Das Wetter und der Klimawandel

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Klimawandel durch Ruß und Ozon in der Troposphäre

Rußemissionen und troposphärisches Ozon spielen bei dem Anstieg der Temperaturen auf der Nordhalbkugel eine wesentlich größere Rolle als bisher gedacht. Beide Stoffe zusammen übertreffen dabei sogar die Wirkung des Treibhausgases CO2!

Zu diesem Ergebnis kommen Prof. Robert J. Allen und Kollegen (University of California, Riverside, USA) in ihrem neuen Paper „Recent Northern Hemisphere tropical expansion primarily driven by black carbon and tropospheric ozone“(Nature, 17. Mai 2012):

Our analysis strongly suggests that recent Northern Hemisphere tropical expansion is driven mainly by black carbon and tropospheric ozone, with greenhouse gases playing a smaller part.

Die Wissenschaftler beschäftigten sich mit der schon seit mehreren Jahrzehnten stattfindenden Expansion der Tropen. Um durchschnittlich 0,36° Breitengrade pro Jahrzehnt dehnt sich die tropische Klimazone nach Norden aus. Die sich daraus ergebende „Verbreiterung“ der Hadley-Zirkulation verschiebt ihrerseits die trockenen Gebiete des Subtropengürtels in Richtung Nordpol. Und auch die Zugbahnen der dynamischen Tiefdruckwirbel, welche in den mittleren breiten das Wetter bestimmen, verlagern sich polwärts.

Robert J. Allen Quelle: UCR Today

Diese beobachtbaren Änderungen konnten mit einem Klimamodell, das Rußemissionen und troposphärisches Ozon berücksichtigt, erfolgreich nachvollzogen werden. Bisherige Klimamodelle hatten das so nicht geschafft.

Rußaerosole und troposphärisches Ozon absorbieren die Strahlung der Sonne und erwärmen dann die Atmosphäre. Beide Stoffe werden verstärkt mit zunehmender Industrialisierung vor allem in den niedrigeren und mittleren Breiten freigesetzt; Schwerpunkt Südostasien. Nur über großen Teilen Europas haben die Rußemissionen infolge von Umweltschutzmaßnahmen abgenommen. Das troposphärische Ozon hat aber auch dort wie fast überall (bis auf die Südpolregion) stark zugenommen. Es entsteht durch sekundäre photochemische Prozesse unter Beteiligung von Stickoxiden und flüchtigen organischen Substanzen, welche nicht nur industriell (Formaldehyd, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe), sondern auch durch die Natur (Terpene aus Pflanzen, insbesondere aus Bäumen, sie sind für den „Waldgeruch“ verantwortlich) erzeugt werden. Allein in Gegenwart von Stickoxiden halten sich photochemischer Ozonaufbau und Ozonabbau die Waage. Kommen aber die flüchtigen organischen Substanzen hinzu, so verschieben diese nachdem sie oxidativ umgebaut wurden, das Gleichgewicht in Richtung Ozonaufbau.

Trends bei den Rußemissionen und dem troposphärischem Ozon (1970-2009) Quelle: Allen et al. 2012

Noch einmal zurück zu dem Vergleich von Modellen und Wirklichkeit:

Nur unter Einbeziehung der Rußemissionen und des Ozons funktionierten die Modelle. Genauer gesagt, sie näherten sich der Wirklichkeit an. Bei den Modellen ohne Ruß und Ozon schrumpften die Tropen (bis auf die Wintermonate) sogar anstatt zu expandieren!

Aber es bleibt bis heute immer noch eine beachtliche Lücke, auch bei den „guten“ Modellen! Daher muß es noch weitere Faktoren geben, welche für die Expansion der Tropen sorgen!

Expansion der Tropen: Ein Beispiel für den Vergleich von Modellen mit der Realität Quelle: Allen et al. 2012

Vielleicht spielt ja die fortgesetzte Abholzung des tropischen Regenwaldes dabei mit?

Die Hadley-Zirkulation in den Tropen wird ganz wesentlich durch latente Wärme aus der Verdunstung von Wasser angetrieben. In den Gebieten des feuchtwarmen tropischen Regenwaldes verdunsten große Mengen an Wasser über die Blätter der Bäume. Es bilden sich Quellwolken, bei der Kondensation der kleinen Wassertröpfchen wird die latente Wärme frei, verstärkt die Konvektion und fördert damit die Wolkenbildung. Ein sich selbst verstärkender Prozess, der zur Bildung der mächtigen Wolkentürme der Innertropischen Konvergenzzone führt, die ja Bestandteil der Hadley-Zirkulation ist. Die Wolken über dem Regenwald wirken abkühlend, denn sie reflektieren einen erheblichen Teil des Sonnenlichts. Damit schützen sie gleichzeitig den Regenwald vor der Austrocknung durch Überhitzung.

