2 Juni 2020

Impact zon op klimaat fors onderschat: IPCC negeert 22-jarige magnetische cyclus

Langetermijn impact zon op klimaat blijkt 4x groter dan tijdens 22-jarige zonnecyclus (8x groter dan tijdens 11-jarige cyclus)

Martijn van Mensvoort

Samenvatting

Reconstructies voor de wereldwijde temperatuurontwikkeling tonen een opwaarts gerichte oscillatie voor de periode vanaf de 1880's t/m de 1980's. De oscillatie wordt meestal in verband gebracht met natuurlijke variabiliteit; de temperatuurstijging tussen de jaren 1911 en 1943 blijkt vooral toegeschreven aan toegenomen activiteit van de zon.
Zowel de impact van de 11-jarige zonnecyclus [Schwabe cyclus] op de temperatuur als het natuurkundige mechanisme zijn onvoldoende begrepen. Hier wordt voor de 22-jarige magnetische zonnecyclus [Hale cyclus] een temperatuur impact beschreven van 0,215 °C (~1,43 °C per W/m2). Op basis van de Hale cyclus volgt een beschrijving van een parallel verloop van de zeewateroppervlaktetemperatuur [HadSST3] en de minima van de totale zonnestraling [LISIRD TSI] na toepassing van een correctie. De correctie heeft betrekking op twee categorieën zonneminima: (1) primaire minima ontstaan tijdens de fase met de magnetische polen in de oorspronkelijke positie, (2) secundaire minima ontstaan tijdens de fasewanneer de polen van positie zijn gewisseld.
Na toepassing van de correctie toont de periode 1890-1985 voor de primaire en secundaire minima combinatie een hoge zonnegevoeligheid: 6,86 °C per W/m2 met een verklaarde variantie van 91%. De impact van lange termijn fluctuaties van de zon blijkt 4,8x groter dan tijdens het korte termijn verloop van de 22-jarige cyclus. Dit impliceert dat de zon tevens verantwoordelijk kan zijn geweest voor een opwarming van 1,13 °C tussen het Maunder minimum aan het eind van de 17de eeuw en het meest recente zonneminimum jaar 2017. Het resultaat benadrukt dat de Hale cyclus een cruciaal element vormt om de relatie tussen zon & temperatuurontwikkeling beter te begrijpen. In klimaatmodellen wordt de Hale cyclus genegeerd wat leidt tot onderschatting van de impact van de zon in combinatie met overschatting van de impact van broeikasgassen en antropogene factoren.

---

INHOUD

Samenvatting
Introductie
Resultaten

• TSI & temperatuur correleren hoger tijdens minima dan tijdens maxima
• Temperatuur profiel voor de 22-jarige zonnecyclus (Hale cyclus)
• Primaire & secundaire TSI minima tonen hoge correlatie met zeewateroppervlaktetemperatuur
• Na correctie tonen meerjarige TSI minima vergelijkbaar verloop met zeewateroppervlaktetemperatuur

Discussie & Conclusie
Methode

---

Introductie

In 2006 is in een Nederlands wetenschappelijk rapport van het KNMI in samenwerking met het NIOZ vastgesteld dat voorafgaand aan het jaar 1950 de invloed van de mens op de temperatuur verwaarloosbaar klein is geweest¹. Dit maakt de periode voorafgaand aan het jaar 1950 bij uitstek geschikt om de invloed van de zon op de temperatuur te bestuderen.
In het huidige onderzoek wordt de invloed van de zon op de zeewateroppervlaktetemperatuur bestudeerd voor de periode 1890-1985. Deze periode omvat 3 periodes waarin de multidecadale temperatuur trend van richting is veranderd en de periode omvat in totaal 10 zonneminima jaren. Hierbij is in overweging genomen dat voorafgaand aan het jaar 1880 onvoldoende data beschikbaar is voor een betrouwbare inschatting van de mondiale zeewateroppervlaktetemperatuur; bovendien is pas na het jaar 1950 voor de meeste regionen van de wereld de onzekerheidsmarge afgenomen tot een laag niveau². Ook is van belang dat onder klimaatexperts consensus bestaat dat de warmteinhoud van het oceaan systeem mogelijk de beste indicator vormt voor de opwarming³; logischerwijs vormt de opwarming van de zeewateroppervlaktetemperatuur daarom waarschijnlijk ook een meer relevante indicator dan de opwarming van de atmosfeer.

