Weltenwetter

Globale Abkühlung durch weniger Wasserdampf?

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Seit einigen Jahren stagnieren die globalen Durchschnittstemperaturen oder gehen sogar leicht zurück trotz steigender industrieller Treibhausgasemissionen, darunter vor allem CO2. Immer häufiger ist von einer Pause bei der globalen Erwärmung die Rede. Die Klimaskeptiker sehen in der derzeitigen Abkühlung bei gleichzeitig zunehmendem CO2-Gehalt der Atmosphäre den Beweis für ihre Behauptung, daß die Sonne der alles entscheidende Motor für den Klimawandel ist. Den Einfluss der Treibhausgase auf das Klima halten sie dagegen für relativ unbedeutend.

Globale Durchschnittstemperatur und CO2. Trotz weiter ansteigendem CO2 sinken die globalen Temperaturen in den letzten Jahren anscheinend wieder etwas. Quelle: http://www.climate4you.com/

Tatsächlich ist die Sonnenaktivität seit 2003 deutlich zurückgegangen und verharrt seitdem auf einem ungewöhnlich niedrigem Niveau. Im letzten Jahr erschienen über Monate hinweg praktisch überhaupt keine Sonnenflecken mehr. Auch danach haben sich bis heute nur einige wenige gebildet. Hinter vorgehaltener Hand wird bereits über ein neues Maunder-Minimum spekuliert. Diese Periode stark verringerter Sonnenfleckenaktivität in den Jahren zwischen 1645 und 1715 war für die bis zum Ende des 18.Jahrhunderts währende „Kleine Eiszeit“ verantwortlich in der sich ausgesprochen kalte Winter und kühle Sommer einander abwechselten. Immer wieder gab es Mißernten und Hungersnöte. Das Maunder Sonnenflecken-Minimum ist nach dem englischen Astronom Edward Walter Maunder benannt, dem als Erster im Nachhinein die geringe Anzahl der Sonnenflecken in jenem Zeitraum auffiel.

Die dem  IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change,Weltklimarat) nahestehenden Klimaforscher bestreiten zumeist , daß es derzeit  überhaupt eine Abkühlung gibt  und sprechen von Zufallsschwankungen bei einem nach wie vor nach oben weisenden Trend bei den globalen Durchschnittstemperaturen. Stellvertretend für diese Ansicht sei Prof. Stefan Rahmsdorf  genannt, Ozeanograph am Potsdamer Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und einer der Leitautoren des letzten, 2007 veröffentlichten Sachstandsberichtes des Weltklimarates (IPCC). Es gibt aber auch Klimaforscher, die eine vorübergehende Abkühlung anerkennen. Dazu zählt Prof. Mojib Latif, Meteorologe und Ozeanograph am Institut für Meereskunde in Kiel (IFM Geomar). Latif geht von einer vorübergehenden Abschwächung der Abschwächung der “Meridional Overturning Circulation” (MOC)im Nordatlantik aus (vgl. http://www.nature.com/). Meridional Overturning Circulation steht für meridionale Umwälzbewegung des Meerwassers (entlang der Längengrade in Nord-Süd-Richtung, also meridional) erfolgt. Die MOC im Nordatlantik entspricht weitestgehend dem Golf- bzw. Nordatlantikstrom und wird durch Winde, aber auch durch Unterschiede in der Temperatur- und Salzkonzentration (und damit auch in der Dichte des Wassers) zwischen den nördlichen und südlichen Regionen des Nordatlantik (thermohaline Zirkulation; von griechisch thermos für Wärme und halas für Salz)angetrieben. Die von der MOC erwärmte milde und feuchte Meeresluft gelangt mit den in mittleren Breiten vorherrschenden Westwinden und den sich in der Luftströmung ab einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit bildenden Tiefdruckwirbeln nach Europa und sorgt dort vor allem im Winter für deutlich höhere Temperaturen als sie sich normalerweise aus der geographischen Lage ergeben würden. Bei einer Abschwächung der MOC wird es dann natürlich dementsprechend kälter.

Eine Gruppe von Klimaforschern  der  US-amerikanischen National Atmospheric and Oceanic Administration (NOAA) unter der Leitung der renomierten Atmosphärenchemikerin Susan Salomon ist nun auf eine weitere mögliche Ursache für die derzeitige Abkühlung gestossen. Die Wissenschaftler fanden bei der Auswertung von Datenmatrial aus Messungen durch Satelliten und Wetterballons heraus, daß der Wasserdampfgehalt der Stratosphäre seit dem Jahre 2000 um immerhin 10% abgenommen hat.

