Abkühlung durch tiefere Wolken?

Seit dem Jahre 2000 umrundet der US-Satellit Terra die Erde. Eine seiner Aufgaben ist die Erforschung der Wolken mit dem MISR-Instrument (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer). Das MISR besteht aus 9 Kameras, welche die Wolken der Erde aus verschiedenen Blickwinkeln aufnehmen, so daß  räumliche, dreidimensionale Bilder aufgenommen werden können. Damit lassen sich Höhe, Gestalt und Bewegungsrichtung der Wolken bestimmen.

Wolken über dem südlichen Indischen Ozean. Zu erkennen sind Quellwolken (Cumulus) und wie Schleier erscheinende Eiswolken (Cirren). Quelle: Terra, NASA JPL-Caltech

Eine Auswertung von Wolkenfotos der Jahre 2000-2010 durch neuseeländische Klimaforscher an der University of Auckland förderte Überraschendes zu Tage. Die Wolkenhöhe hat in diesen 10 Jahren weltweit um durchschnittlich 1% abgenommen! Das lag vor allem an einen Rückgang der sehr hohen Eiswolken (Cirren), stellten die Wissenschaftler fest:

“Global average cloud height declined by around one percent over the decade, or by around 100 to 130 feet (30 to 40 meters). Most of the reduction was due to fewer clouds occurring at very high altitudes.”

Rückgang der hohen Eiswolken – da fällt mir spontan der US-amerikanische Atmosphärenphysiker Prof. Richard Linzen und der von ihm entdeckte Iris-Effekt ein!

Richard Lindzen Quelle: http://www.flickr.com/photos/jaredleeds/

Dieser Effekt konmmt durch eine Veränderung der Wolken zustande und soll nach Lindzen der globalen Erwärmung durch Kohlendioxid (CO2) und andere vom Menschen in die Atmosphäre entlassene  Treibhausgase entgegenwirken:

Infolge der globalen Erwärmung steigen auch die Wassertemperaturen. Mehr´und mehr Wasser verdunstet und erhöht die Luftfeuchtigkeit. Da Wasserdampf ein noch stärkeres Treibhausgas ist als CO2, beschleunigt sich die globale Erwärmung durch positive Rückkopplung ganz erheblich (Wasserdampfverstärkung).

Aber eine höhere Luftfeuchtigkeit, so Lindzen, erleichtert auch die Bildung von Regentropfen in den Konvektionszellen der Quellwolken, denn Regentropfen wachsen natürlich umso schneller, je mehr Luftfeuchtigkeit für die Kondensation zur Verfügung steht. Es entstehen im Verhältnis immer mehr große Regentropfen und immer mehr von ihnen werden zu schwer, um noch von den Aufwinden innerhalb der Konvektionszone der Quellwolken in größere Höhen getragen zu werden, wo sie gefrieren und die hohen Eiswolken (Cirren) bilden können.

Je wärmer es wird, je höher also die Wassertemperaturen, umso weniger hohe Eiswolken (Cirren) bilden sich. Es überwiegen immer mehr die niedrigeren, hauptsächlich aus Wassertröpfchen bestehenden Quellwolken!

Da Quellwolken abkühlend, Cirren aber erwärmend wirken, ist das gleichbedeutend mit einer negativen Rückkopplung, welche der Erwärmung durch die positive Rückkopplung der Wasserdampfverstärkung entgegenwirkt.

Wirkung der Wolken: Bei den verschiedenen Wolkenarten überwiegt entweder die abkühlende oder die erwärmende Wirkung: Wolken die aus Wassertröpfchen bestehen, wie zum Beispiel die Quellwolken, sind an ihrer Oberseite hell und reflektieren die Sonnenstrahlen fast vollständig, was abkühlend wirkt. Andererseits absorbieren sie aber auch die Infrarotabstrahlung vom Erdboden. Die Wolken strahlen die aufgenommene Wärmeenergie im Infraroten teilweise wieder zurück in Richtung Erdoberfläche (Gegenstrahlung), teilweise wird sie aber auch von der Wolkenoberseite in Richtung Weltraum abgestrahlt. Gegenstrahlung und Weltraumstrahlung halten sich in etwa die Waage, da die Wolkenoberseite in niedrigeren Höhen noch relativ warm ist. Insgesamt ergibt sich bei den Wolken aus Wassertröpfchen eine abkühlende Wirkung. Die hohen Eiswolken (Cirren, Cirrenschirme hochreichender Quellwolken) sind wie ein Schleier und lassen das meiste Sonnenlicht hindurch. Dafür absorbieren sie aber sehr effektiv die Infrarotabstrahlung vom Erdboden. Wieder entsteht eine infrarote Gegenstrahlung Richtung Erdboden und eine Infrarotabstrahlung in Richtung Weltraum. Letztere ist aber deutlich geringer als bei den Wolken aus Wassertröpfchen, da die Wolkenoberseite der Eiswolken wegen der großen Höhen sehr kalt ist. Insgesamt gesehen wirken die Eiswolken daher erwärmend. Ohne Wolken erreicht das meiste Sonnenlicht die Erdoberfläche und wird absorbiert. Umgekehrt gelangt die Infrarotabstrahlung aber auch nahezu ungehindert den Weltraum. Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/

Lindzen zog den Vergleich mit einer Irisblende bei einer Kamera, die sich bei zunehmendem Lichteinfall immer weiter schliesst und so eine Überbelichtung verhindert. Deshalb nannte er den von ihm entdeckten Mechanismus Iris-Effekt.

Erstaunlicherweise wird Lindzen in dem Bericht des JPL überhaupt nicht erwähnt. Es heißt, man könne sich den Effekt nicht so recht erklären. Dabei ist der Rückgang der Cirren doch genau das, was den Iris-Effekt von Lindzen ausmacht!!

Die neuseeländischen Wissenschaftler sehen aber ebenso wie Lindzen eine abkühlende Wirkung durch die tieferen Wolken. Die Begründung lautet, daß tiefe Wolken wärmer sind als hohe Wolken und daher mehr Infrarotstrahlung in Richtung Weltraum abgeben.

