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Warum führt trockene Luft zu mehr feuchter Hitze?
Paradoxer Verstärker: Trockene Luft, die sich in aufsteigende warme und feuchte Luft mischt, kann extreme Feuchthitze am Boden noch intensivieren. Analysen von Reanalysedaten und Klimasimulationen zeigen, dass diese Durchmischung eine bisher oft angenommene thermodynamische Grenze verschiebt und bei weiterer Erwärmung eine wichtige Rolle behalten dürfte.
St Andrews (Schottland). Hohe Temperaturen belasten den Körper besonders stark, wenn die Luft zugleich viel Feuchtigkeit enthält. Ein Maß dafür ist die Feuchtkugeltemperatur: Sie beschreibt, wie weit sich Luft durch Verdunstung bei konstantem Druck abkühlen lässt und bündelt damit Temperatur und Feuchte in einem Wert.
Für sommerliche Landgebiete außerhalb der Tropen gilt bislang oft eine einfache Vorstellung: Konvektion sollte verhindern, dass die feuchte statische Energie, ein Maß für Wärme, Wasserdampf und Lageenergie der Luft, in Bodennähe deutlich über die Sättigungsenergie der mittleren Troposphäre steigt. Vereinfacht gesagt müsste aufsteigende feuchte Luft so lange Konvektion auslösen, bis die Atmosphäre wieder annähernd feuchtneutral ist. Doch gerade bei besonders feuchtheißen Tagen wird diese Grenze häufig überschritten.
Forscher der University of St Andrews um Dr. Roshan Jha haben nun untersucht, warum das möglich ist. Dafür kombinierten sie die ERA5-Reanalyse, einen aus Beobachtungen und Wettermodellen rekonstruierten Atmosphärendatensatz für die Sommer 1991 bis 2020, mit Simulationen des Community Earth System Model Version 2 (CESM2). Analysiert wurden Landgebiete der Nordhalbkugel zwischen 35 und 65 Grad nördlicher Breite unterhalb von 1.000 Metern.
Im Mittelpunkt steht das sogenannte Entrainment, das Einmischen von Umgebungsluft in aufsteigende Luftpakete. Ist diese Umgebungsluft trockener, verdünnt sie die feuchte statische Energie des Aufwinds und schwächt damit dessen Auftrieb. Dadurch kann sich in Bodennähe mehr Wärme und Feuchtigkeit ansammeln, bevor kräftige Konvektion einsetzt.
In den ERA5-Daten lagen 74 Prozent der untersuchten Gitterpunkte an den jeweiligen jährlichen Feuchthitze-Maxima oberhalb der klassischen feuchtneutralen Grenze. Je extremer die Ereignisse waren, desto größer war im Mittel die Überschreitung. Die Kontrollsimulation des Klimamodells reproduzierte dieses Muster mit 79 Prozent der Gitterpunkte.
Entscheidend war der Gegenversuch: Als die Forscher das Entrainment in der Konvektionsdarstellung des Modells auf null setzten, rückten die Werte deutlich näher an die klassische Grenze. Nur noch 37,5 Prozent der Gitterpunkte lagen darüber, und die Steigung der Beziehung zwischen bodennaher und höherer Energie sank von 1,35 auf 1,13. Damit weist die Simulation die trockene Lufteinmischung als wichtigen Treiber der Überschreitung aus.
Allerdings verschwand das Phänomen nicht vollständig. Die verbleibenden Überschreitungen gingen mit stärkeren Energiebarrieren gegen Konvektion einher. Solche Hemmungen können ebenfalls zulassen, dass sich bodennahe Energie zunächst aufstaut. Auch eine Verdopplung des Entrainments verstärkte den Effekt kaum weiter, was auf ein nichtlineares, bei hohen Mischungsraten teilweise gesättigtes Verhalten hindeutet.
Aus den Daten leiteten die Wissenschaftler ein erweitertes Grenzmodell ab. Es berücksichtigt nicht nur die thermodynamischen Bedingungen in der freien Troposphäre, sondern auch deren Trockenheit und eine diagnostizierte effektive Mischungsrate. Damit ließen sich die beobachteten und simulierten Feuchthitze-Maxima deutlich besser beschreiben als mit der klassischen feuchtneutralen Grenze allein.
In einer zusätzlichen Modellrechnung erhöhten die Forscher die vorgegebenen Meeresoberflächentemperaturen weltweit um vier Kelvin. Mit normalem Entrainment lagen dann 85 Prozent der Gitterpunkte oberhalb der klassischen Grenze. Die mittlere Überschreitung der bodennahen feuchten statischen Energie stieg von 4,4 auf 7,5 Kilojoule pro Kilogramm. Das ist keine konkrete Projektion für ein bestimmtes Erwärmungsszenario