist aber, ob die Sonne auch den außergewöhnlich starken und beständigen Temperaturanstieg seit den 1970er Jahren verursacht hat. Für diese Zeit ist von einem zunehmenden Einfluss von klimaschädlichen Gasen auszugehen.

Die Sonne, ein glühender Gasball

Die Sonne ist ein riesiger heißer Gasball, der überwiegend aus Wasserstoff besteht. Sie hat einen Durchmesser von 1,392 Millionen Kilometern, was dem 109fachen Erddurchmesser entspricht. Doch was lässt die Sonne so beständig leuchten? Bei der Sonne handelt es sich um einen Fusionsofen, in dessen Innerem bei Temperaturen von 15 Mio.° C Wasserstoff-Atomkerne zu Helium verschmelzen. Die bei dieser Kernfusion erzeugten gewaltigen Energien werden später in Form von Sonnenlicht abgegeben und erwärmen und beleuchten auch die Erde.

Infolge dieser Fusionsvorgänge verliert die Sonne in jeder Sekunde ungefähr 4,5 Mio. Tonnen Masse. Dies ist jedoch ein verschwindend geringer Betrag im Verhältnis zu ihrer Gesamtmasse, die der 330000fachen Masse der Erde entspricht. So vermindert der Masseverlust durch Kernfusion die Gesamtmasse der Sonne nur um rund 0,1 % in 10 Milliarden Jahren. Trotz dieser sehr geringen Masseeinbußen ist die Lebensdauer der Sonne auf „nur“ 10 Milliarden Jahre begrenzt.i

Verschiedene Wellenlängen der Sonnenstrahlung

Die riesige Energiemenge transportiert die Sonne in Form winziger, für das menschliche Auge nicht sichtbarer Teilchen – den Lichtquanten oder Photonen – zur Erde. Je nach ihrer Energie breiten sie sich im Raum in verschieden langen Wellenbewegungen aus. Der Großteil (47 %) des Sonnenlichts ist für das menschliche Auge sichtbar. Darüber hinaus strahlt die Sonne aber auch bei kürzeren und längeren Wellenlängen, gibt also auch Röntgenstrahlen, Ultraviolettes Licht (UV), Infrarot-Strahlung (IR), Mikrowellen und Radiowellen ab.ii

Das Besondere an der kurzwelligen, hochenergetischen Röntgenstrahlung ist, dass sie Materie durchdringen kann.iii Die ultraviolette Strahlung ist für den Menschen nicht sichtbar und kann auch nicht mit anderen Sinnesorganen wahrgenommen werden. Sie sorgt dafür, dass wir braun werden, kann aber auch die Haut schädigen und Krebs hervorrufen. Die ultraviolette Strahlung ist im Sommer stärker als im Winter, in der Nähe des Äquators stärker als in der Nähe der beiden Pole und in den Bergen stärker als im Flachland.iv Infrarot-Strahlung können wir zwar nicht sehen, aber als Wärme spüren. Sie hat einen Anteil von etwa 50 % an der Sonnenstrahlung, die den Erdboden erreicht. Außerdem gibt die durch die Sonneneinstrahlung erwärmte Erde Infrarot-Strahlung ab.v Radiowellen sind die längsten Wellen. Ihre Wellenlänge kann zwischen nicht ganz einem Millimeter und mehr als einem Kilometer liegen. Sie begegnen uns in unserem Alltag meist in der Radio- und Fernsehtechnik, werden aber auch von der Sonne ausgestrahlt. Die Mikrowellen stellen eine Untergruppe der Radiowellen dar.vi

Schwankende Sonnenaktivität

Die Sonne liefert der Erde zuverlässig Energie. Allerdings ist ihre Aktivität nicht konstant, sondern variabel. Es gibt zwei grundsätzliche Verfahren zur Ermittlung der Sonnenaktivität der letzten Jahrhunderte. Die bekanntere der beiden Verfahren bedient sich der Sonnenflecken. Bei den Sonnenflecken handelt es sich um dunkle Stellen auf der Sonnenoberfläche, die kühler sind und daher weniger sichtbares Licht abstrahlen als der Rest der Oberfläche. Sie sind zwar selbst kühler, jedoch heizt sich der Rest der Sonnenoberfläche stärker auf, was eine Sonne mit vielen und auch großen Flecken insgesamt heißer und aktiver macht.vii Im Schnitt treten Aktivitätsmaxima und -minima alle elf Jahre auf. Dieser elfjährige – nach seinem Entdecker als Schwabe-Zyklus bezeichnet – Sonnenzyklus ist jedoch in seiner Ausprägung uneinheitlich und wird von anderen, länger währenden Sonnenzyklen überlagert, was Vorhersagen zur Sonnenaktivität schwierig macht.

