Untere Atmosphäre

Mehr

Wasserdampf und Wolken

Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas. Es trägt zu etwa 60%¹ zum natürlichen Treibhauseffekt bei. Bislang ging man davon aus, dass die mittlere Wasserdampfkonzentration in der Luft in etwa gleich bleibt und die Erderwärmung somit nicht zusätzlich verstärkt wird. Allerdings wird es mit einer weiter zunehmenden Erwärmung zu Änderungen kommen ...

Die wahrscheinlich größte Unsicherheit in der Vorhersage des zukünftigen Klimas liegt in der Wasserdampf-Rückkopplung sowie in der Bildung von Wolken und ihrem Einfluss auf den Strahlungshaushalt.

Sättigung

Die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf aufzunehmen, steigt mit der Temperatur. Warme Luft kann mehr Wasser aufnehmen als kalte. Die Sättigungskurve zeigt, wie viel Wasser Luft einer bestimmten Temperatur enthalten kann, bevor eine Kondensation einsetzt (d.h. die relative Feuchte 100% beträgt). In der Atmosphäre ist die Luft in der Regel nicht gesättigt. Die relative Feuchte (= relative humidity, RH) wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt

und kann stark schwanken.

p = gegebener Partialdruck des Wassers
p_sat = Druck des Wasserdampfes bei Sättigung

p_sat hängt von der Temperatur ab, wie die Funktion rechts zeigt.

Generell können wir sagen, dass eine höhere Temperatur zu einer höheren Verdunstung führt und damit zu einer größeren Menge an Wasserdampf in der Luft. Während für Verdunstungsprozesse in der bodennahen Grenzschicht (bis zu 1 oder 2 km Höhe) nahezu ideale thermodynamische Bedingungen herrschen, ist die Modellrechnung für die freie Troposphäre darüber schwieriger. Hier liegt die größte Möglichkeit für Wasserdampf, zum Treibhauseffekt beizutragen.

Wolkenbildung

Die Konsequenz einer ansteigenden Luftfeuchte ist ein höhere Bedeckung mit Wolken. Wolken wechselwirken in zwei verschiedenen Weisen mit Strahlung. Zum einen können sie sich wie ein Treibhausgas verhalten, langwellige Strahlung absorbieren und sie zurück zur Erde schicken. Zum anderen erhöhen sie die Rückstreufähigkeit (Albedo) der Erde und schicken Sonnenlicht zurück in den Weltraum, bevor es die Erdoberfläche erreicht. Es hängt stark von der Art der Wolken ab, welcher Effekt dominiert. Hohe Wolken führen zu einer zusätzlichen Erwärmung, während niedrigere Wolken mehr Sonnenlicht reflektieren und zu einer Abkühlung führen.

Zweifache Rückkopplung

Folglich führt eine Erhöhung des Wasserdampfanteils in der Luft zu einer zweifachen, gegenläufigen Rückkopplung in Hinblick auf die Erderwärmung, wie das folgende Schema zeigt.

3. Rückkopplungen im Wasserkreislauf: Da die globale Erwärmung zu einer höheren Wasseraufnahme führt und mehr Wasser wiederum zu weiterer Erwärmung, könnten wir einen stetigen Verstärkungseffekt vermuten. Zunehmende Wolkenbildung könnte dem entgegenwirken. Allerdings haben insbesondere hohe Wolken auch einen positiven, verstärkenden Effekt (gepunkteter Pfeil). Unser Wissen um die Wolken ist derzeit noch nicht ausreichend, um genau zu sagen, wie das Gleichgewicht erreicht werden wird.
Schema: Elmar Uherek

Unsicherheiten

Wolkenbildung und größere Unterschiede in der Wasserdampfkonzentration können auf kleinstem Raum beobachtet werden, oft innerhalb weniger Kilometer. Dies liegt unterhalb der Gittergröße eines Klimamodells. Unsere Modelle sind zu grob, um jede Wolke mit einzurechnen, die über einem großen See oder infolge von Hangwinden an heißen Sommertagen im Gebirge auftauchen könnte. Viele Unsicherheiten werden verursacht durch die Abhängigkeit von:

- großräumiger Dynamik
- Dynamik unterhalb der Gitterweite von Klimamodellen
- Mikrophysik
- der Wechselwirkung zwischen Wolken und Strahlung auf Grund der Tropfengröße
- der Unterscheidung in Wolkenwasser und Wolkeneis
und anderen Faktoren.

