Die obere Atmosphäre kühlt ab – und Wissenschaftler sind besorgt

Diese Geschichte wurde ursprünglich von Yale Environment 360 veröffentlicht und erscheint hier im Rahmen der Climate Desk-Zusammenarbeit.

Es gibt ein Paradoxon im Herzen unseres sich verändernden Klimas. Während sich die Luftdecke nahe der Erdoberfläche erwärmt, wird der Großteil der darüber liegenden Atmosphäre dramatisch kälter. Dieselben Gase, die die unteren paar Meilen der Luft erwärmen, kühlen die viel größeren Flächen darüber ab, die sich bis zum Rand des Weltraums erstrecken.

Dieses Paradoxon wurde von Klimamodellierern schon lange vorhergesagt, aber erst kürzlich durch Satellitensensoren im Detail quantifiziert. Die neuen Erkenntnisse bestätigen eine wichtige Frage endgültig, werfen aber gleichzeitig auch andere Fragen auf.

Die gute Nachricht für Klimaforscher ist, dass die Daten zur Abkühlung in der Luft mehr als nur die Genauigkeit der Modelle bestätigen, die die Oberflächenerwärmung als vom Menschen verursacht identifizieren. Eine neue Studie, die diesen Monat in der Zeitschrift PNAS vom erfahrenen Klimamodellierer Ben Santer von der Woods Hole Oceanographic Institution veröffentlicht wurde, ergab, dass sich die Stärke des „Signals“ des menschlichen Fingerabdrucks des Klimawandels verfünffachte, indem das störende „Rauschen“ aus dem Hintergrund reduziert wurde natürliche Variabilität. Santer sagt, der Befund sei „unwiderlegbar“.

Aber die neuen Entdeckungen über das Ausmaß der Abkühlung in der Luft bereiten Atmosphärenphysikern neue Sorgen – über die Sicherheit umlaufender Satelliten, über das Schicksal der Ozonschicht und über das Potenzial dieser schnellen Veränderungen in der Luft, zu plötzlichen und unerwarteten Turbulenzen auf unserem Planeten zu führen Wetter unten.

Bis vor Kurzem nannten Wissenschaftler die entlegenen Zonen der oberen Atmosphäre „Ignorosphäre“, weil sie so wenig über sie wussten. Was lernen wir nun, da sie mehr wissen, und sollte es uns beruhigen oder beunruhigen?

Die Erdatmosphäre besteht aus mehreren Schichten. Die Region, die wir am besten kennen, weil dort unser Wetter passiert, ist die Troposphäre. Diese dichte Luftdecke mit einer Dicke von fünf bis neun Meilen enthält 80 Prozent der Masse der Atmosphäre, aber nur einen kleinen Bruchteil ihres Volumens. Darüber befinden sich weite, offene Räume mit zunehmend weniger dichter Luft. Auf die Stratosphäre, die in etwa 30 Meilen Höhe endet, folgt die Mesosphäre, die sich bis in 50 Meilen Höhe erstreckt, und dann die Thermosphäre, die über mehr als 400 Meilen in die Höhe reicht.

Von unten erscheinen diese fernen Zonen als ruhiger und makelloser blauer Himmel. Tatsächlich werden sie jedoch von starken Winden und riesigen Fluten auf- und absteigender Luft heimgesucht, die gelegentlich in unsere Troposphäre eindringen. Und es besteht die Sorge, dass sich diese bereits dynamische Umgebung erneut verändern könnte, wenn CO2 und andere vom Menschen hergestellte Chemikalien in sie eindringen, die die Temperatur, Dichte und Chemie der Luft in der Luft beeinträchtigen.

Der Klimawandel wird fast immer im Hinblick auf die untersten Regionen der Atmosphäre betrachtet. Doch nun warnen Physiker, dass wir diese Annahme überdenken müssen. Der Anstieg der CO2-Menge sei nun „in der gesamten wahrnehmbaren Atmosphäre sichtbar“, sagt Martin Mlynczak, Atmosphärenphysiker am NASA Langley Research Center in Hampton, Virginia. Sie „treiben dramatische Veränderungen voran, mit denen Wissenschaftler gerade erst beginnen.“ fassen." Diese Veränderungen im wilden Blau da drüben weit über unseren Köpfen könnten sich auswirken und unsere Welt unten verändern.

