Hintergrund | 13.07.2012 | Drucken | Teilen

Klimasimulation

Der Nebel beginnt sich zu lichten

Seit Jahrzehnten kämpfen Forscher bei der Modellierung des Klimas mit Wolken und Aerosolen – doch nun beginnen sie, die Probleme in den Griff zu bekommen.
Wolken aus dem All
© NOAA / NASA, GOES Project

Vom Weltraum aus betrachtet, präsentiert sich die Erde mal schick, mal schlampig -je nachdem, wohin man schaut. An manchen Orten verdecken Wolkenstreifen einen dunklen Ozean und bilden erstaunliche Farbkontraste. An anderen Orten spucken Kraftwerke graue Schwaden aus, und Wüstenstürme verschleiern große Gebiete durch Staub.

Wolken und winzige Partikel, die Aerosole, verdecken nicht nur die freie Sicht auf die Oberfläche unseres Planeten. Sie reflektieren, absorbieren und emittieren Strahlung und spielen damit eine wichtige Rolle bei der Temperaturregulation der Erde. Und sie machen die Simulation atmosphärischer Modelle extrem schwer: In den vergangenen Jahrzehnten waren sie die Hauptursache für die großen Unsicherheiten bei Vorhersagen für das zukünftige Klima.

Doch jetzt scheinen Wissenschaftler bei der Simulation von Wolken und Aerosolen den richtigen Dreh gefunden zu haben. In den vergangenen Monaten haben Klimaforscher damit begonnen, erste Ergebnisse einer neuen Generation von Modellen zu präsentieren, in denen Atmosphärenchemie und Mikrophysik differenzierter berücksichtigt werden als in früheren Versionen. Die Modelle erlauben Wolken und Aerosolen nun, sich zu verändern, während sie miteinander wechselwirken und auf Faktoren wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftströmungen reagieren. Die ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass solche Prozesse einen erheblich größeren Einfluss auf das regionale Klima haben, als den Wissenschaftlern bewusst war. Jüngste Untersuchungen werfen ein Licht auf die Rolle von Wolken und Aerosolen bei der Verursachung von Dürreperioden in Afrika, der Änderung des arktischen Klimas und der Abschwächung der Monsune in Südasien.

Wolken über Amazonien
© Scot Martin, Harvard School of Engineering and Applied Sciences
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"Es handelt sich um grundlegend neue Wissenschaft", sagt Ben Booth, Klimamodellierer am Hadley Centre des britischen nationalen meteorologischen Dienstes Met Office in Exeter. Booth erforscht, wie Aerosole die Oberflächentemperatur des Nordatlantiks und das Wetter der den Ozean umgebenden Kontinente beeinflussen. "Die neue Generation von Modellen verändert die Art der Fragen, mit denen wir Wissenschaftler uns auseinandersetzen müssen."

Und die Klimaforschung wird sich weiter verändern. Führende Gruppen von Klimamodellierern überall auf der Welt beeilen sich, ihre neuesten Ergebnisse für den Weltklimarat der Vereinten Nationen IPCC aufzubereiten, der von 2013/2014 an Sektion für Sektion seinen fünften Bericht veröffentlichen will. Schon jetzt ist klar, dass Aerosole und Wolken für die größten Überraschungen dabei sorgen werden. "Das ist der wahre Joker", erklärt Ron Stouffer, Klimaforscher am Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der US-Behörde für Wetter- und Ozeanografie NOAA in Princeton.

Ursache der Dürren

Die östlich über Nordamerika wehenden Winde wirbeln Tag für Tag ein Hexengebräu atmosphärischen Unrats auf. Kraftwerke stoßen Schwefeldioxid aus, aus dem Sulfatpartikel entstehen, die das Sonnenlicht reflektieren und als Kondensationskeime für Wolken dienen. Mikroskopische Kohlenstoffpartikel steigen aus dem Verkehr, der Industrie, brennender Biomasse und anderen Quellen auf. Die helleren dieser Teilchen streuen das Sonnenlicht, die dunkleren absorbieren es: Diese Prozesse werden als direkter Aerosoleffekt bezeichnet. Während die Teilchen mit den Luftströmungen nach Osten driften, stoßen sie zusammen, vermischen sich mit natürlichem Staub und ozeanischer Gischt und bringen so die Gesamtheit der atmosphärischen Aerosole hervor. Im Verlauf der Zeit können sich auf den Teilchen chemische Filme bilden – oder sie verschmelzen zu neuen Partikeln mit ganz anderen Eigenschaften.