Jens Christian Heuer

Quelle: Robert J.Allen, Stephen C. Sherwood, Joel R. Norris, Charles S. Zender „Recent Northern Hemisphere tropical expansion primarily driven by black carbon and tropospheric ozone“, Nature 485 (17 May 2012). Vielen Dank an Herr Prof. Robert J.Allen für die Zusendung des Papers!

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Scientific Award for Michael Mann

From 22. – 27. April 2012 General Assembly of European Geosciences Union (EGU) takes place in Vienna. During this meeting climate scientist Michael E. Mann received the Oeschger-Medal for his research! Hans Oeschger (1927) was a Swiss scientist, famous because of his ice core research. Together with Willi Dansgaard he discovered a series of abrupt climate changes (Dansgaard-Oeschger Events) during the last glacial period by analysis of Greenland ice cores. Also he measured first the glacial-interglacial change of atmospheric CO2 encased in ice core´s tiny air bubbles.

Prof. Michael E. Mann holding a tree grate with tree rings Source: Homepage Michael E. Mann

Michael E. Mann came to be known for his “hockeystick”-curve. This curve was the result of a reconstruction of average temperatures last millenium-round on northern hemisphere, published by Mann and his colleagues in 1999 (M.E.Mann,R.S.Bradley, M.K.Hughes: „Northern Hemisphere Temperatures During the Past Millennium: Inferences, Uncertainties, and Limitations“, Geophysical Research Letters, 1999) It was really a pioneering feat!

The team of scientists used proxy data from tree rings, corals and ice cores on the one hand and instrumental temprature data on the other hand such as it was. The „hockeystick” demonstrated at first how extraordinary (human-made) global warming during 20th century really was! For that reason all climate skeptics dislike this curve up to the present day.

The Hockeystick-Curve. The graph resembles a hockeystick in shape: with a long part of curve declining slightly as the shaft and with a short part of curve upturning suddenly as the blade.   Source: Mann, Bradley und Hughes 1999

Assembling and evaluation of all data for “hockeystick” happened in a very sophisticated way. The proxy-data, mainly tree rings extending to 1980 were validated by instrumental data back to 1854, occasional to 18th century yet. Long proxy record and shorter instrumental record overlapped a good way. Using only instrumental data from time intervall 1902 to 1980 for calibration of proxy data, Mann and his collegues were able to use leftover intervall from 1854 to 1901 (and the rare earlier instrumental data from 18th century) to verify this calibration. Calibration and validation of proxy data  worked accurately, meaning that „hockeystick“ is correct in this regard.

CO2 is a greenhouse gas but it also acts as a fertilizer, especially for trees in high elevations. More CO2 let tree ring width and tree ring density (of summerly late wood) mimic an additional rise in temperature that does not really exist. Thus the tree ring data were readjusted.

Above: Records of two tree ring data series (ITRDB Millenial, North American Treeline), which diverged from 19th century on due to influence of CO2. ITRDB Millenial includes trees in high elevations much sensitive to dunging effect of CO2. Below: Variations in atmospheric CO2 and residual between the two data series, used for readjustment. Source: Mann, Bradley und Hughes, 1999 

Two examples how carefully Mann and his team had gone about it! All that and then some you can read in original paper, downloadable on Mann´s homepage (see sources below). It´s worth it! Michael E. Mann was also a lead author of 3rd. IPCC-Report about global warming in 2001. Again and again some climate sceptics tried to discredit Mann scientifically and also personally. Fortunately they failed yet.  I hope it stays that way!

Jens Christian Heuer

Sources: European Geosciences Union (EGU) , Homepage Michael E. Mann

Wärmere Arktis, mehr Extremwetter

Im Rahmen der globalen Erwärmung steigen die Temperaturen in der Arktis überproportional. Das liegt vor allem an dem Rückgang des arktischen Meereises, das mehr und mehr von der dunklen Wasseroberfläche freigibt, welche das Sonnenlicht nicht reflektiert wie das helle Eis, sondern hervorragend absorbiert. Das führt zu einer erheblichen zusätzlichen Erwärmung. Es handelt sich um einen umgekehrt ablaufenden Eis-Albedo Effekt.
 
