Bei der Abschätzung des Solarenergieangebotes über längere Zeiträume taucht häufig die Frage nach der Variabilität der Sonne selbst auf. Sie ist keine Klimaschwankung im eigentlichen Sinne,
da sie den Betrag der Energie betrifft, der die 85 Abbildung 2
a) Photovoltaikanlage ROMA Solar,
Plochingen (Quelle:
Walter Grotkasten) b) Parabolspiegel eines solarthermischen Kraftwerks
(Quelle: SKAL-ET)
Erde von der Sonne erreicht, unabhängig vom Zustand der Atmosphäre. Dieser wiederum steht im Zusammenhang mit dem Sonnenflecken-zyklus, einer periodischen Variabilität des Magnetfeldes der Sonne, die in einem etwa 11-jährigen Rhythmus zu verstärkter Aktivität der Sonne und dem gehäuften Auftreten der Sonnenflecken führt. Die Auswirkungen auf den Betrag der Energie, der die Erde von der Sonne erreicht, sind jedoch minimal und liegen ledig-lich im Promillebereich. Der Sonnenflecken-zyklus ist daher für die weiteren Betrachtungen vernachlässigbar.
Für die Solarenergienutzung relevante Klima-schwankungen haben natürliche oder anthro-pogene Ursachen, die sich direkt oder indirekt auf das Verhältnis an wechselwirkenden Antei-len der Atmosphäre auswirken. Die Freisetzung von Treibhausgasen beispielsweise hat nur geringen Einfluss auf Absorption und Streuung der Gesamtatmosphäre. Die Zunahme ihrer Konzentration führt jedoch zu einem Anstieg der Durchschnittstemperatur und damit zu mehr Verdunstung und Wolkenbildung. Die Veränderung der Bewölkungssituation hängt dabei stark von lokalen Gegebenheiten ab.
Bisher existieren noch keine globalen Daten-sätze, anhand derer die Untersuchung der Auswirkungen des Treibhauseffektes auf die Bewölkung über mehrere Jahrzehnte möglich ist. Die Untersuchung von über- oder unter-durchschnittlichen Bedeckungsgraden kann aber anhand einer genaueren Betrachtung des
El Niño-Phänomens vorgenommen werden.
El Niño bezeichnet das Auftreten überdurch-schnittlich hoher Meerestemperaturen vor der Pazifikküste Südamerikas. Es ist Teil einer gekop-pelten Ozean- und Atmosphärenströmung, in deren Verlauf mit etwa 7-jährigem Zyklus ver-stärkt warmes Oberflächenwasser von Westen nach Osten über den Pazifik fließt und so die höheren Wassertemperaturen vor der Küste Südamerikas verursacht. Dort treten in der Folge verstärkte Regenfälle auf, die zu Erdrutschen oder Überflutungen führen können.
Doch auch wenn diese Naturkatastrophen die meiste Beachtung in den Medien erfahren, sind die Auswirkungen von El Niño nicht auf Süd-amerika beschränkt. Sie umfassen vielmehr den gesamten pazifischen Raum und darüber hinaus den Indischen Ozean mit angrenzenden Land-massen. Die verursachten Wetteranomalien reichen von sintflutartigen Regenfällen in Nord-amerika und China bis zu Dürren in Brasilien, Neu-Guinea und Südafrika (Abb. 3).
Entsprechend des vermehrten Zustroms von warmem Oberflächenwasser in den Ost-Pazifik tritt auch der umgekehrte Fall auf und durch das Zusammenspiel von Luft- und Meeres-strömungen ergeben sich ungewöhnlich niedrige Meerestemperaturen vor Südamerika.
Diese Strömungslagen werden als La Niña bezeichnet. Ihre Auswirkungen sind annähernd komplementär zu den in Abb. 3gezeigten Effekten von El Niño.
