Bisher unbekannte gefährliche Schwellenwerte für den Klimawandel

Hohe CO2-Werte können Meereswolkenschicht destabilisieren

Bei hohen atmosphärischen CO2-Konzentrationen könnte die Erde einen Kipppunkt erreichen, an dem marine Stratokumuluswolken instabil werden und verschwinden, so eine Medienmitteilung aus dem California Institute of Technology vom 25.02.2019 – das würde laut einer im im Fachmagazin Nature Geoscience veröffentlichten Modellstudie die globale Erwärmung weiter anheizen.

Dieses Ereignis, das die Oberflächentemperaturen weltweit um etwa 8° Celsius erhöhen könnte, kann laut der Studie bei CO2-Konzentrationen über 1.200 ppm auftreten. Zum Vergleich: Die aktuelle Konzentration liegt bei etwa 410 ppm und steigt weiter an. Wenn die Welt weiterhin fossile Brennstoffe mit der derzeitigen Geschwindigkeit verbrennt, könnte der CO2-Gehalt der Erde im nächsten Jahrhundert über 1.200 ppm steigen.

“Ich denke und hoffe, dass der technologische Wandel die Kohlenstoffemissionen verlangsamt, so dass wir nicht tatsächlich so hohe CO2-Konzentrationen erreichen. Aber unsere Ergebnisse zeigen, dass es gefährliche Schwellenwerte für den Klimawandel gibt, die uns bisher unbekannt waren”, sagt Tapio Schneider von Caltech, Theodore Y. Wu Professor für Environmental Science and Engineering und leitender Forschungswissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory, das Caltech für die NASA leitet. Schneider, der Hauptautor der Studie, stellt fest, dass die 1.200-ppm-Schwelle eher eine grobe Schätzung als eine feste Zahl ist.

Die Studie könnte helfen, ein langjähriges Geheimnis in der Paläoklimatologie zu lösen. Geologische Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass die Arktis während des Eozäns (vor etwa 50 Millionen Jahren) frostfrei war und Krokodile beherbergt hat. Nach den bestehenden Klimamodellen müsste der CO2-Gehalt jedoch über 4.000 ppm steigen, um den Planeten so zu erwärmen, dass die Arktis so warm ist. Dies ist mehr als doppelt so hoch wie die wahrscheinliche CO2-Konzentration in diesem Zeitraum. Eine Erwärmungsspitze, die durch den Verlust von Stratokumulus-Wolkenschichten verursacht wurde, könnte jedoch das Auftreten des Treibhausklimas im Eozän erklären.

Stratus-Wolken bedecken etwa 20 Prozent der subtropischen Ozeane und sind in den östlichen Teilen verbreitet – zum Beispiel vor den Küsten von Kalifornien oder Peru. Die Wolken kühlen ab und beschatten die Erde, während sie das Sonnenlicht reflektieren, das sie zurück in den Raum schlägt. Das macht sie wichtig für die Regulierung der Oberflächentemperatur der Erde. Das Problem ist, dass die turbulenten Luftbewegungen, die diese Wolken stützen, zu klein sind, um in globalen Klimamodellen lösbar zu sein.

Um die Unfähigkeit, die Wolken im globalen Maßstab zu lösen, zu umgehen, schufen Schneider und seine Co-Autoren Colleen Kaul und Kyle Pressel vom Pacific Northwest National Laboratory ein kleinmaßstäbiges Modell eines repräsentativen atmosphärischen Abschnitts über einem subtropischen Ozean, das die Wolken und ihre turbulenten Bewegungen über diesem Ozeanfleck auf Supercomputern simuliert. Sie beobachteten die Instabilität der Wolkendecks, gefolgt von einem Anstieg der Erwärmung, wenn der CO2-Gehalt 1.200 ppm überschritt. Die Forscher fanden auch heraus, dass sie nach dem Verschwinden der Wolkendecks erst wieder auftauchten, wenn der CO2-Gehalt deutlich unter den Wert gesunken war, an dem die Instabilität zum ersten Mal auftrat.

“Diese Forschung zeigt auf einen toten Winkel in der Klimamodellierung”, sagt Schneider, der derzeit ein Konsortium namens Climate Modeling Alliance (CliMA) leitet, um ein neues Klimamodell zu entwickeln. CliMA wird Datenassimilations- und Maschinenlernwerkzeuge einsetzen, um Erdbeobachtungen und hochauflösende Simulationen zu einem Modell zu verschmelzen, das Wolken und andere wichtige kleine Merkmale besser darstellt als bestehende Modelle. Mit dem neuen Modell soll unter anderem genauer bestimmt werden, bei welchem CO2-Gehalt die Instabilität der Wolkendecks auftritt.

Das neue Papier trägt den Titel “Mögliche Klimaübergänge durch das Aufbrechen von Stratocumulus-Decks unter Gewächshauserwärmung”. Kaul und Pressel haben diese Arbeit als Forscher im Schneider-Labor abgeschlossen. Diese Forschung wurde von Caltech Senior Trustee Charles Trimble (BS ’63, MS ’64) und dem GPS Chair’s Council unterstützt.

Abstract aus Nature Geoscience

Stratokumuluswolken bedecken 20% der Tiefsee und sind besonders in den Subtropen verbreitet. Sie kühlen die Erde, indem sie große Teile ihrer Oberfläche vor Sonnenlicht schützen. Da ihre dynamischen Skalen jedoch zu klein sind, um in globalen Klimamodellen auflösbar zu sein, sind Vorhersagen über ihre Reaktion auf die Treibhauserwärmung unsicher geblieben. Hier berichten wir, wie Stratokumulus-Decken auf die Erwärmung in großformatigen Simulationen reagieren, welche die Wolkendynamik in einer repräsentativen subtropischen Region explizit auflösen. In den Simulationen werden Stratokumulus-Schichten instabil und zerfallen in verstreute Wolken, wenn der CO2-Wert über 1.200 ppm steigt. Diese Instabilität führt neben der Erwärmung durch steigende CO2-Werte zu einer Oberflächenerwärmung von ca. 8° C global und 10° in den Subtropen. Nach dem Zerfall der Stratokumulus-Schichte bilden sie sich erst dann wieder neu, wenn die CO2-Konzentrationen deutlich unter das Niveau fallen, bei dem die Instabilität zum ersten Mal auftrat. Klimaübergänge, die sich aus dieser Instabilität ergeben, können wesentlich zum Treibhausklima und zu abrupten Klimaänderungen in der geologischen Vergangenheit beigetragen haben. Solche Übergänge zu einem viel wärmeren Klima können auch in Zukunft erfolgen, wenn der CO2-Gehalt weiter steigt.

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