Auswirkungen von Wolkenphasenumwandlungen auf den Klimawandel enträtseln
Wolken spielen bei der Regulierung des Klimas auf der Erde eine zentrale Rolle: Sie reflektieren die Sonnenstrahlung zurück ins Weltall, womit eine übermäßige Erwärmung verhindert wird, und sie fangen gleichzeitig die Infrarotstrahlung ein, was für ein stabiles Klima sorgt. Die globale Erwärmung kann jedoch die Eigenschaften der Wolken verändern, wodurch eine Rückkopplungsschleife entsteht, die Temperaturveränderungen entweder verstärkt oder abschwächt. „Diese Rückkopplungsschleife, die sogenannte ‚Wolkenrückkopplung‘, stellt die größte Unsicherheitsquelle bei Modellprojektionen der Klimasensitivität der Erde auf Veränderungen des atmosphärischen Kohlendioxids dar“, erklärt Casey Wall, Koordinator des Projekts CPFC und Assistenzprofessor für Meteorologie an der Universität Stockholm. Mithilfe der mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführten Forschung soll diese Lücke in der Klimawissenschaft geschlossen werden, wobei quantitative Methoden entwickelt werden, um einen der wichtigsten physikalischen Mechanismen zu verstehen, welche die Wolkenrückkopplung bestimmen.
Quantifizierung der Wolkenrückkopplung
Die Arbeit des Projekts CPFC konzentrierte sich auf die Quantifizierung der Strahlungsrückkopplung, die bei Erwärmung der Atmosphäre durch die Umwandlung von Wolkeneispartikeln in flüssige Tröpfchen entsteht. Die Forschungsarbeit ergab, dass diese Veränderungen etwa 19 % der gesamten globalen Wolkenrückkopplung in Klimamodellen bewirken. Die Umwandlung von Eis in Flüssigkeit lässt die Wolken optisch dicker werden, wodurch sie mehr Sonnenstrahlung in den Weltraum zurückreflektieren. Diese Veränderungen der Wolkentrübung galten bisher als potenziell starker, aber höchst unsicherer negativer Rückkopplungsmechanismus, der die Empfindlichkeit des Klimas gegenüber Veränderungen des Gehalts an atmosphärischem CO2 verringern könnte. „Im Verlauf des Projekts CPFC wurde festgestellt, dass dieser Rückkopplungsmechanismus nicht so stark wie bisher angenommen ist. Dabei handelt es sich um einen weiteren Beleg dafür, dass die Wolkenrückkopplung die zukünftige Klimaerwärmung nicht wesentlich dämpfen wird. Daraus ergeben sich Auswirkungen auf die Gestaltung der Politik in Bezug auf zukünftige Kohlendioxidemissionen“, erklärt Wall.
Entwicklung fortgeschrittener Klimamodell-Werkzeuge
Um diese Durchbrüche zu erzielen, wurden im Rahmen des Projekts innovative Satelliten- und Klimamodelldatenprodukte entwickelt, welche die Höhe, die optische Dicke und die Zusammensetzung der Wolken nachverfolgen und dabei zwischen Eis und Flüssigkeit an der Wolkenobergrenze unterscheiden. Als ein wichtiger Fortschritt galt die Entwicklung eines neuen mathematischen Verfahrens, bei dem diese Daten genutzt werden, um die Auswirkungen der Umwandlung von Eis in Flüssigkeit auf die Strahlungseigenschaften von Wolken zu messen. Das CPFC-Team optimierte außerdem das Observation Simulator Package des Cloud Feedback Model Intercomparison Project (CFMIP), bekannt als COSP-Software, ein in der Klimamodellierung in breiter Anwendung befindliches quelloffenes Paket. Es simuliert Satellitenbeobachtungen aus modellerzeugten Wolken und gestattet auf diese Weise direkte Vergleiche zwischen Simulationen und realen Satellitendaten. Im Rahmen von CPFC wurden die Möglichkeiten des COSP durch die Einbeziehung neuer Variablen erweitert, die für Wolkenphasenübergänge relevant sind. Das Projektteam arbeitete ebenfalls mit dem wissenschaftlichen Team des Satelliteninstruments MODIS zusammen, um gleichwertige Variablen in einem Beobachtungsdatensatz zu erstellen. Neben seinen Beiträgen zu Satellitendatenprodukten und Klimamodell-Software erarbeitete das Projektteam Analyseverfahren, die der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur weiteren Erkundung der Wechselwirkungen zwischen Wolken und Klima zur freien Verfügung gestellt wurden.
Zukünftige Richtungen der Klimawissenschaft
Mit der Arbeit von CPFC konnten bedeutende Fortschritte bei der Entschlüsselung der komplexen Zusammenhänge der Wolkenrückkopplung und ihrer Auswirkungen auf die globale Klimasensitivität erzielt werden. Aufbauend auf dem Erfolg des Projekts wenden die Forschenden den Rahmen nun auf einen weiteren wichtigen Bereich der Klimawissenschaft an. „Wir passen gegenwärtig die im Zuge von CPFC entwickelten Verfahren an, um den Strahlungsantrieb des Klimawandels zu untersuchen, der durch die Wechselwirkungen zwischen der partikelbedingten Aerosolverschmutzung und den Wolken verursacht wird. Er bleibt eine der größten Unsicherheiten der Klimawissenschaft“, fügt Wall hinzu. Diese Wechselwirkungen zu verstehen, ist für die Verfeinerung von Klimaprojektionen und die sachkundige Untermauerung zukünftiger politischer Entscheidungen von entscheidender Bedeutung.
Schlüsselbegriffe
CPFC, Wolkenrückkopplung, Klimawandel, globale Erwärmung, Klimamodelle