Over de invloed van de zon op het klimaat bestaat controverse die betrekking heeft op een breed terrein van aspecten. Voor het temperatuur effect van de 11-jarige zonnecyclus [Schwabe cyclus] variëren de schattingen van kleiner dan 0,05 °C (nauwelijks registreerbaar)¹ tot ruim 0,25 °C⁴. Echter, op basis van dezelfde hoeveelheid energie wordt bij het lange termijn perspectief een groter temperatuur effect verwacht dat voor een cyclus van 200 jaar 2 tot 4 keer groter is dan bij de 11-jarige cylcus t.g.v. diverse factoren zoals de opeenhoping van energie binnen het oceaan systeem¹; voor nog langere periodes kan de impact oplopen naar een temperatuur effect dat 5 tot 10 keer groter is^5,6.
Voor het temperatuur effect van de zon in de 20st eeuw zijn schattingen beschikbaar die variëren van 7% (0,056 °C) tot 44-64% (0,40-0,512 °C) van de totale opwarming van 0,8 °C⁷.
De samenstelling van de historische TSI data set vormt belangrijk onderdeel van de controverse⁸, want bij de ACRIM-PMOD controverse staat al sinds de jaren '90 zelfs de wetenschappelijke legitimiteit op het spel in relatie tot de werkwijze die betrokken onderzoeksgroepen hebben gebruikt⁹. Er bestaan tevens grote verschillen van inzicht m.b.t. de TSI constructie methode; de methode van Lean et al. (1995)¹⁰ berust op 2 magnetische componenten en resulteert in een beeld waarbij de hoogste TSI waarde eind jaren '50 zijn bereikt terwijl de methode van Hoyt & Schatten (1993)¹¹ berust op 5 magnetische componenten waarbij de hoogste TSI waarden pas aan het begin van de 21-ste eeuw zijn bereikt. Dit verklaart fundamenteel waarom de diverse inschattingen m.b.t. de invloed van de zon op het klimaat in hoge mate verschillen: in de orde van grootte van bijna een factor 10.

Binnen de klimaatwetenschap wordt de invloed van de zon op het klimaat o.a. bestudeert m.b.v. de 11-jarige zonnecyclus. Edoch, sinds het begin van de vorige eeuw staat vast dat de 22-jarige zonnecyclus [Hale cyclus] ten grondslag ligt aan de 11-jarige cyclus¹². Dit is van belang omdat tevens bekend is dat zich tussen 2 opeenvolgende 11-jarige cycli structurele verschillen aandienen; een voorbeeld hiervan vormt de Gnevyshev-Ohl regel¹³ (welke betrekking heeft op het aantal zonnevlekken tussen 2 opeenvolgende maxima). De 22-jarige cyclus speelt binnen de klimaatwetenschap nauwelijks een rol want in de rapporten van het IPCC is de Hale cyclus onbesproken gebleven¹⁴. Men veronderstelt dat de manifestaties van de 22-jarige cyclus niet gevoelig zouden zijn voor polariteit veranderingen. Echter, het is onduidelijk waarop deze veronderstelling is gebaseerd want in 2008 is op basis van de 22-jarige cyclus vastgesteld dat sinds het Maunder minimum onder invloed van kosmische straling de koudste fase van de cyclus plaats vindt tijdens de minima die ontstaan wanneer de polariteit positief is, d.w.z. wanneer de magnetische zonnepolen zich in de oorspronkelijke positie bevinden¹⁵. Trend analyses gericht op de impact van de radiatieve forcering van de zon zijn meestal gebaseerd op de minima omdat deze zowel "meer stabiel" als "meer relevant" zijn voor veranderingen in de activiteit van de zon dan de maxima¹⁴; dit komt tot uitdrukking in het feit dat de invloed van zonnevlekken en zonnefakkels relatief klein is tijdens de minima.

---

Resultaten

Hier is gebruik gemaakt van de LISIRD TSI data set¹⁶ - dit betreft geen "officiële" TSI doch deze data set bevat in de ogen van LASP hoofdonderzoeker Dr. Greg Kopp wel de beste waarden die beschikbaar zijn voor de experts; voor het satelliettijdperk maakt de LISIRD gebruik van de Community-Consensus TSI Composite¹⁷ en voor het pre-satelliettijdperk zijn in de LISIRD enkele "verfijningen" verwerkt¹⁸. Voor de zeewateroppervlaktetemperatuur is gebruik gemaakt van de HadSST3 data set van het Hadley Centre¹⁹.

Op basis van de Hale cyclus wordt voor de periode rondom de minima jaren 1890 t/m 1985 eerst de correlaties + een temperatuur profiel beschreven waarmee de zonnegevoeligheid tijdens het verloop van de 22-jarige Hale cyclus is berekend. Vervolgens wordt op basis van de minima jaren de zonnegevoeligheid berekend voor het lange termijn perspectief; hierbij is onderscheid gemaakt tussen: (1) de primaire minima (welke ontstaan tijdens de fase met de magnetische polen in de oorspronkelijke positie, ofwel: wanneer de polariteit positief is); (2) de secundaire minima (welke ontstaan tijdens de fase wanneer de polen van positie zijn gewisseld, ofwel: wanneer de polariteit negatief is).

• TSI & temperatuur correleren hoger tijdens minima dan tijdens maxima

In figuur 1 wordt beschreven dat de TSI en de zeewateroppervlaktetemperatuur voor de periode 1890-1985 een correlatie (r = 0,43) toont met een vergelijkbare omvang als voor de periode 1880-2018 (r = 0,41). Echter, voor de individuele fasen van de zonnecyclus bereikt de correlatie een aanzienlijk hoger niveau; conform de verwachting is de impact van dit effect het grootst bij de minima.

