Donnerstag, 8. Januar 2015

Kerbe und Verzug - was bestimmt das Klima? Die Notch-Delay-Theorie erklärt. Teil 1

Anmerkung: Das hier vorgestellte Modell kann in die Zukunft blicken, weil sich zu beobachtende Muster bisher zeitversetzt in der Zukunft wiederholt haben. Wenn das Modell stimmt, dann kann man die Entwicklung der globalen Temperatur um ca. 10 Jahre in die Zukunft vorausprojizieren.

Die bisherigen Computermodelle können die Temperaturentwicklung der Vergangenheit und der Gegenwart nicht richtig wiedergeben. Dr. David Evans entwickelte ein einfaches Computer-Modell, das folgenden Umstand zu erklären versucht:

Die solare Einstrahlung pulsiert ca. im 11-Jahres-Takt der Sonnenflecken. Das sollte sich ja irgendwie in der globalen Temperatur widerspiegeln. Tut es aber nicht. Es gibt keine Übereinstimmung.



Die Schwankungen der Solaren Einstrahlung stimmen nicht mit den Schwankungen der Globalen Durchschnitts-Temperatur überein. Man beachte auch die relativ schwachen Schwankungen um nur max. 2 Watt (die linke Skala geht bis 1369 Watt!)



Die Vorgehensweise

Das Temperatursystem der Erde wird nun wie eine Black Box betrachtet:

  • Was geht hinein?
  • Was kommt heraus?
  • Und was geschieht im System?

1. Was hineingeht
Die totale solare Einstrahlung (TSI) wurde von Satelliten erst seit Ende 1978 gemessen. Sie befinden sich ja außerhalb der Atmosphäre und können die Sonneneinstrahlung ungefiltert messen. Die Anzahl der Sonnenflecken wurde jedoch seit 1610 aufgezeichnet, und die TSI war rekonstruiert worden nach der Anzahl der Sonnenflecken (Lean 2000). Die wesentlichen TSI-Datensätze sind die PMOD-Satellitenbeobachtungen seit Ende 1978, Leans Rekonstruktion von 1610 bis 2008 und die Steinhilber-Rekonstruktionen aus Beryllium-Isotopen in Eisbohrkernen, die 9300 Jahre zurückreichen.
Die wesentlichen TSI-Datensätze sind verrauscht und widersprechen manchmal auch einander. Wir versuchen nicht, eine „beste“ empirische Aufzeichnung herauszupicken, sondern versuchen stattdessen, dasjenige Spektrum der TSI zu finden, das am besten zu fast allen wesentlichen TSI-Datensätzen passt. Wir kümmern uns hier nur um die Amplituden (also die Ausschläge), weil die Phasen der Sinuskurven aus den Klimadatensätzen nicht zuverlässig bestimmt werden können.
Nun wurde versucht, die Gemeinsamkeit dieser verrauschten Kurve als eine Amplitude herauszurechnen und zu konstruieren:
Das wichtigste Merkmal ist der Ausschlag (die Kerbe) bei ca. 11 Jahren.

2. Was herauskommt: Das Output-Spektrum (Temperatur)
Die wesentlichen Temperaturaufzeichnungen sind die Satellitenaufzeichnungen seit Ende 1978 (UAH und RSS), die Bodenbeobachtungen mit Thermometern seit 1850 oder 1880 (HadCrut4, GISTEMP und NCDC), die beiden umfassenden Proxy-Zeitreihen von Christiansen und Ljungqvist 2012, die bis zum Jahr 1500 zurückreichen mit 91 Proxys und bis zum Jahr Null mit 32 Proxys, sowie die Eisbohrkerne aus Dome C, die 9300 Jahre zurückreichen (um zu den TSI-Daten zu passen).
Die Haupt-Temperatur-Datensätze sind verrauscht und widersprechen einander manchmal. Auch hier wurde nicht die „beste“ empirische Aufzeichnung herausgesucht, sondern einfach versucht, das Spektrum zu finden, das am besten zu allen Haupt-Datensätzen passt.

