Atmosphärenchemie: Heißkalte Wechselwirkungen
Der Klimawandel heizt der Erde ein - da ist sich die Wissenschaft fast ausnahmslos einig. Aber wird es wirklich dem ganzen Planeten wärmer? Nein, die Stratosphäre widersetzt sich diesem Trend ganz eindeutig. Und doch hängt ihre Abkühlung mit dem menschlichen Treibhauseffekt zusammen.
© NASA, GSFC Scientific Visualization Studio (Ausschnitt)
Als der Pinatubo 1991 auf den Philippinen ausbrach, wurde die Eruption zu einer tödlichen Katastrophe für 500 Menschen. Es hätte aber noch viel schlimmer kommen können, denn das Erwachen des schlafenden Feuerbergs – er ruhte zuvor mehr als 500 Jahre – war eines der heftigsten eines Vulkans im 20. Jahrhundert: Er schleuderte mehr als zehn Kubikkilometer Material aus seinem Schlund, Aschewolken stiegen bis in 24 Kilometer Höhe auf, und glühend heiße pyroklastische Ströme aus Stäuben und heißen Gase schossen in rasender Schnelle die Flanken des Berges hinab. Die rasche vorherige Evakuierung der Bevölkerung verhinderte ein größeres Unglück.
Die Folgen von Pinatubos Zorn waren aber noch weit jenseits der philippinischen Grenzen spürbar. Denn die Stäube, Gase und frei gesetzten Säuren aus dem Erdinneren gelangten bis in die obersten Schichten der Erdatmosphäre, wo sie sich global verbreiteten. Wie ein graues Tuch legte sich das Material um den Erdball und verringerte so den Anteil der durchdringenden Sonnenstrahlung um bis zu fünf Prozent. In der Folge kühlte sich das Klima in diesem Jahr weltweit um durchschnittlich etwa 0,4 Grad Celsius im Vergleich zu den langjährigen Mittelwerten ab.
In der Stratosphäre hingegen lösten die Partikel den umgekehrten Effekt aus – hier stiegen die Temperaturen um mehrere Grad an. Und sie kehrten auch dort einen langjährigen Trend um: So wie auf der Erde und in der erdnahen Troposphäre seit geraumer Zeit der Klimawandel dem Planeten einheizt, so kühlt sich die Stratosphäre in gleichem Maße seit dem Begin der 1980er Jahre ab. Beides hängt zusammen, denn die zunehmenden Konzentration von Treibhausgasen – allen voran Kohlendioxid – in der Troposphäre verringert die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche in die darüber liegende Stratosphäre.
Erschwerend kommt hier noch der rasche Abbau des Ozons hinzu, der von Chemikalien wie den berühmten FCKW ausgelöst wird. Ozon selbst wirkt auch als Treibhausgas, durch seinen Verlust kann die Stratosphäre also nur einen noch geringeren Anteil der ohnehin zurückgehenden Wärmestrahlung von unten auffangen. Je kälter es aber da oben wird, desto leichter zersetzen wiederum aggressive Chemikalien das Ozon – ein Teufelskreis.
Ist es dann aber nicht gut, wenn Vulkanausbrüche die Stratosphäre erwärmen und damit dem Ozon eine Atempause verschaffen? Mitnichten lautet die Antwort von Klimatologen um Venkatchalam Ramaswamy von der National Oceanic and Atmospheric Administration der USA (NOAA), die jetzt erstmals ein Modell kreierten, mit dem sie exakt die Abläufe während der letzten 25 Jahre im Grenzbereich unserer Erde zur Schwärze des Alls nachstellten.
In diese Simulation ließen die Forscher neben dem gemessenen Rückgang an Ozon und der grob geschätzten Menge frei gesetzter Aerosole der Vulkanausbrüche auch die jeweilige Sonnenaktivität der Jahre zwischen 1980 und 2005 einfließen. Anschließend verglichen sie ihre Ergebnisse mit dem von Satelliten gemessenen Temperaturtrend in der Stratosphäre. Sehr zur wissenschaftlichen Freude des Teams gaben die Berechnungen dann exakt den tatsächlich beobachteten Verlauf der stratosphärischen Abkühlung mit all ihren Sprüngen und Diskontinuitäten wieder.