Bovendien blijken de correlaties zowel bij de primaire & secundaire minima als de maxima een nog hoger niveau te bereiken; de impact van de 22-jarige cyclus manifesteert zich dus in wisselende mate gedurende het verloop van de cyclus. Voor de periode 1880-1985 wordt bij zowel de primaire als de secundaire minima zelfs zeer hoge correlatie waarden aangetroffen. De structureel hogere correlaties bij de individuele minima series t.o.v. de combinatie van beide series is gerelateerd aan de Gneyvshev-Ohl regel, waarvan de impact bij zowel de TSI maxima als de TSI minima zichtbaar is.

Figuur 1: LISIRD TSI totale zonnestraling en HadSST3 zeewateroppervlaktetemperatuur correleren hoger tijdens de minima dan tijdens de maxima. De individuele fasen van de zonnecylus tonen ook een aanzienlijk hogere correlatie, metname wanneer hierbij rekening wordt gehouden met de 22-jarige cyclus. De structurele impact van de 22-jarige magnetische zonnecyclus komt tot uitdrukking in de relatief hoge primaire TSI minima (P) en maxima (Ps); dit fenomeen is in overeenstemming met de Gnevyshev-Ohl regel die primair enkel van toepassing is op de maxima van de zonnevlekkencyclus¹³.

---

• Temperatuur profiel voor de 22-jarige zonnecyclus (Hale cyclus)

Om het HadSST3 zeewateroppervlaktetemperatuur profiel voor de 22-jarige zonnecyclus te bepalen zijn de primaire en secundaire minima als afzonderlijke referentiepunten gebruikt. Voor de periode 1890-1985 is voor de vijf primaire minima een gemiddelde waarde van -0,276 °C gevonden en voor de vijf secundaire minima is een gemiddelde waarde van -0,174 °C gevonden. Op dezelfde wijze zijn de gemiddelde waarden bepaald voor de overige fasen van de cyclus. Vervolgens is de trend uit de data verwijderd waarna zowel de minima als de maxima als referentiepunten zijn gebruikt bij de constructie van het temperatuurprofiel voor de Hale cyclus (voor meer details zie de methode sectie).

Het resultaat vormt het temperatuur profiel zoals weergegeven in figuur 2; de lengte van het profiel bedraagd slechts 21 jaar omdat de gemiddelde lengte van de Hale cycli in de periode 1890-1985 ongeveer 21 jaar bedraagd. Het gemiddelde temperatuur verschil tussen de primaire en secundaire minima blijft na verwijdering van de trend beperkt tot 0,059 °C. Binnen de Hale cyclus wordt het grootste temperatuurverschil aangetroffen tussen de primaire minima en de fase die 7 jaar na de primaire minima volgt; het temperatuurverschil bedraagt 0,215 °C.

Figuur 2: Hale cycli (lengte: ~22 jaar) op basis van de periode 1882-1988 (welke 5 primaire minima en 5 secondaire minima bevat) tonen een impact voor de zeewateroppervlaktetemperatuur van 0,215 °C. Tijdens het primaire deel van de Hale cyclus worden meer en grotere fluctuaties aangetroffen tijdens het secundaire deel. Schwabe cycli (lengte: ~11 jaar) tonen een zeewateroppervlaktetemperatuur impact van slechts 0,122 °C.

Uit figuur 2 blijkt dat de primaire fase en de secundaire fase van de Hale cyclus een asymmetrisch temperatuur verloop hebben, waarbij de fluctuaties zowel minder frequent als minder sterk zijn tijdens de secundaire fase. De temperatuur piekt relatief laat tijdens de primaire fase en vervolgens piekt te temperatuur relatief vroeg tijdens de secundaire fase. Bovendien toont het profiel van de Hale cyclus een oscillatie met fluctuaties die 2 tot 7 jaar in beslag nemen, wat exact overeenkomt met de variatie die wordt beschreven voor de duur van de ENSO cyclus; dit is niet geheel verrassend want het is bekend dat er sterke statistische relaties bestaan tussen ENSO en de activiteit van de zon²⁰.

Bij de berekening van het profiel is gebruik gemaakt van de waarden in de periode 1882-1995. De gemiddelde radiatieve forcering tussen piek en bodem bedraagt voor deze periode 0,86 W/m2; in combinatie met het gemiddelde maximale temperatuurverschil binnen het profiel van 0,215 °C resulteert dit in een zonnegevoeligheid binnen de Hale cyclus van 0,25 °C per W/m2 aan de top van de atmosfeer (TOA), wat omgerekend naar het aardoppervlak een waarde oplevert van 1,43 °C per W/m2 (via een omrekeningsfactor van 0,175: 25% op basis van bolvorming aarde in combinatie met 70% Albedo). Hierbij is nog geen rekening gehouden met de impact van een versterkende factor voor het TSI signaal van de zon; in de discussie wordt de impact van de versterkende factor beschreven.

Voor de volledigheid is in figuur 2 ook het temperatuur profiel voor de Schwabe cyclus, welke hier is afgeleid van het profiel voor de Hale cyclus. Een opvallend kenmerk is hierbij dat het temperatuur profiel 2 pieken bevat; dit is in overeenstemming met het feit dat voor de 11-jarige zonnevlekken cyclus ook 2 maxima worden beschreven in een tijdbestek van 2 tot 4 jaar. De eerste piek wordt in de literatuur in verband gebracht met UV straling en de tweede piek met geomagnetische verstoringen (+ aurora verschijnselen)²¹.