Auch hier wurde wieder versucht, eine Amplitude zu konstruieren:



Das überraschende Ergebnis: Es gibt keine eindeutige Amplitude. Vor allem nicht bei 11 Jahren. Das System oder irgendetwas anderes hat alles geglättet.

Das kommt unerwartet, denn die TSI liefert die Energie, die die Erde erwärmt. Die TSI erreicht um 11 Jahre einen Spitzenwert, und doch gibt es keine korrespondierende Spitze bei der Temperatur, selbst wenn man unsere hinsichtlich Rauschens optimale Fourier-Analyse anwendet!
(Nennen wir hier einige Zahlen: Die TSI variiert normalerweise vom Minimum zum Maximum eines Sonnenfleckenzyklus’ um 0,8 W/m² von 1361 W/m². An der Erdoberfläche liegt der Wert bei 0,14 W/m² unreflektierter TSI. Falls dies eine langzeitliche Änderung war, würde die Stefan-Boltzmann-Gleichung eine Änderung der Strahlungs-Temperatur von etwa 0,05°C implizieren, was auf der Erdoberfläche zu einer Temperaturänderung von 0,1°C führen würde. Die Spitzen dauern lediglich ein oder zwei Jahre, so dass der Low-Pass-Filter im Klimasystem die Temperaturspitze zu irgendeinem Wert unter 0,1°C reduzieren würde. Die Fehler-Bandbreite der Temperaturaufzeichnungen liegt allgemein um 0,1°C, aber die Fourier-Analyse findet normalerweise sich wiederholende Beulen bis einem kleinen Bruchteil der Fehler-Bandbreite, vielleicht ein Zehntel. Allerdings sind diese Beulen nicht regelmäßig angeordnet, so dass die Nachweisbarkeit ein wenig höher wäre. In jedem Falle würden wir erwarten, dass die Temperatur nachweisbare Spitzen erreicht, wenn wir die Daten und Verfahren verwenden, wie wir es hier tun, wenn auch nicht mit einer gewaltigen Größenordnung. In einem späteren Beitrag zeigen wir eine physikalische Interpretation des Kerbfilters, der der TSI-Erwärmung entgegenwirkt, aber natürlich wäre es sehr unwahrscheinlich, dass ein solches Entgegenwirken die Temperatureffekte eines TSI-Spitzenwertes kompensieren würde. Aber angesichts dessen, dass die Bandbreite zum Auffinden eines TSI-Spitzenwertes nicht groß ist, ist es glaubhaft, dass die haupt-kompensierten TSI-Spitzen tatsächlich nicht auffindbar sind). Dieser Absatz wurde korrigiert.
Das ist ein wichtiger Hinweis. Es ist das Fehlen von etwas, das wir erwartet hatten. In der Elektronik nennt man einen Filter, der das Brummen in den Lautsprechern entfernt, einen Kerbfilter. Er eliminiert eine enge Bandbreite von Frequenzen, die wie ein Einschnitt in einer Frequenzgraphik aussehen. Ohne einen solchen Kerbfilter wäre das Brummen bei 50 oder 60 Hz oft hörbar. Es scheint, dass irgendetwas das 11-jährige „solare Brummen“ aus der Temperatur eliminiert, und darum nennen wir dieses Phänomen „den Filter“.

3. Was im System passiert: Die Transfer-Funktion
Eine Transfer-Funktion gibt an, wie eine Sinuskurve im Input durch das System transferiert wird, bis sie als Output wieder herauskommt. Hier geht es nur um Amplituden (also die Ausschläge und nicht um die Länge der Phasen), so dass deren Wert bei einer gegebenen Frequenz einfach die Output-Amplitude bei dieser Frequenz ist, dividiert durch die Input-Amplitude bei dieser Frequenz.