Die Geschichte der sich ändernden Temperaturen in der Atmosphäre auf allen Ebenen ist größtenteils die Geschichte von CO2. Wir wissen nur zu gut, dass unsere Emissionen von mehr als 40 Milliarden Tonnen Gas pro Jahr die Troposphäre erwärmen. Dies geschieht, weil das Gas Sonnenstrahlung absorbiert und wieder abgibt, wodurch andere Moleküle in der dichten Luft erhitzt und die Temperaturen insgesamt erhöht werden.

Aber das Gas bleibt nicht vollständig in der Troposphäre. Es breitet sich auch nach oben in der gesamten Atmosphäre aus. Wir wissen jetzt, dass die Konzentrationszunahme am oberen Ende der Atmosphäre genauso groß ist wie am unteren Ende. Aber seine Auswirkung auf die Temperatur in der Luft ist ganz anders. In der dünneren Luft oben trifft der Großteil der vom CO2 wieder abgegebenen Wärme nicht auf andere Moleküle. Es entkommt in den Weltraum. Kombiniert mit der stärkeren Speicherung von Wärme in tieferen Lagen führt dies zu einer raschen Abkühlung der umgebenden Atmosphäre.

Satellitendaten haben kürzlich gezeigt, dass sich die Mesosphäre und die untere Thermosphäre zwischen 2002 und 2019 um 3,1 F (1,7 °C) abgekühlt haben. Mlynczak schätzt, dass die Verdoppelung des CO2-Gehalts, die bis zum Ende dieses Jahrhunderts wahrscheinlich ist, zu einer Abkühlung in diesen Zonen von etwa 13,5 F (7,5 °C) führen wird, was zwei- bis dreimal schneller ist als die durchschnittliche Erwärmung, die am Boden zu erwarten ist.

Frühe Klimamodellierer sagten bereits in den 1960er Jahren voraus, dass diese Kombination aus troposphärischer Erwärmung und starker Abkühlung weiter oben die wahrscheinliche Auswirkung eines zunehmenden CO2-Gehalts in der Luft sei. Aber die jüngste detaillierte Bestätigung durch Satellitenmessungen stärkt unser Vertrauen in den Einfluss von CO2 auf die Atmosphärentemperaturen erheblich, sagt Santer, der seit 30 Jahren den Klimawandel modelliert.

Diesen Monat nutzte er neue Daten zur Abkühlung in der mittleren und oberen Stratosphäre, um die Stärke des statistischen „Signals“ des menschlichen Fingerabdrucks beim Klimawandel neu zu berechnen. Er stellte fest, dass es erheblich verstärkt wurde, insbesondere aufgrund des zusätzlichen Vorteils, den das geringere Hintergrundrauschen in der oberen Atmosphäre aufgrund der natürlichen Temperaturschwankungen mit sich brachte. Santer stellte fest, dass sich das Signal-Rausch-Verhältnis für den menschlichen Einfluss verfünffachte, was „unwiderlegbare Beweise für menschliche Auswirkungen auf die thermische Struktur der Erdatmosphäre“ lieferte. Wir verändern diese thermische Struktur „grundlegend“, sagt er. „Diese Ergebnisse machen mir große Sorgen.“

Eine Ansicht der Raumfähre Endeavour mit mehreren Schichten der Atmosphäre – der Mesosphäre (blau), der Stratosphäre (weiß) und der Troposphäre (orange). NASA

Ein Großteil der Forschung zur Analyse der oben genannten Veränderungen wurde von Wissenschaftlern durchgeführt, die bei der NASA beschäftigt sind. Die Raumfahrtbehörde verfügt über Satelliten, um das Geschehen zu messen, hat aber auch ein besonderes Interesse an den Auswirkungen auf die Sicherheit der Satelliten selbst.

Dieses Interesse entsteht, weil die Abkühlung der oberen Luft auch zu einer Kontraktion dieser Luft führt. Der Himmel stürzt ein – im wahrsten Sinne des Wortes.