---

• Primaire & secundaire TSI minima tonen hoge correlatie met zeewateroppervlaktetemperatuur

In het bovenste deel van figuur 3 wordt beschreven dat voor de periode 1890-1985 zowel bij zowel de primaire minima als de secundaire minima een hoge correlatie in combinatie met een verklaarde variantie van 91% is aangetroffen voor de TSI en de zeewateroppervlaktetemperatuur. Voor beide perspectieve afzonderlijk volgt de temperatuur de richting van de trend bij de TSI; enkel bij de eerste overgang van de secundaire minima bewegen beide factoren in tegengestelde richting.
Wanneer het onderscheid tussen de primaire en secundaire minima niet wordt gemaakt dan wordt bij 6 van de 9 overgangen een tegengestelde beweging waargenomen tussen beide factoren. Dit beeld is duidelijk inconsistent met het beeld dat bij de primaire en secundaire minima afzonderlijk is aangetroffen.

In de introductie is beschreven dat de temperatuur tijdens de minima van de primaire fase het laagste niveau bereikt. M.b.t. het betrokken natuurkundige mechanisme is bekend dat tijdens de negatieve fase van de zonnecyclus de aanvoer van kosmische straling (welke in verband wordt gebracht met meer wolkvorming²²) meer sensitief is omdat deze dan meer via de evenaar van de zon wordt aangevoerd i.p.v. via de polen bij de positieve fase¹⁵. Dit impliceert dat op basis van de aanvoerrichting van kosmische straling kan worden gesteld dat de relatie tussen de TSI en de temperatuur afhankelijk is van de polariteit van de zon. Tijdens de negatieve fase (deze begint in de loop van de primaire fase) is relatief weinig energie nodig voor een temperatuurstijging, terwijl tijdens de positieve fase (deze begint in de loop van de secundaire fase) meer energie nodig is voor dezelfde temperatuurstijging. Dit betekent dat er logischerwijs een structurele correctie nodig is om de relatie tussen de TSI en de temperatuur beter te kunnen begrijpen - ofschoon het gebruik van een correctie in prinicipe overbodig is bij een vergelijking tussen jaren die zich in dezelfde fase van de 22-jarige cyclus begeven.

Figuur 3: (boven) HadSST3 zeewateroppvervlaktetemperatuur uitgezet t.o.v. de LISIRD TSI (+1360 W/m2); (onder) na een correctie van +0,142 W/m2 gericht op de secundaire totale zonnestraling waarden worden bijna perfecte correlaties aangetroffen met de HadSST3 zeewateroppervlaktetemperatuur bij de minima jaren in de periode 1890-1985. M.b.v. een regressieanalyse is de zonnegevoeligheid voor deze periode vastgesteld op: 1,20 °C per W/m2 TOA voor de LISIRD TSI waarden boven 1360 W/m2 (met een verklaarde variantie van 91%); de verhouding van de schalen is hierop afgestemd en de waarden voor het minimum jaar 1912 fungeren als referentiepunt. Voor de primaire en secundaire minima bedraagd de zonnegevoeligheid respectievelijk: 1,10 °C per W/m2 TOA en 1,22 °C per W/m2 TOA. Beide figuren zijn weergegeven met schaalverhoudingen gebaseerd op het resultaat inclusief correctie.

In het onderste deel van figuur 3 is een correctie toegepast op de secundaire TSI waarden. De gebruikte correctie heeft tot gevolg dat zowel de correlatie voor de combinatie van de primaire en secundaire minima waarden op exact de gemiddelde waarde ligt van de beide minima afzonderlijk. Het gevolg is dat in het onderste deel van figuur 3 de verklaarde variantie voor de combinatie op dezelfde waarde beland als voor beide minima afzonderlijk: 91%, terwijl in het bovenste deel van figuur 3 de verklaarde variantie slechts 57% bedraagd. Bovendien bewegen de TSI en de temperatuur na de correctie bij alle 9 overgangen in dezelfde richting. De zonnegevoeligheid bedraagt 1,20 °C per W/m2 aan de top van de atmosfeer (TOA), wat omgerekend naar het aardoppervlak een waarde oplevert van 6,86 °C per W/m2 (via een omrekeningsfactor van 0,175: 25% op basis van bolvorming aarde in combinatie met 70% Albedo). Hierbij is nog geen rekening gehouden met de impact van een versterkende factor voor het TSI signaal van de zon; in de discussie wordt de impact van de versterkende factor beschreven.

In combinatie met de zonnegevoeligheid tijdens de 22-jarige zonnecyclus van 1,43 °C per W/m2 impliceert dit dat de langetermijn zonnegevoeligeid 4,8x hoger is dan tijdens het korte termijn perspectief. Bij een vergelijking met de 11-jarige cyclus ligt de langetermijn zonnegevoeligheid 8,4x hoger.