Die graue Zone ist ein graphisches Hilfsmittel, um es einfacher zu machen, Orte auf und zwischen den Graphiken zu beurteilen und zu vergleichen – weil sie genau am gleichen Ort in allen Diagrammen in diesem Projekt liegen.
Die Transfer-Funktion ist ziemlich flach, außer für die Kerbe beim Zeitpunkt 11 Jahre und Hinweisen auf einen Abfall bei den höheren Frequenzen.
Die Kerbe ist robust. Wir berechneten die empirische Transfer-Funktion aus Sequenzen der Datensätze, wie die Daten vor 1945 oder nach 1945, und in jedem Fall ist die Kerbe klar erkennbar.

Die "Kraft X" reguliert die eintreffende Wärmeenergie

Dr. David Evans ging davon aus, dass es einen Einfluss gibt,  der die Solarstrahlung so verändert, dass aus der bekannten TSI- Kurve eine globale Temperaturentwicklung wird, die in den bekannten Temperatur-Graphen ersichtlich wird. Er nannte diesen Einfluss "Kraft X" (force x) und definierte ihn so:
  1. Wenn die Kraft X größer ist, wird die Erde wärmer
  2. Änderungen  in der Kraft X verzögern sich wahrscheinlich um die Hälfte eines vollen solaren Zyklus  (0der 180°) nach den Änderungen der Solareinstrahlung, oder: Kraft X und TSI liegen in einem gegenläufigen Zyklus. Das ist ca, 11 Jahre, aber es variiert von 8 bis 14 Jahren.
  3. Die Kraft X beeinflusst die Erdtemperatur durch Veränderung der Albedo (Reflektion der einfallenden Sonnenstrahlen durch Meer, Schnee, Eis ud Wolken)
  4. Die Kraft X nimmt zu wenn das Sonnenmagnetfeld stärker wird und ist am schwächsten wenn das Sonnenmagnetfeld seine Polarität ändert.

Der offensichtliche Kandidat für die Kraft X ist das Magnetfeld der Sonne, das für die Ablenkung der kosmischen Strahlen verantwortlich ist, so dass sie die Erde nicht so oft treffen als sie es normalerweise würden. Mehr kosmische Strahlung, die auf die Erde auftrifft erzeugt mehr mikroskopische Kondensationströpfchen, die mehr Wolken formen. Mehr Wolken reflektieren mehr Solarstrahlung zurück ins All und kühlen so die Erdoberfläche.
Wenn das Magnetfeld der Sonne stärker ist, wärmt es de Erde dadurch, dass es sie vor kühlenden Wolken schützt. Deshalb kann das Magnetfeld der Sonne die Albedo (also die Reflektionsfähigkeit der Erde) modulieren. Wenn die Solarstrahlung ihren höchsten Ausschlag hat, ist die Kraft X schwach und damit auch der Schutzschild vor der kosmischen Strahlung, wodurch mehr Wolke entstehen.

Es könnte aber auch irgendeine andere Wirkung sein, die mit den Magnetfeldschwankungen einhergeht.




Die Kraft X hat 10-20 mal mehr Einfluss auf die Erdtemperatur als die Änderungen des direkten erwärmenden Effekts der Solaren Einstrahlung (TSI). Die solare Einstrahlung hat wesentlich mehr Energie als die Kraft X, aber die Änderungen sind verhältnismäßig gering. Man betrachtete die Solare Einstrahlung sogar als konstant, bis Satelliten kleine Veränderungen fanden.
Die Kraft X beeinflusst die Albedo der Erde und damit wieviel solare Einstrahlung sofort wieder ins All reflektiert wird. Die Kraft X ist wie ein Wasserhahn, eine kleine Kraft, die den viel stärkeren Fluss der Solaren Einstrahlung in das Klimasystem der Erde reguliert. 

Wie die Wärmeenergie das Klimasystem der Erde verlässt

Die Energie verlässt das Erdsystem nur durch infrarote Abstrahlung, und das durch drei Haupt-"Kanäle". 

  • Entweder durch direkte Abstrahlung der Erdoberfläche durch das "atmosphärische Fenster" in der Atmosphäre. (Gewisse Frequenzbereiche der Strahlung werden nicht durch Spuren- oder Treibhausgase beeinflusst und passieren die Atmosphäre ungehindert).
  • CO2 strahlt in ca 8 km höhe in der Weltraum ab und bildet daher von oben gesehen eine Art strahlende Oberfläche.
  • dasselbe ist mit Wasserdampf der Fall, aber in einer Höhe von ca. 11 km.