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Abbildung 3 Schematische Darstellung der Wetteranomalien, die durch von El Niño verursacht werden
0 60E 120E 180 120W 60W
WET
WARM
WET & COOL WARM
WARM
WARM
WARM
WET & WARM WET &
WARM
Zur Untersuchung des Einflusses von El Niño bzw. La Niña auf das Solarenergieangebot wurden Zeitreihen des DLR-ISIS-Datensatzes ausgewertet (ISIS steht für „Irradiance at the Surface derived from ISCCP cloud data“; ISCCP bedeutet „International Satellite Cloud Climato-logy Project“, ein Projekt der NASA, in dem global seit mittlerweile über 20 Jahren Satelliten-daten gesammelt und ausgewertet werden). Er umfasst 3-stündige Werte der Direktnormal-und Globalstrahlung für die gesamte Erde über einen Zeitraum von 21 Jahren (1984-2004), die anhand von Strahlungstransportrechnungen aus den Wolkendaten des ISCCP abgeleitet wurden. Mehrere El Niño-Perioden liegen inner-halb des von DLR-ISIS erfassten Intervalls. Dies ermöglicht es, das Solarstrahlungsangebot während eines El Niño Jahres mit dem eines durchschnittlichen Jahres zu vergleichen. Als Datenbasis wurden die Mittelwerte der Monate Dezember, Januar und Februar verwendet, da der Einfluss von El Niño in dieser Zeit am stärksten ausgeprägt ist.
Die Differenz zwischen der Direktnormalstrah-lung dieser Monate während eines El Niño-Jahres im Vergleich zum durchschnittlichen
Wert über 21 Jahre zeigt Strukturen, die die beobachteten Wetteranomalien während eines El Niño widerspiegeln (Abb. 4). Gebiete, für die während eines El Niño verminderter Nieder-schlag verzeichnet wird, erhalten ein erhöhtes Angebot an Solarstrahlung. Gebiete mit über-durchschnittlich viel Niederschlag und dement-sprechend mehr Bewölkung verzeichnen eine unterdurchschnittliche Einstrahlung. Der Schwerpunkt der Anomalie liegt wie erwartet über dem Pazifik. Aber auch in entfernteren Regionen von Nordamerika bis Südafrika werden deutliche Abweichungen der Direkt-normalstrahlung vom Mittelwert registriert.
In Mexiko beispielsweise erreichen während einer El Niño-Lage in den Monaten Dezember/
Januar/Februar im Mittel 17 % weniger Direkt-normalstrahlung die Erde als in einem durch-schnittlichen Jahr (Globalstrahlung -2 %).
Während einer La Niña-Situation zeigten sich in der Vergangenheit dagegen Strahlungswerte von 9 % über dem Durchschnitt (Globalstrah-lung +3 %). In Südafrika sind die Auswirkungen der vorherrschenden Strömungslage dagegen genau entgegen gesetzt. Dort erreichen
während einer El Niño-Lage 12 % mehr 87
Abbildung 4 Abweichungen der Direktnormalstrah-lung vom 21-Jahres-Mittel aus DLR-ISIS-Daten für die Monate Dezember/Januar/
Februar während eines El Niño
80 % 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 80
40
0
-40
-80
60 120 180 -120 -80
Direktnormalstrahlung die Erdoberfläche als im Durchschnitt. Liegt eine La Niña-Strömungslage vor, ergeben sich aus den DLR-ISIS-Daten 13 % weniger Direktnormalstrahlung als in einem durchschnittlichen Jahr (Globalstrahlung: El Niño: +4 %, La Niña -8 %).
Die beschriebenen Anomalien des Solarstrah-lungsangebotes werden durch Veränderungen der Bewölkungssituation hervorgerufen. Vor allem in der Direktnormalstrahlung existiert eine starke Kopplung zwischen Bewölkung und der Höhe des Energiebetrages, der die Erde von der Sonne erreicht. Über längere Zeiträume ist zu erwarten, dass sich über- und unterdurchschnitt-liche Einstrahlungswerte während El Niño bzw.
