Earth’s atmospheric layers. Copyright: NOAA / Yale Environment 360
Quelle: The Upper Atmosphere Is Cooling, Prompting New Climate Concerns. Yale Environment 360 18.5.23
Eine neue Studie, die bestätigt, dass der globale Klimawandel vom Menschen verursacht wird, zeigt auch, dass sich die obere Atmosphäre aufgrund des steigenden CO2-Gehalts dramatisch abkühlt. Die Wissenschaftler sind besorgt über die Auswirkungen, die diese Abkühlung auf Satelliten in der Umlaufbahn, die Ozonschicht und das Wetter auf der Erde haben könnte.
Unserem Klimawandel liegt ein Paradox zugrunde. Während sich die Luftschicht nahe der Erdoberfläche erwärmt, wird der grösste Teil der Atmosphäre darüber dramatisch kälter. Dieselben Gase, die die untersten paar Kilometer der Luft erwärmen, kühlen die viel grösseren Flächen darüber ab, die sich bis an den Rand des Weltraums erstrecken.
Dieses Paradoxon wurde von Klimamodellierern schon lange vorhergesagt, aber erst kürzlich von Satellitensensoren im Detail quantifiziert. Die neuen Ergebnisse liefern eine endgültige Bestätigung in einem wichtigen Punkt, werfen aber gleichzeitig andere Fragen auf.
Die gute Nachricht für die Klimaforscher ist, dass die Daten über die Abkühlung in der Luft nicht nur die Richtigkeit der Modelle bestätigen, die die Erwärmung der Erdoberfläche als vom Menschen verursacht einstufen. Eine neue Studie, die in diesem Monat in der Fachzeitschrift PNAS von dem erfahrenen Klimamodellierer Ben Santer von der Woods Hole Oceanographic Institution veröffentlicht wurde, ergab, dass die Stärke des „Signals“ des menschlichen Fingerabdrucks des Klimawandels um das Fünffache erhöht wurde, indem das „Rauschen“ der natürlichen Hintergrundvariabilität reduziert wurde. Laut Sander ist dieses Ergebnis „unumstösslich“.
Doch die neuen Erkenntnisse über das Ausmass der Abkühlung in der Luft bereiten den Atmosphärenphysikern neue Sorgen – über die Sicherheit von Satelliten in der Umlaufbahn, über das Schicksal der Ozonschicht und über die Möglichkeit, dass diese raschen Veränderungen in der Luft unser Wetter unten plötzlich und unerwartet in Turbulenzen versetzen.
Der Himmel fällt – buchstäblich
Die Abkühlung der Luft in der Höhe führt auch dazu, dass sie sich zusammenzieht. Laut einer Analyse von NASA-Daten durch Petr Pisoft, Atmosphärenphysiker an der Karlsuniversität in Prag, hat sich die Tiefe der Stratosphäre seit 1980 um etwa 1 Prozent bzw. 400 m verringert. Oberhalb der Stratosphäre stellte Martin Mlynczak, Atmosphärenphysiker bei der NASA, in einem Artikel in Eos (An Observational Gap at the Edge of Space) fest, dass die Mesosphäre und die untere Thermosphäre zwischen 2002 und 2019 um fast 1’350 m geschrumpft sind. Ein Teil dieser Schrumpfung war auf einen kurzfristigen Rückgang der Sonnenaktivität zurückzuführen, der inzwischen beendet ist, aber 350 m davon waren auf die Abkühlung durch das zusätzliche CO2 zurückzuführen, rechnet er vor.
Weltraumschrott bleibt länger in Umlaufbahn
Diese Schrumpfung bedeutet, dass die obere Atmosphäre weniger dicht wird, was wiederum den Luftwiderstand von Satelliten und anderen Objekten in niedrigen Umlaufbahnen verringert – bis 2070 um etwa ein Drittel, rechnet Ingrid Cnossen, Forschungsstipendiatin am British Antarctic Survey, vor.
Auf den ersten Blick ist dies eine gute Nachricht für die Satellitenbetreiber. Ihre Nutzlasten sollten länger in Betrieb bleiben, bevor sie zur Erde zurückfallen. Das Problem sind jedoch die anderen Objekte, die sich diese Höhen teilen. Die wachsende Menge an Weltraumschrott – Ausrüstungsgegenstände verschiedenster Art, die in der Umlaufbahn zurückgelassen werden – bleibt ebenfalls länger in der Umlaufbahn und erhöht das Risiko von Kollisionen mit derzeit in Betrieb befindlichen Satelliten.