Während ein Teil der Strahlung direkt durch das atmosphärische Fenster abstrahlt, wir ein anderer Teil von den Klimagasen absorbiert, die die Wärmeabstrahlung verringern und somit zu einer Erwärmung der Erdoberfläche beitragen. Für diese Erwärmung wird ein sogenannter RATS-Faktor von 2,1 in das Klimamodell eingerechnet.


Das gesamte Modell

Für das Notch-Delay Computermodell ergeben sich insgesamt 4 Filter:




  1. Die Kerbe (notch) mit dem Ausschlag ca. alle 11 Jahre, der durch die Spitzen der Solarstrahlung dargestellt wird.
  2. Ein Verzug (delay) von Ebenfalls 11 Jahren, der aus dem zur Solarstrahlung entgegengesetzen Magnetfeld der Sonne resultiert.
  3. Ein Niederfrequenzfilter, der ca. 3 Jahre umfasst und die Wärmespeicher-Trägheit der Erde der Erde darstellt (also die Zeitvon dem Moment an, wo die Sonnenstrahlung auf die Erdobefläche auftrifft und dem Zeitpunkt, an dem sie als infrarote Wärmestrahlung die Erdeoberfläche wieder verlässt). 
  4. Ein RATS (Radiative Amplification To Surface) multiplier. Dieser stellt den Wert dar, um den die klimaaktiven Gase (Treibhausgase) die Erdeoberfläche durch Rückstrahlung erwärmen (bzw. den Wärmeabfluss abbremsen). 

Hier die Schritte, die das Computermodell mit der eingehenden Solarstrahlung macht:

  • Geteilt durch vier, um die scheibenförmige Einstrahlfläche auf die Kugelform der Erde umzuverteilen
  • Der Notch and Delay Filter, der sowohl die umgedrehte Spitze (Kerbe) als auch den Zeitverzug von 11 Jahren mit einberechnet als Albedo (Reflektion) mit einberechnet
  • Der Niederfrequenz-Filter, der die Speichermasse der Erde darstellt
  • Der RATS-Faktor der die Wärmebremse der Klimagase darstellt
dabei kommen letztlich ca. 15°C als Oberflächentemperatur heraus.


Das verfeinerte Modell:

Weil ein Teil der Strahlung die Erdoberfläche ohne Verzug erreicht, und ein Teil durch den Albedo-Filter geregelt wird, sieht das genaue Modell so aus:




Und hier sehen wir den Notch-Delay-Filter im Detail:




  • Die goldbraune rechteckige Linie stellt einen theortische eingangsimpuls von 1°C dar.
  • Knapp über dem Boden sehen wir den direkten, unverzögerten Energiefluss durch die Atmosphäre in Höhe von 0,1°C. Das ist auch der Anteil der Solarstrahlung, die unsere Erde direkt erwärmt.
  • die blaue Linie stellt sowohl die Spitze, den Zeitverzug und die Höhe der Albedoveränderung durch das Magnetfeld der Sonne dar.
  • Zu beachten ist auch die Tatsache, dass  die Albedo-Änderung durch die Magentfeldschwankungen die beobachteten Änderung in der Solarstrahlung um eine Faktor von 14 übersteigen was also wirklich zählt, sind nicht die Schwankungen in der solaren Einstrahlung, sondern die Schwankungen des Magnetfelds der Sonne.
In einem kommenden Beitrag wird das Notch-Delay Modell sowohl in der Vergangenheit getestet als auch in die nahe Zukunft projiziert. Es wird spannend.

Alle Artikel zu diesem Thema finden Sie im Original (englisch) hier:

http://sciencespeak.com/climate-nd-solar.html

HInweis: Einige Sätze und Absätze wurden der Einleitung  von C. Frey entnommen, die bei Eike zu diesem Thema erschien.

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