Dr. Susan Salomon, Klimaforscherin am Earth System Research Laboratory (http://www.esrl.noaa.gov/ ). Quelle: NOAA

Wasserdampf ist ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als CO2 und für einen Großteil des natürlichen Treibhauseffektes der Erde verantwortlich. Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre in welcher sich das Wetter hauptsächlich abspielt. Die Stratosphäre enthält erhebliche Mengen Ozon, das die für das Leben auf der Erde gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung (UV) absorbiert. Dadurch erwärmt sich die Stratosphäre deutlich gegenüber der oberen Troposphäre, so daß es an der Grenze zwischen den beiden Atmosphärenschichten (Tropopause) zu einer Temperaturinversion kommt.

Die Stratosphäre ist im Gegensatz zur Tropsphäre sehr trocken, da die Temperaturinversion eine Wolkenbildung bis in die Stratosphäre unterbindet. Wolken bilden ja nur, wenn erwärmte, feuchte Luft aufsteigt und abkühlt. Bei Erreichen des Kondensationsniveaus entstehen an Kondensationskeimen (Minerale, Staub- und Rußteilchen, Sulfataerosole) winzige Wassertröpfchen, die zusammen die Wolke bilden. Die dabei freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme)gibt der aufsteigenden Luft zusätzlichen Auftrieb und verstärkt wiederum die Wolkenbildung. In größeren Höhen besteht die Wolke nicht mehr aus Wassertröpfchen sondern aus Eiskristallen (Cirren). Trifft die aufsteigende Luft auf eine Temperaturinversion, so wirkt diese als Sperrschicht, da der Temperaturunterschied zwischen aufsteigender Luft und Umgebungsluft verschwindet oder sich sogar umkehrt. Nur die allerstärksten Quellwolken, wie sie sich vor allem in der Innertropischen Konvergenzone  (ITCZ) oder in tropischen Wirbelstürmen  bilden (manchmal aber auch in außertropischen Tiefdruckwirbeln) können, sind mitunter in der Lage mit ihrer eisigen Oberseite (Cloud-Top) die Tropopause zu durchbrechen (Overshooting Cloud-Tops) und die Stratosphäre ein wenig anzufeuchten. 

Je mehr Wasserdampf in die Stratosphäre gelangt, umso stärker der Treibhauseffekt, desto mehr erwärmt sich also die darunter liegende Troposphäre und umgekehrt.

Der gemessene Rückgang des Wasserdampfs in der Stratosphäre seit dem Jahre 2000 wirkt demzufolge tendenziell abkühlend auf die Troposphäre und hat nach den Berechnungen der Wissenschaftler die globale Erwärmung um etwa 1/4 gebremst. In den 1980er und 1990er Jahren hatte der Wasserdampfgehalt der Stratosphäre dagegen deutlich zugenommen und die globale Erwärmung erheblich (um bis zu 30%) beschleunigt.

Die Ursache für den Anstieg und anschließenden Rückgang des Wasserdampfs in der Stratosphäre sei noch nicht bekannt, so die Wissenschaftler. Vermutet wird aber ein verringerter Wasserdampfeintrag im Zusammenhang mit der tropischen Hadley- und Brewer-Dobson-Zirkulation. Das könnte in etwas so funktionieren: Eine verstärkte Sonneneinstrahlung führt beispielsweise zu einer erhöhten Wasserverdunstung, vor allem in den wolkenarmen Subtropen.Die zusätzlich angefeuchtete Luft gelangt mit den Passatwinden in die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) und sorgt dort über eine vermehrte Zufuhr latenter Wärme für eine verstärkte tropische Konvektion und Wolkenbildung. Die gesamte Hadley-Zirkulation wird angekurbelt und damit auch die Passatwinde und die Absinkbewegung der Luftmassen in den Subtropen. Dadurch entstehen noch weniger Wolken in den Subtropen usw. usf.. Eine schöne positive Rückkopplung also! Infolge der verstärkten Konvektion über den Tropen gelangt automatisch auch mehr Wasserdampf in die Stratosphäre. Bei einer abgeschwächten Sonneneinstrahlung läuft alles genau umgekehrt.

Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) kommt es im Rahmen der Hadley-Zirkulation, begünstigt durch die hohe Luftfeuchtigkeit in den Tropen, zu einer verstärkten Wolkenbildung. Die aus Eiskristallen bestehenden Cloud-Tops (Cirrenschirme) der stärksten Quellwolken können zuweilen in die Stratosphäre durchbrechen Overshooting Cloud-Tops). Die Eiskristalle verdampfen und befeuchten die Stratosphäre. Die Cirrenschirme reflektieren das Sonnenlicht und wirken dadurch tagsüber abkühlend. Andererseits lässt die starke Bewölkung über der ITCZ (zusammen mit dem Wasserdampf) auch nur relativ wenig Infrarotstrahlung des von der Sonne erwärmten Erdboden in den Weltraum entweichen, so daß in der Nacht die Temperaturen kaum absinken. Die Hadley-Zirkulation treibt ihrerseits die Brewer-Dobson-Zirkulation an, welche den stratosphärischen Wasserdampf (und das Ozon!) von den Tropen in höhere Breiten transportiert. Wasserdampf ist ein starkes Treibhausgas und erwärmt mit seiner infraroten Gegenstrahlung die Troposphäre. Quelle: NOAA