Eine in den Geophysical Research Letters im April 2012 veröffentlichte Studie der beiden Wissenschaftler Jennifer A. Francis und Stephen J. Vavrus, “Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes”,  fand nun einen Zusammenhang zwischen dieser arktischen Erwärmung und der Zunahme von Extremwetterereignissen. Die überproportionale Erwärmung der hohen arktischen Breiten im Vergleich zu den mittleren Breiten bedeutet eine Abnahme des Temperaturgefälles an der Polarfront, der Grenze zwischen warmen und kalten Luftmassen. Da dieses Temperaturgefälle mit einem Druckgefälle einhergeht das den Jetstream antreibt, wird der Jetstream schwächer und seine Strömung langsamer.
 
Saisonale Abweichungen der 1000-500 hPa Schichtdicke (m) nördlich 40°N zwischen der Periode 2000–2010 und der Periode 1970–1999: (a) Herbst (OND), (b) Winter (JFM), (c) Frühling (AMJ) und (d) Sommer (JAS). Die weissen Sternchen zeigen die Bereiche, wo die Wahrscheinlichkeit, daß es sich um Zufallsergebnisse handelt kleiner ist als 5% (p < 0.05). Das Ergebnis ist hier also satistisch eindeutig signifikant .  Schichtdicke 1000-500 hPa meint die Höhendifferenz zwischen den Flächen wo der Luftdruck 1000 hPa und wo der Luftdruck nur noch 500 hPa beträgt. Je wärmer die Luft ist, umso mehr dehnt sie sich in die Höhe aus und um so größer ist diese Schichtdicke und umgekehrt. Quelle: Francis and Vavrus, 2012
 
Der Jetstream verhält sich so ähnlich wie ein Fluss. Die Strömung ist mal schneller, mal langsamer, mehr oder weniger turbulent und immer wieder bilden sich Wirbel, welche mit der Strömung davongetragen werden. Bei den Wirbeln des Jetstreams handelt es sich um die das Wetter bestimmenden dynamischen Hochs und Tiefs.
Da die Strömung des Jetstreams infolge des verringerten Temperaturgefälles abnimmt bewegen sich auch die Hochs und Tiefs langsamer und damit hält auch extremes Wetter wie Hitzewellen und Trockenheit (Hochs) oder Unwetter (Tiefs) länger an. Noch etwas kommt aber hinzu. Der Jetstream wird nicht nur langsamer, er wird auch „welliger“, er mäandert stärker, die Amplitude der Rossby-Wellen nimmt zu. Über die tiefen Wellentäler – die Meteorolgen nennen sie „Tröge“ – gelangt polare Kaltluft bis weit in den Süden. Die tieferen Wellentäler erklären zum Beispiel die gehäuften kalten Episoden der letzten Winter auf der Nordhalbkugel. Über die  Wellenberge – die „Rücken“ – gelangt im Gegenzug allerdings auch Warmluft bis weit in den Norden. Deshalb war es in den letzten kalten Wintern in Grönland so überraschend milde, oft sogar deutlich wärmer als bei uns in Europa.
 

Jens Christian Heuer

 

Global Warming, Arctic Amplification and Extreme Weather

A brand-new paper from Jennifer A. Francis and Stephen J. Vavrus „Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes“, (GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 39, 2012)
sheds new light on the issue of extreme weather events due to global warming!
The two scientists found evidence that enhanced Arctic warming relative to mid latitudes (Arctic amplification, AA) leads to prolonged extreme weather events, like droughts, heat waves (such as in Russia, summer 2010!), heavy rain and cold spells (remember persistent chilly conditions in recent winters!).

Arctic Amplification means enhanced arctic warming relative to mid latitudes due to a sort of inverse Ice-Albedo-Feedback. Decreasing bright, highly reflective sea ice is replaced by dark open water, absorbing sunlight strongly. Open water also releases a lot of moisture and latent heat in artctic atmosphere.
Due to the fact that jetstream is driven by gradient in air-temperature (and gradient in air pressure arising thereby, respectively) between polar regions and mid latitudes, jetstream slows down and becomes wavier.