Der abkühlende Effekt durch die veränderte Wolkenhöhe und -zusammensetzung könnte die globale Erwärmung geringer ausfallen lassen als bisher angenommen! In welchem Ausmaß das möglich ist, bleibt vorerst noch offen.

Jens Christian Heuer

Quellen: NASA Jet Propulsion Laboratory, Richard Lindzen: Does the Earth have an Adaptive Infrared Iris?

Mittelalterliche Kleine Eiszeit durch Vulkanausbrüche ausgelöst?

Die kleine Eiszeit im Mittelalter war wahrscheinlich die Folge von 4 gewaltigen Vulkanausbrüchen in den Tropen, die sich zwischen 1275 und 1300 kurz hintereinander. Mit der Vulkanasche gelangten damals auch große Mengen an Sulfataerosolen bis in die Stratosphäre und sorgten durch Abschirmung des Sonnenlichts für eine drastische Abkühlung. Das arktische Meereis dehnte sich infolgedessen bis in die mittleren Breiten aus und verstärkte die Abkühlung durch Reflektion des Sonnenlichts (Eis-Albedo-Effekt). Doch das war noch nicht alles. Eisschollen lösten sich in großer Zahl, trieben nach Süden, schmolzen und reicherten so den südlichen Nordatlantik mit Süßwasser an. Das hatte einschneidende Folgen für Meeresströmungen im Nordatlantik, die  “Meridional Overturning Circulation”  (MOC), so genannt weil die Umwälzbewegung des Meerwassers meridional (entlang der Längengrade in Nord-Süd-Richtung) erfolgt.

Die MOC wird durch Winde angetrieben, aber auch durch Unterschiede in der Temperatur und der Salzkonzentration (und damit auch in der Dichte des Wassers) zwischen den nördlichen und südlichen Regionen des Nordatlantik. Deshalb spricht man auch von einer thermohalinen Zirkulation (von griechisch thermos für Wärme und halas für Salz).  Die MOC wirkt als Warmwasserheizung, denn das vom Äquator nach Norden strömende Meerwasser gibt seine Wärme durch Verdunstung (latente Wärme) an die Luft darüber ab. Dabei nimmt die Dichte des immer kühleren und salzhaltigeren Wassers stetig zu. Hoch im Norden beginnt das Wasser schließlich abzusinken, es bilden sich abwärts gerichtete Wirbel. Im Winter wird die Entstehung dieser Absinkzonen noch durch die Neubildung von Meereis begünstigt. Das Eis kühlt neu heranströmendes Wasser weiter ab und erhöht zusätzlich auch dessen Salzgehalt, denn das neugebildete Meereis kann nur wenig Salz aufnehmen und presst beim Gefrieren überschüssiges Salz ab. Absinkzonen gibt es zum Beispiel südlich von Grönland und bei Island. Das absinkende kalte und salzhaltige Tiefenwasser wirkt wie eine Saugpumpe und treibt so die Meeresströmung an. Das Tiefenwasser bewegt sich dann wieder in Richtung Äquator und gelangt dort bei Durchmischungsvorgängen nach und nach wieder an die Oberfläche.

Durch den Süßwassereintrag im südlichen Nordatlantik wurde nun das Oberflächenwasser deutlich leichter und durchmischte sich nicht mehr so gut mit dem von Norden kommenden kalten Tiefenwasser. Der thermohaline Antrieb erlahmte dadurch, und die MOC wurde spürbar schwächer.  Die Warmwasserheizung im Nordatlantik funktionierte nicht mehr richtig, und so verstetigte sich die anfangs durch die 4 Vulkanausbrüche ausgelöste Abkühlung über eine lange Zeit.

Dieses Szenario entwirft eine Grupppe von US-Klimaforschern unter Leitung von Gifford Miller an der University of Colorado Boulder und am National Center for Atmospheric Research (NCAR). Die Wissenschaftler sammelten Pflanzenproben auf Baffin Island in der kanadischen Arktis und werteten    Sedimente und Eisbohrkerne aus. So waren zum Beispiel die Vulkanausbrüche und anschließenden Abkühlungsphasen anhand zahlreicher erfrorener und dann vom Eis eingeschlossener Pflanzen aus dieser Zeit gut nachweisbar.  In Klimasimulationen konnte dann das auf den Untersuchungen beruhende Abkühlungsszenario erfolgreich durchgespielt werden.

Der Klimaforscher Gifford Miller sammelt Pflanzenproben im Eis auf Baffin Island. Die Insel liegt in der kanadischen Arktis westlich von Grönland. Quelle: NCAR UCAR/ Atmos News

Bisher hatten die meisten Klimaforscher die Kleine Eiszeit zumeist auf eine länger anhaltende, ungewöhnlich geringe Sonnenaktivität zurückgeführt. Diese gab es zwar tatsächlich, aber sie war, so wie es jetzt aussieht, wohl nicht der wirklich entscheidende Faktor.

Jens Christian Heuer

 

Link: http://bit.ly/y0NvhQ

Der Eisfinger

 

Einem Kamerateam des BBC ist es gelungen, ein höchst erstaunliches Phänomen bei der Bildung von Meereis erstmals zu dokumentieren, ein nach unten wachsender Eisfinger, der in dem Moment, wo er den Meeresboden berührt zu einer tödlichen Bedrohung für alles umgebende Unterwasserleben wird. Die Zeitrafferaufnahmen wurden im Wasser unter einer sich bildenden Eisdecke im Ross-Archipel der Antarktis gemacht. Wenn salziges Meerwasser gefriert, bildet es eine Art Schwammstruktur aus Eis.  

 

Unter dem Meereis wächst ein Eisfinger. Quelle: BBC 

 

Diese enthält kleine Kanälchen mit einer hochgesättigten Salzlösung (Sole). Die eiskalte Sole tritt aus unzähligen Öffnungen an der Unterseite des neugebildeten Meereises aus und bewirkt ein beinahe schlagartiges Gefrieren des umgebenden Meerwassers. Da die Sole wegen des vielen gelösten Salzes schwerer ist als das Meerwasser sinkt sie nach unten. Um sie herum bildet sich ein nach unten wachsendes Netzwerk aus Eis, der Eisfinger, eine Art Eiszapfen, der schließlich den Meeresboden erreicht und  sofort gefrieren lässt und damit alles Unterwasserleben tötet.

