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Wie Eiswolken und der Klimawandel zusammenhängen

In diesem Text möchte ich euch gerne den Artikel „A cirrus cloud climate dial?” aus dem Wissenschaftsmagazin Science vorstellen: Der Artikel befasst sich mit der Möglichkeit aktiv den Klimawandel zu beeinflussen, indem man sogenannte Cirruswolken verdünnt.

Kurz zu mir: Mein Name ist Birgit Kammlander und ich studiere im Moment „Umweltsystemwissenschaften – Naturwissenschaften und Technologie“ an der TU Graz (mit Kooperation zur Karl-Franzens-Universität Graz). Besonderes Interesse habe ich an den Naturwissenschaften Chemie, Physik, Geologie sowie an allen Themen die umweltrelevant sind.

Zurück auf Anfang – was sind Cirruswolken überhaupt? Cirruswolken werden auch als Eiswolken bezeichnet und entstehen in großer Höhe. Ganz allgemein entstehen Wolken durch Wasserdampfkondensation in der Erdatmosphäre. Dafür muss die Luft jedoch wasserdampfübersättigt sein und der Wasserdampf benötigt feste Teilchen an denen er sich anlagern kann – die Aerosole. Die Lufttemperatur nimmt mit steigender Höhe ab, wodurch in höheren Lagen die Wolkenbildung unterhalb des Gefrierpunkts von Wasserdampf stattfindet – es entstehen die vorhin genannten Eiswolken. [1]

Treibhauseffekt (Bild: gemeinfrei)

Treibhauseffekt (Bild: gemeinfrei)

Doch wie können die Cirruswolken den Klimawandel beeinflussen? Der Hintergrund für diese These hängt mit dem Treibhauseffekt zusammen. Eine kurze Erläuterung zum Treibhauseffekt: In der Atmosphäre befinden sich unterschiedliche Gase wie etwa Lachgas, Methan, Wasserdampf, CO2, etc. Diese Gase werden Treibhausgase genannt und lassen von der Sonne kommende kurzwellige Strahlung zur Erdoberfläche passieren. An der Erdoberfläche wird ein Teil dieser Strahlung absorbiert und anschließend wieder reflektiert. Die reflektierte Strahlung ist jedoch keine kurzwellige Strahlung, sondern langwellige – diese kann nicht durch die Treibhausgasschicht und wird dort wieder zurückreflektiert. Das Spiel beginnt von vorne. Übrigens ist ein Teil des Treibhauseffekts überaus erwünscht sowie natürlich, sprich nicht menschen-induziert: Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde die durchschnittliche Oberflächentemperatur auf der Erde –18°C statt 15°C betragen.

Bei den Eiswolken passiert etwas ganz Ähnliches: Wenn sich in der Atmosphäre Cirruswolken befinden, so wird weniger langwellige Strahlung durchgelassen als bei einer wolkenfreien Atmosphäre. Wie viel langwellige Strahlung durch die Wolkendecke kommt, hängt vor allem von der Höhenlage sowie Dicke der Wolke ab. Je höher, desto niedriger die Temperatur und desto größer ist auch der Erwärmungseffekt. Der Grund dafür, ist die höhere Temperaturdifferenz zur mittleren Troposphäre. In dieser Zone emittiert die wolkenfreie Atmosphäre langwellige Strahlung in das All. [2]

 Kurzer Überblick zum Aufbau der Atmosphäre (Jörg Rittmeister, Atmosphäre, CC BY-SA 3.0)

Kurzer Überblick zum Aufbau der Atmosphäre (Jörg Rittmeister, Atmosphäre, CC BY-SA 3.0)

Durch den Klimawandel verschiebt sich die Bildung der Cirruswolken in größere Höhenlagen, da sich die notwendige Temperatur immer weiter nach oben verschiebt. Das ergibt eine positive Rückkoppelung:

Illustration zur Veranschaulichung  (Gemeinfrei)

Illustration zur Veranschaulichung (Gemeinfrei)

Wenn man die Eiswolkenschicht verdünnt, so kann mehr langwellige Strahlung in das Weltall passieren und man verlangsamt dadurch den Klimawandel. Dies würde zwar nicht dazu führen den Klimawandel komplett zu stoppen, jedoch würde es in die richtige Richtung führen. [2]

Doch wie kann man die Eiswolken verdünnen? Dazu muss man zunächst wissen, wie sich Cirruswolken genau bilden: Man unterscheidet zwischen homogener und heterogener Kernbildung. Wenn der Kern aus flüssigen Aerosolpartikeln entsteht, so spricht man von homogener Kernbildung. Wenn die Wolken aus festen Aerosolpartikeln entstehen, so bezeichnet man das als heterogene Kernbildung. [2]