Seasonal anomalies in 1000-500 hPa thicknesses (m) north of 40°N during 2000–2010 relative to 1970–1999: (a) autumn (OND), (b) winter (JFM), (c) spring (AMJ), and (d) summer (JAS). White asterisks indicate significance with chance level p < 0.05. 1000-500 hPa thickness reveals aerial vertical thermal expansion by means of distance between 1000 hPa- and 500 hPa isobaric surface. Source: Francis and Vavrus, 2012

As a result high and low pressure systems moved by jetstream slow down, too.
These weather systems arise from turbulence in jetstream like the vortexes of a raging river do.

A wavy jetstream results in cold spells via wave troughs (in reverse warm spells via wave crests, respectively), whereas high air moisture makes possible  a lot of snow.

Finally a nice animation of the jetstream of northern hemisphere from NASA/Goddard Space Flight Center (Scientific Visualization Studio):

Jens Christian Heuer

Kältere Winter durch weniger Meereseis in der Arktis

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Jiping Liu (Abb.1) am New Yorker Columbia University Center for Climate Systems Research fand in Satellitendaten au den Jahren 1979-2010 deutliche Hinweise auf einen engen Zusammenhang zwischen dem Abschmelzen des Meereseises in der Arktis und den in den letzten Jahren wieder kälteren und schneereicheren Wintern auf großen Teilen der Nordhalbkugel. Vor allem Nordamerika, ganz Europa und große Teile  Ostasiens waren betroffen. Es gab dort wiederholt Kältewellen wie schon lange nicht mehr, sehr ergiebige Schneefälle, oft auch Schneestürme und Schneeverwehungen.

Abb. 1 Dr. Jiping Liu  Quelle: Wikipedia Russia

Die Temperaturen in der Arktis haben im Rahmen der globalen Erwärmung überproportional zugenommen. Hauptgrund ist ein umgekehrt ablaufender Eis-Albedo-Effekt.

Die schwindenden hellen Eisflächen über den arktischen Meeren (Abb. 2 oben)geben mehr und mehr von der dunklen Wasseroberfläche frei, die das Sonnenlicht nicht reflektiert wie das Eis, sondern hervorragend absorbiert. Das bedeutet eine erhebliche zusätzliche Erwärmung.

Vor allem im Sommer speichert das Wasser im Sommer mehr Wärme, die es dann verzögert über den Herbst und Winter wieder abgibt. Große Mengen an Feuchtigkeit und damit auch an latenter Wärme gelangen durch Verdunstung in die Atmosphäre über der Arktis. Die latente Wärme ist die Energie, die notwendig war, um das Wasser zu verdunsten. Sie wird wieder frei, wenn die Luftfeuchtigkeit bei der Wolkenbildung in kleinen Tröpfchen kondensiert (Kondensationswärme). Die Neubildung von Meereseis im Winter verringert sich. Der hohe Eintrag von latenter Wärme über der Arktis verringert den Temperargradienten an der Polarfront und damit auch die atmosphärische Luftzirkulation der mittleren Breiten. Der von dem Temperaturgradienten zwischen (sub)tropischer Warmluft und polarer Kaltluft angetriebene Jetstream wird schwächer und dadurch die Auslenkung der sich in ihm bildenden Rossby-Wellen größer (Abb. 3, oben links).

Die nun vorwiegend meridionale Luftzirkulation bringt gehäufte Vorstöße polarer Kaltluft nach Süden über die Tröge, die Wellentäler des Jetstreams. Im Gegenzug gelangt mancherorts aber auch Warmluft bis weit in den Norden, über die Rücken, die Wellenberge des Jetstreams (Abb. 3, unten links). Die erhöhte Feuchtigkeit der kalten Polarluft – durch die stärkere Verdunstung über den zunehmend eisfreien arktischen Meeren – führt zu mehr und ergiebigeren Schneefällen (Abb.2 unten).

Abb.2 Oben: Anomalien der Meereseisbedeckung in der Arktis und Arktische Oszillation (AO). Es gibt nur eine geringe Übereinstimmung (Korrelation 0,28). Unten: Zusammenhang zwischen den Anomalien der arktischen Meereseisdeckung und der Schneedecke im Winter (lineare Regression). In den rotgefärbten bereichen fiel deutlich mehr Schnee. Quelle: Jiping Liu et al.

Der Nachweis, daß die erhöhte Luftfeuchtigkeit tatsächlich aus den arktischen Meeren stammt, konnte über die Bestimmung des Deuterium-Exzesses geführt werden.