Die vorherrschenden Winde tragen dieses Aerosolgemisch auf einer langen, hufförmigen Route um das Atlantische Becken herum. Zunächst werden die Partikel nach Osten über das Meer transportiert, dann ziehen sie in einer Rechtskurve entlang der französischen Küste und nehmen dort weiteren Schmutz aus Europa auf. Die mit Aerosolen belastete Luft wendet sich dann der afrikanischen Westküste zu, bevor sie wieder nach Westen abzweigt und mit tropischen Luftströmungen nach Amerika zurückkehrt.

Einige Wissenschaftler vermuten, dass dieser Strom von Aerosolen das Sonnenlicht ausreichend abschwächt, um die Oberflächentemperatur des Atlantischen Ozeans zu senken und so das regionale Klima zu verändern. Booth und seine Kollegen vom Hadley Centre haben diese Idee mit ihrem neuesten Modell getestet. Dieses Modell simuliert nicht nur den direkten Aerosoleffekt, sondern auch die vielen indirekten Einflüsse der Aerosole auf die Eigenschaften von Wolken. Diese Interaktionen finden auf einer zu kleinen Skala statt, als das sie in einem globalen Modell simuliert werden könnten. Sie müssen daher in Form von statistischen Gleichungen berücksichtigt werden, die wiederum aus detaillierteren Modellen gewonnen werden.

Smog über China
© NASA, GSFC / Modis Rapid Response Team, Jeff Schmalz
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Im April berichtete das Team des Hadley Centres, dass Aerosole im Modell einen ungewöhnlich großen Effekt auf die Oberflächentemperatur des Nordatlantiks haben. Und es ist ein indirekter Effekt, der für den Hauptanteil verantwortlich ist: Die Sulfat-Teilchen ziehen Wasserdampf an und erzeugen so einen großen Nachschub an winzigen Tröpfchen in den Wolken. Dadurch werden die Wolken heller und reflektieren mehr Sonnenlicht – es erreicht also weniger Sonnenlicht die Wasseroberfläche.

Insgesamt stiegen die Oberflächentemperaturen im Nordatlantik im Verlauf der Simulationen von 1860 bis 2005 an. Doch Mitte des 20. Jahrhunderts, als die rasche Industrialisierung zu extremer Luftverschmutzung führte, bremsten die Aerosole die Erwärmung. Als dann in den 1970er Jahren in den USA und Europa Beschränkungen für Schwefel-Emissionen wirksam wurden, wurde der Himmel wieder klarer, und die Oberflächentemperatur des Ozeans nahm wieder zu.

Insgesamt, so Booth, erklärt der sich verändernde Ausstoß industrieller Aerosole zwei Drittel der langfristigen Variation der Oberflächentemperatur des Nordatlantiks. "Erst in der jetzigen Modell-Generation können wir diesen Zusammenhang physikalisch sehen", sagt Booth.

Die Ergebnisse der Forscher vom Hadley Centre scheinen die in Klimakreisen vorherrschende Weisheit umzustürzen, dass das Auf und Ab der Oberflächentemperatur seine Ursache in einem natürlichen ozeanischen Zyklus hat, der so genannten atlantischen Multidekaden-Oszillation (AMO). Frühere Forschungen hatten darauf hingedeutet, dass in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die AMO verursachte kühlere Temperaturen des Atlantik mit für die Dürren in der Sahelzone in Afrika verantwortlich gewesen sein könnten. Derselbe Abkühlungseffekt könnte außerdem zu einer Abschwächung der tropischen Stürme und Hurrikane geführt haben, die regelmäßig über den Atlantik auf Amerika zurasen. Doch auf Grundlage des neuen Bildes zeigt sich, dass es die Umweltverschmutzung durch den Menschen war, die diese klimatische Störung verursacht hat.

