E5 Klima-Feedbacks

Thema

Klimarückkopplungen sind Mechanismen, die die Reaktion des Klimasystems auf eine anfängliche Anregung verstärken oder abschwächen. Das Standardmodell zur Beschreibung dieser Reaktion unterteilt sie in drei Komponenten: die Strahlungsantriebskraft, die das Klimasystem stört, den Gesamtgewinn der Klimarückkopplungen als Reaktion auf diese Störung und die Reaktion der Oberflächentemperatur, die das Klimasystem nach der Rückkehr in ein neues Gleichgewicht erreicht. Diese Gleichgewichtsreaktion der Oberflächentemperatur entspricht der Strahlungsantriebskraft dividiert durch den Gesamtgewinn der Klimarückkopplungen, wobei das Vorzeichen umgekehrt ist: Je größer die Strahlungsantriebskraft, die das Klimasystem stört, desto größer ist die Gleichgewichtsreaktion der Oberflächentemperatur. Und je größer der Gesamtgewinn der Klimarückkopplungen – ein Gesamtgewinn, der negativ sein muss, damit das Klimasystem stabil ist –, desto kleiner ist die Gleichgewichtsreaktion der Oberflächentemperatur auf dieselbe Strahlungsantriebskraft.

Innerhalb des Gesamtnutzens der Klimarückkopplungen ist die Planck-Rückkopplung der grundlegende Stabilisator und stets negativ: Mit steigender Oberflächentemperatur emittiert das Klimasystem mehr Infrarotstrahlung ins Weltall. Diese erhöhte Infrarotstrahlung kühlt das Klimasystem wieder ab und wirkt so dem Temperaturanstieg entgegen, der ihn verursacht hat. Ohne diese negative Planck-Rückkopplung könnte keine der anderen Klimarückkopplungen allein das Klimasystem nach dem Strahlungsantrieb in ein neues Gleichgewicht zurückführen, da sie lediglich die Stärke dieser negativen Planck-Rückkopplung modifizieren, nicht ersetzen.

Drei weitere Klimarückkopplungen modifizieren die Stärke der negativen Planck-Rückkopplung. Die Wasserdampf-Rückkopplung ist positiv: Eine wärmere Atmosphäre kann mehr Wasserdampf aufnehmen, und dieser zusätzliche Wasserdampf wirkt als Treibhausgas und verstärkt die Erwärmung, anstatt sie abzuschwächen. Die Rückkopplung zwischen Eis und Albedo ist ebenfalls positiv, aus demselben Grund wie die arktische Verstärkung: Weniger Eis bedeutet eine dunklere Oberfläche, und eine dunklere Oberfläche absorbiert mehr Sonnenstrahlung, was die Erwärmung verstärkt. Die Rückkopplung des Temperaturgradienten kann hingegen je nach Region positiv oder negativ sein: Sie verändert die Temperaturänderung mit der Höhe in verschiedenen Atmosphärenschichten, und diese Veränderung der vertikalen Temperaturstruktur kann die negative Planck-Rückkopplung je nach Messort auf der Erde entweder verstärken oder abschwächen.

Wolken stellen die größte Unsicherheitsquelle unter allen Klimarückkopplungen dar, da sie je nach Strahlungsart gegensätzliche Wirkungen haben: Wolken reflektieren Sonnenstrahlung zurück ins Weltall, was das Klimasystem abkühlt. Gleichzeitig halten sie aber auch Infrarotstrahlung zurück, die sonst ins Weltall entweichen würde, was das Klimasystem erwärmt. Welcher dieser beiden gegensätzlichen Effekte überwiegt, hängt von der Wolkenart, der Wolkenhöhe und der Region der Erde ab, in der die Wolke entsteht. Diese Abhängigkeit macht die Wolkenrückkopplung zur am schwierigsten präzise zu quantifizierenden aller Klimarückkopplungen.

Die Klimasensitivität im Gleichgewicht integriert all diese Klimarückkopplungen – die negative Planck-Rückkopplung, die Wasserdampf-Rückkopplung, die Eis-Albedo-Rückkopplung, die Temperaturgradienten-Rückkopplung und die Wolken-Rückkopplung – zu einem einzigen Gesamtrückkopplungsgewinn: Die Klimasensitivität im Gleichgewicht entspricht dem Strahlungsantrieb, der durch eine Verdopplung der Kohlendioxidkonzentration entsteht (ca. 3,7 Watt pro Quadratmeter), dividiert durch denselben Gesamtrückkopplungsgewinn, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Der wahrscheinlichste Wert der Gleichgewichts-Klimasensitivität liegt laut der aktuellsten internationalen wissenschaftlichen Klimabewertung bei drei Grad Celsius, innerhalb einer wahrscheinlichen Spanne von zweieinhalb bis vier Grad. Derselbe Strahlungsantrieb durch eine Verdopplung des Kohlendioxids, mit dem die Reaktion des Klimasystems im ersten Absatz definiert wurde, entspricht letztendlich dem, was die Gleichgewichts-Klimasensitivität in einen konkreten Anstieg der Oberflächentemperatur übersetzt, sobald alle Klimarückkopplungen ihre Wirkung entfaltet haben.

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