(Der Deuterium-Exzess ist definiert als: Gehalt an Wassermolekülen mit dem schweren Wasserstoffisotop Deuterium H2 minus Gehalt an Wassermolekülen mit dem schweren Sauerstoffisotop O18. Beim Verdunsten findet eine Fraktionierung statt, da beide nicht so leicht in die Gasphase übergehen wie die sehr viel häufigeren Wassermoleküle mit dem jeweils leichteren Isotopen H1 und  O16. Je niedriger die Temperatur umso besser funktioniert das. Der Wasserdampf enthält danach verringerte Mengen an Wassermolekülen mit den schwereren Isotopen H2 und O18. Aber auch untereinander gibt es eine Fraktionierung und deshalb auch einen Deuteriumexzess. Da spielen neben der unterschiedlichen Beweglichkeit der jeweiligen Wassermoleküle, wiederum vor allem die Temperatur, aber auch die Luftfeuchtigkeit eine Rolle.)

Der Übergang zu einer meridionalen Luftzirkulation infolge des zurückgehenden Meereseises in der Arktis erinnert sehr an Vorgänge bei der Arktischen Oszillation (AO).

Dabei handelt es sich um eine Luftdruckschaukel zwischen Arktis und mittleren Breiten.

Ihre Erscheinungsform im Nordatlantik ist die Nordatlantische Oszillation (NAO), bei der es zu Schwankungen des Luftdruckgegensatzes zwischen dem arktischen Islandtief und dem subtropischen Azorenhoch kommt, die sogar bis hin zu einer Umkehrung der normalen Luftdruckverhältnisse gehen können.

Im positiven Modus der AO (bzw. NAO) mit einem großen Luftdruckgegensatz zwischen arktischen Tiefs (bzw. Islandtief im Nordatlantik) und subtropischen Hochs der mittleren Breiten (bzw. Azorenhoch im Nordatlantik) herrschen starke Westwinde und damit eine zonale Luftzirkulation entlang der Breitengrade vor (starker Jetstream). Im negativen Modus der AO (bzw. NAO) ist dieser Luftdruckgegensatz gering oder kehrt sich sogar um, so daß die Westwinde schwach bleiben oder ganz ausfallen und eine meridionale Luftzirkulation, entlang der Längengrade vorherrscht (schwacher Jetstream, Abb. 3, oben rechts). Dadurch gelangt dann polare Kaltluft weit in den Süden und im Gegenzug (sub)tropische Warmluft bis weit in den Norden (Abb. 3, unten rechts).

Abb.3 Oben links: Zusammenhang zwischen den Anomalien der Arktischen Meereseisbedeckung und des Luftdruckes auf Meereshöhe (lineare Regression). Rot zeigt einen erhöhten, blau einen veringerten Luftdruck an. Unten links: Zusammenhang zwischen den Anomalien der Arktischen Meereseisbedeckung  und der Temperatur (lineare Regression). In den blauen Regionen war es deutlich kälter als normal. Oben rechts: Zusammenhang zwischen AO-Index  und Anomalien des Luftdruckes auf Meereshöhe (lineare Regression) Unten rechts: Zusammenhang zwischen AO-Index und Anomalien der Temperatur (lineare Regression). Die jeweiligen Muster unterscheiden sich! Weitere Erklärungen im Text. Quelle: Jiping Liu et al.

Trotz der großen Ähnlichkeit zwischen dem negativen Modus der AO (bzw. NAO) und der Luftdruckanomalien infolge des Abschmelzens des Meereseises in der Arktis sind die beide Phänomene nicht ein und dasselbe, denn es gibt auch auffallende Unterschiede. So treten beide nicht immer zeitgleich auf. Ihre zeitliche Variabilität weicht also voneinander ab. Darüber hinaus sind bei den Luftdruckanomalien infolge der arktischen Meereseisschmelze die Rossby-Wellen im Jetstream deutlich ausgeprägter (Abb 3, oben links und oben rechts). Sie zeigen eine größere und breitere Auslenkung als bei einer negativen AO (bzw. NAO).

Die Wissenschaftler um Jiping Liu rechnen auch in Zukunft mit einem weiteren Rückgang des arktischen Meereseises und damit einhergehend auch weiterhin häufiger mit kälteren Wintern auf der Nordhalbkugel. Aus den Schwankungen der Meereseisbedeckung der Arktis im Herbst, lässt sich vielleicht schon bald das Wetter des kommenden Winters in den Grundzügen vorhersagen, so die Wissenschaftler.

