Positive Rückkopplungen

Ein kleiner Anstoß schaukelt sich auf

Positive Rückkopplungen sorgen in manchen Fällen für eine Verstärkung von ursprünglich sehr schwachen und für sich kaum wirksamen Variationen äußerer Klimaantriebe. Ein wichtiges Beispiel für eine positive Rückkopplung im Klimasystem ist die Eis-Albedo-Rückkopplung.

Die im Folgenden angeführten Effekte wirken natürlich auch in die umgekehrte Richtung, also in Richtung Abkühlung. Da sie zur globalen Erwärmung beitragen werden sie hier nur in die Erwärmungsrichtung erklärt.

Eis-Albedo-Rückkopplung

Die Eis-Albedo-Rückkopplung beruht auf der sehr unterschiedlichen Reflexion der eingestrahlten Sonnenenergie durch verschiedene Oberflächen. Eine geringe Abkühlung durch einen äußeren Antrieb, der beispielsweise in 65° N über den ausgedehnten Landmassen Sibiriens und Kanadas die winterliche Schneedecke dort etwas länger in die warme Jahreszeit hinein andauern lässt, bewirkt einen erhöhten Energieverlust durch Reflexion am weißen Schnee (bis 80 % und mehr) gegenüber der durch apere Oberflächen (20 % und weniger). Die Albedo-Rückkopplung ist allerdings komplizierter, da auch die Oberfläche der Wolken stark zu ihr beiträgt. Wesentliche klassische Messungen der Albedo über Schnee und Eis führten Franz Sauberer und Inge Dirmhirn in den späten 1940er- und frühen 1950er-Jahren in der vergletscherten Umgebung des Sonnblick-Observatoriums durch (Abb. 1).

Manche der positiven Rückkopplungen werden in sich noch verstärkt, da sie eine weitere Selbstverstärkung verursachen. Das ist etwa der Fall, wenn im nördlichen Eismeer die Eisdecke zurückgeht. In diesem Fall besteht grundlegende Rückkopplung in einem besonders starken Albedoeffekt, da eine Wasseroberfläche noch weniger Strahlung reflektiert als Land. Dazu kommt eine zweite Rückkopplung, da die Packeisdecke zuvor auch den Wärmefluss aus dem Ozean in die Atmosphäre abgeschirmt hat, was nach dem Abtauen nicht mehr der Fall ist.

Abb. 1: Links: Werte der Albedo für verschiedene Oberflächenzustände eines Gletschers (Böhm u.a. 2011, nach Sauberer und Dirmhirn 1952). Rechts: Die Werte wurden durch mehrere Messkampagnen in den 1950er-Jahren von Inge Dirmhirn und Franz Sauberer am Sonnblick gewonnen (Tollner H., ZAMG).

Löslichkeit von Gasen

Eine andere wesentliche Rückkopplung im Klimawandel beruht auf der temperaturabhängigen Löslichkeit von Gasen – auch von Treibhausgasen – im Ozean: Da wärmeres Wasser geringere Gaslöslichkeit besitzt und atmosphärische Treibhausgase Erwärmung verursachen, liegt eine positive Rückkopplung vor. Vor allem dieser selbstverstärkende Prozess führte zusätzlich zur Albedo-Rückkopplung zur starken Parallelität zwischen Treibhausgasen und dem Temperaturverlauf in den starken Kaltzeitzyklen. Eine etwas höhere Ozeantemperatur durch die Zyklen der astronomischen Bahnparameter führt zum Ausgasen von Treibhausgasen in die Atmosphäre, verursacht wieder eine Temperaturerhöhung usw. Der Sechste Sachstandsbericht des Weltklimarates (IPCC) geht bei keinen oder nur geringen zukünftigen Maßnahmen zur Abschwächung des Klimawandels mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Verstärkung der positiven Rückkopplung zwischen Klimaerwärmung und Ozean aus. Möglicherweise wird die Ozeanzirkulation diesen positiven Rückkopplungseffekt jedoch zum Teil kompensieren können, indem sie die Speicherkapazität des Ozeans für anthropogen in die Atmosphäre eingebrachten Kohlenstoff etwas erhöhen wird.

Wasserdampfrückkopplung

Etwa zu einer Verdopplung der durch die anthropogenen Treibhausgase angenommenen Erwärmung führt die Wasserdampfrückkopplung in der Atmosphäre. Sie wird durch das physikalische Gesetz verursacht, dass der maximal mögliche Wasserdampfgehalt der Atmosphäre progressiv mit deren Temperatur steigt (Magnus-Formel). Da für zwei Drittel der Erdoberfläche mit den Ozeanen eine unerschöpfliche Wasserdampfquelle vorhanden ist, steigt dieser auch tatsächlich, wenn es wärmer wird. Da Wasserdampf ein sehr wirksames Treibhausgas ist, ergibt sich eine klare Selbstverstärkung, für die sich die Bezeichnung „indirekter Treibhauseffekt“ eingebürgert hat.

Methan

Über ein anderes Treibhausgas, das Methan (CH₄) läuft eine weitere positive Rückkopplung, die allerdings quantitativ noch wenig erforscht ist. Nur das Vorzeichen ist unbestritten. Beim unvermeidlichen Auftauen von Permafrost im Zuge der globalen und in den nördlichen arktischen Landmassen besonders starken Erwärmung könnten relevante Mengen des bisher im gefrorenen Untergrund der Tundra fest gebundenen „Sumpfgases“ aus den wachsenden Sumpfflächen frei werden. Messprojekte und Modellrechnungen bemühen sich um eine genaue Darstellung dieses Prozesses, der nicht so einfach abläuft, wie man vermuten könnte. Die mit einer Erwärmung ebenfalls einhergehende anwachsende und dichter werdende Pflanzendecke könnte das Methan und das ebenso freigesetzte CO₂ teilweise abpuffern.

