A4 verstärkte Rückkopplungsanomalien

Thema

Klimarückkopplungen sind Mechanismen, durch die eine anfängliche Störung des Klimasystems verstärkt oder abgeschwächt wird: Eine positive Rückkopplung verstärkt die anfängliche Störung, während eine negative Rückkopplung sie abschwächt. Unter anormalen Bedingungen werden bestimmte positive Rückkopplungen auf außergewöhnliche Weise aktiviert und koppeln sich zudem miteinander, sodass eine aktivierte positive Rückkopplung eine andere verstärkt, anstatt unabhängig voneinander zu wirken. Diese Kopplung zwischen positiven Rückkopplungen führt zu einer nichtlinearen Verstärkung der anfänglichen Störung – eine Verstärkung, die Modelle mit proportionaler Reaktion nicht vorhersehen können. Die prominentesten Beispiele für diese nichtlineare Verstärkung sind die arktische Verstärkung, marine Hitzewellen und die Rückkopplung zwischen trockenem Boden und extremen Temperaturen.

Die arktische Verstärkung ist die erste dieser außergewöhnlichen positiven Rückkopplungen. Sie entsteht durch den Verlust des arktischen Meereises, wodurch die Oberflächenalbedo der Region sinkt: Eine dunkle Meeresoberfläche ersetzt die weiße Eisoberfläche, und diese dunkle Meeresoberfläche absorbiert mehr Sonnenstrahlung als das zuvor vorhandene weiße Eis. Zu dieser Rückkopplung der Oberflächenalbedo kommt die Rückkopplung des polaren Temperaturgradienten hinzu: In der Arktis ist die Erwärmung in Bodennähe stärker als in höheren Lagen, im Gegensatz zu den Tropen. Dieser Unterschied verstärkt die thermische Reaktion der Arktis auf dieselbe anfängliche Störung zusätzlich. Durch die Rückkopplungen von Oberflächenalbedo und polarem Temperaturgradienten schreitet die Erwärmung der Arktis zwei- bis viermal schneller voran als die durchschnittliche globale Erwärmung. Marine Hitzewellen stellen die zweite dieser außergewöhnlichen positiven Rückkopplungen dar: Dabei handelt es sich um Perioden mit ungewöhnlich hohen Meeresoberflächentemperaturen, die Wochen oder Monate anhalten können. Ihre Intensität wird durch eine lokale Rückkopplung zwischen Meeresoberflächentemperatur und Bewölkung verstärkt: Wärmeres Oberflächenwasser dämpft die Mischungsschicht des Ozeans und reduziert die Schichtwolkenbedeckung über diesen Gewässern. Die reduzierte Schichtwolkenbedeckung lässt mehr einfallende Sonnenstrahlung die Meeresoberfläche erreichen. Die erhöhte Sonneneinstrahlung führt zu einem weiteren Anstieg der Meeresoberflächentemperatur, was wiederum die Mischungsschicht des Ozeans schwächt und die Schichtwolkenbildung reduziert. Dadurch schließt sich ein Rückkopplungsmechanismus, der die marine Hitzewelle aufrechterhält und verlängert, solange die auslösenden Bedingungen unverändert bleiben.

Der Rückkopplungsmechanismus zwischen trockenem Boden und extremer Temperatur ist der dritte dieser außergewöhnlich stark aktivierten positiven Rückkopplungen. Er verknüpft die Bodenfeuchtigkeit mit der bodennahen Lufttemperatur: Trockener Boden verdunstet weniger Wasser und verliert somit die kühlende Wirkung feuchter Böden. Dieser Verlust an Verdunstungskühlung führt zu extremen Anstiegen der bodennahen Lufttemperatur. Höhere bodennahe Lufttemperaturen wiederum trocknen den Boden weiter aus, sodass sich trockener Boden und extreme Temperaturen gegenseitig verstärken, ähnlich wie Meeresoberflächentemperatur und Wolkenbedeckung während mariner Hitzewellen.

Die drei beschriebenen positiven Rückkopplungen – die arktische Verstärkung, marine Hitzewellen und die Wechselwirkung zwischen trockenen Böden und extremen Temperaturen – weisen eine gemeinsame, charakteristische Eigenschaft verstärkter Klimarückkopplungen auf: In jedem Fall wird die Reaktion des Klimasystems auf eine kleine anfängliche Störung zur Ursache einer größeren Störung, anstatt diese abzuschwächen. Daher erzeugen diese positiven Rückkopplungen, wenn sie in außergewöhnlichem Maße aktiviert werden, Anomalien – eine Arktis, die sich um ein Vielfaches schneller erwärmt als der Rest des Planeten, sich selbst verstärkende Episoden extremer Meerestemperaturen, Böden, die im selben Zyklus austrocknen und sich erwärmen –, die von Modellen, die eine proportionale Reaktion zur anfänglichen Störung annehmen, nicht vorhergesehen werden und sich nur erklären lassen, wenn man erkennt, dass Klimarückkopplungen unter anormalen Bedingungen aufhören, als unabhängige Mechanismen zu funktionieren, und sich miteinander vernetzen.

ID:806