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Elucidating the Role of Clouds-Circulation Coupling in Climate

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Zusammenhänge zwischen Wolkenbildung und Klimawandel

Das Projekt EUREC4A enthüllte Auswirkungen der Wolkenbildung auf Klima, Klimawandel und insbesondere die Klimasensitivität der Erde.

Klimawandel und Umwelt

Seit den 1970er Jahren ist bekannt, dass Wolken größeren Einfluss auf den Klimawandel haben und vor allem in Simulationsmodelle von Klima und Klimawandel sowie Klimaprognosen einfließen müssen. „In welchem Maß Treibhausgasemissionen reduziert werden müssen, um die Erderwärmung auf die Zielvorgaben zu begrenzen, lässt sich nur berechnen, wenn die Korrelation zwischen Temperatur- und THG-Anstieg (Treibhausgaskonzentration) genau bekannt ist“, erklärt Sandrine Bony, Koordinatorin des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts EUREC4A. Weltweit erstmals untersuchte EUREC4A experimentell, wie sich Konvektion und Zirkulation auf die klimawandelbedingte Wolkenbildung auswirken, sowie den Einfluss organisierter Konvektion.

Komplexer Wolken-Rückkopplungsmechanismus

Den Anstoß für EUREC4A lieferten wissenschaftliche Debatten im Rahmen des Weltklimaforschungsprogramms zu Wolken, Zirkulation und Klimasensitivität, an dessen Koordination Bony seit mehr als zehn Jahren mitwirkt. Klimamodelle hatten nahegelegt, dass die Reaktion von Wolken auf höhere Temperaturen wesentlich die Klimasensitivität der Erde auf erhöhte Treibhausgaskonzentrationen beeinflusst. Eine besondere Unsicherheit stellt die Reaktion sehr flacher, kleiner Kumuluswolken dar, (die etwa in der tropischen Passatregion beobachtet werden). Die stärkste Wolkenreaktion wurde bislang mit der These von „Austrocknung und Vermischung“ erklärt, derzufolge aufsteigende Wolken trockenere Luft nach unten drücken („Vermischung“). Dabei wird die untere Wolkenschicht ausgetrocknet und die gesamte Wolkendecke verkleinert, sodass weniger Sonnenlicht reflektiert wird. „Obwohl dieser Prozess wichtig ist, um Klimaveränderungen zu verstehen, ist er nicht direkt beobachtbar, sodass auch die These nie vor Ort getestet werden konnte und Klimamodelle erhebliche Unsicherheiten aufweisen“, erklärt Bony, der am französischen Nationalen Forschungszentrum arbeitete, das das Projekt koordinierte.

Widerlegung der These in ersten Feldversuchen

In Feldversuchen Anfang 2020 über dem tropischen Westatlantik in der Nähe von Barbados wurden mit vier Flugzeugen, vier Schiffen und vielen Luft- und Wasserdrohnen Wolken, Atmosphäre und obere Meeresschichten auf mikroskopischer bis hinunter zur synoptischen Ebene beobachtet. Erstmals wurde die Größe der Wolkenfläche an der Wolkenbasis bestimmt, und zwar mit einem Lidar- und Radarsystem, das horizontal aus einem Flugzeug ausgerichtet war. Ebenfalls erstmalig führten mehr als 800 Dropsonden Messungen der langsamen vertikalen, mesoskaligen Luftbewegung durch, um Schätzwerte konvektiver Massenströmungen und vertikaler Vermischung zu erhalten. Der Arbeitsgruppe zufolge kann die untere Wolkenschicht durch ‚Vermischung‘ nicht ausgetrocknet werden, sodass auch die Wolkenmenge nahe der Wolkenbasis nicht kleiner wird. Tatsächlich wirken die enge Kopplungen zwischen Wolken und Konvektionsbewegungen sowie mesoskalige atmosphärische Zirkulationen dem Effekt der Vermischung auf die Feuchtigkeit entgegen. „Größeren Einfluss auf das Wolkenverhalten haben eher dynamisch wirkende kleine Zirkulationen als thermodynamisch wirkende Feuchtigkeitsschwankungen. Klimamodelle, die flachen Kumuluswolken den größten Einfluss auf die globale Erwärmung zuschreiben, neigen dazu, einen Mechanismus der Wolkenreaktionen darzustellen, der in den Beobachtungen nicht erkennbar ist“, ergänzt Bony.

Klassifikation von Wolkenformationen

Die räumliche Anordnung flacher Kumuluswolken über warmen subtropischen Ozeanen ist in der Regel sehr vielfältig, allerdings noch nicht wissenschaftlich untersucht. EUREC4A entwickelte eine Klassifikation der markantesten Formen, zuerst durch visuelle Auswertung von Satellitenaufnahmen, dann anhand der Strahldichte von Satelliten. Auch tiefe Wolken können durch Akkumulation Formationen bilden. EUREC4A belegte, dass Wechselwirkungen dieser Formationen mit der Oberflächentemperatur und Wärmeabstrahlung der Meere Einfluss auf das gesamte globale Klima und die Breite tropischer Regengürtel und Niederschlagsextreme haben. „Unsere Erkenntnisse eröffnen ein neues Forschungsfeld zu physikalischen Prozessen, die den unterschiedlichen Mustern zugrundeliegen, und liefern zudem eine Strategie zur Auswertung numerischer Modelle“, so Bony. Nun befasst sich die Arbeitsgruppe mit physikalischen Vorgängen bei der mesoskaligen Organisation der (flachen und tiefen) Konvektion und deren potenzieller Veränderung im Zuge der Erderwärmung. „Viele Modellierungsstudien untersuchten diese Thematik bereits, aber es fehlt noch an Beobachtungsdaten, was jetzt für mich Forschungspriorität hat“, schließt Bony.

Schlüsselbegriffe

EUREC4A, Klimawandel, Wolken, Strahlung, Konvektion, Niederschlag, Erde, Sensitivität, Passatwind, Kumulus, Treibhausgas

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