 

Jens Christian Heuer

Entstehen Tiefdruckwirbel auch im Subtropenjetstream?

Am 10. Dezember 2011 entwickelte sich ein ungewöhnlicher Tiefdruckwirbel über dem Atlantik in der östlichen Karibik. Auf dem Satellitenbild scheint er irgendwie – zumindest optisch – mit dem Subtropenjetstream verbunden, der als auffälliges Wolkenband quer über den Arlantik und Nordafrika bis zur Iberischen Halbinsel  erscheint.

Die Höhenströmung des Subtropenjetstreams schraubt sich in Bewegungsrichtung von West nach Ost. Dabei werden die Luftmassen auf der wärmeren Südseite gehoben, wodurch sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit Wolken bilden, um dann auf der kühleren Nordseite wieder abzusinken. Der Subtropenjetstream wird vor allem durch latente Wärme aus der tropischen Hadley-Zirkulation angetrieben. Der Temperaturkontrast zwischen warmen und kalten Luftmassen spielt – anders als bei dem Polarfrontjetstream der mittleren Breiten – nur eine untergeordnete Rolle. Auch die Bildung von Tiefdrucksystemen wird in der meteorologischen Literatur im Zusammenhang mit dem Subtropenjetstream nirgendwo beschrieben, jedenfalls soweit ich weiß.

Satellitenbild vom 10. Dezember 2011 06:00 UTC ((RGB-Airmass; grün = tropische Warmluft, blau = polare Kaltluft, weiß = hohe Wolken, ockergelb = mittelhohe Wolken, rot = absinkende Luftmassen in der Stratosphäre zeigen Tiefdruckgebiete. Diese “saugen” die Luft nicht nur von unten an, sondern auch von oben. Dadurch bildet sich eine Tropopausenfalte und die darüber befindliche stratosphärische Luft beginnt abzusinken): Die Frontalzone liegt relativ weit im Norden. Mit der starken westlichen Höhenströmung des Polarfrontjetstreams gelangen immer wieder Tiefdruckwirbel und milde Meeresluft nach Europa. Im Nordwesten der Iberischen Halbinselund sieht man einen Kaltlufttropfen ( Cut-Off-Tief mit Polarluft), der sich von der Frontalzone abgeschnürt hat. Der Tiefdruckwirbel ganz weit im Westen, schon nahe der Karibik, erscheint mit dem Subtropenjetstream verbunden, der als langestrecktes Wolkenband quer über den Atlantik und Nordafrika bis zur Iberischen Halbinsel erkennbar ist. Quelle: EUMETSAT

Und doch sieht es auf dem Satellitenbild so aus, als ob genau das passiert ist. Könnte es also sein, daß der optische Eindruck nicht täuscht und das Tiefdrucksystem tatsächlich aus dem Subtropenjetstream hervorgegangen ist? Vielleicht indem eine der Rossby-Wellen des Subtropenjetstreams bricht und daraus der Tiefdruckwirbel entsteht!?

Wetterlage am 10. Dezember 2011 06:00 UTC. Auf der Satellitenaufnahme ist die Höhenströmung der Jetstreams durch Windpfeile eingezeichnet. Die Farben der Pfeile zeigen die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten an. Über dem Osten der Karibik hat sich innerhalb des von West nach Oste strömenden Subtropenjetstreams in einem kleinen Bereich eine gegenläufige Strömung ientgegen dem Uhrzeigersinn ausgebildet, ein Tiefdruckwirbel, der vielleicht durch das Brechen einer Rossby-Welle entstanden ist. Innerhalb eines Jetstreams bilden sich immer wieder Rossby-Wellen und pflanzen sich in Strömungsrichtung fort. Quelle: Naval Research Laboratory 

Dieser Tiefdruckwirbel ist an den Luftdruckverhältnissen in Meeresspiegelhöhe nicht zu erkennen, denn die Isobaren zeigen lediglich ein ausgedehntes Hochdruckgebiet an. Bei den Isohypsen der 500hPa – Fläche gibt es dagegen eine kleine Auffälligkeit im Bereich des Tiefs.

Wetterlage am 10. Dezember 2011 06:00 UTC. Links: Die auf dem Satellitenbild eingezeichneten hellblauen Isobaren zeigen den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe (Bodenluftdruck). Die Isobaren verbinden Orte gleichen Luftdrucks miteinander. Rechts: Die auf dem Satellitenbild hellblau eingezeichneten 500 hPa-Isohypsen zeigen indirekt den Verlauf der Höhenluftströmung in ca. 5,5 – 6 km Höhe.  und die Höhenströmng. Die 500 hPa- Isohypsen beschreiben eine Fläche, entsprechend der Höhe über dem Boden, in welcher der Luftdruck auf 500 hPa gefallen ist (Höhenangaben in Dekametern). In warmer Luft, die sich in der Vertikalen mehr ausdehnt als kalte Luft nimmt der Luftdruck mit  der Höhe entsprechend weniger ab, so daß die 500 hPa-Fläche also erst in größerer Höhe erreicht wird. Die Isohypsen verbinden Orte miteinander, die jeweils in derselben Höhe liegen. Liegen die Isohypsen eng beieinander, dann besteht ein starkes Temperatur- und Druckgefälle zwischen den Luftmassen. Da dieses Temperatur- und Druckgefälle die Höhenströmung antreibt, zeigen die Isohypsen auch den Verlauf und die Stärke dieser Strömung. Quelle: Naval Research Laboratory 

Ein ähnlicher Entstehungsmechanismus wie hier für den Tiefdruckwirbel des Subtropenjetstreams vorgeschlagen, wird auch für die Hoch- und Tiefdrucksysteme der Gasriesen angenommen. In unserem Sonnensystem sind das die Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. In den mächtigen Atmosphären dieser Planeten gibt es Jetstreams, die wie der Subtropenjetstream der Erde hauptsächlich  durch latente Wärme angetrieben werden. Innerhalb der Jetstreams bilden sich Rossby-Wellen. Wenn diese brechen, dann entstehen gewaltige Hoch- und Tiefdruckwirbel, welche wesentlich länger überdauern als die der Erde,  da es auf den Gasriesen keine feste Planetenoberfläche gibt und daher die Bodenreibung fehlt. Die innere Reibung lässt die Wirbel schließlich zerfallen, doch das dauert.