Die Frage ist natürlich, ob diese Ergebnisse einer kritischen Überprüfung standhalten. Forscher des National Centers for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder im US-Bundesstaat Colorado berichten, dass sie Hinweise auf ähnliche Effekte in ihren neuen Simulationen sehen. Doch nicht alle Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die Aerosolverschmutzung einen derart tiefgreifenden Einfluss auf die Temperaturen des Ozeans – und damit auch auf das Klima – haben kann. Kevin Trenberth vom NCAR weist darauf hin, dass die Ergebnisse von unsicheren Abschätzungen der Aerosolverschmutzung und der Wolken-Verteilung um den Atlantik herum abhängen. Und Satelliten-Beobachtungen zeigen, dass der indirekte Aerosoleffekt nicht so groß ist, wie die Modelle andeuten, so Trenberth weiter. Es würde ihn überraschen, wenn nicht auch natürliche Zyklen des Ozeans eine wichtige Rolle spielen würden.

Arktische Wärmer

Auch beim Abschmelzen des arktischen Eises kämpfen die Forscher darum, die Rolle natürlicher Zyklen und menschengemachte Ursachen voneinander zu trennen. In den vergangenen Jahrzehnten ist das Eis deutlich zurückgegangen und hat vergangenen September einen rekordverdächtigen Tiefstand von 4,33 Millionen Quadratkilometern erreicht. Die Geschwindigkeit des Eisrückgangs übertrifft alle bis auf die düstersten Modell-Vorhersagen. Die Forscher fragen sich daher, was sie bei ihren Simulationen übersehen.

Die ersten Ergebnisse der neuen Modelle deuten darauf hin, dass die Hinzunahme komplexerer Wolken und Aerosole eine Erklärung liefert. Das neue Atmosphären-Modell des NCAR produziert eine stärkere Erwärmung und einen rascheren Eisrückgang als frühere Modelle. Die Wolken scheinen schuld daran zu sein – ein Ergebnis, das die Forscher völlig überrascht hat. "Ich hielt Wolken immer für wichtig, aber ich habe nicht gedacht, dass Wolken die Hauptrolle spielen", sagt die Atmosphärenforscherin Jennifer Kay vom NCAR.

Um herauszufinden, was tatsächlich vor sich geht, hat das Team neue diagnostische Werkzeuge in das Modell eingebaut. Die zeigen den Wissenschaftlern effektiv, was sie sehen würden, wenn sie unseren Planeten mit den amerikanischen Satelliten CloudSat und Calipso beobachten würden. Die vom Modell erzeugten Daten werden in ein Signal übersetzt, dass sich direkt mit Messdaten der Radar- und Laser-Instrumente dieser Satelliten vergleichen lässt, erläutert Kay. "Im Grunde fliegt ein kleiner Satellit in dem Modell herum", sagt die Forscherin, "und dieser Satellit zeigt uns, dass die Wolken sich im neuen Modell bemerkenswert verbessert haben." Sie sind dünner und durchsichtiger und ähneln damit ihren physikalischen Gegenstücken am arktischen Himmel – obwohl bislang unklar ist, warum.

Arktisches Meereis
© NASA, GSFC / Modis Land Rapid Response Team, Jacques Descloitres
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Die hauchdünnen Wolken lassen im Sommer mehr Licht durch, dadurch schmilzt mehr Eis und ein größerer Teil der Ozean- und Landoberfläche ist der Sonnenstrahlung ausgesetzt. Diese Effekte verstärken sich noch durch die Ablagerung dunkler Aerosolpartikel auf dem Schnee. Insgesamt wird die Oberfläche also dunkler, absorbiert mehr Sonnenlicht und verstärkt so die Erwärmung. Obwohl das Modell im Mittel immer noch zu niedrige Werte für den Eisabbau liefert, seien einige Simulationen doch schon in guter Übereinstimmung mit den Satelliten-Beobachtungen, so Kay.