Die Atmosphäre ist ein sehr dynamischer Raum und von einem Gleichgewichtszustand weit entfernt. Abhängig von der geographischen Breite wird der Feuchtigkeitstransport von verschiedenen Prozessen angetrieben:

1. Konvektion (vertikaler Transport) in den Tropen, wo hohe Türme von Cumulunimbus-Wolken gebildet werden.
2. Großräumige Wellenbewegungen in den mittleren und höheren Breiten, in denen flache Wolken dominieren.
3. Advektion (horizontaler Transport) in den trockenen Gebieten zwischen den Tropen und mittleren Breiten.

5. Weltweite Verteilung der relativen Feuchte [%] in der freien Troposphäre zwischen 600 und 250 hPa (ca. 5-11 km Höhe). Vorsicht! Interpretiere diese Karte nicht falsch! Die freie Troposphäre über dem Südpol ist stärker gesättigt als in den Tropen, im Vergleich zur maximal möglichen Feuchte. In Absolutwerten aber enthält die Luft am Pol weit weniger Wasser als in den Tropen.
Quelle: IPCC TAR Fig. 7-1 (höhere Auflösung: 120 K)
 

Abschätzung der Rückkopplung von Wasserdampf und Wolken

Derzeitige Schätzungen besagen, dass bei einer Verdopplung von Kohlendioxid in der Luft, d.h. bei einem Mischungsverhältnis von 560 ppm, verglichen mit dem vorindustriellen Wert von 280 ppm (370 ppm in 2001), die Temperatur im weltweiten Mittel zwischen 1,5 und 4,5°C ansteigen wird. Diese hohe Unsicherheit ist vor allem durch das fehlende Wissen um den Einfluss der Wolken bedingt.

Eine Verdopplung des CO₂-Gehaltes der Luft würde ohne weitere Effekte zu einem zusätzlichen Strahlungsantrieb (radiative forcing) von 3,5-4 W/m² führen, d.h. einer Temperaturerhöhung von 1,2°C. Berücksichtigen wir den hierdurch in die Atmosphäre gelangenden Wasserdampf, so würde sich dieser Wert verdoppeln (7-8 W/m²). Nun muss noch der Einfluss der zusätzlichen Wolkenbildung eingerechnet werden, der entweder zu einer leichten Abkühlung (als wahrscheinlicher vermutet) oder einer zusätzlichen Erwärmung führen kann. Dieser Effekt wird auf -3 bis +3 W/m² geschätzt. Damit resultiert eine Bandbreite für die Verstärkung des Strahlungsantriebs von 4-11 W/m² oder, in Temperaturwerten ausgedrückt, eine Erwärmung von 1,5 bis 4,5°C.

Vergleichen wir dies mit den 1,2°C, die von der Verdopplung des CO₂ alleine ohne jegliche Rückkopplung kommen würde, so wird klar, wie wichtig ein besseres Verständnis des Einflusses von Wasserdampf für die Klimamodellrechnung ist.

¹ Manche Quellen sagen sogar, dass das Wasser in der Atmosphäre für 80% des natürlichen Treibhauseffektes verantwortlich ist, rechnet man die Absorption der langwelligen Wärmestrahlung durch Wolkenwasser ein (Curry&Webster, Thermodynamics of Atmospheres and oceans, Academic Press, 1999).

Verwandte Seiten: Mehr über die Wechselwirkung von Wolken und Strahlung und ihren Einfluss auf das Klima erklärt: Wolken & Partikel - Basis - Einheit 3 - Wolken & Klima

About this page: author: Elmar Uherek - MPI Mainz 1.  scientific reviewing: Dr. Susanne Nawrath, Potsdam Institute for Climate Impact Research - 2003-06-10 2.  scientific reviewing: Dr. Benedikt Steil, MPI for chemistry, Mainz 2004-05-16 educational proofreading: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02 last published: 2007-08-22