Volgens de LISIRD TSI data set is de totale zonnestraling tussen het Maunder minimum (1360,274 W/m2 TOA) en het meest recente primaire minimum jaar 2017 (1361,215 W/m2 TOA) gestegen met 0,941 W/m2 TOA. Op basis van de langetermijn zonnegevoeligheid van 1,20 °C per W/m2 komt dit overeen met een temperatuurstijging van 1,13 °C.

De omvang van de correctie met een waarde van ruim 0,1 W/m2 betreft bij benadering ruim één tiende van de gemiddelde fluctuatie van de TSI tijdens een 11/22 jarige zonnecyclus. Dit betreft dezelfde orde van grootte die bij de structurele variaties bij de zonnevlekkencyclus worden aangetroffen op basis van de Gnevyshev-Ohl regel¹³.

---

• Na correctie tonen meerjarige TSI minima vergelijkbaar verloop met zeewateroppervlaktetemperatuur

De correctie methode is vervolgens ook toegepast op de waarden rond de minima op basis van het 3-jarig, 5-jarig, 7-jarig, 9-jarige en 11-jarig gemiddelde. Uit figuur 4 blijkt dat de omvang van de correctie bij het 3-jarig t/m het 9-jarig gemiddelde iets kleiner (0,110-0,138 W/m2) uitpakt dan de waarde van de minima jaren (0,142 W/m2), doch het gaat hierbij wel consequent om dezelfde orde van grootte. Enkel bij het 11-jarige gemiddelde wordt een correctie waarde aangetroffen die bijna 2x groter is (0,270 W/m2), echter dit kan worden verklaard doordat hierbij overlap ontstaan tussen diverse periodes waardoor de correctie een deel van de effectiviteit verliest. Om deze reden wordt het resultaat voor de 11-jarige periode hier verder buiten beschouwing gelaten.

Figuur 4: Na toepassing van een correctie gericht op de secundaire minima is bij zowel de minima jaren in de periode 1890-1985 als de gemiddelde waarden op basis van langere periodes rond de minima een vergelijkbaar beeld aangetroffen. De eerste 5 waarden van zowel de LISIRD TSI als de HadSST3 waarden liggen alle lager dan de laatste 5 waarden. Bij de eerste 5 waarden wordt de laagste waarde altijd aangetroffen bij het 1912 minimum en de hoogste bij het 1933 minimum; bij de laatste 5 waarden wordt de laagste waarde altijd aangetroffen bij het 1976 minimum.

Figuur 4 toont voor de 1-jarige t/m de 9-jarige minima periodes dat de eerste vijf minima in de periode 1890-1985 bij zowel de TSI als de zeewateroppervlaktetemperatuur lagere waarden dan bij de laatste 5 minima. Tevens wordt bij de eerste vijf minima altijd de laagste waarde aangetroffen bij 1912 in combinatie met de hoogste waarde bij 1933 en bij de laatste vijf minima wordt de laagste waarde altijd aangetroffen bij 1976.

Enkel bij de 1-jarige t/m 5-jarige minima wordt na de toepassing van de bijbehorende correctie bij alle 9 overgangen een parallel aangetroffen tussen de richting van de trend bij de TSI en HadSST3. Bij de 7-jarige en 9-jarige minima tonen 8 van de 9 overgangen een parallel qua richting; enkel bij de overgang tussen 1943 en 1954 is sprake van een tegengestelde richting. Uit figuur 1 blijkt dat bij het 1958 maximum (+ de direct omringende jaren) de grootste uitschieter in de LISIRD TSI data set is aangetroffen. Dit fenomeen verklaart tevens waarom bij het 7-jarig en 9-jarig gemiddelde bij het 1954 minimum de hoogste gemiddelde TSI waarde in figuur 4 wordt aangetroffen, terwijl bij het 1-jarig t/m 5-jarig gemiddelde zowel bij de TSI als de temperatuur de hoogste waarde bij 1943 wordt aangetroffen.

Bij de 1-jarige t/m 9-jarige minima wordt na toepassing van de correctie een verklaarde variantie gevonden binnen de bandbreedte van 89-93%. Bij het oplopen van de lengte van de minima periode fluctueert de waarde van de verklaarde variantie hierbij rond de 91% verklaarde variantie die consequent bij de minima is aangetroffen zowel zonder als met de correctie.

---

Discussie & Conclusie

In dit artikel is de impact van de zon op het klimaat onderzocht m.b.v. de 22-jarige magnetische zonnecyclus. Voor het kortetermijn verloop gedurende de 22-jarige cyclus is een zonnegevoeligheid beschreven van 1,43 °C per W/m2 en voor het langetermijn verloop is op basis van de minima in de periode 1890-1985 een zonnegevoeligheid beschreven van 6,86 °C per W/m2. Dit impliceert dat de zonnegevoeligheid voor het langetermijn perspectief ruim 4x (4,8x) hoger is dan tijdens het kortetermijn perspectief van de 22-jarige magnetische zonnecyclus; bij een vergelijking met het perspectief van de 11-jarige zonnevlekkencyclus ligt de waarde voor het langetermijn perspectief ruim 8x (8,4x) hoger. Deze waarden liggen ruim 2x hoger dan de verhoudingen tussen de tijdspannes die in de literatuur op basis van de 11-jarige zonnecyclus wordenbeschreven^1,5,6. Het resultaat bevestigt bovendien eerdere beschrijvingen gebaseerd op periodes die verder terug gaan in de tijd waarbij de temperatuur impact tijdens de 22-jarige cyclus groter is dan tijdens de 11-jarige cyclus; tevens wordt in de literatuur bevestigd dat de wisseling van de magnetische polariteit hierbij een sleutelrol speelt¹⁵.