Gasriesen verfügen über eine starke innere Wärmequelle, welche die ganze Planetenatmosphäre von unten her aufheizt. Die Energie dazu liefert der Kelvin-Helmholtz-Effekt: Wenn ein vorwiegend aus Gasen bestehender Planet durch die Abgabe von Wärme in den Weltraum langsam abkühlt, dann sinkt der innere Druck und durch die nun überwiegende Schwerkraft zieht sich der ganze Planet nach und nach zusammen. Diese Kompression erzeugt die innere Wärme. Dadurch entwickelt sich, trotz der Sonnenferne in der Planetenatmosphäre eine starke Konvektion. So wie auf der Erde enstehen daher in einem sich durch die Freisetzung latenter Wärme selbstverstärkenden Prozeß hochreichende Quellwolken. Immer wieder gibt es Gewitter, Hagel, Schnee und Regen. Wolken und Niederschläge bestehen aber nicht nur aus Wasser, sondern in höheren Atmosphärenschichten auch aus Amminiak und Methan.

Jens Christian Heuer

Ein Erdähnlicher Exoplanet in der habitablen Zone!

Das US-Weltraumteleskop Kepler, das nach Exoplaneten, also nach Planeten  außerhalb unseres Sonnensystems sucht, hat den ersten erdähnlichen  Exoplaneten innerhalb der habitablen Zone gefunden!  Der neu entdeckte Exoplanet mit der Bezeichnung Kepler 22b wurde schon erstmals im Jahre 2009, kurz nach Inbetriebnahme des Weltraumteleskops entdeckt und seitdem durch wiederholte Messungen bestätigt. Er  ist in etwa doppelt so groß wie die Erde und umkreist einen 600 Lichtjahre entfernten sonnenähnlichen Stern einmal in 290 Tagen. Der Exoplanet ist seinem Stern damit etwas näher als die Erde der Sonne, denn die braucht für einen Umlauf  ja bekanntlich 365 Tage, doch dafür leuchtet der Stern des neuentdeckten Planeten ein wenig schwächer. Deshalb bewegt sich der neu entdeckte Planet wie die Erde mitten in der habitable Zone, welche die Abstände eines Planeten zu seinem Stern umfasst, bei denen gemäßigte Oberflächentemperaturen wahrscheinlich sind, so daß es flüssiges Wasser und damit auch Leben geben kann. 

Das Bahn des Exoplaneten Kepler 22b im Vergleich zu dem inneren Bereich unseres Sonnensystems. Quelle: Kepler, NASA

Das Weltraumteleskop Kepler sucht in einem genau definierten Himmelsareal mit etwa 100.000 Sternen im Sternbild Schwan nach Planetentransits, welche sich durch eine minimale Helligkeitsabnahme des betreffenden Sterns bemerkbar machen. Bei einem Planetentransit schiebt sich der Planet auf seiner Umlaufbahn zwischenzeitlich vor die Sternscheibe und dunkelt sie dadurch ein wenig ab. Aus dem Grad der Helligkeitsabnahme läßt sich die Größe des Exoplaneten herleiten. Der Zeitraum zwischen zwei Vorübergängen ergibt die Umlaufzeit und damit gleichzeitig auch den Abstand des Planeten von seinem Stern. Kennt man außerdem noch dessen Leuchtkraft, so sind sogar begründete Vermutungen über die Oberflächentemperatur des Exoplaneten möglich. Ein Planetentransit lässt sich nur beobachten, wenn die Bahnebene des Exoplaneten nicht allzusehr gegen die Sichtlinie von der Erde zu dem fremden Stern geneigt ist.

Das Kepler-Team gab weiterhin die Entdeckung von 1094 neuen Exoplaneten-Kandidaten bekannt. Damit sind es jetzt insgesamt 2326! Kandidaten müssen noch durch weitere Messungen bestätigt werden.

Exoplaneten-Kandidaten des Weltraumteleskops Kepler (Stand Dezember 2011). Quelle: NASA

Unter ihnen sind 203 jupiterähnlich und sogar 55 noch größer, 1181 entsprechen in etwa dem Neptun, 680 sind Supererden mit mehrfacher Erdmasse und 207 sind so groß wie die Erde oder kleiner. Davon bewegen sich immerhin 10 innerhhalb der habitablen Zone um ihren Stern!

Jens Christian Heuer

Quelle: NASA

Eine Unabhängige Studie bestätigt die Globale Erwärmung

Das Berkeley Earth Team, eine Gruppe Wissenschaftler, die sich zum Ziel gesetzt hat, die Ergebnisse der offiziellen Klimaforschung unabhängig zu überprüfen, kam in einer neuen Studie zum Ergebnis, daß es tatsächlich einen weltweiten Trend zu immer höheren Temperaturen gibt.

Die Studie befasste sich nur mit den Temperaturen an Land und berücksichtigte nicht die Wassertemperaturen der Ozeane. Wegen der hohen  Wärmekapazität des Wassers erwärmen sich die Ozeane deutlich langsamer als die Landflächen.

1/3 der überprüften Meßstationen zeigten zwar in den letzten 70 Jahren sinkende Temperaturen, jedoch bei 2/ 3 zeigten sich ansteigende Werte. Insgesamt kommt dabei eine ähnliche globale Erwärmung heraus, wie in den Berichten des IPCC (Weltlimarat) angegeben.