In Zeiten starker Sonnenaktivität treten auch vermehrt Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe auf. Von einer Sonneneruption spricht man, wenn der – als „Sonnenwind“ bezeichnete – Strom geladener Teilchen für kurze Zeit und in einem begrenzten Gebiet deutlich stärker ist als sonst. Die Strahlung und die Teilchen, die bei einer Sonneneruption entstehen, bewegen sich durchs All und können auch auf die Erde treffen.viii Bei koronalen Massenauswürfen spuckt die Sonne sozusagen einen Teil von sich selbst ins All hinaus.ix

Die zweite Methode der Ermittlung der Sonnenaktivität bezieht sich auf das Sonnenmagnetfeld, das bei einer aktiven Sonne besonders stark und bei inaktiver Sonne schwach ist. Das Sonnenmagnetfeld schirmt die Erde von der sogenannten kosmischen Strahlung ab, einem Strom elektrisch geladener Teilchen aus dem Weltall. Je schwächer das Sonnenmagnetfeld, desto mehr kosmische Strahlung gelangt auf die Erde. Die Stärke der auf der Erde eintreffenden kosmischen Strahlung können wir anhand von Isotopenmessungen in Eiskernen, Sedimentablagerungen, Tropfsteinen und Baumringen für die vergangenen Jahrtausende recht genau bestimmen.x Besonders gut eignen sich für die Bestimmung die Isotope Beryllium 10 und Radiokarbon (14C). Besonders hat sich die Bestimmung des Radiokarbon-Gehaltes in Bäumen für wissenschaftliche Auswertungen bewährt. Die Menge des produzierten Radiokarbon hängt stark von der Zahl der Teilchen der kosmischen Strahlung ab, welche die Erdatmosphäre erreichen. Diese Zahl wiederum schwankt mit der Stärke der Sonnenaktivität: Ist die Aktivität höher, so bildet das Magnetfeld der Sonne einen effektiven Schutzschild gegen diese Teilchen, ist die Aktivität geringer, steigt die Intensität der kosmischen Strahlung an. Folglich wird bei höherer Sonnenaktivität weniger und bei geringerer Sonnenaktivität mehr Radiokarbon produziert..xi

Ein dritter Weg der Bestimmung der Sonnenaktivität ist die direkte Messung durch Satelliten. Sie findet erst seit 1978 statt, womit uns für die Zeit davor keine Daten vorliegen. Gemessen werden nicht nur die Schwankungen der gesamten (elektromagnetischen) Strahlungsaktivität der Sonne, sondern auch spektrale Bereiche wie zum Beispiel Änderungen der ultravioletten-Strahlung und der extremen ultravioletten Strahlung.xii

Einfluss der Sonne auf das Erdklima

Es ist unbestritten, dass die Sonnenaktivität eine erhebliche Auswirkung auf das Erdklima hat. Umstritten ist jedoch, in welchem Maße die Sonnenaktivität die ungewöhnlich schnelle Klimaerwärmung insbesondere der letzten Jahrzehnte verursacht hat. Die Unsicherheit liegt darin begründet, dass die „Sonnenaktivität“ verschiedenartig ist. Kurzzeitige und langfristige Schwankungen überlagern sich und es gibt komplexe Wechselwirkungen zwischen der Sonne und der Erde samt ihrer Atmosphäre. Darüber hinaus bedarf es der Kenntnis der Mechanismen, wie das irdische Klimasystem auf die Wechselwirkungen antwortet.xiii

Bezüglich der Sonnenaktivität sind drei verschiedene Faktoren zu bedenken, die Einfluss auf das Erdklima haben: die Gesamtstrahlung der Sonne, die ultraviolette Strahlung und die kosmische Strahlung. Die Gesamtstrahlung der Sonne (Total Solar Irradiance, TSI) schwankt im Verlauf eines elfjährigen Aktivitätszyklus nur um geringfügige 0,1 %. Insofern hat der elfjährige Zyklus für sich genommen wohl keinen bedeutenden Einfluss auf das Klima.