Das Konzept der Verdünnung basiert auf der Annahme, dass der Großteil der Eiswolken durch homogene Kernbildung entsteht, da sich die Wolken im gegenwärtigen Klima vor allem in hohen Höhenlagen und/oder bei kalten Regionen bilden. [2]

Die Verdünnung erfolgt, indem passende „ice-nucleating particels“ in den Höhenlagen der Eiswolken injiziert werden. Diese Partikel bewirken, dass die Eiswolken bei niedrigerer relativer Luftfeuchte sowie bei höherer Temperatur entstehen können. Das führt wiederum dazu, dass die Wolken nicht durch homogene Kernbildung entstehen, sondern sich aus festen Aerosolpartikeln bilden. [2]

Die so entstandenen Cirruswolken haben im Vergleich zu den natürlich entstandenen eine niedrigere Lebensspanne und lassen mehr langwellige Strahlung passieren. Daraus folgt insgesamt ein schwächerer Erwärmungseffekt. [2]

Der Kühlungseffekt basiert auf drei Prinzipien:
1) Wie vorhin beschrieben, formen sich die künstlichen Eiswolken in niedrigerer Höhenlage sowie bei niedrigerer relativer Luftfeuchte: In der niedrigeren Höhenlage ist der Erwärmungseffekt weniger stark ausgeprägt.
2) Die Eiswolken enthalten Eiskristalle, die wachsen können und durch Sedimentation der Eiskristalle zu mehr Cirruswolken führen können, die jedoch eine geringere Lebensspanne haben und eine geringere optische Dicke.
3) Die Sedimentation der Eiskristalle entfernt Wasserdampf – eines der bedeutsamsten Treibhausgase in der oberen Troposphäre. [2]

Die nächste Frage die man sich nun stellen muss ist, wie viel Potenzial in dieser Methode steckt. Als absolutes Maximum kann hier angenommen werden, dass alle natürlichen Eiswolken durch künstliche ersetzt werden. Natürlich ist dies keine realistische Annahme. Das realistische Maximum wird angenommen, indem man einen Vergleich anstellt: Welche Strahlung wird in einem Klimamodell mit nur homogen gebildeten Cirruswolken emittiert und welche Strahlung wird emittiert, wenn nur heterogen gebildete Cirruswolken vorhanden sind? Diese Differenz wird als das erreichbare Maximum angenommen. [2]

Es gibt jedoch auch ein Problem beim Verdünnen der Eiswolken: Overseeding. Es tritt auf, wenn zu viele ice-nucleating particels injiziert werden, denn dann haben die künstlich hergestellten Wolken eine höhere optische Dicke. Dadurch wird weniger Strahlung ins All durchgelassen, woraus wiederum Erwärmung folgt. [2]

Folglich kann dieses Verfahren sowohl einen Kühlungs-, als auch einen Erwärmungseffekt haben. Bevor dieses Verfahren umgesetzt werden kann, müssen noch einige Fragen beantwortet werden:

Welche Partikel sind gut geeignet zur Bildung von heterogenen Eiswolken? Welchen Einfluss haben diese Partikel auf weiter untenliegende Wolken? Wie schafft man es, nur die langwelligen Strahlen durch die Wolken zu lassen? [2]

Zudem ist zu bedenken, dass das Verdünnen zwar den Klimawandel verlangsamen könnte, jedoch nicht die CO2-Konzentration in der Atmosphäre verringert und somit keinen Effekt auf beispielsweise die Versauerung der Meere hat. [2]

Gegenwärtig ist dies bloß ein Gedankenexperiment, das zum Verständnis der Bildung der Eiswolken beiträgt, aber in Zukunft könnte es großen Einfluss auf den mensch-gemachten Klimawandel haben.

Verweise

[1]
B. Klose, Meteorologie – Eine interdisziplinäre Einführung in die Physik der Atmosphäre, 3. Auflage Hrsg., Berlin Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2016.
[2]
U. Lohmann und B. Gasparini, „A cirrus cloud climate dial?,“ Science, pp. 248 – 249, 21 July 2017.

Kommentare (11)

  1. #1 Mars
    17. Oktober 2017

    gut und informativ, viele qellen zum weiterlesen – gefällt mir gut, passende Grafiken

    … aber mal wieder die idee am ‘wetter’ herumzuspielen
    noch dazu (mal wieder) mit dem risiko alles noch schlimmer zu machen

    haben wir den trommelschlag hier unten noch nicht vernommen? anstatt alles daran zu setzten hier CO2 und andere – noch stärkere Klimagase wie Methan – zu reduzieren, fallen uns tolle ideen ein für das machen-wir-doch-weiter-so.