Die Kurven der Globalen Durchschnittstemperatur des Berkely Earth Teams und der für das IPCC arbeitenden Institute im Vergleich. Nur Meßstationen an Land fanden Eingang in die Vergleichsstudie. Quelle: Berkely Earth Surface Temperature

Der von Klimaskeptikern immer wieder ins Feld geführte Wärmeinseleffekt, der angeblich eine globale Erwärmung nur vortäuschen soll, ist in Wirklichkeit für den globalen Trend unbedeutend, denn städtische Ansiedlungen machen nur 1% der gesamten Landoberfläche aus.

Fazit der Studie: Der Klimawandel hin zu immer höheren Temperaturen ist eine Realität!

Jens Christian Heuer

Link: http://berkeleyearth.org/

Ist die Eisschmelze am Nordpol nicht mehr aufzuhalten?

Auch im Jahre 2011 erreichte die Eisschmelze am Nordpol wieder Rekordwerte. Im September, am Ende der Tauwetterperiode  wurde nach 2007 die zweit-geringste Ausdehnung des arktischen Meereises gemessen. Über die letzten 5 Jahre gab es die niedrigsten Eisbedeckungen im Nordpolargebiet seit Beginn der Satellitenmessungen im Jahre 1979.

Die Ausdehnung des Meereises in der Nordpolregion (Arktis) von 1979-2011 nach Satellitenmessungen. Der Trend weist eindeutig nach unten. Quelle: NSIDC

Verantwortlich dafür ist vor allem die Eis-Albedo-Rückkopplung. Beim Abschmelzen des Meereises der Arktis kommt die darunter liegende, wesentlich dunklere Wasseroberfläche mit einem deutlich geringeren Reflektionsvermögen (Albedo) zum Vorschein. Ein größerer Anteil der Sonnenstrahlung wird absorbiert, die Wasseroberfläche und darüberliegende Luftschichten werden dementsprechend wärmer, noch mehr Meereis schmilzt usw usf.. Es handelt sich um eine positive Rückkopplung, d.h. um einen sich selbst verstärkenden Mechanismus! Dieser sorgte in den letzten Jahrzehnten für die überproportional zunehmende Temperaturen in der Arktis, wo die Erwärmung deutlich schneller voranschreitet als in den mittleren Breiten, den subtropischen und tropischen Regionen auf der Nordhalbkugel.

Daß die Ausdehnung des arktischen Meereises im Jahre 2011 wieder in die Nähe des Rekordminimums von 2007 kam ist schon eine große Überraschung, dachte man seinerzeit doch noch, es handele sich um einen statistischen Ausreißer infolge einer besonderen Wetterlage, der  Dipolanomalie. Darunter versteht man eine besonderes Luftdruckmuster mit einem Hochdruckwirbel über der nordamerikanischen und einem Tiefdruckwirbel über der eurasischen Region der Arktis. Die beiden dynamischen Druckgebilde führen warme Luftmassen aus dem Süden heran und verstärken die windgetriebene transpolare Eisdrift aus der Arktis in Richtung Atlantik. Dadurch beschleunigt sich das Abschmelzen des Meereises in der Tauwetterperiode ganz erheblich.

Dipolananonalie im Sommer 2007: Ein dynamisches Hoch über der nordamerikanischen und ein dynamisches Tief über der eurasischen Region der Arktis führten warme Luft aus dem Süden heran und verstärkten gemeinsam die windgetriebene transpolare Eisdrift aus dem Arktischen Meer in Richtung Atlantik. Beides beschleunigte die Meereisschmelze in der Arktis. Quelle: NOAA – Earth System Research Laboratory (verändert)

Im Jahre 2011 trat im Unterschied zu 2007 (und teilweise auch den Folgejahren) diese Dipolanomalie jedoch kaum in Erscheinung. Ein stabiler polarer Hochdruckwirbel erzeugte einen Meereswirbel, der das Meereis im Arrktischen Meer zirkulieren ließ. Die transpolare Drift blieb schwach. Trotzdem alledem schrumpfte das Meereis beinahe auf das Rekordminimum des Jahres 2007.

Keine Dipolanomalie im Sommer 2011: Ein stabiles dynamisches polares Hoch erzeugte einen Meereswirbel, der das Meereis im Arktischen Meer zirkulieren ließ. Die transpolare Drift blieb schwach. Trotzdem schrumpfte die Ausdehnung des arktischen Meereises beinahe so wie im Rekordjahr 2007 mit der Dipolanomalie. Quelle: NOAA – Earth System Research Laboratory (verändert)

Vielleicht liegt das an einem weiteren Mechanismus, der neben der Eis-Albedo-Rückkopplung und gelegentlichen Wetteranamalien  den Abschmelzprozeß des arktischen Meereises beschleunigt. Infolge der verstärkten Eisschmelze in den letzten Jahren hat der Anteil des mehrjährigen, stabilen  Meereises gegenüber dem jungen, ein- bis zweijährigen,wesentlich leichter schmelzenden Meereises immer weiter abgenommen. Das junge Meereis ist wesentlich dunkler als das ältere Meereis, weil es durch zahlreiche kleine offene Wasserflächen unterbrochen ist. Das dunkle Wasser vermindert die Albedo, so daß junges Meereis  dementsprechend mehr Sonnenlicht absorbiert.

Der Anteil des alten und stabilen Meereises nimmt zugunsten des jungen  Meereises immer weiter ab. Letzteres hat eine geringere Albedo und schmilzt daher leichter. Das verstärkt die Meereisschmelze in der Arktis zusätzlich. Quelle: NSIDC

Es könnte durchaus sein, daß das Klimasystem in der Arktis schon einen Kipp-Punkt erreicht hat, wo selbstverstärkende Prozesse nicht mehr aufzuhalten sind und zum entgültigen Verlust des arktischen Meereises führen. Käme es dazu, so würde sich die globale Erwärmung wiederum gewaltig beschleunigen, denn der Erde würde einer ihrer beiden großen reflektierenden Eisschilde an den Polen fehlen, die Gesamtalbedo  des Planeten also merklich abnehmen.