Verschiedene Studien haben aber durchaus festgestellt, dass die magnetische Aktivität der Sonne und das Erdklima in einem engen Zusammenhang stehen. Zeiten hoher magnetischer Sonnenaktivität gehen mit erhöhten Temperaturen einher und Zeiten niedriger Sonnenaktivität mit niedrigen Temperaturen. In der Zeit nach 1970 scheint die starke Klimaerwärmung aber von der Sonnenaktivität abgekoppelt zu sein.xiv

Eine Rekonstruktion der magnetischen Aktivität der Sonne anhand der vermutlichen Zahl Sonnenflecken lässt annehmen, dass die Sonne seit den 1940er Jahren besonders aktiv war. Nur 10 % der letzten 11400 Jahre war die magnetische Aktivität der Sonne in etwa so hoch wie seit 1940. Keine dieser Phasen besonders starker Sonnenaktivität war jedoch so lang wie die jüngste. Zudem liegt die letzte Phase ähnlich starker Sonnenaktivität 8000 Jahre zurück. Es ist also sehr wahrscheinlich, dass der langsame Temperaturanstieg im 20. Jahrhundert in einem nicht geringen Maße von der besonders starken Sonnenaktivität verursacht worden ist. Allerdings verharrt die Sonnenaktivität seit den 1980er Jahren auf einem relativ konstanten Niveau und es ist ein allmähliches Abnehmen der Sonnenaktivität zu erwarten. Der starke Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte kann somit nicht mit einer zunehmenden Gesamtstrahlung der Sonne begründet werden.xv Diese Schlussfolgerung geht jedoch von der Zahl der Sonnenflecken aus, nicht von der Gesamtstrahlung der Sonne.

Wenn wir das Ausmaß des Einflusses der Sonnenaktivität auf das Erdklima ermessen wollen, dann dürfen wir nicht nur die Zahl und Größe der Sonnenflecken und die Gesamtstrahlung der Sonne heranziehen. Von Bedeutung sind auch Schwankungen im Bereich des ultravioletten und des sichtbaren Lichts. Im Verlauf des elfjährigen Sonnenzyklus können in einzelnen Spektralbereichen immerhin Schwankungen bis zu 70 % auftreten.xvi Messungen des Satelliten „Solar Radiation and Climate Experiment“ (SORCE) in den Jahren 2004 bis 2007 – in der abfallenden Phase des letzten Sonnenzyklus – haben eine überraschend starke Abschwächung im ultravioletten und einen ausgleichenden Anstieg im sichtbaren Spektralbereich gezeigt. Die unerwartete Zunahme der Strahlung im sichtbaren Bereich könnte – so die Computersimulation – dazu führen, dass sich die Erdoberfläche erwärmt statt, wie von den bisherigen Klimamodellen vorhergesagt, abzukühlen.xvii

Neben verschiedenen genannten Möglichkeiten des direkten Einflusses der Sonnenaktivität auf das Erdklima ist auch ein indirekter Einfluss in Betracht zu ziehen: Es kann sein, dass die hochenergetische Strahlung der Sonne die Bildung von Tröpfchen- und Kondensationskeimen – winzigen Anhäufungen von Wassermolekülen und Staubkörnchen – unterstützt. Die Bildung von Tröpfchen- und Kondensationskeimen ist die Voraussetzung für größere Wolken und schließlich für jede Form des Niederschlags.xviii

