SPP 1176: Climate and Weather of the Sun-Earth-System (CAWSES)
Physics
Final Report Abstract
Variationen der solaren Strahlung auf langen Zeitskalen (vom 11-Jahres-Zyklus bis zu Jahrhunderten) beeinflussen die Thermosphäre, Mesosphäre und Stratosphäre unmittelbar. Inzwischen sind auf regionalen Skalen auch Effekte in der Troposphäre nachgewiesen, die durch einen komplexen Kopplungsmechanismus durch Strahlung, Schwerewellen, planetare Wellen und deren Einfluss auf die mittlere Zirkulation verursacht werden. Die solare Aktivität ist ab Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts größer als in den vergangenen Jahrhunderten. Die vergleichsweise geringe solare Aktivitat in der Mitte des siebzehnten Jahrhunderts (Maunder Minimum) ist vermutlich ein Grund dafür, dass die troposphärischen Temperaturen in diesem Zeitraum besonders niedrig waren. Die spektralen Anteile der solaren Strahlung zeigen bezüglich ihrer quantitativen als auch qualitativen Variation ein unerwartetes und z. Zt. noch nicht erklärtes Verhalten. Obwohl die Sonne einen Beitrag zu aktuell beobachteten Erwärmung in der Troposphäre leistet, besteht kein Zweifel daran, dass auf globalen Skalen der anthropogene Anstieg von Treibhausgasen den bei weitem größten Anteil am Temperaturanstieg ausmacht. Der solare Einfluss kann auf regionalen Skalen dennoch signifikant sein. Trends und Modulationen durch den solaren Zyklus können in bestimmten Regionen wichtig sein, wohingegen sie auf globalen Skalen vernachlässigbar sind. In einigen Teilen der mittleren Atmosphäre ist die beobachtete Modulation mit dem 11-Jahres-Zyklus der Sonne immer noch größer als mit Modellen erklärbar. Der grundsätzliche Mechanismus zur Erzeugung des solaren Signals in der Atmosphäre und dessen Beeinflussung durch die QBO scheint inzwischen zwar geklärt zu sein. Die vorhandenen Diskrepanzen zwischen Modellen und Beobachtungen weisen aber auf Defizite in unserem Verständnis dieser Prozesse hin. In der Atmosphäre existieren verschiedene Kopplungsmechanismen, die wesentlich sind für die Reaktion der Atmosphäre auf interne und externe Antriebe und deren räumliche/zeitliche Variabilitat. Diese Kopplungsmechanismen existieren von „oben“ nach „unten“, und umgekehrt. Zum Beispiel werden photochemisch aktive Gase durch Teilchen in Folge solarer und geomagnetischer Aktivität in der unteren Thermosphäre erzeugt und können anschließend bis in die obere Stratosphäre transportiert werden, wo sie in erheblichem Umfang und für einen Zeitraum von Monaten Ozon abbauen können. Die Stratosphäre koppelt in die Troposphäre durch eine Kombination von Mechanismen, wobei planetere Wellen und deren Einfluss auf die mittlere Zirkulation entscheidend sind. Die Kopplung von „unten“ nach „oben“ durch Schwerewellen sorgt dafür, dass die mittlere Atmosphäre in bestimmten Regionen um bis zu 100 Grad vom strahlungsbedingten Zustand abweicht. Schwerewellen werden typischerweise in der Troposphäre generiert und propagieren nach oben. Dort erzeugen sie durch Dissipation Turbulenz, beeinflussen damit die Energie- und Impulsbilanz und verändern den mittleren Zustand ganz erheblich. Überraschenderweise hat man festgestellt, dass Gezeiten in der Thermosphäre durch troposphärische Prozesse erzeugt werden können. Anthropogene Emissionen von Treibhausgasen führen in der mittleren Atmosphäre zu einer Abkühlung, die (betragsmäßig) um ein Vielfaches größer ist als die Erwärmung an der Erdoberfläche. Es hat sich gezeigt, dass Temperaturtrends in der Mesosphäre nicht gleichmäßig verlaufen, sondern z. B. durch die Erholung der Ozonschicht in der Stratosphäre modifiziert werden. Es ist daher Vorsicht geboten, wenn man Rückschlüsse über Trends aus Zeitreihen ziehen will, die einen nicht ausreichenden Zeitraum abdecken. Viele neue und wichtige wissenschaftliche Ergebnisse wurden in diesem Schwerpunktprogramm erzielt. Einige offene Probleme wurden gelöst, andere überraschende Ergebnisse haben neue Fragen aufgeworfen. Wichtige Teile der im Antrag formulierten Forschungsziele wurden erreicht, einige neue und überraschende Aspekte sind zu Tage getreten. Das Forschungsfeld hat sich im Verlauf des Programms weiterentwickelt, wobei die Resultate des Schwerpunktes eine wichtige Rolle gespielt haben.