La Niña kompensieren. Seit den 70er Jahren wird jedoch eine Tendenz zu häufigeren und stärker ausgeprägten El Niño-Strömungssitua-tionen beobachtet (Abb. 5). Sollte diese anhalten, so ist in den betroffenen Regionen mit einer dauerhaften Veränderung des mittleren Solarenergieangebotes zu rechnen.
Eine weitere Beeinflussung des Klimas tritt etwa alle 20 bis 30 Jahre in Form von hochreichenden Vulkanausbrüchen auf. Die letzten Ereignisse dieser Größenordnung waren der Ausbruch des El Chichon (Mexiko) im Jahre 1982 und der Ausbruch des Pinatubo (Philippinen) 1991.
Diese gewaltigen Eruptionen schleuderten Material bis in über 20 km Höhe. In der Tropo-sphäre, unterhalb einer Grenze von etwa 7– 15 km, wird das vulkanische Aerosol durch Nieder-schlag meist sehr schnell wieder ausgewaschen oder sinkt aufgrund der Schwerkraft zu Boden.
In der darüber liegenden Stratosphäre jedoch bilden sich weder Wolken noch Niederschlag,
so dass dieser Reinigungsmechanismus der Atmosphäre entfällt. Aerosol aus einem Vulkan-ausbruch, das die Stratosphäre erreicht, hat daher eine sehr lange Lebensdauer von 2 – 4 Jahren, bevor es aufgrund der Gravitation lang-sam wieder in tiefere Atmosphärenschichten sinkt. Während dieser Zeit verteilt es sich rund um den gesamten Globus und beeinflusst das Solarenergieangebot auf globalem Maßstab (Abb. 6).
Der Ausbruch des Pinatubo fällt in den vom DLR-ISIS-Datensatz abgedeckten Zeitraum.
Analysen der Daten belegen einen Rückgang der Direktnormalstrahlung um bis zu 25 % im globalen Mittel (Abb. 7), lokal erreichen die Abnahmen der Direktnormalstrahlung auch deutlich höhere Werte. Erst zwei Jahre nach dem Ausbruch des Vulkans kehrte die Direkt-normalstrahlung auf das Niveau von vor dem Ausbruch zurück.
Die Globalstrahlung ist durch den Ausbruch des Pinatubo sehr viel weniger beeinträchtigt worden, da das vulkanische Aerosol, das haupt-sächlich aus Schwefelsäuretröpfchen besteht, die einfallende Solarstrahlung vor allem streut.
Es bewirkte damit eine Verlagerung der Energie aus der direkten in die diffuse Komponente. Da die Globalstrahlung die Summe aus beiden Strahlungsanteilen ist, wurde die Abnahme der Direktstrahlung durch die Zunahme der Diffus-strahlung größtenteils kompensiert. Daher zeigte die Globalstrahlung nach dem Ausbruch des Pinatubo über zwei Jahre hinweg anhaltend geringe Werte, ihr Betrag sank jedoch nicht unterhalb des Niveaus der mittleren Variabilität von Jahr zu Jahr.
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Abbildung 5 Zeitreihe des multi-variaten ENSO-Index (El-Niño-Südliche-Oszillation-Index), der ein Maß für das Auftreten von El Niño bzw. La Niña ist.
Positive Werte bedeu-ten eine El Niño-, negative Werte eine La Niña-Situation. Je höher die Amplitude des Ausschlags ist, desto stärker ist die jeweilige Strömungs-lage ausgeprägt (Quelle: NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center).
Multivariate Enso Index
StandardizedDeparture
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
NOAA–CIRES Climate Diagnostics Center (CDC), University of Colorado at Boulder
Vulkanausbrüche stellen ein Extremereignis dar, das im Laufe der Zeit nur relativ selten auftritt.