Jens Christian Heuer

Quelle: National Snow and Ice Data Center (http://nsidc.org/)

Beweise für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase

Ein verstärkter Treibhauseffekt infolge der fortlaufenden Emission von Treibhausgasen – vor allem Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) - durch den Menschen  soll für die globale Erwärmung auf der Erde verantwortlich sein. Die meisten Klimaforscher sehen das so. Aber es gibt auch sogenannte Klimaskeptiker, die genau dies entscheiden bestreiten. Manche von ihnen stellen sogar den Treibhauseffekt als solchen in Frage. Doch sie liegen damit eindeutig falsch und das läßt sich sogar recht einfach beweisen… 

Dazu schauen wir uns einmal genauer an, wie der Treibhauseffekt funktioniert: Die von der Sonne eintreffende Strahlung geht – abgesehen von dem Anteil der durch die Wolken reflektiert wird - nahezu ungehindert durch die Atmosphäre. Die Planetenoberfläche  der Erde absorbiert die Strahlung und wandelt sie in Wärme um. Ein Teil dieser Wärme wird als Infrarotstrahlung wieder direkt in Richtung Weltraum abgestrahlt. Die infrarotaktiven Treibhausgase absorbieren jedoch, entsprechend ihren Eigenschwingungen, ausgewählte Wellenlängen im Infraroten. Den einen Teil der so empfangenen Energie geben sie durch Zusammenstösse an andere Gasmoleküle ab und erwärmen so die Troposphäre, die unterste Atmosphärenschicht in der sich praktisch das gesamte Wetter abspielt. Doch den anderen Teil geben sie als Infrarotstrahlung wieder ab, in Richtung Weltraum und als Gegenstrahlung in Richtung Erdboden. Diese Gegenstrahlung erwärmt die Erdoberfläche zusätzlich. Mehr Treibhausgase lassen also die Temperaturen am Erdboden und in der Troposphäre global ansteigen. Der Treibhauseffekt lässt sich auch noch über eine andere Argumentation begründen: Durch das Vorhandensein infrarotaktiver Treibhausgase wird ein Teil der aufgenommenen Sonnenenergie als Infrarotstrahlung nicht von der Erdoberfläche, sondern aus größerer Höhe von der Atmosphäre wieder in den Weltraum abgegeben. Doch da oben ist es kühler als an der Erdoberfläche und die Infrarotabstrahlung ist dementsprechend geringer. Damit das Gleichgewicht von eingestrahlter und abgestrahlter Energie aber trotzdem erhalten bleibt, muß die Erdoberfläche durch vermehrte Infrarotabstrahlung einen Ausgleich schaffen. Dafür muß  sie aber wärmer sein als ohne  Treibausgase! Je mehr infrarotaktive Treibhausgase in der Atmosphäre, umso wärmer die Planetenoberfläche!

In der nächsthöheren Atmosphärenschicht,  der Stratosphäre, da ist jedoch alles ganz anders. Hier wirken die Treibhausgase abkühlend. Das gilt insbesondere für das Kohlendioxid (CO2), denn Wasserdampf ist in der im Gegensatz zur Troposphäre sehr trockenen Stratosphäre kaum noch vorhanden!

Satellitenmessungen zeigen: Die Troposphäre wird immer wärmer, die Stratosphäre aber immer kühler. Ein überzeugender Beweis für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase! Quelle: http://hadobs.metoffice.com/

Das erscheint erst einmal überraschend, doch der Grund dafür ist nicht schwer zu verstehen: Die von der Erdoberfläche ausgehende Infrarotstrahlung wird von den Treibhausgasen in der Troposphäre schon (nahezu) vollständig absorbiert und kann daher die Stratosphäre und die dort vorhandenen infrarotaktiven Treibhausgase nicht mehr erreichen. Doch sie werden trotzdem noch durch Zusammenstöße mit benachbarten Molekülen anderer Atmosphärengase angeregt. Da die Luft in dieser großen Höhe schon sehr dünn ist, strahlen sie einen Großteil der so gewonnnenen Energie in den Weltraum ab, bevor diese durch erneute Zusammenstöße wieder an die Stratosphäre  zurückgegeben werden kann. So geht die Energie unwiderruflich verloren und die Stratosphäre kühlt ab. Soweit die Theorie und so auch die Fakten. Die Meßwerte der letzten Jahrzehnte zeigen beide Effekte wie vorhergesagt: Eine globale Erwärmung der Troposphäre und eine globale Abkühlung der Stratosphäre! Ein klares Indiz für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase! 

Jens Christian Heuer

Der Menschengemachte Klimawandel

Der Mensch hat begonnen, durch die Emission von Kohlendioxid (CO2), aber auch anderer Treibhausgase wie Methan (CH4) und Lachgas (N2O) das Klima der Erde zu verändern. Global gesehen wird es immer wärmer durch den zunehmenden Treibhauseffekt. CO2 entsteht größtenteils bei der Nutzung fossiler Brennstoffe, CH4 und N2O dagegen vor allem in der Landwirtschaft.

Das CO2 spielt eine besonders wichtige Rolle im globalen Klimasystem, denn es hat entscheidend dazu beigetragen, über die längste Zeit der Erdgeschichte ein erstaunlich lebensfreundliches Klima aufrecht zu erhalten. Als das Leben auf der Erde vor rund 3,5 Milliarden begann, da strahlte die Sonne um 30% schwächer als heute. Eigentlich hätten die Ozeane zufrieren und die ganze Erde zu einem Eisball erstarren müssen, doch das geschah nicht. Stattdessen hatte die Erde stets flüssige Ozeane, in denen sich im Laufe der Zeit immer komplexeres Leben tummelte, das später dann auch die Kontinente erobern konnte. Im Laufe der Erdgeschichte nahm die Sonneneinstrahlung kontinuierlich zu und trotzdem wurde es nie zu heiß. Warum blieb das Klima der Erde trotz der sich deutlich verändernden Sonne immer lebensfreundlich? 

