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Geoengineering: Die Tücken der Klimakühlung

Sonnensegel und Aerosole können zwar die Temperaturen auf der Erde senken. Mögliche Sekundäreffekte müssen dabei aber exakt eingepreist werden - etwa der Einfluss des Geoengineerings auf Verdunstung und Niederschläge.
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Geoengineering-Projekte klingen faszinierend: etwa gigantische Sonnensegel im Weltraum aufzuspannen oder winzige Partikel hoch oben in die Atmosphäre zu bringen, um einen Teil der Sonnenstrahlen abzufangen oder in den Weltraum zu reflektieren. Beides könnte helfen, die Erdoberfläche kühler zu machen. Beides zielt allerdings allein auf die Temperatur – nicht aber auf andere Einflussgrößen, die sich verändert haben, seit die Treibhausgase der modernen Zivilisation das Klimageschehen mitbestimmen. Zu diesen Größen gehören zum Beispiel der Wasserkreislauf und die Menge der Niederschläge. Diese beiden Faktoren nicht zu berücksichtigen, wäre ein Fehler, wie nun relativ einfache physikalische Berechnungen nahelegen, die Axel Kleidon und Maik Renner vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena durchgeführt haben [1].

Ausgangspunkt der Forscher war zunächst die Beobachtung, dass Regen, Schnee oder Hagel – sowie ihr Ausbleiben in Dürreperioden – häufig Natur und Wirtschaften der Menschen viel stärker beeinflussen als die Temperatur. "Wir haben uns daher den Wasserhaushalt in der Atmosphäre genauer angeschaut", erklärt Kleidon. Dabei gingen er und sein Kollege von der Thermodynamik aus: Wie wirken mehr oder weniger Energie auf das Klima? Wie beeinflussen Sonnenstrahlen zum Beispiel die Temperatur auf der Erdoberfläche und die Verdunstung, und wie viel Wärme tragen Luftbewegungen weg?

Wassertopf mit Deckel auf der Herdplatte

Der Bedeutung des Wasserhaushalts für das Klimageschehen lässt sich gut an Zahlen ablesen: Wird die Luft ein Grad wärmer, kann sie rund 6,5 Prozent mehr Wasser aufnehmen. Das zeigen Experimente und theoretische Berechnungen für den Bereich um 15 Grad Celsius, den es an der Erdoberfläche im Durchschnitt zwischen den Polen und den Tropen sowie zwischen Sommer und Winter hat. Je mehr Feuchtigkeit in die Luft passt, umso mehr Wasser kann von der Erdoberfläche verdunsten und später als Niederschlag wieder auf den Boden fallen.

Lassen Klimaforscher dagegen ihre Computermodelle laufen, spucken diese für ein Grad höhere Temperaturen meist nur um die zwei Prozent mehr Niederschläge aus. Die Klimamodelle arbeiten dabei mit dem Begriff "Strahlungsantrieb". Darin werden die beiden Kräfte Sonnenstrahlung und Treibhauseffekt vermischt, die unterschiedliche Wirkungen auf das Klima zeigen. Axel Kleidon zieht dafür einen Vergleich heran: "Die Sonnenstrahlung kann man sich als eine Art Heizplatte vorstellen, die Wasser in einem darauf stehenden Topf erhitzt. Der Treibhauseffekt wäre in diesem Beispiel ein Deckel, der die eingestrahlte Energie besser im Topf hält." Deutlich wird hier ein grundlegender Unterschied: Ändert sich die Sonnenstrahlung oder die Leistung der Heizplatte, fließt mehr Energie durch das Klimasystem oder den Wassertopf. Mehr Treibhausgase oder ein Deckel auf dem Topf halten dagegen mehr Energie im System, ohne deren Fluss zu ändern.

Stärkere Sonnenstrahlung

Die im Strahlungsantrieb vieler Klimamodelle kombinierten zwei Faktoren – die Sonneneinstrahlung und der Treibhauseffekt – verändern das Klima also unterschiedlich. Kleidon warnt daher, dass man beides nicht unbedacht zusammenwerfen sollte. Klar werde das wieder am Wassertopf auf der Herdplatte: Dreht man dort den Regler von der dritten auf die vierte Stufe, fließt ein stärkerer Strom und erhöht den Energiefluss. Dabei wird das Wasser aber nicht nur wärmer, sondern verdunstet auch stärker. Dieses Verdunsten aber verschlingt sehr viel Energie und kühlt das System so wieder kräftig ab. Nach einiger Zeit stellt sich ein Gleichgewicht ein, Temperatur und Verdunstung pendeln sich auf einem bestimmten Niveau ein. Dieses liegt bei Heizstufe vier für beide Faktoren höher als bei Stufe drei.

Genau diesen Fall haben Kleidon und Renner für das Klimasystem der Erde durchgerechnet. Die stärkeren Sonnenstrahlen heizen die Erdoberfläche stärker auf und der Energiefluss steigt, daher verdunstet mehr Wasser. Gleichzeitig aber erhöht sich auch die Luftbewegung vom Boden in die Höhe, weil die bodennahe Luft wärmer wird und so mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Dadurch werden natürlich auch die Unterschiede von Temperatur und Feuchtigkeit zwischen unten und oben größer, was wiederum die Luftströmungen ankurbelt. Zusammen mit der größeren Verdunstung aber führt diese verstärkte Konvektion die zusätzlich eingestrahlte Energie wieder von der Erdoberfläche ab. Lässt die Sonnenstrahlung die Temperatur um ein Grad steigen, werden Wassertransport und damit am Ende auch die Niederschläge um 3,2 Prozent angekurbelt, rechnen die Forscher aus.

