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Maschinelles Lernen bringt ans Tageslicht, wie Aerosole die Wolken beeinflussen

Aerosolpartikel in der Luft wirken sich nicht nur stärker auf die Wolkendecke aus als die Wolkenhelligkeit – sie erzeugen auch einen größeren Abkühlungseffekt, wie neue Forschungsergebnisse zeigen.

Klimawandel und Umwelt

Die Erdatmosphäre ist reich an winzigen Schwebeteilchen, sogenannten Aerosolen, die das Klima beeinflussen. Aerosole können durch natürliche Prozesse gebildet werden, darunter Vulkanausbrüche und Waldbrände. Doch sie entstehen auch bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die wir benötigen, um unsere Autos fahren, Flugzeuge fliegen und Fabriken betreiben zu können. Diese Zunahme der Aerosole könnte erhebliche Auswirkungen auf den Klimawandel haben. Da sie bei der Wolkenbildung eine Rolle spielen, könnten sie zur Abkühlung des Planeten beitragen – schließlich reflektieren Wolken das Sonnenlicht. Leider ist es der Wissenschaft bisher nicht gelungen, genau zu ermitteln, wie die Wolken auf Veränderungen der Aerosolkonzentration reagieren. Dadurch verlieren die Prognosen zum Klimawandel noch weiter an Sicherheit, denn aufgrund der Einwirkung anderer meteorologischer Variablen ist es schwierig, Daten über die Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken zu isolieren. Forschende, die vom EU-finanzierten Projekt CONSTRAIN unterstützt werden, haben jedoch einen Weg gefunden, derartige Wechselwirkungen zu untersuchen. Dies ist dem Vulkanausbruch in Island im Jahr 2014 zu verdanken, der hierfür eine einzigartige Gelegenheit bot. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Geoscience“ veröffentlicht. Der isländische Vulkanausbruch führte zu einer riesigen Aerosolwolke. „Diese riesige Aerosolwolke in einer ansonsten nahezu unberührten Umgebung bildete ein ideales natürliches Experiment, um die Reaktionen der Wolken auf Aerosolveränderungen – gewissermaßen der Fingerabdruck des Aerosols auf die Wolken – zu quantifizieren“, erklärt der Hauptautor der Studie, Dr. Ying Chen vom Paul Scherrer Institut in der Schweiz, in einer Pressemitteilung auf der Website der Universität Exeter im Vereinigten Königreich. Dr. Chen führte diese Arbeit im Rahmen seines Forschungsstipendiats an der britischen Universität durch.

Größere Wolkendecke

„Unsere Analyse zeigt, dass die Aerosole des Ausbruchs die Wolkendecke um etwa 10 % vergrößert haben“, führt der Wissenschaftler weiter aus. „Anhand dieser Ergebnisse lässt sich erkennen, dass mehr als 60 % der klimakühlenden Wirkung von Wolken-Aerosol-Wechselwirkungen durch eine erhöhte Wolkenbildung verursacht wird.“ Nach einem luftverunreinigenden Ereignis wie einem Vulkanausbruch steigen die Konzentrationen von Aerosolpartikeln in der Luft deutlich an. Da sich Wassertröpfchen um Aerosolpartikel herum anhäufen, begünstigen höhere Aerosolkonzentrationen die Bildung von Wolkentröpfchen. Diese Art von Wolkentröpfchen ist jedoch in der Regel kleiner und zahlreicher, was dazu führt, dass die verschmutzten Wolken heller erscheinen, mehr Licht streuen und stärker reflektieren als reguläre Wolken. Während frühere Forschungsarbeiten darauf hindeuteten, dass diese Aufhellung der Wolken für den größten Teil der durch die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen verursachten Abkühlung verantwortlich ist, zeigen die Ergebnisse der neuen Studie etwas anderes: „Vulkanische Aerosole hellten die Wolken ebenfalls auf, indem sie die Größe der Wassertröpfchen verringerten, doch dies hatte einen deutlich geringeren Einfluss auf die Reflexion der Sonnenstrahlung als die Veränderungen der Wolkendecke“, so Dr. Chen. Um zu seinen Schlussfolgerungen zu gelangen, verwendete das Forschungsteam einen satellitengestützten Ansatz des maschinellen Lernens. Prof. Jim Haywood, wissenschaftlicher Mitarbeiter des CONSTRAIN-Projektpartners Met Office im Vereinigten Königreich, erklärt: „Diese Arbeit unterscheidet sich grundlegend von anderen, denn sie basiert nicht auf Modellen. Stattdessen wendet sie modernste Techniken des maschinellen Lernens auf Satellitenbeobachtungen an, um zu simulieren, wie die Wolken ohne Aerosole aussehen würden. Deutliche Unterschiede, die zwischen den vorhergesagten und den beobachteten Wolkeneigenschaften festgestellt werden, können zur Bewertung der Auswirkungen von Aerosolen auf das Klima herangezogen werden.“ Die Ergebnisse der Studie liefern umfangreiche Beobachtungsdaten über die kühlende Wirkung von Aerosolen, mit denen die wissenschaftlichen Teams ihre Klimamodelle verbessern können. Damit trägt sie zum Ziel des CONSTRAIN-Projekts (Constraining uncertainty of multi decadal climate projections) bei, die Klimavorhersagen für die nächsten 20 bis 50 Jahre zu verbessern. Weitere Informationen: CONSTRAIN-Projektwebsite

Schlüsselbegriffe

CONSTRAIN, Aerosol, Partikel, Wolke, Klima, Eruption, Wechselwirkung zwischen Wolke und Aerosol

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18 April 2018