Die allmähliche Zunahme der Strahlungsleistung der Sonne ist nichts Besonderes, sondern ein ganz normaler Vorgang im Leben eines  Sternes. Sterne gewinnen ihre Energie aus der Kernverschmelzung (Kernfusion) von Wasserstoff zu Helium. Dabei wird ein Teil der Masse der Reaktionspartner direkt in Energie umgewandelt (Massendefekt). Die Kernfusion geschieht im Inneren eines Sterns, wo infolge der Eigenschwerkraft (Gravitation) die dazu notwendigen Bedingungen herrschen; extrem hoher Druck und Temperaturen von über 10 Millionen °C. Die energieliefernde Kernfusion wird somit letztlich durch die Gravitation angefacht und unterhalten. Im Laufe der Zeit nimmt dabei im Sterninneren der Anteil an Helium gegenüber dem Wasserstoff immer weiter zu. Da Helium spezifisch schwerer als Wasserstoff ist, wird das Innere des Sterns dichter und die Gravitation entsprechend stärker. Die Kernfusion wird noch mehr angefacht, der Stern wird heißer und die Strahlung nimmt zu. 

Daß die Erde trotz alledem immer lebensfreundlich blieb, hat sie ihrem Kohlenstoffkreislauf, aber auch dem Leben selbst zu verdanken!

Erdaufgang über dem Mondhorizont (fotografiert von Apollo 8).Die Erde kann ihr Klima selbst regulieren und war so in der Lage über Jahrmilliarden lebensfreundliche Bedingungen aufrecht zu erhalten. Der atmosphärelose Mond kann das nicht. Quelle: NASA

Der Kohlenstoffkreislauf sieht in etwa so aus:

Durch Regen wird CO2 als Kohlensäure aus der Atmosphäre ausgewaschen. Die Kohlensäure bewirkt eine Verwitterung der Oberflächengesteine und es entstehen Carbonate, die in gelöster Form in die Ozeane gelangen. Wird deren Sättigungskonzentration überschritten, so werden die Carbonate ausgefällt und am Meeresgrund als natürliche CO2-Depots abgelagert. Infolge der Plattentektonik gelangen die Carbonate im Bereich der Subduktionszonen ins Erdinnere und werden aufgeschmolzen. Das CO2 wird freigesetzt und gelangt mit den vulkanischen Ausgasungen schließlichwieder zurück in die Erdatmosphäre. Der Kohlenstoffkreislauf steuert global die Temperatur. Wird die Erde wärmer, wie es ja tatsächlich durch eine immer stärker strahlende Sonne auch geschah, so steigt die Wasserverdunstung und es fällt mehr Regen. Das führt zu einer verstärkten Gesteinsverwitterung und die entfernt vermehrt CO2 aus der Atmosphäre. Als Folge eines verringerten Treibhauseffektes durch CO2 kühlt die Erde wieder ab. Wird die Erde, wodurch auch immer kälter, so läuft der beschriebene Mechanismus genau umgekehrt ab. Also weniger Wasserverdunstung, dadurch weniger Regen und eine abgeschwächte Gesteinsverwitterung,  damit mehr CO2 in der Atmosphäre und ein verstärkter Treibhauseffekt, der die Erde wieder erwärmt. 

Diese Temperatur-Regulation funktioniert aber sehr langsam. Sie dauert Jahrhundertausende! Dadurch kann es immer wieder zu doch recht heftigen Temperaturausschlägen in beide Richtungen kommen. Das Leben selbst schafft hier Abhilfe, indem es die Mechanismen der Temperaturregulation beschleunigt und noch um einen weiteren Mechanismus ergänzt: 

Bodenbakterien und Pflanzen beschleunigen durch ihre Atmung die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser plus Kohlensäure) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung um das 1000 fache (!), indem sie Säuren freisetzten und durch Abatmen das CO2 im Boden konzentrieren. 

Die bei der Verwitterung gebildeten Carbonate gelangen in Wasser gelöst in die Ozeane, wo sie in Kalkschalen von ein- und mehrzelligen Meeresorganismen eingebaut werden. Wenn diese absterben bilden die Kalkschalen direkt das natürliche CO2-Depot, ohne das dafür erst eine Sättigungskonzentration der Carbonate erreicht werden muß. Die Bildung der CO2-Depots am Meeresboden wird also stark beschleunigt.

Der Kohlenstoffkreislauf Quelle: http://www.vtaide.com/

Das Leben tut aber noch mehr. Die Pflanzen einschließlich der einzelligen Algen beherrschen die Photosynthese. Dabei wird die Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen (Kohlenhydrate) umgewandelt, unter Verwendung von CO2 und Wasser. Diese organischen Verbindungen werden dann bei der Atmung kalt verbrannt und liefern die Energie für alle Stoffwechselprozesse. Durch die Photosynthese wird CO2 aus der Atmosphäre “abgepumpt”und Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt freigesetzt.  

Wenn die Pflanzen absterben und unter Luftabschluß, hohem Druck und der Beteiligung anaerober Bakterien verrotten, dann entstehen die fossilen Brennstoffe, ein neues dauerhaftes CO2-Depot.  

Die Erde reguliert mit ihrem Klimasystem also sehr effektiv die Temperatur innerhalb eines lebensfreundlichen Bereichs. Früher als die zu schwache Sonne ausgeglichen werden mußte, regelte die Erde die Temperatur auf höhere Werte. Heutzutage, wo die Sonnenstrahlung eigentlich schon zu intensiv geworden ist, dreht die Erde ihren Thermostaten runter. Das ist die Erklärung dafür, warum es in der Erdvergangenheit früher meist wärmer war als heute!

