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Mehr CO₂ erwärmt die untere Atmosphäre, kühlt aber die Stratosphäre
Mehr Kohlendioxid erwärmt die untere Atmosphäre, lässt die darüberliegende Stratosphäre aber kälter werden. Eine physikalische Modellstudie erklärt nun, warum dieses gegensätzliche Temperaturmuster entsteht und weshalb die Abkühlung den Wärmerückhalt verstärkt. Demnach erhöht die Anpassung der Stratosphäre die Strahlungswirkung von CO₂ am Oberrand der Atmosphäre um rund 50 Prozent.
Palisades (U.S.A.). Der Anstieg des Kohlendioxids hat in verschiedenen Höhen der Atmosphäre unterschiedliche Folgen. Während die erdnahe Troposphäre wärmer wird, sinken die Temperaturen in der darüberliegenden Stratosphäre. Dieser Gegensatz gilt seit Jahrzehnten als charakteristisches Anzeichen für den Einfluss des Menschen auf das Klima.
Schon frühe Klimamodelle sagten dieses Temperaturmuster voraus, und Satellitenmessungen haben die Abkühlung der Stratosphäre bestätigt. Zwar war bekannt, dass Kohlendioxid dort Wärme als Infrarotstrahlung abgibt. Welche Eigenschaften seiner Strahlungsaufnahme das Ausmaß und die Höhenverteilung der Abkühlung bestimmen, ließ sich bislang aber nicht ausreichend quantitativ erklären.
Forscher der Columbia University um Sean Cohen haben nun untersucht, welche physikalischen Prozesse dafür ausschlaggebend sind. Dazu entwickelten sie vereinfachte Modelle der Wechselwirkung von Licht und Kohlendioxid und verglichen deren Ergebnisse mit aufwendigeren Strahlungsberechnungen und Beobachtungen. Entscheidend ist demnach nicht allein die Menge des Treibhausgases, sondern auch, welche Wellenlängen es aufnimmt und wieder abstrahlt.
„Das erklärt ein Phänomen, das als Fingerabdruck des Klimawandels gilt, seit Jahrzehnten beobachtet wird und bislang nicht verstanden wurde“, erklärt Robert Pincus vom Lamont-Doherty Earth Observatory (LDEO).
Kohlendioxidmoleküle absorbieren und emittieren Infrarotstrahlung nicht bei jeder Wellenlänge gleich stark. In einem bestimmten Teil des Spektrums können sie Wärme besonders wirksam ins All abstrahlen. Andere Wellenlängen sind dagegen entweder zu schwach absorbiert oder die Atmosphäre ist für diese Strahlung bereits zu undurchlässig.
Steigt die CO₂-Konzentration, vergrößert sich nach den Berechnungen gerade der Spektralbereich, in dem die Moleküle effizient Wärme abgeben. Die Stratosphäre verliert dadurch zunächst mehr Energie und kühlt so lange ab, bis sich ein neues Strahlungsgleichgewicht einstellt. Diese Veränderung der wirksamen Wellenlängen erklärt den bisher nur grob beschriebenen Kühlungsmechanismus.
„Es sind diese Veränderungen der Effizienz, die letztlich die Abkühlung der Stratosphäre antreiben“, erklärt Sean Cohen.
Wie stark die Temperatur sinkt, hängt von der Höhe ab. Bei jeder Verdopplung der CO₂-Konzentration ergibt sich in den idealisierten Modellen am unteren Rand der Stratosphäre kaum eine Veränderung. An ihrem oberen Rand beträgt die berechnete Abkühlung dagegen rund acht Grad Celsius. Dazwischen nimmt sie mit der Höhe zu.
Der Grund liegt in der unterschiedlichen Fähigkeit der Luftschichten, Energie bei den jeweiligen Wellenlängen an den Weltraum abzugeben. In größeren Höhen wirkt sich die Änderung dieser Strahlungseigenschaften besonders stark aus. Wasserdampf und Ozon beeinflussen die Energiebilanz ebenfalls, weil sie in anderen Bereichen des Infrarotspektrums Wärme abstrahlen und die CO₂-bedingte Abkühlung teilweise abschwächen.