Angesichts der Komplexität des Klimas ist nachvollziehbar, dass umstritten ist, in welchem Maße die Sonne für den außergewöhnlich schnellen Temperaturanstieg der jüngsten Zeit verantwortlich ist. Alle verschiedenen Möglichkeiten des Einflusses variabler Sonnenaktivität müssen bedacht werden. Es ist wahrscheinlich, dass die Sonne nicht unerheblich zur gegenwärtigen Klimaerwärmung beiträgt oder zumindest zeitweise beigetragen hat. Die Beständigkeit und Schnelligkeit, mit der die Temperatur seit der Industrialisierung und insbesondere seit dem ausgehenden 20. Jahrhundert ansteigt, lässt jedoch an weitere, entscheidendere Verursacher denken.xix Bei den Änderungen hinsichtlich der Erdumlaufbahn und der Position der Erdachse handelt es sich um Jahrtausende währende Prozesse, die gegenwärtig kaum maßgeblich sein dürften. Derzeit wäre auch eher eine Abkühlung des Erdklimas als eine Erwärmung zu erwarten. Und da es auch keine Hinweise darauf gibt, dass die gegenwärtige außergewöhnliche Klimaerwärmung mit einem gewaltigen Vulkanausbruch oder mehreren Vulkanausbrüchen zu erklären sein könnte, ist das Augenmerk auf klimaschädliche Gase zu richten.

Keine einheitlichen Messergebnisse

Eine Antwort auf die Frage, inwieweit die Sonne für die gegenwärtige außergewöhnlich schnelle und starke Klimaerwärmung verantwortlich ist, wird durch uneinheitliche Messergebnisse erschwert. Die gesamte Aktivität der Sonne samt Magnetfeld und verschiedenen Strahlungsspektren wird seit 1978 direkt mittels Satelliten gemessen. Die Messung erfolgt mittels sogenannten Radiometern, die auf die Satelliten montiert sind.

Die Messergebnisse der Radiometer unterscheiden sich jedoch etwas und ein Vergleich der Ergebnisse über eine längere Zeit hinweg ergibt keine so großen Übereinstimmungen, wie sie für eindeutige Aussagen nötig wären. Die Unterschiede der Messergebnisse sind zum einen technisch begründet, wobei Abnutzung die Messergebnisse beeinträchtigen kann, zum anderen auch mit unterschiedlichen Vorgehensweisen bei der Datenerhebung und -zusammenführung zu erklären. So herrscht keineswegs Einigkeit bei den Fragen, was genau hinsichtlich der Sonnenaktivität maßgeblich ist und wie die Daten mittels Künstlicher Intelligenz zusammengeführt und verglichen werden sollen. Das alles erklärt, warum die Forscher bei der Bewertung der Daten zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen.xx

i Vgl. Dieter B. Herrmann, Die Kosmos Himmelskunde für Einsteiger, Stuttgart 2005, 29-35; https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/fusion21/kernfusion/index (aufgerufen am 26.04.2023).

ii Vgl. https://photovoltaiksolarstrom.com/physik/spektrum-solareinstrahlung/; https://www.mps.mpg.de/4740073/Sonne-und-Klima-FAQ-2016.pdf (aufgerufen jeweils am 26.04.2023).

iii Vgl. https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/licht/elektromagnetisches-spektrum/roentgenstrahlung/ (aufgerufen am 26.04.2023).

iv Vgl. https://www.bfs.de/DE/themen/opt/uv/einfuehrung/einfuehrung_node.html (aufgerufen am (aufgerufen am 26.04.2023).

v Vgl. https://www.bfs.de/DE/themen/opt/ir/einfuehrung/einfuehrung_node.html; https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/licht/elektromagnetisches-spektrum/Infrarot-Strahlung/ (aufgerufen jeweils am 26.04.2023).

vi Vgl. https://www.mpifr-bonn.mpg.de/563197/einteilung (aufgerufen am 25.04.2023).

vii Vgl. Fritz Vahrenholt, Sebastian Lüning, Unerwünschte Wahrheiten. Was Sie über den Klimawandel wissen sollten, München, 4. Aufl. 2020, 83.

viii Vgl. https://www2.mps.mpg.de/de/forschung/sonne/sonnensturmFAQ.html (aufgerufen am 02.05.2023).

ix Zur Unterscheidung von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen siehe https://www.deutschlandfunknova.de/beitrag/astro-mission-sechs-satelliten-fuer-eine-sonne (aufgerufen am 02.05.2023).

x Vgl. Fritz Vahrenholt, Sebastian Lüning, Unerwünschte Wahrheiten. Was Sie über den Klimawandel wissen sollten, München, 4. Aufl. 2020, 83.