Der Sechste Sachstandsbericht des Weltklimarates (IPCC) fasst den aktuellen Stand des Wissens zusammen, der zum Teil weiterhin beträchtliche Unsicherheiten aufweist: Gut abgesichert ist jedenfalls die weiter zunehmende Freisetzung von Kohlenstoff bei anhaltender globaler Erwärmung im Zuge des fortschreitenden Auftauens von Permafrost. Dieser Kohlenstoff gelangt dann als Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre. Hinsichtlich des weiteren zeitlichen Verlaufs, der Größenordnung sowie der Frage, ob die Rückkopplung zwischen Permafrost und Klima linearer Natur ist, kommen einschlägige wissenschaftliche Untersuchungen noch zu recht unterschiedlichen Ergebnissen. Bezüglich der wirksamen Prozesse besteht weiterhin Forschungsbedarf und die Berücksichtigung von Antrieben und Wechselwirkungen in den Klima- und Erdsystem-Modellen ist immer noch lückenhaft. Auch hinsichtlich der relativen Anteile von freigesetztem Kohlendioxid und Methan herrscht noch größere Uneinigkeit. Studien mittels Permafrost-Ökosystemmodellen zeigen, dass nicht mit einer sich selbst immer mehr verstärkenden Beschleunigung der globalen Erwärmung aufgrund von auftauendem Permafrost zu rechnen ist. Allerdings ist der dabei freigesetzte Kohlenstoff bei der Abschätzung des verbleibenden Kohlenstoffbudgets im Zusammenhang mit einer Begrenzung der zukünftigen Erwärmung zu berücksichtigen. Kohlenstoff ist auch in Form von Methanhydrat in Ozeansedimenten gespeichert, d.h. als in Eis eingeschlossene Methanmoleküle. Wenn dieses Eis aufgrund steigender Ozeantemperaturen taut, kann das Methan freigesetzt werden und in die Atmosphäre gelangen. Der als Methanhydrat in Schelfgebieten gespeicherte Kohlenstoff macht allerdings nur einen Bruchteil des in Permafrostböden gespeicherten Kohlenstoffs aus. Außerdem reagieren Ozeansedimente mit einer Verzögerung in der Größenordnung von Jahrtausenden auf die globale Erwärmung. Daher wird bis zum Ende des Jahrhunderts Methanhydrat nur in sehr geringem Ausmaß destabilisiert werden. Außerdem wird freigesetztes Methan wahrscheinlich großteils bereits im Ozean zu Kohlendioxid umgewandelt, bevor es in die Atmosphäre gelangen kann – wodurch das Treibhauspotenzial des ursprünglich freigesetzten Methans deutlich reduziert wird. State-of-the-art Modellierungsstudien dieser Prozesse schätzen die Rate der Methanfreisetzung in die Atmosphäre auf weniger als 2 % der anthropogenen Methanemissionen.

Wolken

Ob die Bedeckung in Summe einen positiven oder negativen Rückkopplungseffekt auf die globale Erwärmung hat war lange Zeit unklar. Seit dem 2013 veröffentlichten Fünften Sachstandsbericht des Weltklimarates (IPCC) wurden allerdings aufgrund verbesserter Beobachtungen, neuer Analysemethoden und mittels hochauslösender numerischer Wolkensimulationen Fortschritte im Prozessverständnis bezüglich der Bedeckung erzielt. Deshalb, sowie aufgrund der inzwischen höheren Rechenleistung, simulieren die aktuellen globalen Klimamodelle Wolken besser als noch die vorige Modellgeneration.

Abb. 2: Wechselwirkungen zwischen den Wolken und dem Klima heute sowie in einer noch wärmeren Zukunft. (IPCC 2021, FAQ 7.2, Figure 1).

Die globale Erwärmung wirkt sich auf mehrere Eigenschaften der Bedeckung aus, was in Abbildung 2 grafisch dargestellt ist: Im Zuge der weiteren globalen Erwärmung wird die durchschnittliche Höhe der hohen Wolken ansteigen, wodurch sie das Abstrahlen von Energie aus der Erdatmosphäre ins Weltall tendenziell reduzieren werden (siehe linke Darstellung in Abb. 2). Über den Subtropischen Meeren wird die tiefe Bedeckung geringer werden, was die Reflektion einfallender Sonnenstrahlung vermindern wird (Abb. 2, Mitte). Beide Effekte tragen zukünftig zu einer weiteren Erwärmung bei. Die Zusammensetzung der Wolken in den höheren Breiten wird sich von wenigen, dafür größeren Eiskristallen hin zu zahlreicheren Wassertröpfchen verschieben. Diese reflektieren ein Mehr an eingehender Sonnenstrahlung zurück ins All und werden daher einen Abkühlungseffekt bewirken (Abb. 2, rechts). Nach aktuellen Wissensstand wird mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als in der Vergangenheit von einem in Summe positiven Rückkopplungseffekt der zukünftigen Veränderungen der Bewölkung auf die globale Erwärmung ausgegangen.

Literatur:

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