Die Auswirkungen eines potentiellen Grand Solar Minimum auf das Klimasystem vor dem Hintergrund des anthropogenen Klimawandels

Abstract

Das langanhaltende Minimum des solaren Zyklus 23 sowie das besonders schwache Maximum des Zyklus 24, deuten auf ein mögliches Grand Solar Minimum innerhalb der kommenden drei bis fünf Jahrzehnte hin. Für die vergangenen 1.000 Jahre können zumindest 5 solcher Grand Solar Minima (mit einer Dauer zwischen 60 und 100 Jahren) festgestellt werden, welche auf einer Abschwächung des Magnetfelds der Sonne beruhen. Das letzte Grand Solar Minimum, das Maunder Minimum (1645-1715), fällt mit der ’kleinen Eiszeit’ in Europa zusammen. Einer Epoche mit überdurchschnittlich tiefen Temperaturen insbesondere im Winter. Eine derartige Reduktion des Strahlungsantriebs vor dem Hintergrund stetig ansteigender Treibhausgasemissionen führt häufig zu einer Missinterpretation in der medialen Berichterstattung und einer Infragestellung des anthropogenen Einflusses auf das Klimasystem. Da die Abschätzung der Strahlungsreduktion mit hohen Unsicherheiten verbunden ist, wurden zur Simulation eines zukünftigen Grand Solar Minimum unter den Bedingungen eines RCP6.0-Szenarios, 3 unterschiedliche Rekonstruktionen des Strahlungsantriebs während der Maunder Minimum Periode verwendet. Dabei unterscheiden sich die Datensätze, sowohl hinsichtlich der TSI (total solar irradiance) als auch der SSI (solar spectral irradiance). Alle transienten Simulationen wurden mit dem gekoppelten, Klima- Chemiemodell EMAC-O durchgeführt. Das Modell verfügt neben einer interaktiven Ozonchemie und einem hohen Modelloberrand (0.01 hPa), über ein hochauflösendes Strahlungsschema im kurzwelligen Wellenbereich. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation deuten auf eine gewisse Abschwächung des globalen anthropogenen Klimawandels während der Kernperiode eines möglichen Grand Solar Minimum hin. Es konnten jedoch auch Regionen identifiziert werden, welche überdurchschnittlich stark von den Auswirkungen eines Grand Solar Minimum betroffen wären. Zu diesen Regionen gehören die hohen Breiten der Nordhemisphäre aber auch weite Teile der inneren Tropen. Weiterhin kann eine Modulation von ENSO unter den Bedingungen eines Grand Solar Minimum festgestellt werden. Diese ist geprägt von einer schwächeren Amplifizierung der ENSO-Amplitude mit Fortschreiten des anthropogenen Klimawandels im Vergleich zur Referenzsimulation. Die durch den Anstieg anthropogener Treibhausgase bedingte Abkühlung in der mittleren Atmosphäre wird unter den Bedingungen eines Grand Solar Minimum weiter verstärkt. Dies ist auf eine Reduzierung des kurzwelligen Strahlungsantriebs, eine abgeschwächte Ozonproduktion und daraus resultierende negative Anomalien der kurzwelligen solaren Heizraten zurückzuführen. Darüber hinaus zeigt sich eine deutliche Verzögerung der Totalozonerholung in den Simulationen unter Grand Solar Minimum Bedingungen. Abschließend kann eine deutliche Beeinflussung der winterlichen Dynamik innerhalb der mittleren Atmosphäre der Nordhemisphäre unter reduzierter solarer Einstrahlung aufgezeigt werden. Diese Beeinflussung äußert sich in Form einer Abschwächung des Polarwirbels, häufigeren Stratosphärenerwärmungen im Frühwinter und einer Modulation der troposphärischen Variabilität, welche mit dem Top-down Mechanismus in Einklang steht.

The long-lasting minimum of Solar Cycle 23 as well as the overall weak maximum of Cycle 24, reveal the possibility for a return to Grand Solar Minimum conditions within the next three to five decades. The past millennium featured at least 5 excursions (lasting 60–100 years) of exceptionally low solar activity, induced by a weak magnetic field of the Sun. The last Grand Solar Minimum, the so called Maunder Minimum (1645–1715), coincides with the ’Little Ice Age’ in Europe, a time of severe cold, especially during winter season. The quantification of the implications of such a projected decrease in solar forcing is of ultimate importance, given the on-going public discussion of the role of carbon dioxide emissions for global warming, and the possible role a cooling due to decreasing solar activity could be ascribed to. Since the magnitude of a future reduction in solar forcing, due to a possible Grand Solar Minimum, is highly uncertain, 3 different solar reconstruction datasets for the Maunder Minimum period that show significant differences in both, TSI (total solar irradiance) and SSI (solar spectral irradiance), were used to simulate a future Grand Solar Minimum under RCP6.0 conditions. All transient simulations were carried out using the ocean-coupled chemistry-climate model EMAC-O. Besides interactive ozone chemistry and a high model top (0.01 hPa) the model includes a high-resolution shortwave radiation scheme. The results obtained, suggest a certain slowdown of global-scale temperature increase mainly during the core period of a future Grand Solar Minimum. However, some regions show a rather strong response to Grand Solar Minimum conditions. These include the high latitudes of the Northern Hemisphere, but also vast areas of the inner tropics. Furthermore it shows, that a Grand Solar Minimum might be associated with a modulation of the ENSO amplitude which faces less amplification during the 21st century under reduced solar forcing compared to the reference simulation. In the middle atmospere a Grand Solar Minimum might reinforce the expected cooling due to rising greenhouse gas emissions. This additional cooling can be attributed to reduced short wave radiation during a Grand Solar Minimum, less ozone production and an associated decrease in short wave heating rates. It also can be shown that a Grand Solar Minimum interferes with a recovery of total column ozone, which is markedly delayed under the influence of a Grand Solar Minimum. Conclusively, a distinct influence on middle atmosphere dynamics in Northern Hemisphere winter was found under Grand Solar Minimum conditions. These solar induced changes are characterized by a weakening of the polar vortex, more frequent sudden stratospheric warmings in early winter and a top-down modulation of tropospheric winter variability.