Jens Christian Heuer

Quelle: Impact of declining Arctic sea ice on winter snowfall, Jiping Liu, Judith A. Curry, Huijun Wang, Mirong Song, and Radley M. Horton (PNAS January 17, 2012).

Herzlichen Dank an Herrn Dr. Jiping Liu, der mir netterweise die Originalarbeit zukommen ließ!

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 die neuseeländischen Klimaforscher Roger Davies und Matthew Malloy 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 LaboratoryRichard Lindzen: Does the Earth have an Adaptive Infrared Iris?

Update

Inzwischen liegt mir die Originalarbeit von Davies und Malloy (Global Cloud High Fluctuations measured by MISR on Terra from 2000 2010, Roger Davies und Matthew Malloy, Geophysical Research Letters, Vol.39, 2012) vor. In dem Bericht des Jet Propulsion Laboratory der NASA  heißt es u.a. “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.”. Der zweite Satz ist jedoch so in der Originalarbeit nicht zu finden. Sind damit alle Spekulationen in Richtung eines möglichen Beweises für Lindzens Iris hinfällig? Wie kam das JPL zu seiner Aussage über eine Abbnahme der sehr hohen Wolken, der Cirren? Vielleicht gibt diese Passage aus der Originalarbeit eine Antwort. Da heißt es über die Effektive Wolkenhöhe H, die nach Davies und Malloy in der Dekade von 2000-2010 im Durchschnitt weltweit abgenommen hat:

„In the sense of radiative-convective equilibrium, greater values of H imply higher surface temperatures, so that in this paper the focus is therefore on changes inH over the last decade, defined as H′ = H – <H>, where <> is the decadal average.
Note that because H is a functional that depends on the probability of occurrence of cloud at altitude h, changes in H will occur, for example, when the fraction of high cloud changes, even though the total cloud fraction remains constant. Further, H′ is affected more by changes in high cloud fraction than by equivalent changes in low cloud fraction.“

Die Änderung der Effektiven Wolkenhöhe H′  hängt also tatsächlich überwiegend von Veränderungen des Anteils der hohen Wolken ab. Die gemessene Abnahme der durchschnittlichen Wolkenhöhe ist eine Änderung der Effektiven Wolkenhöhe und deshalb sieht es für mich doch so aus, als ob das JPL den Sachverhalt richtig wiedergibt! Lindzen Iris bleibt also (vorerst) eine Möglichkeit die Ergebnisse von Davies und Malloy zu interpretieren.

In der Dekade 2000-2010 hat die Wolkenhöhe durchschnittlich abgenommen. Quelle: Davies und Malloy, 2012

Die beiden Wissenschaftler ziehen das Fazit:
„The coherent nature of these correlations suggests that the measurement technique is yielding a record that should prove interesting to other researchers. Because these correlation patterns are large-scale, they should be a useful diagnostic test for a well-constructed dynamic climate model that can relate changes in dynamic circulation to changes in the presence and altitude of clouds.
Finally, we note that the climate data record of H anomalies may ultimately indicate a measure of long-term cloud feedback that may be quite separate from the correlations discussed above. Ten years is unfortunately too short a span for any definitive conclusion, as the linear trend in global cloud height of -44 +/- 22 m over the last decade is partly influenced by the La Niña event, and may prove ephemeral. The difference between the first and last year of the decade, not directly affected by the La Niña event, is -31 +/-11 m. If sustained, such a decrease would indicate a significant measure of negative cloud feedback to global warming, as lower cloud heights reduce the effective altitude of emission of radiation to space with a corresponding cooling effect on equilibrium surface temperature. Given the precision of the MISR measurements, we look forward to the extension of this climate data record with great interest.“

Trotz eines starken La Nina Einflusses (Klimaschaukel im äquatorialen Pazifik)bleibt ein Trend zur Abnahme der Wolkenhöhe. Der Meßzeitraum von 10 Jahren ist  noch zu kurz für entgültige Schlußfolgerungen. Sollte der Trend jedoch anhalten, so ergibt sich daraus womöglich ein abkühlender Effekt, welcher der globalen Erwärmung – der auslösenden Ursache – tendenziell entgegenwirkt (negatives Feedback), denn je tiefer die Wolken, umso mehr Infrarotstrahlung geben sie von ihrer Oberfläche in Richtung Weltraum ab.

Jens Christian Heuer

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

Schlagwörter-Wolke