Denkbar erscheint eine natürliche Variabilität im Wassergehalt der Stratosphäre, aber vielleicht auch ein negativer Feedback-Mechanismus:

Eine natürliche Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Stratosphäre könnte meines Erachtens direkt auf der schwankenden Sonnenaktivität  beruhen. Eine geringere Sonneneinstrahlung geht mit einer verminderten Wasserverdunstung und weil dadurch weniger latente Wärme zur Verfügung steht, auch mit einer schwächeren Hadley-Zirkulation einher. Die Wasserdampfzufuhr in die Stratosphäre nimmt ab und damit auch der erwärmende Treibhauseffekt. Bei einer stärkeren Sonneneinstrahlung verhält es sich natürlich genau umgekehrt. Tatsächlich war die  Sonnenaktivität in den 1980ern und 1990ern auf einem recht hohen Niveau und ging danach erst allmählich, seit 2003 aber sehr deutlich zurück. Die Sonne könnte also auch über den Wasserdampf in der Stratosphäre das Klima erheblich beeinflussen, eine natürliche Variabilität, die den anhaltenden treibhausgasbedingten Aufwärtstrend der globalen Durchschnittstemperaturen nicht aufhebt, sondern lediglich überlagert.

Denkbar erscheint aber auch ein negativer Feedback-Mechanismus. Die globale Erwärmung durch die andauernden Treibhausgasemissionen ging mit einer allgemein erhöhten Verdunstungsrate einher. Der zusätzliche Wasserdampf in der Troposphäre, so berechnen es die Klimamodelle und so wurde es auch durch Messungen bestätigt (http://www.sciencedaily.com/releases/2005/11/051109091359.htm), verstärkt den relativ geringen Treibhauseffekt durch das zusätzliche CO2 ganz erheblich (Wasserdampfverstärkung).

Richard Lindzen, Professor der Meteorologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) verweist nun aber zu Recht auf die Tatsache, daß die Luftfeuchtigkeit in der Troposphäre genau dort am höchsten ist, wo sich auch die meisten Wolken bilden. Wolken sind also die Hauptquellen der Luftfeuchtigkeit. Das hat nach Lindzen einschneidende Konsequenzen, denn Regentropfen in einer aufquellenden Wolke wachsen umso schneller, je mehr Luftfeuchtigkeit zur Verfügung steht. Überschreiten die Tropfen jedoch ein kritisches Gewicht, so können sie nicht mehr von den konvektiven Aufwinden innerhalb der Quellwolke in grössere Höhen getragen werden, um zu Eiskristallen zu gefrieren und als Material für die hohen Cirrenschirme zu dienen.

Riesige Quellwolke (Cumulonimbus) über Afrika mit Cirrenschirm und Overshooting-Cloudtop. Quelle: ISS, NASA

Weniger Cirruswolken wirken aber abkühlend, da sie im Gegensatz zu tiefen Wolken einen geringeren Anteil des Sonnenlichtes reflektieren, aber die Infrarotabstrahlung des Erdbodens sehr effektiv abblocken, somit insgesamt also eine erwärmende Wirkung haben. Diesen Effekt konnte Lindzen anhand von Satellitenbildern der Tropen tatsächlich nachweisen. Nahmen die Wassertemperaturen und damit auch die Luftfeuchtigkeit etwa infolge verstärkter Sonneneinstrahlung zu, so nahm der Anteil der hohen Eiswolken (Cirrenschirme) im Verhältnis zu den sie hervorbringenden tieferen Wolken ab. Dadurch gingen die hohen Wassertemperaturen wieder zurück. Lindzen verglich den Effekt mit dem Verhalten einer Irisblende, die sich bei zunehmendem Lichteinfall immer weiter schliesst und so eine Überbelichtung verhindert (Iris-Effekt).

Der Iris-Effekt nach Lindzen hat aber womöglich auch Auswirkungen auf den Treibhauseffekt der Stratosphäre, denn eine verminderte Bildung von Cirrenschirmen bei den hohen Quellwolken der Tropen läuft auf einen verringerten Wasserdampfeintrag in die Stratosphäre hinaus (s.o.).

Das wäre dann aber ein zusätzlicher, sehr effektiver negativer Feedback-Mechanismus, der die globale Erwärmung bis zu einem gewissen Grade abmildern könnte.

Jens Christian Heuer

Quellen: http://www.noaanews.noaa.gov/, http://physicsworld.com/cws/article/news/

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Written by jenschristianheuer

Februar 4, 2010 um 10:25 pm

Veröffentlicht in Klimaforschung

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