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Warum beeinflusst derselbe Wolkenverlust das Klima unterschiedlich stark?
Weniger tiefe Meereswolken lassen mehr Sonnenstrahlung im Klimasystem zurück und können die Erderwärmung verstärken. Doch selbst ein gleich großer Rückgang der Wolkendecke muss nicht dieselbe Wirkung haben, wie eine neue Modellanalyse zeigt. Entscheidend ist auch, wie stark die Wolken bereits vor ihrer Veränderung das Sonnenlicht reflektieren.
Laramie (U.S.A.). Über den subtropischen Ozeanen bilden sich ausgedehnte Felder niedriger Schichtwolken, die einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung ins All zurückwerfen. Diese kühlende Wirkung macht sie zu einem wichtigen Bestandteil der Energiebilanz der Erde. Wie sich solche Wolken bei Veränderungen der Atmosphäre verhalten, gehört zu den Unsicherheiten heutiger Klimamodelle.
Besonders schwierig ist die Berechnung kleinräumiger Abläufe innerhalb der Wolken. Turbulenzen, die Bildung von Regentropfen und Veränderungen des flüssigen Wassers lassen sich in globalen Modellen nicht vollständig auflösen. Stattdessen beschreiben vereinfachte Rechenregeln diese Vorgänge, was auch die simulierte Klimawirkung beeinflussen kann.
Forscher der University of Wyoming (UW) um Timothy A. Myers haben nun untersucht, wie stark die Ergebnisse eines Klimamodells von solchen Vereinfachungen abhängen. Sie verglichen 250 Varianten des Erdsystemmodells E3SMv3, in denen 25 Parameter für Wolken, Konvektion und Aerosole systematisch verändert worden waren. Als Vergleich dienten Satellitendaten und meteorologische Beobachtungen aus den Jahren 2010 bis 2016.
Die Analyse erfasste nicht nur, wie die Bedeckung durch niedrige Wolken auf Temperatur, Luftfeuchte, Wind und andere Einflussgrößen reagiert. Sie untersuchte zugleich die optische Dicke der Wolken, die mitbestimmt, wie viel Sonnenlicht sie reflektieren. Dadurch ließ sich zwischen Änderungen der Wolkenfläche und der Strahlungswirkung bereits vorhandener Wolken unterscheiden.
Das zentrale Ergebnis ist ein zusätzlicher Einfluss der Ausgangsbedingungen. Selbst wenn zwei Modellvarianten denselben Rückgang der niedrigen Wolkendecke berechnen, kann sich ihre Strahlungswirkung deutlich unterscheiden. Sind die verbliebenen beziehungsweise zuvor vorhandenen Wolken optisch dichter, reflektieren sie mehr Sonnenlicht und haben bei gleichem Flächenverlust einen größeren Kühleffekt eingebüßt.
Ein Rechenbeispiel der Studie verdeutlicht die Größenordnung. Bei einem gleich großen Wolkenrückgang pro Grad Erwärmung ergibt sich für optisch dünnere Wolken ein kurzwelliger Rückkopplungsbeitrag von rund 0,7 Watt pro Quadratmeter und Grad. Bei deutlich dichteren Wolken sind es rund 1,4 Watt, also doppelt so viel. Das Beispiel beschreibt eine modellierte Strahlungswirkung und keine gemessene zusätzliche Erwärmung.
Für diese Unterschiede ist laut der Analyse insbesondere entscheidend, wie effizient Wolkenwasser in Regen umgewandelt wird. Geschieht dies im Modell langsamer, bleibt mehr flüssiges Wasser in den niedrigen Wolken. Dadurch nimmt ihre optische Dicke zu, und sie reflektieren mehr Sonnenstrahlung.
„Wir haben festgestellt, dass die Effizienz, mit der das Modell Wolkenwasser in Regen umwandelt, das Reflexionsvermögen der Wolken stark beeinflusst“, erklärt Timothy Myers.
Die Untersuchung zeigt zudem, dass das Modell zahlreiche beobachtete Reaktionen auf meteorologische Bedingungen und Aerosole in der richtigen Richtung erfasst. Ihre Stärke wird in vielen Varianten aber überschätzt. Ein scheinbar passender Strahlungseffekt kann sogar entstehen, obwohl Wolkenmenge und Wolkendicke jeweils fehlerhaft simuliert werden und sich die Fehler gegenseitig ausgleichen.