    natürlich schadet es sicher nicht, noch einen plan B zu durchzudenken, aber ähnlich wie beim dieselskandal werden kleinste stellschrauben gedreht, von denen man von vorneherein weiss: es bringt nur was im promille bereich.
    könnte da nicht eine verstärkte ‘wissenschaftslobby’ auf dauer mehr bringen um den Politikern mal auf die finger zu hauen, denn die müssen die rahmenbedingungen zur verbesserung der luftqualität und des klimawandels endlich setzen.
    … und ja, da muss sich jeder an die eigenen nase greifen

  2. #2 Cornelia S. Gliem
    17. Oktober 2017

    Guter schöner runder Artikel. Stimme aber Mars zu: mein Gedanke war auch, wieso etwas so unsicheres uns retten können soll – wenn es doch viel wichtiger ist, die Produktion der menschengemachten Treibhaus Gase zu reduzieren. Aber das sagte die Autorin auch. Immerhin – abgesehen von der plan-b-Theorie (die wohl eher plan c oder d heißen sollte und wohl eher regional wirken könnte) – ist dieses gedankenexperiment wichtig zum Verständnis von Wolkenbildung und wetter-System. Das ist doch schon mal was.

    Unabhängig davon: ein wirklich guter Plan B ist das nicht. Wenn cirruswolken generell zur Erwärmung beitragen und selbst heterogene cirruswolken schnell umschlagen zu Erwärmung, ist das ganz schön knifflig.
    Zudem – wenn ich es ansatzweise richtig verstanden habe: dient diese Methode gar nicht unbedingt der Kühlung sondern “nur” dass sowieso entstehende cirruswolken weniger erwärmen…. (Abgesehen von dem winzigen %Satz der Umwandlung von wasserdampf). Da würde ja eine spiegelabschirmung bauen, sinnvoller wirkungsvoller klingen 🙂 .

  3. #3 ASK
    17. Oktober 2017

    Sehr interessanter Artikel, habe vorher noch nicht davon gehört, wirklich spannend. Diese Möglichkeit sollte man definitiv nicht außer Acht lassen. Gerne mehr davon!
    Gruß aus Hannover
    Michael
    (https://ask-steuerberater-hannover.de/)

  4. #4 demolog
    17. Oktober 2017

    Wasser ist keine “kleinste Stellschraube”.

    Wasser ist das einzigste Element, das in der Atmosphäre schnell zirkuliert und dabei Energie transportiert.

    Was an manchen Temperaturdurschnittstabellen aufällt, ist, dass die kurze Zeit nach dem zweiten Weltkrieg die Temperaturen zu sinken schienen.

    Angenommen, in Kriegszeiten wurde unmengen (noch nie dagewesene Mengen) fossiler Brennstoffe verheit (Für die Stahlproduktion, als Kraftstoff), und all diese Expositionen waren damals noch vollkommen Filterlos, dann kommt mir eigentich nur ein Gedanken in den Sinn:
    Das sind die Aerosole gewesen, die eine Abkühlung erzeugten. Denn trotz massiver CO2 Emission kam es zu einer Temperaturverringerung (laut den Daten.)

    Wenn das so wäre, dann fragt sich, ob wir mir der ganzen Luftreinhaltung auf dem richtigen Weg sind?

    Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit, warum die Temperaturen im und nach dem Krieg sanken.

  5. #5 Cornelia S. Gliem
    17. Oktober 2017

    Demolog – welche? 🙂

  6. #6 Mars
    17. Oktober 2017

    wir kennen den effekt ja auch vom Vulkanismus.
    wenn man sieht, was im WKII ‘verbombt’ wurde,
    was alles gebrannt hat (von Deutschland bis Japan).
    dass aber auch etwa 80 Millionen menschen gestorben sind, die dann nicht mehr konsumiert haben, die wirtschaft in vielen bereichen erst mal runtergefahren ist …..
    da muss man schon genau gegenrechnen was da was bewirkt hat
    – aber ein gedanklicher ansatz, der interessant ist.

  7. #7 Cornelia S. Gliem
    17. Oktober 2017

    Grad gelesen, passt 🙂 ptolemäer-reich wegen Aerosolen in der Luft untergegangen
    http://www.sueddeutsche.de/wissen/palaeoe-klimatologie-der-untergang-1.3712659

  8. #8 Marion
    Bda
    17. Oktober 2017

    Sehr interessant zu lesen.
    Erstaunlich was es alles gibt.
    Gerne wieder

  9. #9 Rubberduck
    19. Oktober 2017

    Guter Artikel.

    Da sieht man mal wieder wie “klein” die Räder sind, die das Klima beeinflussen können.

  10. #10 demolog
    20. Oktober 2017

    @ Cornelia S. Gliem
    17. Oktober 2017 #7

    Und das letzte “Reichsoberhaupt” war eine Frau. (uuups!)

    Die andere möglichkeit bezüglich der Klimaerwärmung wäre eine metaphysische Klimaerwärmung.

  11. […] am 17.10.2017: Link zum Artikel […]