xi Vgl. Stefan Uhlig, Der natürliche Klimawandel. Fakten aus geologischer, archäologischer und astrophysikalischer Sicht, Sargans, Schweiz 2021, 44-46. Konkret zur Bildung kosmogener Isotope und zur Radiokarbon-Methode siehe https://www.mpg.de/forschung/sonnenaktivitaet (aufgerufen am 26.04.2023).

xii Vgl. Fritz Vahrenholt, Sebastian Lüning, Unerwünschte Wahrheiten. Was Sie über den Klimawandel wissen sollten, München, 4. Aufl. 2020, 83; https://www.innovations-report.de/fachgebiete/geowissenschaften/sonnenspektrometer-solaces-abschied-nach-neun-jahren-auf-der-iss/; https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Germany/Weltraumwetter_Die_zerstoererische_Kraft_der_Sonne (jeweils aufgerufen am 02.05.2023).

xiii Vgl. L. J. Gray et al., Solar influences of climate, Reviews of Geophysics 48/4 (2010), RG4001, doi:10.1029/2009RG000282.

xiv Vgl. S. K. Solanki, N. A. Krivova, Can solar variability explain global warming since 1970? Journal of Geophysical Research 108/A5 (2003), 1200, doi:10.1029/2002JA009753.

xv Vgl. Sami K. Solanki, Ilya G. Usoskin, Bernd Kromer, Manfred Schüssler, Jürg Beer, Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years, Nature 431 (2004), 1084-1087; https://doi.org/10.1038/nature02995 .

xvi Vgl. Fritz Vahrenholt, Sebastian Lüning, Unerwünschte Wahrheiten. Was Sie über den Klimawandel wissen sollten, München, 4. Aufl. 2020, 84 mit Hinweisen auf die wissenschaftlichen Quellen.

xvii Vgl. https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/nachrichten/2010/sonne-beeinflusst-klima-anders-als-gedacht/ (aufgerufen am 02.05.2023).

xviii Vgl. https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/nachrichten/2011/erste-indizien-kosmische-strahlen-lassen-wolken-wachsen/ (aufgerufen am 02.05.2023).

xix S. K. Solanki, N. A. Krivova, Can solar variability explain global warming since 1970? Journal of Geophysical Research 108/A5 (2003), 1200, doi:10.1029/2002JA009753 haben für den Zeitraum von 1856 bzw. 1868 bis 1999 mittels direkten Messungen (soweit möglich), Computermodellen und Stellvertretern die gesamte Sonnenstrahlung, ultraviolette Strahlung und kosmische Strahlung ermittelt und mit den Klimadaten verglichen. Sie kommen zu dem Ergebnis, dass die Sonne zur starken Klimaerwärmung nach 1970 höchstens 30 % beigetragen hat. Dass die Sonne nicht hauptverantwortlich ist, ist die in der Forschung vorherrschende Ansicht.

xx Vgl. W. Finsterle, J. P. Montillet, W. Schmutz et al. The total solar irradiance during the recent solar minimum period measured by SOHO/VIRGO. Scientific Reports 11, 7835 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-87108-y; https://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/sun-brightness.html (aufgerufen am 08.05.2023). Fritz Vahrenholt, Sebastian Lüning, Unerwünschte Wahrheiten. Was Sie über den Klimawandel wissen sollten, München, 4. Aufl. 2020, 84-85 weisen bei der Begründung ihrer These, dass die gegenwärtige Klimaerwärmung insbesondere natürliche Gründe wie verstärkte Sonnenaktivität habe, dementsprechend auf verschiedene Datensätze zur Gesamtstrahlung der Sonne hin. Einige von ihnen, darunter der viel verwendete Datensatz NRLTSI2, gingen davon aus, dass die stärkste Sonnenaktivität in den 1980er und 1990er Jahren erreicht wurde. Zu bedenken sei auch die Trägheit des Klimasystems. Die Werte des Datensatzes NRLTSI2 finden sich in J. L. Lean, Estimating Solar Irradiance Since 850 CE, Earth and Space Science 5/4 (2018), 133-149 https://doi.org/10.1002/2017EA000357 abgebildet. Einen Überblick über die TSI-Datensätze gibt https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/total-solar-irradiance-tsi-datasets-overview (aufgerufen am 02.05.2023).