Stärkerer Ozonabbau in der Arktis
Eine grosse Sorge ist der bereits brüchige Zustand der Ozonschicht in der unteren Stratosphäre, die uns vor schädlicher Sonnenstrahlung schützt, die Hautkrebs verursacht. Während eines Grossteils des 20. Jahrhunderts wurde die Ozonschicht durch die industriellen Emissionen ozonfressender Chemikalien wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) immer dünner. Das Montrealer Protokoll von 1987 zielte darauf ab, die jährlichen Löcher durch die Beseitigung dieser Emissionen zu beseitigen. Inzwischen ist jedoch klar, dass ein anderer Faktor diese Bemühungen untergräbt: die Abkühlung der Stratosphäre.
Die Ozonzerstörung läuft in den polaren Stratosphärenwolken, die sich nur bei sehr niedrigen Temperaturen bilden, auf Hochtouren, insbesondere über den Polarregionen im Winter. Die kühlere Stratosphäre hat jedoch dazu geführt, dass sich mehr solcher Wolken bilden können. Während sich die Ozonschicht über der Antarktis durch das Verschwinden der FCKW langsam wieder bildet, sieht es in der Arktis anders aus, sagt Peter von der Gathen vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Potsdam, Deutschland. In der Arktis verschlimmert die Abkühlung den Ozonabbau. Von der Gathen sagt, der Grund für diesen Unterschied sei nicht klar.
Bei den gegenwärtigen Trends, sagte er, „könnten die Bedingungen, die einen grossen saisonalen Ozonverlust in der Arktik begünstigen, bis zum Ende dieses Jahrhunderts andauern oder sich sogar noch verschlimmern … viel länger, als gemeinhin angenommen wird.“
Dies ist umso besorgniserregender, als die Regionen unter früheren antarktischen Ozonlöchern weitgehend menschenleer waren, während die Regionen unter zukünftigen arktischen Ozonlöchern möglicherweise zu den am dichtesten besiedelten Gebieten der Erde gehören, einschliesslich Mittel- und Westeuropa. Wenn wir dachten, dass die Ausdünnung der Ozonschicht ein Problem des 20. Jahrhunderts sei, müssen wir vielleicht umdenken.
Auswirkungen auf unser Klima
Die Chemie ist nicht das einzige Problem. Atmosphärenphysiker sind auch zunehmend besorgt, dass die Abkühlung die Luftbewegungen in der Höhe in einer Weise verändern könnte, die sich auf das Wetter und das Klima am Boden auswirkt. Eines der turbulentesten dieser Phänomene ist als plötzliche Erwärmung der Stratosphäre bekannt. Westwinde in der Stratosphäre drehen regelmässig um, was zu grossen Temperaturschwankungen führt, bei denen sich Teile der Stratosphäre innerhalb weniger Tage um bis zu 50 Grad Celsius erwärmen können.
Dies geht in der Regel mit einem raschen Absinken der Luft einher, die auf den atlantischen Jetstream an der Spitze der Troposphäre drückt. Der Jetstream, der die Wettersysteme über der nördlichen Hemisphäre antreibt, beginnt sich zu winden. Diese Störung kann zu einer Vielzahl von Wetterextremen führen, von anhaltenden intensiven Regenfällen bis hin zu sommerlichen Dürren und „blockierenden Hochs“, die wochenlanges kaltes Winterwetter vom Osten Nordamerikas bis nach Europa und Teilen Asiens verursachen können.
Überwachung der oberen Atmosphäre am Ende?
Die meisten der Satelliten, die in den letzten drei Jahrzehnten Informationen aus der oberen Atmosphäre geliefert haben, erreichen das Ende ihrer Lebensdauer. Von den sechs NASA-Satelliten, um die es hier geht, ist einer im Dezember ausgefallen, ein anderer wurde im März ausser Dienst gestellt, und drei weitere werden demnächst abgeschaltet. Es ist noch keine neue Mission geplant oder in Entwicklung.
Mlynczak hofft, das Interesse an der Überwachung mit einer von ihm organisierten Sondersitzung bei der American Geophysical Union im Herbst wieder zu wecken, bei der die obere Atmosphäre als „die nächste Grenze des Klimawandels“ diskutiert werden soll. Ohne fortgesetzte Überwachung, so die Befürchtung, könnten wir bald zu den Tagen der Ignorosphäre zurückkehren.
The Upper Atmosphere Is Cooling, Prompting New Climate Concerns. Yale Environment 360 18.5.23
Exceptional stratospheric contribution to human fingerprints on atmospheric temperature. Benjamin Santer et al. PNAS 8.5.23
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