Denn im Gegensatz zum mehr oder weniger linearen Verlust an O3 – der chemischen Formel für Ozon – während dieser Zeit besteht die Temperaturkurve jenseits der Troposphäre aus Serien mit teils dramatischen Anstiegen und nachfolgenden Abstürzen. Neben dem Ausbruch des Pinatubo bewirkte dies auch die Eruption des El Chichon in Mexiko 1982. Ihre Aerosole kaschieren durch die Absorptionsfähigkeit von Sonnenlicht die Abkühlung und markierten für wenige Jahre immer eine gewisse Aufheizung der Stratosphäre.
Lässt dieser temporäre Einfluss jedoch nach, setzt die Abkühlung wieder ein, und die Temperaturen sinken kontinuierlich weiter. Mehr noch, der stark zunehmende Anteil von Treibhausgasen in der Troposphäre bewirkt mittlerweile eine Beschleunigung dieses Trends im Vergleich zwischen 1985 und 1990 – also in der Phase zwischen El Chichon und Pinatubo. Heute ist der menschengemachte Klimawandel nach Ansicht der Forscher die dominante Kraft für die Veränderungen in der Stratosphäre.
In der Zukunft könnte diese Entwicklung jedoch noch weitere bedenkliche Folgen haben, denn die fortschreitende Abkühlung hemmt die Erholung der Ozonschicht. Deshalb könnte es länger dauern, bis sich das klaffende Loch über dem Südpol schließt. Und am Nordpol wäre sogar ein beschleunigter Abbau des O3 möglich, sodass hier zeitweilig neue Lücken im UV-Schutzschirm aufreißen. All das wollen die Forscher deshalb wegen der akkuraten Wiedergabe der Vergangenheit nun mit dem Modell auch für die Zukunft ergründen.
Große Vulkanausbrüche mit ihrem Nebeneffekt der stratosphärischen Erwärmung sind allerdings für die Ozonschicht dennoch nur eine scheinbar positive Nachricht. Denn neben Aerosolen dringen Säuren, Brom- und Chlor-Verbindungen ebenfalls bis in diese Regionen vor. Als Kollateralschaden setzen sie dem Ozon dann ebenfalls zu und bauen es ab. Sie reißen quasi selbst noch zusätzliche Löcher in den Schutzschild der Erde – und fördern damit anschließend den weiteren gefährlichen Temperatursturz.
Die Folgen von Pinatubos Zorn waren aber noch weit jenseits der philippinischen Grenzen spürbar. Denn die Stäube, Gase und frei gesetzten Säuren aus dem Erdinneren gelangten bis in die obersten Schichten der Erdatmosphäre, wo sie sich global verbreiteten. Wie ein graues Tuch legte sich das Material um den Erdball und verringerte so den Anteil der durchdringenden Sonnenstrahlung um bis zu fünf Prozent. In der Folge kühlte sich das Klima in diesem Jahr weltweit um durchschnittlich etwa 0,4 Grad Celsius im Vergleich zu den langjährigen Mittelwerten ab.
In der Stratosphäre hingegen lösten die Partikel den umgekehrten Effekt aus – hier stiegen die Temperaturen um mehrere Grad an. Und sie kehrten auch dort einen langjährigen Trend um: So wie auf der Erde und in der erdnahen Troposphäre seit geraumer Zeit der Klimawandel dem Planeten einheizt, so kühlt sich die Stratosphäre in gleichem Maße seit dem Begin der 1980er Jahre ab. Beides hängt zusammen, denn die zunehmenden Konzentration von Treibhausgasen – allen voran Kohlendioxid – in der Troposphäre verringert die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche in die darüber liegende Stratosphäre.
