Werden Hurrikans mit durch kosmische Strahlung ausgelöst?

Ein möglicher Zusammenhang zwischen dem so genannten "Weltraumwetter" und dem irdischen Wetter und Klima wird seit einigen Jahren heftig diskutiert. Als Weltraumwetter bezeichnet man das komplexe Wechselspiel zwischen den Magnetfeldern von Sonne und Erde und Teilchenströmen, die sowohl von der Sonne als auch aus dem fernen Weltall stammen. Letzterem Teilchenstrom, nämlich der galaktischen kosmischen Strahlung, wird ein Einfluss auf die Bildung von Wolken zugeschrieben.

Die galaktische kosmische Strahlung besteht zum größten Teil aus Protonen, also den Kernen von Wasserstoffatomen, und zu geringeren Teilen aus Heliumkernen und den Kernen weiterer chemischer Elemente sowie aus Elektronen. All diese Teilchen sind elektrisch geladen, die Atomkerne positiv, die Elektronen negativ. Als Quelle dieser Strahlung haben Astronomen unter anderem Supernova-Explosionen im Visier. Trotz ihrer zeitlich und räumlich unregelmäßigen Erzeugung strömen diese Teilchen in unveränderlich konstanter Menge gleichförmig aus allen Richtungen auf unser Sonnensystem ein. Der Grund dafür sind die vielen kosmischen Magnetfelder, die diese Teilchen während ihrer Reise zu uns passieren. All diese Magnetfelder lenken die elektrisch geladenen Teilchen immer wieder von ihrem Weg ab und "bügeln" dadurch alle Unregelmäßigkeiten in ihrem Fluss aus.

Jedoch schirmt das Magnetfeld der Sonne einen Teil der galaktischen kosmischen Strahlung von der Erde ab. Und dieser Anteil schwankt, weil die Stärke und Richtung des Sonnenmagnetfeldes in verschiedenen Zyklen schwankt. Der bekannteste ist der im Durchschnitt elfjährige Sonnenfleckenzyklus – was den Zusammenhang zwischen Schwankungen in der Intensität der kosmischen Strahlung und der Anzahl der Sonnenflecken erklärt.

Die Schwankungen in der Intensität der kosmischen Strahlung sind auf der Erde eindeutig nachweisbar – heute, weil sie von Satelliten vermessen wird, und in der Vergangenheit, weil die kosmische Strahlung beim Zusammenprall mit Atomen in der Erdatmosphäre radioaktive Atome wie beispielsweise Beryllium-10 erzeugt. Diese radioaktiven Atome lagern sich unter anderem im Ozeanboden ab. Aus ihrem prozentualen Anteil, den man bei Tiefseebohrungen für unterschiedliche Ablagerungszeiträume ermittelt, kann man auf die jeweilige Intensität der kosmischen Strahlung schließen.

Nicht nachgewiesen ist dagegen der Mechanismus, mit dem die kosmische Strahlung möglicherweise Wetter und Klima auf der Erde beeinflusst. Man weiß, dass die Bildung von Wolken von der Konzentration von Aerosolen (Schwebeteilchen) in der Atmosphäre abhängt. Diese Aerosole dienen als Kondensationskeime, auf denen der in der Atmosphäre vorhandene Wasserdampf kondensiert. Beispielsweise gibt das Phytoplankton (pflanzliches Plankton) der Ozeane Dimethylsulfid an die Atmosphäre ab. Dort verwandelt es sich in Schwefelsäure, die wiederum Wasserdampf an sich zieht und dadurch kleine Tröpfchen bildet, die zu Wolken werden. Es wird vermutet, dass dieser Prozess von Ionen, also elektrisch geladenen Atomen, die beim Aufprall der kosmischen Strahlung auf Atome in der Atmosphäre gebildet werden, oder auch von den Teilchen der kosmischen Strahlung selbst beeinflusst und verstärkt wird.