Sie sind jedoch wie El Niño ein Hinweis darauf, dass die Erde stets als Gesamtsystem betrachtet werden muss. So schützt geographische Entfernung zu einem Vulkan nicht unbedingt vor einer Beeinflussung des Solarenergieange-botes nach einer Eruption. Gleichzeitig zeigt die dargestellte Betrachtung, dass sich das Solar-energieangebot innerhalb weniger Monate stark ändern kann. Für den Fall eines Vulkanausbruchs ist eine solche Verminderung der Einstrahlung praktisch nicht vorhersagbar.
Meist treten Aerosolpartikel in geringeren Konzentrationen auf und auch Veränderungen derselben finden in sehr viel niedrigeren Raten statt. Ein prominentes Beispiel soll hier kurz vor-gestellt werden. Ende der 90er Jahre wurde der Begriff „global dimming“ (von engl. „to dim“ = verdunkeln) geprägt. Er bezeichnet eine Abnah-me der Globalstrahlung, die zwischen 1960 und 1990 an zahlreichen Messstationen beobachtet wurde. Über den Zeitraum von 30 Jahren wur-den Rückgänge von durchschnittlich 2 % pro Dekade ermittelt, die jedoch zunächst auf Fehler in den Daten oder Instrumentendrift zurückgeführt wurden.
Erst als sich Berichte über Abnahmen in der Globalstrahlung häuften, wurde das „global dimming“ als Tatsache akzeptiert. Die Bezeich-nung „global“ bezieht sich dabei auf die Global-Strahlung und nicht auf die räumliche Ausdehnung des Effekts, eine Tatsache, die häufig nicht beachtet wird. Als Ursache gilt heute die zunehmende Verschmutzung der Luft durch Aerosol im Zuge der Industrialisierung.
Die freigesetzten Aerosolpartikel dienten gleich-zeitig als Kondensationskeime für Wolken-tröpfchen und führten damit zu häufigerer und langlebigerer Bewölkung. Beide Effekte zusam-men bewirkten die beobachtete Abnahme der Globalstrahlung. Es steht zu vermuten, dass die Direktnormalstrahlung noch wesentlich stärker betroffen war, allerdings liegen getrennte Untersuchungen aufgrund des Mangels an geeigneten Messungen nicht vor.
Seit den 90er Jahren wird eine langsame Erholung der Globalstrahlung beobachtet. Diese wird auf das Greifen von Gesetzen zur
Luftrein-haltung aus den 80er Jahren sowie den Nieder-gang der osteuropäischen Wirtschaft im Zuge des politischen Umbruchs zurückgeführt.
Beides führte zu einem Rückgang der Aerosol-konzentration.
Neueste Studien weisen darauf hin, dass Aero-solkonzentration und Treibhauseffekt indirekt zusammen hängen. Die vermehrte Verdunstung und Wolkenbildung bei erhöhten Temperaturen führt auch zu mehr Niederschlag und damit verstärkter Auswaschung von Aerosol aus der Atmosphäre. Die verdunkelnde Wirkung des Aerosols nimmt dadurch entsprechend ab.
Gleichzeitig wurde der Treibhauseffekt vermut-lich durch die verminderte Einstrahlung in der Zeit des „global dimming“ gebremst. Ist dies der Fall, so könnte der Treibhauseffekt viel stärker sein als bisher angenommen. Heutige Klima-modelle berücksichtigen den Effekt des „global dimming“ nicht, sondern versuchen, den Anstieg der Temperatur anhand der Konzentration von
89 Abbildung 6
Aerosol aus dem Ausbruch des Pinatubo 1991 vom Space Shuttle aus beobachtet (Quelle: NASA)
Abbildung 7 Abweichung des globalen Mittelwertes der Direktnormal-strahlung aus DLR-ISIS nach dem Ausbruch des
Pinatubo im Juni 1991 als Abweichung vom 21-Jahres-Mittelwert
1985 1990 1995 2000
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Treibhausgasen zu erklären. Sie gehen damit möglicherweise von der trügerischen Annahme aus, dass das Klima relativ robust gegenüber dem Treibhauseffekt ist. Dieses Beispiel verdeut-licht, wie schwierig es ist, einzelne Effekte isoliert vom Gesamtsystem zu untersuchen. Durch Rückkopplungen und Wechselwirkungen können sich die Auswirkungen verschiedener Ursachen kompensieren. Dies erschwert eine realitätsnahe Modellierung des zukünftigen Klimas erheblich.