Erschwerend kommt hier noch der rasche Abbau des Ozons hinzu, der von Chemikalien wie den berühmten FCKW ausgelöst wird. Ozon selbst wirkt auch als Treibhausgas, durch seinen Verlust kann die Stratosphäre also nur einen noch geringeren Anteil der ohnehin zurückgehenden Wärmestrahlung von unten auffangen. Je kälter es aber da oben wird, desto leichter zersetzen wiederum aggressive Chemikalien das Ozon – ein Teufelskreis.
Ist es dann aber nicht gut, wenn Vulkanausbrüche die Stratosphäre erwärmen und damit dem Ozon eine Atempause verschaffen? Mitnichten lautet die Antwort von Klimatologen um Venkatchalam Ramaswamy von der National Oceanic and Atmospheric Administration der USA (NOAA), die jetzt erstmals ein Modell kreierten, mit dem sie exakt die Abläufe während der letzten 25 Jahre im Grenzbereich unserer Erde zur Schwärze des Alls nachstellten.
In diese Simulation ließen die Forscher neben dem gemessenen Rückgang an Ozon und der grob geschätzten Menge frei gesetzter Aerosole der Vulkanausbrüche auch die jeweilige Sonnenaktivität der Jahre zwischen 1980 und 2005 einfließen. Anschließend verglichen sie ihre Ergebnisse mit dem von Satelliten gemessenen Temperaturtrend in der Stratosphäre. Sehr zur wissenschaftlichen Freude des Teams gaben die Berechnungen dann exakt den tatsächlich beobachteten Verlauf der stratosphärischen Abkühlung mit all ihren Sprüngen und Diskontinuitäten wieder.
Denn im Gegensatz zum mehr oder weniger linearen Verlust an O3 – der chemischen Formel für Ozon – während dieser Zeit besteht die Temperaturkurve jenseits der Troposphäre aus Serien mit teils dramatischen Anstiegen und nachfolgenden Abstürzen. Neben dem Ausbruch des Pinatubo bewirkte dies auch die Eruption des El Chichon in Mexiko 1982. Ihre Aerosole kaschieren durch die Absorptionsfähigkeit von Sonnenlicht die Abkühlung und markierten für wenige Jahre immer eine gewisse Aufheizung der Stratosphäre.
Lässt dieser temporäre Einfluss jedoch nach, setzt die Abkühlung wieder ein, und die Temperaturen sinken kontinuierlich weiter. Mehr noch, der stark zunehmende Anteil von Treibhausgasen in der Troposphäre bewirkt mittlerweile eine Beschleunigung dieses Trends im Vergleich zwischen 1985 und 1990 – also in der Phase zwischen El Chichon und Pinatubo. Heute ist der menschengemachte Klimawandel nach Ansicht der Forscher die dominante Kraft für die Veränderungen in der Stratosphäre.
In der Zukunft könnte diese Entwicklung jedoch noch weitere bedenkliche Folgen haben, denn die fortschreitende Abkühlung hemmt die Erholung der Ozonschicht. Deshalb könnte es länger dauern, bis sich das klaffende Loch über dem Südpol schließt. Und am Nordpol wäre sogar ein beschleunigter Abbau des O3 möglich, sodass hier zeitweilig neue Lücken im UV-Schutzschirm aufreißen. All das wollen die Forscher deshalb wegen der akkuraten Wiedergabe der Vergangenheit nun mit dem Modell auch für die Zukunft ergründen.
Große Vulkanausbrüche mit ihrem Nebeneffekt der stratosphärischen Erwärmung sind allerdings für die Ozonschicht dennoch nur eine scheinbar positive Nachricht. Denn neben Aerosolen dringen Säuren, Brom- und Chlor-Verbindungen ebenfalls bis in diese Regionen vor. Als Kollateralschaden setzen sie dem Ozon dann ebenfalls zu und bauen es ab. Sie reißen quasi selbst noch zusätzliche Löcher in den Schutzschild der Erde – und fördern damit anschließend den weiteren gefährlichen Temperatursturz.
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