Laut einer Analyse von NASA-Daten durch Petr Pisoft, Atmosphärenphysiker an der Karls-Universität in Prag, hat sich die Tiefe der Stratosphäre seit 1980 um etwa ein Prozent oder 1.300 Fuß verringert. Über der Stratosphäre stellte Mlynczak fest, dass die Mesosphäre und die untere Thermosphäre zwischen 2002 und 2019 um fast 4.400 Fuß schrumpften. Ein Teil dieser Schrumpfung war auf einen kurzfristigen Rückgang der Sonnenaktivität zurückzuführen, der inzwischen beendet ist, aber 1.120 Fuß davon waren darauf zurückzuführen Abkühlung durch das zusätzliche CO2, rechnet er vor.

Diese Kontraktion führt dazu, dass die obere Atmosphäre weniger dicht wird, was wiederum den Widerstand auf Satelliten und andere Objekte in niedrigen Umlaufbahnen verringert – bis 2070 um etwa ein Drittel, berechnet Ingrid Cnossen, wissenschaftliche Mitarbeiterin am British Antarctic Survey.

Auf den ersten Blick sind das gute Nachrichten für Satellitenbetreiber. Ihre Nutzlasten sollten länger einsatzbereit bleiben, bevor sie auf die Erde zurückfallen. Das Problem sind jedoch die anderen Objekte, die diese Höhen teilen. Die wachsende Menge an Weltraumschrott – Ausrüstungsteile verschiedener Art, die im Orbit zurückgelassen werden – verbleibt auch länger und erhöht das Risiko von Kollisionen mit derzeit in Betrieb befindlichen Satelliten.

Mehr als 5.000 aktive und nicht mehr existierende Satelliten, darunter die Internationale Raumstation, befinden sich in diesen Höhen im Orbit, begleitet von mehr als 30.000 bekannten Trümmerteilen mit einem Durchmesser von mehr als zehn Zoll. Das Kollisionsrisiko werde laut Cnossen mit zunehmender Abkühlung und Kontraktion immer größer.

Das mag für das Geschäft der Raumfahrtagenturen schlecht sein, aber wie werden sich die Veränderungen oben auf unsere Welt unten auswirken?

Ein großes Problem ist der ohnehin fragile Zustand der Ozonschicht in der unteren Stratosphäre, die uns vor schädlicher Sonnenstrahlung schützt, die Hautkrebs verursacht. Während eines Großteils des 20. Jahrhunderts wurde die Ozonschicht durch den Angriff industrieller Emissionen ozonfressender Chemikalien wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) dünner. Jedes Frühjahr bildeten sich über der Antarktis regelrechte Ozonlöcher.

Das Montrealer Protokoll von 1987 zielte darauf ab, die jährlichen Lücken durch die Beseitigung dieser Emissionen zu schließen. Aber es ist jetzt klar, dass ein anderer Faktor diese Bemühungen untergräbt: die Abkühlung der Stratosphäre.

In polaren Stratosphärenwolken, die sich nur bei sehr niedrigen Temperaturen bilden, insbesondere über Polarregionen im Winter, greift die Ozonzerstörung auf Hochtouren. Aber die kühlere Stratosphäre hat dazu geführt, dass sich solche Wolken häufiger bilden können. Während sich die Ozonschicht über der Antarktis mit dem Verschwinden von FCKW langsam reformiert, erweist sich die Arktis als anders, sagt Peter von der Gathen vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Potsdam. In der Arktis verschlimmert die Abkühlung den Ozonverlust. Von der Gathen sagt, der Grund für diesen Unterschied sei nicht klar.

Im Frühjahr 2020 kam es in der Arktis zum ersten vollständigen Ozonloch, bei dem stellenweise mehr als die Hälfte der Ozonschicht verloren ging, was von der Gathen auf steigende CO2-Konzentrationen zurückführt. Es könnte das erste von vielen sein. In einem aktuellen Artikel in Nature Communications warnte er, dass die anhaltende Abkühlung dazu führe, dass die derzeitigen Erwartungen, dass die Ozonschicht bis Mitte des Jahrhunderts vollständig geheilt sein werde, mit ziemlicher Sicherheit zu optimistisch seien. Zu den aktuellen Trends sagte er: „Die günstigen Bedingungen für einen großen saisonalen Verlust der arktischen Ozonsäule könnten bis zum Ende dieses Jahrhunderts anhalten oder sich sogar verschlechtern … viel länger als allgemein angenommen wird.“

Dies ist umso besorgniserregender, als die Regionen unter früheren antarktischen Löchern zwar weitgehend menschenleer waren, die Regionen unter künftigen arktischen Ozonlöchern jedoch möglicherweise zu den am dichtesten besiedelten auf dem Planeten gehören, einschließlich Mittel- und Westeuropa. Wenn wir dachten, die dünner werdende Ozonschicht sei eine Sorge des 20. Jahrhunderts, müssen wir vielleicht noch einmal darüber nachdenken.