Auch die Forscher am GFDL sehen in ihren neuen Klimamodellen einen größeren Rückgang der arktischen Vereisung. Michael Winton vom GFDL geht davon aus, dass dies im fünften Bericht des Weltklimarats zu einem Thema werden wird, warnt aber zugleich vor verfrühtem Jubel: Zwar bilde die Addition verbesserter Wolken und von Aerosolen zu den Simulationen die Erwärmung besser ab, aber die Einzelheiten des Vorgangs seien immer noch unklar.

Letztlich muss sich die Gemeinschaft der Klimaforscher einer grundlegenden Frage über Modelle stellen. "Wenn man ein Modell macht, und es stimmt perfekt mit den Beobachtungen überein – ist das dann ein Erfolg?", fragt Winton. Das neue GFDL-Modell stellt zwar die Atmosphäre besser dar und stimmt besser mit den Satellitenbeobachtungen überein. Doch Winton warnt davor, dass die Modellierer die richtigen Antworten aus den falschen Gründen erhalten könnten. Es gibt beispielsweise Hinweise darauf, dass in den vergangenen zwei Jahrzehnten natürliche Variationen der Ozeanströmungen einen Teil des Eisrückgangs verursacht haben. "Wir müssen die Arktis im Kontext des gesamten Klimas verstehen", so Winton.

Die Zähmung des Monsuns

Auf Satellitenbildern ist Südostasien häufig von einem großen Fleck bedeckt – einer braunen Wolke von Kohlenstoffemissionen aus Millionen primitiver Kochstellen und offener Feuer im ländlichen Indien und den benachbarten Ländern. In der Atmosphäre absorbieren diese dunklen Partikel das Sonnenlicht, heizen die umgebende Luft auf und kühlen gleichzeitig die Landoberfläche darunter ab. Dieser Vorgang stabilisiert die Atmosphäre und bremst die regionale Luftzirkulation, die Feuchtigkeit aus dem nördlichen Indischen Ozean in das Landesinnere transportiert. Vor sieben Jahren schlugen Wissenschaftler vor, dieser Mechanismus könnte die Erklärung dafür sein, dass der Sommermonsun in Südasien im Verlauf des vergangenen halben Jahrhundert schwächer geworden ist.

Doch Simulationen mit einem der neuen Modelle am GFDL deuten an, dass die Situation komplizierter sein könnte: Aerosole und Wolken stören möglicherweise den Energieaustausch auf einer ganzen Hemisphäre.

Insgesamt wird das ganze System durch die sommerliche Sonne angetrieben, die der Erde nördlich des Äquators mehr Energie zuführt als südlich des Äquators. Eine gewaltige Wärmekraftmaschine sorgt dann für eine Umverteilung der Energie zwischen den Hemisphären: Heiße Luft steigt im Norden auf, trägt die Wärme in großer Höhe nach Süden, sinkt dort ab und nimmt auf seinem Rückweg nach Norden Feuchtigkeit vom Indischen Ozean auf. Es ist dieser letzte Schritt, der den Sommer-Monsun verursacht, der für bis zu 80 Prozent der Niederschläge im größten Teil Indiens verantwortlich ist. Die vergangenen Oktober in "Science" veröffentlichten GFDL-Ergebnisse zeigen, dass Aerosole diesen Ablauf gravierend stören können.

"Die Aerosolemissionen wirken wie ein Sonnenschirm, der über der nördlichen Hemisphäre aufgespannt ist und der das solare Ungleichgewicht reduziert, welches das System antreibt", erklärt Klimaforscher Yi Ming vom GFDL, der ebenfalls an der Untersuchung beteiligt war. "Wir versuchen, dies mithilfe eines größeren Maßstabs zu belegen."