Mehr Treibhausgase

Diese Situation ändert sich grundlegend, sobald ein dichterer Deckel den Topf besser isoliert. Dadurch bleibt mehr Energie im System, es wird wärmer, während der Energiefluss sich nicht ändert. Nur hält der Deckel oder die Treibhausgase diese Energie besser im Topf – oder eben im Klimasystem der Erde. Dabei stellt sich aber ein anderes Gleichgewicht als vorher ein. Während mit mehr Treibhausgasen oder mit einem dichteren Deckel auf dem Topf die Temperaturen ebenfalls steigen, verringern sich gleichzeitig aus einem einfachen Grund die von unten nach oben gerichteten Luftströmungen: Feuchtere Luft bringt Wärme effektiver in andere Schichten, es muss also weniger Luft strömen, um die gleiche Wärme zu transportieren. In der Höhe kondensiert das Wasser in der kühleren Luft wieder aus, bildet zunächst Wolken, aus denen es später regnen kann. In diesem Fall bedeuten ein Grad höhere Temperaturen daher nur ein Ankurbeln des Wasserhaushalts und damit der Niederschläge um 2,2 Prozent, rechnen die Max-Planck-Forscher aus.

Praktisch den gleichen Wert hatten ja auch die Klimamodelle geliefert, die ebenfalls von einem dichteren Deckel in Form steigender Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre ausgehen. Die Berechnung von Kleidon und Renner bestätigt aber nicht nur bisherige Klimamodelle – sie wird ihrerseits von Rechnungen unterstützt, die völlig unabhängig und praktisch zur gleichen Zeit eine Gruppe um Simone Tilmes vom National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado, durchgeführt hat. Dabei kommen die Forscher – beteiligt waren auch Ulrike Niemeier und Hauke Schmidt vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg – bei einer Änderung der Sonneneinstrahlung oder der Treibhausgase in der Luft zu ganz ähnlichen Ergebnisse für den Wasserhaushalt [2].

Dürren durch Sonnensegel?

Was aber bedeuten die Erkenntnisse in der Praxis – etwa im Bezug auf Geoengineering-Ideen wie die Sonnensegel oder Aerosolwolken? Beide zielen ja darauf ab, so Kleidon, "die durch Treibhausgase angestiegenen Temperaturen durch verringerte Sonneneinstrahlung zu senken. Das funktioniert aber nicht für den Wasserhaushalt, weil dabei eben zwei grundsätzlich unterschiedliche Mechanismen gemischt werden".

Eine leicht nachvollziehbare Rechnung zeigt den Unterschied: Klimaforscher fordern bekanntermaßen, den Anstieg der durchschnittlichen Temperaturen auf der Erde durch Treibhausgase auf höchstens zwei Grad Celsius zu begrenzen. Dabei sollten der Wasserhaushalt und so auch die durchschnittlichen Niederschläge auf dem Globus nach den Rechnungen der Max-Planck-Forscher um 4,4 Prozent steigen. Tatsächlich könnten Geoingenieure durchaus die im Weltraum installierten Sonnensegel oder die Aerosole, die Sonnenstrahlen in den Weltraum zurückwerfen, so planen, dass sie die durchschnittlichen Temperaturen auf dem Globus um genau die gleichen zwei Grad Celsius wieder senken würden, die sie der Treibhauseffekt in die Höhe getrieben hat. Allerdings werden die Treibhausgase von dieser Maßnahme praktisch nicht beeinflusst, denn nur die Sonneneinstrahlung ändert sich ja. Dadurch aber sinkt der vorher um 4,4 Prozent angestiegene Wasserhaushalt nach den Berechnungen der Jenaer Forscher um 6,4 Prozent. Und das bedeutet nichts anderes, als dass die durchschnittlichen Niederschläge auf der Erde im Vergleich zur Situation vor Beginn des Klimawandels durch Treibhausgase um zwei Prozent niedriger liegen sollten.

Da niemand weiß, wie sich dieses Niederschlagsminus in den verschiedenen Regionen auswirken dürfte, sollte man von solchen Maßnahmen wohl besser die Finger lassen. Schließlich schraubt man damit an einer ganz anderen Stellschraube des Klimasystems als beim Verändern der Treibhausgase. Das aber könnte durchaus dazu führen, dass einige Weltgegenden von Dürren geplagt werden, die sie vor dem Klimawandel nicht kannten. Um den Klimawandel zu stoppen oder ihn gar rückgängig zu machen, dürfte daher kaum etwas anderes übrig bleiben, als den Ausstoß von Treibhausgasen weltweit deutlich zu reduzieren und möglichst sogar Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen.

3. KW 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 3. KW 2014

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  • Quellen
[1] A. Kleidon, M. Renner: A simple explanation for the sensitivity of the hydrologic cycle to surface temperature and solar radiation and its implications for global climate change. In: Earth System Dynamics 4, S. 455–465, 2013
[2] S. Tilmes et al.: The hydrological impact of Geoengineering in the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP). In: Journal of Geophysical Research 118, S. 11036–11058, 2013

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