Stratosphärischer Effekt beschleunigt die globale Erwärmung, da der Kohlendioxidgehalt steigt – Physics World

Die Auswirkung einer Verdoppelung des atmosphärischen Kohlendioxids auf das Klima wird mit steigendem Kohlendioxidgehalt deutlicher, wie Forscher in den USA gezeigt haben. Dieser Effekt, der in früheren Schätzungen des Strahlungshaushalts der Erde nicht berücksichtigt wurde, erklärt etwa die Hälfte der Unterschiede zwischen Schätzungen der Empfindlichkeit des Klimas gegenüber erhöhtem Kohlendioxid. Es schlägt auch einen möglichen neuen Ansatz für Geoengineering vor.

Die Erdoberfläche erwärmt sich durch Sonneneinstrahlung und sendet Infrarotstrahlung zurück in den Weltraum. Ein Großteil dieser Infrarotstrahlung wird jedoch von Kohlendioxid und anderen Gasen in der unteren Atmosphäre (der Troposphäre) absorbiert. Dadurch wird die Wärme ähnlich wie das Glas eines Gewächshauses gespeichert. Ohne diesen Treibhauseffekt wäre die Erde nicht warm genug für flüssiges Wasser und könnte kein Leben ermöglichen.

In den letzten zwei Jahrhunderten hat der Mensch durch menschliche Aktivitäten die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre erhöht, was den Treibhauseffekt verstärkt und die Erdoberfläche und die Troposphäre erwärmt.

Stratosphäreneffekte

Allerdings handelt es sich bei dieser Beschreibung um eine Vereinfachung. Etwa 8–15 km über der Erdoberfläche liegt die Tropopause und darüber die Stratosphäre. Die Stratosphäre absorbiert auch einfallende Sonnenstrahlung und gibt Energie im infraroten Wellenlängenbereich wieder ab – der größte Teil davon geht zurück in den Weltraum. Da die Hauptwärmequelle der Stratosphäre von oben kommt, ist es oben am wärmsten.

„Während die Troposphäre durch turbulente Wärmeflüsse an die Oberfläche gekoppelt ist, erfolgt der Wärmeaustausch in der Stratosphäre ausschließlich durch Strahlung“, erklärt der Atmosphärenforscher Brian Soden der University of Miami in Florida. „Wenn wir Kohlendioxid hinzufügen, erhöhen wir den Emissionsgrad bei Infrarotwellenlängen, was dazu führt, dass die Stratosphäre mehr Strahlung abgeben möchte.“ Dies muss bei der Berechnung des „Strahlungsantriebs“ des zunehmenden Kohlendioxids berücksichtigt werden, der ein Maß dafür ist, wie sehr ein Anstieg die Strahlungsenergiebilanz der Erde stört.

Der Strahlungsantrieb ist ein entscheidender Parameter in den Klimavorhersagen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC), seine Genauigkeit wurde jedoch in den letzten 30 Jahren erheblich in Frage gestellt. Beispielsweise stimmen verschiedene Modelle bis zu 50 % nicht über den Strahlungsantrieb überein, der aus einer Verdoppelung der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration resultiert. Nun glauben Soden und Kollegen, einen wesentlichen Teil dieser bisher ungeklärten Diskrepanz erklären zu können.

Vorindustrielle Bedingungen

„Fast alle früheren Berechnungen des Strahlungsantriebs durch Kohlendioxid würden eine Klimatologie von Temperaturprofilen beispielsweise aus vorindustriellen Bedingungen zugrunde legen – man hätte also eine globale Temperatur- und Feuchtigkeitsverteilung und 280 ppm Kohlendioxid – und das würde man wiederholen.“ Berechnung, aber statt 280 ppm würde man es verdoppeln“, erklärt Soden. „Man könnte es sogar mit einer Spanne machen: Wir wissen, dass der Antrieb durch Kohlendioxid nicht linear, sondern mit dem Logarithmus von 1 ppm auf etwa 10,000 ppm zunimmt … Aber alle diese Berechnungen gehen von der gleichen Klimatologie aus – und da gab es eine Diskrepanz : Man würde bei 10 ppm nicht die gleichen Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile erwarten wie bei 100 ppm oder 1000 ppm.“ Die Forscher entwickelten daher Modelle, wie sich der Strahlungsantrieb ändern würde, wenn die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zunimmt.

Eine kontraintuitive Vorhersage, die auf die ersten detaillierten Vorhersagen des anthropogenen Klimawandels in den 1960er Jahren zurückgeht und experimentell bestätigt wurde, besagt, dass die Stratosphäre abkühlt, weil erhöhtes Kohlendioxid ihren Emissionsgrad erhöht und dadurch mehr Wärme an den Weltraum verliert. Gleichzeitig gibt die Troposphäre am Boden weniger Wärme ab, da das erhöhte Kohlendioxid mehr Infrarotstrahlung einfängt.

Der „Fingerabdruck“ des Klimawandels wird in der oberen Atmosphäre identifiziert

„Wenn man den Emissionsgrad erhöht, muss man die Temperatur senken, damit [die Stratosphäre] im Strahlungsgleichgewicht bleibt.“ Diese Abkühlung führt dazu, dass bei höheren Kohlendioxidkonzentrationen die Temperatur weiter sinkt und es für die Erde schwieriger wird, Wärme abzustrahlen. Der Strahlungsantrieb von Kohlendioxid wird daher immer größer. Jeder zusätzliche Eintrag von Kohlendioxid  hat daher eine stärkere Zwangswirkung.

Dieser Logik folgend beschäftigen sich die Forscher nun mit neuen Ideen für das Geoengineering. Frühere Studien konzentrierten sich auf die Verwendung von Aerosolen, die Sonnenlicht zurück in den Weltraum reflektieren: „In dieser Arbeit schlagen wir vor, absorbierende Aerosole zu verwenden, um die [Stratosphäre] zu erwärmen und zu einem geringeren Kohlendioxidantrieb zu führen“, heißt es Haozhe He, der die Arbeit als Sodens Doktorand leitete und jetzt Postdoktorand an der Princeton University ist. Diese Idee wird durch die Tatsache gestützt, dass der Ausbruch des Mount Pinatubo im Jahr 1991, der eine dramatische Abkühlung der Troposphäre verursachte, mit einer Erwärmung der Stratosphäre durch Sulfataerosole einherging.

„Dies ist ein sehr wichtiges [Ergebnis] für die Klimagemeinschaft – es löst ein großes Rätsel, ob wir die Prozesse, die die globale Erwärmung vorantreiben, treu behandelt haben oder nicht“, sagt er William Collins vom Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA, ein koordinierender Hauptautor des Sechsten Sachstandsberichts des IPCC. „Was [Soden und Kollegen] gezeigt haben, ist, dass die Klimagemeinschaft seit Jahrzehnten viel bessere Arbeit leistet, als wir vermutet haben. Die Modelle waren die ganze Zeit korrekt, wir haben sie falsch getestet. Sie haben immer eine bessere Antwort geliefert, als wir dachten.“

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/stratospheric-effect-boosts-global-warming-as-carbon-dioxide-levels-rise/