Im Grunde genommen strebt die Erde, unter den Bedingungen heute, die Bedingungen einer Eiszeit an, denn diese macht der Erde das Leben leichter: Die Polarkalotten dehnen sich sehr weit aus, so daß Eis und Schnee einen entsprechend größeren Anteil des Sonnenlichtes reflektieren. Die kühlen Ozeane bieten den Meeresalgen einen idealen Lebensraum, denn die oberen und unteren Wasserschichten können sich gut durchmischen, so daß immer genug Nährstoffe zur Verfügung stehen. Die Algen leben ausschließlich in den oberen Wasserschichten, weil nur hier das Licht für ihre Photosynthese ausreicht. Steigen die Wassertemperaturen an, so bildet sich eine stabile Schichtung mit dem warmen Wasser oben und dem kalten Wasser unten. Das bekommt den Algen gar nicht gut, denn die beiden Wasserschichten durchmischen sich nicht, so daß die Nährstoffe aus den tieferen Wasserschichten nicht mehr zur Verfügung stehen. Eigentlich mögen Algen wärmeres Wasser, doch ohne Nährstoffe läuft es eben nicht. Deshalb sind tropische Meere so klar, weil es in ihnen nur wenige Algen gibt. Sie sind die “Wüsten” unter den Ozeanen. Die in den kalten Ozeanen der Eiszeiten prächtig gedeihenden Algen pumpen viel CO2 ab und begünstigen durch ihre natürlichen Sulfat-Emissionen die Wolkenbildung, denn die Sulfate wirken als Kondensationskeime für die winzigen Wolkentröpfchen. Alle diese Eiszeit-Effekte zusammen wirken abkühlend und erleichtern es der Erde, mit der zunehmenden Sonneneinstrahlung fertig zu werden. Die im Vergleich zu den Eiszeiten eher kurzen Warmzeiten (Zwischeneiszeiten) sind womöglich lediglich so etwas wie vorübergehende Fieberanfälle der Erde. Der letzte, noch anhaltende Fieberanfall ermöglichte allerdings auch den Aufstieg der menschlichen Zivilisation!

Durch die intensive Nutzung fossiler Brennstoffen setzen wir innerhalb weniger Jahrzehnte das CO2 wieder frei, welches die Erde aus guten Gründen in Jahrmillionen der Atmosphäre entzogen und sicher deponiert hat. Das bedeutet eine erhebliche Störung des für den Planeten und für uns alle überlebenswichtigen selbstregulierenden Klimasystems!   

Jens Christian Heuer 

A Satellite Picture explaining our Weather

The European weather satellite Meteosat, circles the Earth on a geostationary orbit (36.000 km altitude) providing daily current views of our planet. On this color infrared recording of  November 22th 2011, you can see some important phenomena of global weather patterns.  

Dynamical Weather Systems: Weather on earth-like planets is driven by temperature differences between equator and poles, caused by different sun´s irradiance. In mid – latitudes, where warm tropical and cool polar air masses encounter each other, gradient of temperature (and thereby gradient of pressure) is sufficient to generate a high altitude air current (called tropospheric polar jetstream) on both hemispheres, turning eastward under influence of earth’s rotation.

Breaking a critical speed limit, the jetstream forms Rossby waves with troughs and ridges(wave peaks). A lot of shear forces emerge. The waves break and roll up to vortices. These are the high pressure und low pressure systems, enabled to intermix the warm tropical and cool polar air masses.

The high pressure vortices (anticyclones) are spinning downward and clockwise (counterclockwise) on northern (southern) hemisphere, whereas the low pressure vortices (cyclones) are spinning upward and counterclockwise (clockwise) on northern (southern) hemisphere.

Weather at November 22th, 2011, 12:00 UTC . The ITCZ, the deserts in the Subtropical High Presure Belt and the Low Pressure Systems (Cyclones) of the mid – latidudes are easily dercernable. Natural Color RGB images makes use of three solar channels: red, green and blue. In this color scheme vegetation appears greenish because of its large reflectance in the green beam channel compared to the red and blue beam channels. Water clouds with small droplets have large reflectance at all three channels and hence appear whitish, while snow and ice clouds appears cyan because ice strongly absorbs in red. Bare ground appears brown because of the larger reflectance in the red beam channel than at the blue one, and the ocean appears black because of the low reflectance in all three channels. Source: Meteosat, EUMETSAT

Inside low pressure systems the air rises and cools, so that water vapor condenses, forming clouds made of tiny water droplets or ice crystals (bad weather). Latent heat (thermal energy of condensation) thereby released powers cloud formation on her part warming the rising air.

Inside high pressure systems the air sinks and clouds decay, because water in the condensed form tends to evaporate into water vapor (fair weather).

Cyclones derive their energy not only from the jetstream, but also from latent heat liberated during formation of clouds. In turn they transmitted back a portion of their energy to jetstream.

The pathways of cyclones are affected by the behaviour of the jetstream.But sometimes the high air current slow down or breaks actually, so that the cyclones are able to seperate from jetstream. These cut off lows move slowly and won’t exit a region until they are captured by a trough of a new jetstream, which meanwhile has usually formed. 

Low Pressure Systeme (Cyclone) Source: Bjerknes (1922)

Tropical Hadley – Circulation: Away from this areas of high pressure the air masses move equatorially along the surface (tradewinds), where´s a buildup of low pressure (Innertropical Convergence Zone, ITCZ) : These tradewinds turn westward due to earth´s  rotation. Heated by the sun,  equatorial air rises and cools, forcing whatever water vapor it holds to condense into clouds. The ascended air moves poleward , but it is turned eastward by the earth´s rotation. As moving  polewards, the air current contracts closer to the axis of earth’s rotation. So it must spin faster, creating subtropical jetstreams that rotate more rapidly than the Earth itself..In parts however, the air descends in the belt of subtropical pressure, closing the air circulation. This so called Hadley-Circulation.partions in a row of convective cells around the whole planet. 

Stratosphere and Polar Vortex: The stratosphere is the next layer of atmosphere above the troposphere, in which most weather processes play. The stratosphere contains little water vapor, but larger quantities of ozone, protecting life by absorption of dangerous solar ultraviolet radiation. Therefore the stratosphere is much warmer than the upper troposphere.

If the stratosphere over the poles is cold enough during the polar night, a polar vortex forms due to a sufficient gradient of temperature to build up an eastward stratospheric jetstream, which is a propulsion engine of tropospheric polar jetstream (see above).

A strong polar vortex favors a poleward, zonal circulation (along the lines of latitude), a weak, often divided polar vortex, however, favors a meridional circulation with pronounced troughs and ridges (along the lines of longitude). 

Jens Christian Heuer