Monsunwolken
© Earth Sciences and Image Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center
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Das neue Modell der Forscher verschiebt außerdem die Schuld weg von den dunklen Kohlenstoff-Emissionen der Kochstellen und landwirtschaftlichen Feuer zur Schwefelverschmutzung durch Kohlekraftwerke in der Region. Die Sulfatpartikel, die durch diese Verschmutzung entstehen, dienen als Kondensationskeime für Wassertröpfchen, machen dadurch die Wolken heller und kühlen so das Land darunter ab. Das Modell erfasst nicht nur den Rückgang der sommerlichen Regenfälle in Indien um vier bis fünf Prozent seit 1950, es reproduziert außerdem regionale Unterschiede in den Niederschlägen: In Nord- und Zentralindien ist es trockener geworden, in Süd- und Nordwestindien sowie Pakistan hat die Regenmenge dagegen leicht zugenommen. Der in der neuen Untersuchung berücksichtigte Einfluss der Aerosole zeige, so Ming, "einen anderen Teil des Puzzles".

Klimaforscher Surabi Menon vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien weist warnend darauf hin, dass die Simulationen auf unvollständigen Schätzungen der Emissionen basieren. Menon hat den Zusammenhang zwischen Aerosolen und dem Monsun mit dem neuesten Modell des Goddard Institutes for Space Studies der NASA in New York untersucht. Immerhin können die Modelle nun mit Messdaten der Verschmutzung verglichen werden, die noch vor wenigen Jahren nicht vorhanden waren, so Menon: "Wir kommen langsam ans Ziel."

Das globale Puzzle

Bei ihren Versuchen mit der neuesten Modell-Generation interessiert die Klimaforscher besonders die Empfindlichkeit der Klimamodelle: Wie stark ist die Erwärmung in Reaktion auf einen Anstieg der Treibhausgase? Das Hinzufügen des indirekten Aerosoleffekts macht das neue NCAR-Modell empfindlicher gegenüber Treibhausgasen, so NCAR-Forscher Andrew Gettelman. Simulationen zeigen, dass die zusätzliche Abkühlung durch Aerosolverschmutzung ebenso wie der direkte Einfluss des Dunstschleiers im Verlauf des 20. Jahrhunderts einen Teil der Erwärmung durch Triebhausgase maskiert hat. Doch das Modell zeigt eine verstärkte Erwärmung im 21. Jahrhundert: Die Drosselung der Luftverschmutzung setzt die volle Wirkung der Treibhausgase frei. In vereinfachten Modellläufen, bei denen die Konzentration der Treibhausgase verdoppelt wurde – ein mögliches Szenario bis Ende des Jahrhunderts – sagt das Modell einen Anstieg der globalen Temperaturen um 4 Grad voraus. Ältere Modelle lieferten lediglich einen Anstieg um 3,1 Grad.

Das Modell des Hadley Centres bewegt sich in die gleiche Richtung, aber das ist keinesfalls die Regel. Ein Modell des Pierre Simon Laplace Institutes in der Nähe von Paris liefere eine geringere Erwärmung durch Treibhausgase als frühere Modelle, sagt die dort tätige Klimaforscherin Sandrine Bony. Die verbesserte Berücksichtigung von Wolken könnte den Unterschied erklären, aber die Wissenschaftler müssen die neuen Ergebnisse erst noch vollständig analysieren.

Dies ist erst die erste Welle einer Sintflut neuer Modelldaten. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Physik des Klimarats IPCC haben noch bis zum 31. Juli Zeit, ihre Arbeiten für den Bericht einzureichen. Im kommenden Jahr wird die Fachliteratur mit den Ergebnissen von Klima-Simulationen überschüttet werden.

Doch dann beginnt erst der harte Teil der Arbeit: Herauszuarbeiten, was wir glauben sollen. Die Wissenschaftler müssen die feinen Ursachen und Einflüsse in ihren Modellen säuberlich voneinander trennen, soweit möglich ihre Ergebnisse mithilfe anderer Modelle überprüfen und mit Beobachtungen vergleichen. "Wir müssen jetzt wirklich verstehen, was die Modelle machen, und warum sie sich voneinander unterscheiden", sagt Bony. "Nur durch den Vergleich der Ergebnisse von einem ganzen Spektrum von Modellen können wir feststellen, welche Ergebnisse stabil sind."

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