Das Wetter und der Klimawandel

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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

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