Op basis van de langetermijn zonnegevoeligheid is berekend dat de zon sinds het Maunder minimum verantwoordelijk is geweest voor een temperatuurstijging van ruim 1,1 °C. Schattingen voor de totale opwarming sinds het Maunder minimum liggen in de orde van 1,5 °C²³. Schattingen voor het temperatuurverchil tussen een passieve en actieve zon liggen in de orde van 1 °C⁵ tot 2°C. Sinds het begin van het Holoceen 11.700 jaar geleden heeft de activiteit van de zon tussen het Maunder minimum en het begin van de 21-ste eeuw de hoogste verandering in activiteit getoond²⁴. Tevens is er een schatting beschikbaar die beschrijft dat de toename van de activiteit van de zon sinds het ontstaan van leven op aarde ongeveer 1/2 tot 2/3 van de temperatuur toename kan verklaren^25,7. Deze reeks van schattingen vormt een consistent geheel met de beschreven langetermijn zonnegevoeligheid op basis van de periode 1890-1985.

Omdat de zonneminima jaren niet samenvallen met het begin en eind van de 20ste eeuw is het niet mogelijk om op basis van de minima een exacte berekening te maken voor het aandeel van de zon in de 0,416 °C opwarming die tussen 1900 en 2000 is ontstaan. Een indicatieve berekening kan in dit perspectief wel worden gemaakt voor de secundaire minima in de periode 1902-2008 (welke bijna de gehele 20ste eeuw omvat); voor het aandeel van de zon wordt een aandeel van 62,1% gevonden voor de opwarming van 0,671 °C die tussen 1902 en 2008 bij de zeewateroppervlaktetemperatuur is ontstaan. Voor de periode 1890-2017 toont de zon een aandeel van 58,2% van de 0,928 °C opwarming. Beide percentages zitten vlak onder de bovengrens van 64% die in de introductie is beschreven⁷.

Numeriek is van belang dat bij zowel het kortetermijn perspectief van de 22-jarige zonnecyclus als het langetermijn perspectief van de periode 1890-1985 rekening moet worden gehouden met een versterkende factor voor het signaal van de zon. Prof. Nir Shaviv beschrijft voor het perspectief van de 20ste eeuw een versterkende factor met een waarde in de orde van 4-6²⁶ en voor de 11-jarige zonnecyclus een versterkende factor met een waarde van 5-7²⁷ (berekend over de periode 1950-2000). In deze studie is voor de perspectieven m.b.t. periode 1890-1985 en de 22-jarige cyclus logischerwijs een versterkende factor van toepassing met dezelfde orde van grootte; omdat hier de overlap nog iets groter is ligt het voor de hand om voor beide perspectieven rekening te houden met een versterkende factor met een bandbreedte van 4-7 met een gemiddelde waarde van 5,5. Op basis van een versterkende factor met de waarde 5,5 wordt hier voor het langetermijn perspectief voor de klimaatgevoeligheid een waarde gevonden van 1,25 ± 0,27 °C per W/m2 (= λ) en voor het kortetermijn perspectief van de 22-jarige cyclus een waarde van 0,26 ± 0,06 °C per W/m2. Energetisch bezien omvat het resultaat voor de langetermijn (&lambda) een impact die vergelijkbaar is met een hoge klimaatgevoeligheid voor een verdubbeling van CO2 met een bandbreedte van 3,6-5,6 °C (op basis van: 3,7 W/m2 x 1,25 ± 0,27 °C per W/m2); het midpoint van deze bandbreedte ligt 0,1 °C boven de bovengrens van de bandbreedte die het IPCC hanteert voor de klimaatgevoeligheid: 1,5-4,5 °C¹⁴.

Op basis van de dynamiek in het onderste deel van figuur toont de periode 1912-1965 de hoogste correlatie tussen de minima waarden van LISIRD TSI en de HadSST3 zeewateroppervlakte temperatuur. Wanneer de berekening op basis van de periode 1912-1965 zou worden uitgevoerd dan daalt de zonnegevoeligheid van 1,20 °C per W/m2 naar een 1,05 °C per W/m2 (op basis van een ongewijzigde correctie van 0,142 W/m2) met een verklaarde variantie van 99%; de opwarming sinds het Maunder minimum zou in dat geval uitkomen op 0,99 °C, de zonnegevoeligheid voor de langetermijn zou uitkomen op 6 °C per W/m2, de klimaatgevoeligheid voor het langetermijn perspectief zou uitkomen op 1,09 ± 0,23 °C per W/m2 wat energetisch bezien vergelijkbaar is met een klimaatgevoeligheid voor een verdubbeling van CO2 met een bandbreedte van 3,2-4,9 °C, welke grotendeels overlapt met de bovenzijde van de bandbreedte van het IPCC. Hierbij biedt de verklaarde variantie van 99% voor deze 1912-1965 van 53 jaar nauwelijks ruimte voor andere invloeden dan de zon. Op basis van de periode 1912-1965 is de zonnegevoeligheid voor het langetermijn perspectief ruim 4x (4,2x) hoger dan het kortetermijn perspectief van de 22-jarige cyclus.

