Zurück und in die Zukunft: Notch-Delay überarbeitet, 1. Teil

Ein kurzer Blick in die Zukunft?

Keine gemeinsamen Schwingungen: Dr. David Evans Notch-Delay-Theorie. 1. Teil

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

Dies ist eine korrigierte und überarbeitete Version eines schon einmal veröffentlichten Artikels.

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. 1,5 Watt (die linke Skala geht bis 1369 Watt!)

Die Vorgehensweise

Das Temperatursystem der Erde wird nun wie eine Blackbox betrachtet:

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

1. Was hineingeht

Die totale solare Einstrahlung (TSI = Total Solar Insulation) 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).

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.

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