Obwohl seit mehr als hundert Jahren grundsätzlich bekannt ist, dass Ionen die Kondensation von Wassertröpfchen beeinflussen können, gibt es bis heute eklatante Widersprüche zwischen experimentellen Befunden und theoretischen Berechnungen. Deshalb ist ungeklärt, ob dieser Prozess auf die Wolkenbildung in der Erdatmosphäre einen bedeutenden Einfluss hat. Derzeit wird bei der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN das Experiment CLOUD durchgeführt, das die mikrophysikalischen Zusammenhänge bei der Entstehung von Wolken untersuchen soll. Dazu wird eine Nebelkammer mit Protonen, also dem Hauptbestandteil der galaktischen kosmischen Strahlung beschossen. Durch Variation des Drucks und der Temperatur und außerdem der chemischen Zusammensetzung des Gases in der Nebelkammer können die in der Atmosphäre herrschenden Bedingungen simuliert werden. Die Ergebnisse dieses Experiments werden für das Jahr 2010 erwartet. Inzwischen wurde in einem unter der Leitung von Henrik Svensmark an der Technischen Universität von Dänemark durchgeführtem Experiment gezeigt, dass Elektronen, die in der Atmosphäre von der kosmischen Strahlung freigesetzt werden, die Tröpfchenbildung in den unteren Atmosphärenschichten beschleunigen können.

Unabhängig vom bisher nicht eindeutig geklärten kausalen Zusammenhang zwischen Wolkenbildung und kosmischer Strahlung gibt es Argumente und Indizien dafür, dass das Klima auf der Erde der schwankenden Intensität der kosmischen Strahlung folgt. Beispielsweise fällt die kälteste Phase der Kleinen Eiszeit, die vom 15. bis in das 19. Jahrhundert hinein andauerte, mit einem Minimum in der Anzahl der Sonnenflecken zusammen, dem so genannten Maunder-Minimum (1645-1715). Aus der niedrigen Sonnenfleckenzahl folgt aber, dass das Magnetfeld der Sonne schwächer als gewöhnlich war, was wiederum bedeutet, dass mehr kosmische Strahlung zur Erde gelangte. Diese verstärkte, so wird vermutet, die Wolkenbildung, wodurch die Erde abkühlte. Die seit einigen Jahrzehnten erhöhte Aktivität des Sonnenmagnetfeldes führt dagegen zu einer Abnahme der die Erde erreichenden kosmischen Strahlung. Inwieweit dies zu einer Abnahme der Wolkenbildung führt und somit neben der Kohlendioxidzunahme zur gegenwärtigen Erwärmung der Erde beiträgt, ist heftig umstritten. Die am CERN-Experiment CLOUD beteiligten Wissenschaftler schätzen den Anteil der kosmischen Strahlung an der Erderwärmung auf 50 Prozent, computergestützte Klimamodelle sehen den Einfluss der schwankenden Sonnenaktivität dagegen bei höchstens 30 Prozent.

Dafür, dass die kosmischen Strahlung das Klima- und Wettergeschehen auf der Erde beeinflusst, spricht nun aber auch das neue Ergebnis von dem Forscherteam um Jorge Pérez-Peraza von der Universität Mexiko. Die Wissenschaftler haben alle Hurrikans ausgewertet, die in den letzten 55 Jahren die mexikanischen Küsten berührten oder überquerten, unabhängig davon, ob sie über dem Pazifik oder dem Atlantik entstanden waren. Deren Daten verglichen sie mit einigen kosmischen Daten, vor allem der Intensität der kosmischen Strahlung und der Sonnenfleckenzahl. Sie fanden bei der Anzahl der Sonnenflecken spezifische Schwankungen, die etwa 20 Tage vor der Entstehung eines Hurrikans begannen, bei sehr starken Hurrikans noch früher. Die Intensität der kosmischen Strahlung zeigte dagegen einen charakteristischen starken Anstieg, der nach kurzer Zeit wieder abklang. Dieser Peak trat 5 bis 20 Tage vor der Entstehung eines Hurrikans auf.

Zu große Erwartungen aufgrund dieses Ergebnisses dämpft Pérez-Peraza allerdings: "Wenn wir die entdeckten statistischen Zusammenhänge zur Vorhersage von Hurrikans nutzen wollen, müssen wir zunächst die Physik dahinter verstehen. Daran arbeiten wir, aber wir befinden uns derzeit noch auf einem spekulativem Level."

Jorge Pérez-Peraza et.al.: Solar, geomagnetic and cosmic ray intensity changes, preceding the cyclone appearances around Mexico, Advances in Space Research 42 (2008), 1601

Henrik Svensmark: Cosmoclimatology: a new theory emerges, Astronomy & Geophysics, February 2007, Vol. 48, 1.18

Axel Tillemans: Sonne im Jahrtausendhoch, bild der wissenschaft 5/2004, 48

Axel Tillemans: Sonne im Rekordhoch, bild der wissenschaft 10/2005, 49

Axel Tillemans