Eine neue Studie erklärt, wie Kohlendioxid die obere Atmosphäre abkühlt und gleichzeitig die untere Atmosphäre erwärmt

Dieses scheinbar paradoxe Muster ist ein bekanntes Kennzeichen des Einflusses des Menschen auf das Klima, doch die zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge blieben bislang ein Rätsel.

In einer neuen Studie beschreiben Forscher der Columbia University die physikalischen Zusammenhänge hinter diesem Phänomen und erläutern, wie es maßgeblich davon abhängt, wie Kohlendioxid (CO₂) mit verschiedenen Lichtwellenlängen interagiert.

„Es erklärt ein Phänomen, das ein charakteristisches Merkmal des Klimawandels ist, das zwar seit Jahrzehnten bekannt ist, aber bisher nicht vollständig verstanden wurde,“, sagte Robert Pincus, Forschungsprofessor für Ozean- und Klimaphysik am Lamont-Doherty Earth Observatory, das zur Columbia Climate School gehört, und Mitautor der in Nature Geoscience veröffentlichten Studie.

In der unteren Atmosphäre halten CO₂-Moleküle Wärme zurück, die sonst ins All entweichen würde. In höheren Lagen ändert sich die Dynamik jedoch. In der Stratosphäre – der Atmosphärenschicht, die sich von etwa 11 km bis 50 km über der Erdoberfläche erstreckt – wirken CO₂-Moleküle fast wie ein Strahler: Sie absorbieren Infrarotenergie von unten und strahlen einen Teil davon ins All ab. Mit steigender CO₂-Konzentration strahlt die Stratosphäre Wärme effizienter ab und kühlt sich dadurch ab.

Dieses Verhalten wurde bereits in den 1960er Jahren durch die Modelle des Nobelpreisträgers und Klimatologen Syukuro Manabe zum Erdklima und zur CO₂-bedingten globalen Erwärmung vorhergesagt. Seit Mitte der 1980er Jahre hat sich die Stratosphäre um etwa 2 °C abgekühlt. Schätzungen zufolge entspricht dies mehr als dem Zehnfachen der Abkühlung, die ohne vom Menschen verursachte CO₂-Emissionen eingetreten wäre.

Obwohl die Grundprinzipien der stratosphärischen Abkühlung gut verstanden sind, blieben die Feinheiten jedoch bislang unklar. „Die bestehende Theorie war unglaublich aufschlussreich, aber es fehlte uns noch eine quantitative Theorie für die durch CO₂ verursachte stratosphärische Abkühlung“, sagte Sean Cohen, Postdoktorand am Lamont-Doherty Earth Observatory und Erstautor der Studie.

Cohen, Pincus und Lorenzo Polvani, Geophysiker am Lamont und Professor am Fachbereich für Angewandte Physik und Angewandte Mathematik der Columbia Engineering, entwickelten ihre Theorie mithilfe eines iterativen Ansatzes. Sie identifizierten die Schlüsselprozesse, die bei der Abkühlung der Stratosphäre eine Rolle spielen, wiesen ihnen mathematische Werte zu, verglichen die Ergebnisse ihrer theoretischen Modelle mit umfassenden Simulationen und Beobachtungen aus der Praxis, verfeinerten ihre Gleichungen und wiederholten den Prozess. Über mehrere Monate hinweg leiteten sie die Gleichungen ab, die am besten mit ihren Daten übereinstimmten.

Die Forscher identifizierten einen entscheidenden Faktor: die Wechselwirkung von CO₂-Molekülen mit Licht, insbesondere mit Infrarotstrahlung (langwelliger Strahlung). Nicht alle Infrarotwellenlängen durchdringen die Atmosphäre auf dieselbe Weise. Einige tragen weitaus stärker zur Abkühlung bei als andere, und das Team stellte fest, dass Wellenlängen innerhalb eines bestimmten „Sweet Spots“ besonders wirksam sind. Mit zunehmender CO₂-Konzentration in der Atmosphäre erweitert sich dieser optimale Bereich.

„Es sind diese Effizienzveränderungen, die letztendlich zur Abkühlung der Stratosphäre führen“, sagte Cohen.

Die Forscher haben zudem die Rolle von Ozon und Wasserdampf quantifiziert. Wie CO₂ speichern diese Gase Wärme in der unteren Atmosphäre, tragen aber gleichzeitig durch Wärmeabstrahlung zur Abkühlung der Stratosphäre bei. Ihr Einfluss erwies sich jedoch im Vergleich zu dem von CO₂ als relativ gering.

Die Gleichungen des Teams geben drei allgemein anerkannte Beobachtungen erfolgreich wieder: wie sich die Abkühlung der Stratosphäre mit der Höhe verändert – wobei sie in der unteren Stratosphäre am schwächsten und nahe der Stratopause am stärksten ist; wie jede Verdopplung des atmosphärischen CO₂-Gehalts zu einer Abkühlung von etwa 8 °C an der Stratopause, der oberen Grenze der Stratosphäre, führt; und wie eine kühlere Stratosphäre weniger Infrarotenergie in den Weltraum entweichen lässt, wodurch der Wärme speichernde Effekt von CO₂ verstärkt wird. Mit anderen Worten: CO₂ verbessert die Fähigkeit der Stratosphäre, Wärme abzustrahlen, wodurch sie sich abkühlt. Da die Stratosphäre jedoch kälter wird, verliert das Erdsystem insgesamt letztlich weniger Wärme an den Weltraum, was die Erwärmung in der unteren Atmosphäre verstärkt.

„Das ist ein Vorgang, den wir seit mehr als 50 Jahren kennen, und wir hatten ein recht gutes qualitatives Verständnis davon, wie er ablief. Was wir jedoch nicht verstanden haben, waren die Details der mechanischen Abläufe, die diesen Vorgang antreiben“, sagte Cohen.

Cohen und Pincus betonen, dass die Bedeutung dieser Arbeit weniger darin liegt, weitere Belege für die globale Erwärmung zu liefern – die ohnehin bereits feststeht –, sondern vielmehr darin, unser Verständnis der Mechanismen hinter der Abkühlung der Stratosphäre zu verbessern. „Dies deckt die grundlegenden Zusammenhänge auf“, sagte Pincus und fügte hinzu, dass die Ergebnisse eine Grundlage für die zukünftige Erforschung dieses Prozesses bilden. Die Erkenntnisse könnten sich auch für Wissenschaftler als nützlich erweisen, die atmosphärische Bedingungen außerhalb der Erde untersuchen.

„Vielleicht können wir so besser verstehen, was in den Stratosphären anderer Planeten unseres Sonnensystems und von Exoplaneten vor sich geht“, sagte Cohen.

Wichtigste Ergebnisse der Studie

• Die Forscher erläutern, warum steigende Kohlendioxidkonzentrationen die Stratosphäre abkühlen, während sie die Erdoberfläche und die untere Atmosphäre erwärmen.
• Die Studie zeigt, dass diese Abkühlung weitgehend davon abhängt, wie CO₂ mit verschiedenen Wellenlängen der Infrarotstrahlung wechselwirkt.
• Mit steigender CO₂-Konzentration erweitert sich der Bereich der Infrarotwellenlängen, die zur Abkühlung der Stratosphäre beitragen.
• Die Ergebnisse tragen dazu bei, zu erklären, wie die Abkühlung der Stratosphäre die Wärme speichernde Gesamtwirkung von CO₂ verstärkt.