Ähnliche Effekte wie beim „global dimming“
spielen auch im letzten Beispiel dieses Beitrages eine Rolle. Hinter Flugzeugen in großer Höhe bilden sich häufig Kondensstreifen, die als weiße Wolkenbänder am Himmel beobachtet werden können. Die zugrunde liegenden Vorgänge beinhalten wiederum die Wirkung von Aerosol im Abgasstrahl der Triebwerke als Kondensationskeime für Wolken. Je nach den herrschenden Bedingungen in der Umgebung der Kondensstreifen bleiben diese bestehen oder lösen sich in kurzer Zeit wieder auf. Im ersten Fall verbreitern sie sich meist und werden schließlich so diffus, dass sie von natürlich entstandenen Schleierwolken nicht mehr zu unterscheiden sind (Abb. 8).
Untersuchungen haben ergeben, dass allein die linienförmigen Kondensstreifen über Europa etwa 1 % der Himmelsfläche bedecken. Eine
Abschätzung der Auswirkung auf die Direkt-normalstrahlung anhand typischer Werte für die Dicke von Wolken in derselben Höhe reicht von Abnahmen weit unter einem Prozent bis zu Rückgängen von mehreren Prozent. Über die Ausbreitung von Schleierwolken, die sich aus den linienförmigen Kondensstreifen gebildet haben, liegen derzeit noch keine abschließen-den Untersuchungen vor. Als gesichert gilt jedoch, dass der Flugverkehr sowohl in der Frequenz als auch in der räumlichen Ausdehnung zunehmen wird. Ein wachsender Einfluss der Kondensstreifen auf die zur Verfügung stehende Energie von der Sonne ist damit sehr wahr-scheinlich. Die kontinuierliche Beobachtung der Erde und Messung der Solarstrahlung ist daher von entscheidender Bedeutung.
Zusammenfassung
Die aufgeführten Beispiele verdeutlichen, wel-chen Einfluss Veränderungen in der Atmosphäre auf das Solarenergieangebot haben. Natürliche Klimaschwankungen, beispielsweise durch El Niño, treten periodisch auf und modulieren le-diglich das mittlere Strahlungsangebot. Anthro-pogen verursachte Klimaveränderungen äußern sich dagegen meist als langfristige Trends. Die Effekte können so schleichend sein, dass erst die Analyse mehrerer Jahrzehnte an Daten die Ver-änderungen offenbart.
Dabei sind sowohl natürliche als auch anthro-pogen verursachte Variabilitäten des Solarener-gieangebotes meist großräumige Effekte. Lokale Messungen zeigen nur einen kleinen Ausschnitt des Geschehens und erst die Betrachtung von räumlich ausgedehnten Datengrundlagen wie Satellitenbeobachtungen eröffnet die Möglich-keit, das System als ganzes zu erfassen. Rück-kopplungen zwischen einzelnen Effekten können dabei das Erkennen und Verstehen der Gesamtentwicklung des Klimas erheblich erschweren und machen somit auch die Rekonstruktion der Vergangenheit ebenso wie die Vorhersage zukünftiger Entwicklungen deutlich anspruchsvoller. Unbestritten ist jedoch, dass der Einfluss des Menschen im Klima und damit dem zur Verfügung stehenden Solar-energieangebot bereits Spuren hinterlassen hat.
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Abbildung 8 Kondensstreifen in unterschiedlichen Stadien der Verbreiterung (Foto: Louis Nguyen)
Welche Effekte überwiegen werden und in welche Richtung sich das Solarenergieangebot langfristig entwickeln wird, kann jedoch nur die Zukunft zeigen.
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