De gebruikte correctie maakt duidelijk dat er sprake is van een tegengesteld temperatuur-effect bij de Gnevyshev-Ohl regel, welke in de periode vanaf 1880 van toepassing blijkt op zowel de TSI maxima als de TSI minima (zie figuur 1). De omvang van de correctie blijkt bij benadering onafhankelijk van de lengte van de minima periode waarop de berekeningen zijn gebaseerd met een bandbreedte die varieert van 0,110-0,148 W/m2 voor de waarden op basis van 1 t/m 9 jarige periodes rond de TSI minima. Dit betekent dat er sprake is van een structureel temperatuur effect dat qua orde van grootte overeenkomt met de gemiddelde impact van de fluctuaties op basis van de Gnevyshev-Ohl regel. De richting van het temperatuur effect kan worden verklaard op basis van het sensitiviteit verschil voor de invloed van de kosmische straling tijdens de positieve en negatieve fase van de Hale cyclus¹⁵. Tijdens de negatieve fase blijkt het klimaat meer gevoelig voor de aanvoer van kosmische straling dan tijdens de positieve fase. Het secundaire minimum valt midden in de negatieve fase (zie figuur 5) waardoor het wegvallen van kosmische straling t.g.v. het poloïdale maximum dan relatief groot is, met als gevolg: relatief hoge temperaturen tijdens de primaire TSI minima. Zowel het ontstaan van het temperatuur effect t.g.v. de wisseling van de magnetische zonnepolen evenals de omvang van de bijbehorende impact is in termen van de betrokken natuurkundige mechanismen grofweg beschreven.

Dit kan impliceren dat de temperatuurontwikkeling direct samenhangt met de achtergrond zonnestraling [background solar irradiance, ofwel BSI]. Dit betreft een dynamische component bovenop het basisniveau in het signaal van de zon. De onzekerheidsmarges voor het basisniveau (sinds 2008 ingeschat op ongeveer 1361 W/m2) zijn aanzienlijk lager dan voor de TSI fluctuaties die ontstaan t.g.v. magnetische activiteit in de vorm van zonnevlekken en de zonnefakkels; in onderstaande formule²⁸ zijn deze componenten beschreven. Overigens, in deze formule (conform de methode van Lean¹⁰ waarin slechts 2 magnetische componenten zijn gebruikt) ontbreekt een dynamisch element bij de component van het basisniveau:

T(t) = T_Q + △T_F(t) + △T_S(t)

De conclusie luidt dat de zon verantwoordelijk is voor het ontstaan van de oscillatie met opwaartsgerichte helling. De (zeer) hoge verklaarde variantie van 89-93% voor de diverse minima periodes rond 1890-1985 (99% voor de 1912-1965 minima) laat hierbij nauwelijks ruimte voor een grote invloed van andere factoren, zoals bijvoorbeeld CO2.

Klimaatmodellen houden meestal enkel rekening met de 11-jarige cyclus. Meestal houden klimaatmodellen geen rekening gehouden met de impact van de opwaartse fase van de multi-decennium cyclus, welke op basis van dit onderzoek direct in verband kan worden gebracht met de Gleissberg cyclus minima van de zon²⁹. Dit impliceert dat klimaatmodellen geen rekening houden met een temperatuureffecten die ontstaan t.g.v. de wisseling van de magnetische polen van de zon, welke plaats vinden in de periodes rond de TSI minima - zie figuur 5. Dit draagt bij aan onderschatting van de impact van de zon op het klimaat in combinatie met overschatting van de invloed van CO2 en andere natuurlijke broeikasgassen. Echter, hierbij dient de kanttekening te worden gemaakt dat de aantasting van de ozonlaag t.g.v. gebruik van kunstmatige broeikasgassen (vooral CFK's) heeft aangetoond dat de invloed van de mens op het klimaatsysteem niet mag worden onderschat.

Figuur 5: De amplitude van het poloïdale magnetische veld is het grootst tijdens de jaren rond de TSI minima; het veld verandert van polariteit tijdens de TSI maxima (bron: WSO³⁰).

---

Methode

...

---

Figuur A: Het magnetisch veld van de zon beïnvloed het magnetisch veld van de aarde.