Chemie ist nicht das einzige Problem. Atmosphärenphysiker befürchten auch zunehmend, dass die Abkühlung die Luftbewegungen in der Luft auf eine Weise verändern könnte, die sich auf das Wetter und das Klima am Boden auswirkt. Eines der turbulentesten dieser Phänomene ist die plötzliche Erwärmung der Stratosphäre. Westwinde in der Stratosphäre kehren periodisch um, was zu großen Temperaturschwankungen führt, bei denen sich Teile der Stratosphäre innerhalb weniger Tage um bis zu 90 F (50 C) erwärmen können.

Dies geht typischerweise mit einem schnellen Absinken der Luft einher, die auf den atlantischen Jetstream an der Spitze der Troposphäre drückt. Der Jetstream, der die Wettersysteme weit über die nördliche Hemisphäre treibt, beginnt sich zu schlängeln. Diese Störung kann eine Vielzahl extremer Wetterereignisse verursachen, von anhaltenden starken Regenfällen bis hin zu Sommerdürren und „blockierenden Höchsttemperaturen“, die wochenlang intensives kaltes Winterwetter vom Osten Nordamerikas bis nach Europa und Teilen Asiens verursachen können.

So viel ist bereits bekannt. In den letzten 20 Jahren haben Wettervorhersager solche stratosphärischen Einflüsse in ihre Modelle einbezogen. Dies hat die Genauigkeit ihrer langfristigen Prognosen erheblich verbessert, so das Met Office, eine staatliche Prognoseagentur des Vereinigten Königreichs.

Die Frage, die nun gestellt wird, ist, wie das zusätzliche CO2 und die allgemeine Abkühlung der Stratosphäre die Häufigkeit und Intensität dieser plötzlichen Erwärmungsereignisse beeinflussen werden. Mark Baldwin, ein Klimaforscher an der Universität Exeter in England, der das Phänomen untersucht hat, sagt, dass die meisten Modelle darin übereinstimmen, dass eine plötzliche Erwärmung der Stratosphäre tatsächlich empfindlich auf mehr CO2 reagiert. Doch während einige Modelle viel mehr plötzliche Erwärmungsereignisse vorhersagen, gehen andere von einer geringeren Zahl aus. Wenn wir mehr wüssten, so Baldwin, würde dies „zu mehr Vertrauen sowohl in langfristige Wettervorhersagen als auch in Prognosen zum Klimawandel führen.“

Es wird immer klarer, dass, wie Gary Thomas, ein Atmosphärenphysiker an der University of Colorado Boulder, es ausdrückt: „Wenn wir unsere Modelle nicht richtig hinbekommen, was dort oben passiert, könnten wir unten etwas falsch machen.“ Aber die Verbesserung von Modellen zur Funktionsweise der oberen Atmosphäre – und die Überprüfung ihrer Genauigkeit – erfordert gute aktuelle Daten über die realen Bedingungen in der Luft. Und der Vorrat an solchen Daten werde bald versiegen, warnt Mlynczak.

Die meisten Satelliten, die in den letzten drei Jahrzehnten Informationen aus der oberen Atmosphäre geliefert haben und damit seine und andere Vorhersagen über Abkühlung und Kontraktion lieferten, erreichen das Ende ihrer Lebensdauer. Von sechs NASA-Satelliten, um die es hier geht, ist einer im Dezember ausgefallen, ein anderer wurde im März außer Betrieb genommen und drei weitere sollen bald abgeschaltet werden. „Es ist noch keine neue Mission geplant oder in der Entwicklung“, sagt er.

Mlynczak hofft, das Interesse an der Überwachung mit einer Sondersitzung wiederzubeleben, die er diesen Herbst bei der American Geophysical Union organisiert, um die obere Atmosphäre als „die nächste Grenze des Klimawandels“ zu diskutieren. Ohne kontinuierliche Überwachung besteht die Befürchtung, dass wir bald in die Zeit der Ignoranz zurückkehren könnten.