---

---

Referenties:

1. de Jager, C., Versteegh G.J.M. & van Dorland, R. Climate Change Scientific Assessment and Policy Analysis - Scientific Assessment of Solar Induced Climate Change, Rapport KNMI & NIOZ, 14 (2006).
2. Smith, T.M. & Reynolds, R.W. Extended Reconstruction of Global Sea Surface Temperatures Based on COADS Data (1854-1997), J. Clim., 16, 1495-1510 (2003).
3. Cheng, L., Zhu, J., Abraham, J., Trenberth, K.E., Fasullo, J.T., Zhang, B., Yu, F., Wan, L., Chen, X. & Song, X. 2018 Continues Record Global Ocean Warming, Adv. Atmos. Sci., 36, 249-252 (2019).
4. Camp, C.D. & Tung, K.K. Surface warming by the solar cycle as revealed by the composite mean difference projection, Geophys. Res. Lett., 1-5 (2007).
5. Shavif, N.J. The Role of the Solar Forcing in the 20th century climate change, International Seminar on Nuclear War and Planetary Emergencies, 44, 279-286 (2012).
6. Shavif, N.J. On climate response to changes in the cosmic ray flux and radiative budget, J. Geophys. Res, 110, A08105 (2005).
7. Scafetta, N. Discussion on common errors in analyzing sea level accelerations, solar trends and global warming, Pattern Recogn. Phys., 1, 37-57 (2013).
8. Solanki, S.K., Krivova, N.A. & Haigh, J.D. Solar Irradiance Variability and Climate, Annu. Rev. Astron. Astrophys., 51, 311-351 (2013).
9. Scafetta, N., Willson, R.C., Lee, J.N. & R.C. Wu, D.L. Modeling Quiet Solar Luminosity Variability from TSI Satellite Measurements and Proxy Models during 1980-2018, Remote Sens., 11 (21), 2569 (1-27), (2019).
10. Lean, J., Beer, J. & Bradley, R. Reconstruction of solar irradiance since 1610: Implications for climate change, Geophys. Res. Lett., 22 (23), 3195-3198 (1995).
11. Hoyt, D.V., & Schatten, K.H. A Discussion of Plausible Solar Irradiance Variations, 1700-1992, J. Geophys. Res., 98 (A11), 18,895-18,906 (1993).
12. Hale, G.E. On the probable existence of a magnetic field in sun-spots, ApJ, 28, 315-343 (1908)
13. Zolotova, N.V. & Ponyavin, D.I. The Gnevyshev-Ohl Rule and Its Violations, geomagn aeronomy+, 55 (7), 902-906 (2015).
14. IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp. (2013). Citaat pagina 689: "The year 1750, which is used as the preindustrial reference for estimating RF, corresponds to a maximum of the 11-year SC. Trend analysis are usually performed over the minima of the solar cycles that are more stable. For such trend estimates, it is then better to use the closest SC minimum, which is in 1745. ... Maxima to maxima RF give a higher estimate than minima to minima RF, but the latter is more relevant for changes in solar activity."
15. Hiyahara, H., Yokoyama, Y. & Masude, K. Possible link between multi-decadal climate cycles and periodic reversals of solar magnetic field polarity, Earth Planet. Sci. Lett., 272, 290-295 (2008).
16. Lasp Interactive Solar Irradiance Datacenter: Historical Total Solar Irradiance Reconstruction, Time Series, author: Greg Kopp
17. Dudok de Wit, T., Kopp, G., Frölich, C. & Schöll, M. Methodology to create a new total solar irradiance record: Making a composite out of multiple data records, Geophys. Res. Lett., 44 (3), 1196-1203 (2017).
18. Kopp, G., Krivova, N., Wu, C.J. & Lean, J. The Impact of the Revised Sunspot Record on Solar Irradiance Reconstructions, Sol. Phys., 291, 2951-2965 (2016).
19. Met Office Hadley Centre observations datasets: HadSST3.1.1.0 Data [annual globe] (2019).
20. Narsimha, R. & Bhattacharyya, S. A wavelet cross-spectral analysis of solar-ENSO-rainfall connections in the Indian monsoons, Appl. Comput. Harmon. Anal., 28, 285-295 (2010).
21. Gnevyshev, M.N. Essential features of the 11-year solar cycle, Sol. Phys., 51, 175-183 (1977).
22. Svensmark, H. Cosmic rays, clouds and climate, Europhys. News, 46 (2), 26-29 (2015).
23. PAGES 2k Consortium Consistent multi-decadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era (Supplementary Materials), Nat Geosci., 12 (8), 643-649 (2019).
24. Usoskin, I.G., Solanki, S.K. & Kovaltsov, G.A. Grand minima and maxima of solar activity: new observational constraints, Astron. Astrophys., 471, 301-309 (2007).
25. Usoskin, I.G., Solanki, S.K. & Kovaltsov, G.A. How did the Sun affect the climate when life evolved on the Earth? - A case study on the young solar twin κ¹ Ceti, Astron. Astrophys., 471, 301-309 (2007).
26. Ziskin, S. & Shavif, N.J. Quantifying the role of solar radiative forcing over the 20th century, Adv. Space Res., 50, 762-2776 (2012).
27. Shavif, N.J. Using the oceans as a calorimeter to quantify the solar radiative forcing, J. Geophys. Res. Solid Earth, 113 (2008).
28. Coddington, O., Lean, J.L., Pilewskie, P., Snow, M. & Lindholm, D. A solar irradiance climate data record, Bull. Amer. Meteor., 1265-1282 (2016).
29. The Wilcox Solar Observatory: Solar Polar Field Strength [.gif] (2020).
30. Feynmann, J. & Ruzmaikin, A. The Centennial Gleissberg Cycle and its association with extended minima, J. Geophys. Res. Space Physics,, 6027-6041 (2014).