FAQ 7.1 | Wie beeinflussen Wolken das Klima und den Klimawandel?

Wolken haben einen starken Einfluss auf das gegenwärtige Klima, aber Beobachtungen allein können uns noch nicht Auskunft darüber geben, wie sie auf ein zukünftiges, wärmeres Klima einwirken werden. Umfassende Vorhersagen von Änderungen der Bewölkung benötigen ein globales Klimamodell. Solche Modelle simulieren Wolkenfelder, die den beobachteten grob ähneln, wobei aber weiterhin beachtliche Fehler und Unsicherheiten bestehen. Unterschiedliche Klimamodelle erzeugen unterschiedliche Projektionen darüber, wie sich Wolken in einem wärmeren Klima verändern werden. Basierend auf allen zur Verfügung stehenden Belegen scheint es wahrscheinlich, dass die Netto-Wolken-Klima-Rückkopplung die globale Erwärmung verstärkt. In diesem Fall bleibt die Intensität dieser Verstärkung unsicher.

Seit den 1970er Jahren haben Wissenschaftler die entscheidende Bedeutung der Wolken für das Klimasystem und für den Klimawandel erkannt. Wolken beeinflussen das Klimasystem auf unterschiedliche Art und Weise. Sie erzeugen Niederschlag (Regen und Schnee), der für die meisten Lebensformen an Land notwendig ist. Sie erwärmen die Atmosphäre, wenn Wasserdampf kondensiert. Obwohl ein Teil des kondensierten Wassers wieder verdunstet, steht der Niederschlag, der die Erdoberfläche erreicht, für eine Netto-Erwärmung der Luft. Wolken haben einen starken Einfluss auf die Energieflüsse sowohl der Sonneneinstrahlung (Erwärmung des Planeten) als auch der Infrarotstrahlung (Abkühlung des Planeten durch Abstrahlung in den Weltraum) durch die Atmosphäre. Schließlich gibt es in Wolken starke Aufwinde, wodurch Luftmassen schnell von der Nähe der Erdoberfläche in große Höhen befördert werden können. Die Aufwinde transportieren Energie, Feuchtigkeit, Impuls, Spurengase und Aerosolpartikel. Über Jahrzehnte haben Klimawissenschaftler sowohl Beobachtungen als auch Modelle genutzt, um zu untersuchen, wie Wolken sich mit dem täglichen Wetter, mit dem Jahreszyklus und mit Veränderungen von Jahr zu Jahr, wie beispielsweise den mit El Niño verbundenen, verändern.

Alle Wolkenprozesse können sich ändern, wenn sich der Zustand des Klimas ändert. Wolkenrückkopplungen sind von besonders starkem Interesse im Kontext des Klimawandels. Jede Veränderung in einem Wolkenprozess, die durch den Klimawandel verursacht wird – und wiederum das Klima beeinflusst – stellt eine Wolken-Klimarückkopplung dar. Weil Wolken so stark sowohl mit der Sonneneinstrahlung als auch mit der Infrarotstrahlung interagieren, können kleine Änderungen der Bewölkung einen starken Effekt auf das Klimasystem haben.

Es wurden viele mögliche Arten von Wolken-Klima-Rückkopplungen diskutiert, mit Änderungen des Bedeckungsgrades, der Höhe der Wolkenobergrenze und/oder des Reflexionsvermögens der Wolken (siehe FAQ 7.1, Abbildung 1). Die Literatur zeigt einheitlich, dass hohe Wolken die globale Erwärmung verstärken, da sie mit Infrarotstrahlung interagieren, die von der Atmosphäre und von der Erdoberfläche abgestrahlt wird. Mehr Unsicherheiten gibt es jedoch über die Rückkopplungen mit Wolken in geringen Höhen sowie über Wolkenrückkopplungen, die mit dem Bedeckungsgrad und dem Reflexionsvermögen im Allgemeinen verbunden sind.

Dicke, hohe Wolken reflektieren effizient das Sonnenlicht, und sowohl dicke als auch dünne, hohe Wolken verringern den Betrag an Infrarotstrahlung, den die Atmosphäre und die Erdoberfläche in den Weltraum emittieren, erheblich. Der Ausgleich zwischen diesen beiden Effekten macht die Erdoberflächentemperatur gegenüber Änderungen der Menge an hohen Wolken etwas weniger sensitiv als gegenüber Änderungen der Menge an tiefen Wolken. Dieser Ausgleich könnte gestört werden, wenn es einen systematischen Trend weg von dicken, hohen Wolken hin zu dünnen Zirruswolken oder umgekehrt gäbe; obwohl diese Möglichkeit nicht ausgeschlossen werden kann, gibt es zurzeit keine Belege, die dafür sprechen. Auf der anderen Seite können Änderungen der Höhe hoher Wolken (bei einer bestimmten Menge an hohen Wolken) die Erdoberflächentemperatur stark beeinflussen. Eine Verlagerung von hohen Wolken nach oben reduziert die Infrarotstrahlung, die von der Erdoberfläche und von der Atmosphäre in den Weltraum emittiert wird, hat aber wenig Einfluss auf die reflektierte Sonneneinstrahlung. Es gibt starke Belege für eine solche Verlagerung in einem wärmeren Klima. Dies verstärkt die globale Erwärmung, indem verhindert wird, dass ein Teil der zusätzlichen Infrarotstrahlung, die von der Atmosphäre und der Erdoberfläche emittiert wird, das Klimasystem verlassen kann.

Tiefe Wolken reflektieren viel Sonneneinstrahlung zurück in den Weltraum, sie haben aber für einen bestimmten Zustand der Atmosphäre und der Erdoberfläche nur eine geringe Auswirkung auf die Infrarotstrahlung, die von der Erde in den Weltraum abgestrahlt wird. Dadurch haben sie einen Netto-Kühlungseffekt auf das heutige Klima; in geringerem Maße gilt dies auch für Wolken auf mittlerer Höhe. In einem zukünftigen Klima, das durch zunehmende Treibhausgase erwärmt wird, simulieren die meisten der IPCC-bewerteten Klimamodelle eine Abnahme der Menge an tiefen Wolken und solchen auf mittlerer Höhe, was die Absorption von Sonneneinstrahlung erhöhen und so die Erwärmung eher verstärken würde. Das Ausmaß dieser Abnahme ist allerdings ziemlich modellabhängig.

Es gibt auch andere Möglichkeiten, wie sich die Bewölkung in einem wärmeren Klima ändern könnte. Änderungen von Windströmungsmustern und den Zugbahnen von Stürmen könnten die regionalen und saisonalen Bewölkungs- und Niederschlagsmuster beeinflussen. Einige Studien weisen darauf hin, dass das Signal einer solchen Entwicklung, das in Klimamodellen zu sehen ist – eine polwärts gerichtete Verlagerung der Wolken, die in Verbindung mit den Zugbahnen von Stürmen in mittleren Breiten stehen – bereits in den Beobachtungen nachweisbar ist. Durch die Verlagerung von Wolken in Regionen, die weniger Sonnenlicht erhalten, könnte auch dies die globale Erwärmung verstärken. Mehr Wolken könnten aus flüssigen Tröpfchen bestehen, die klein aber zahlreich sind und mehr Sonneneinstrahlung zurück in den Weltraum reflektieren als eine Wolke, die aus der gleichen Masse an größeren Eiskristallen besteht. Dünne Zirruswolken, die einen Netto-Erwärmungseffekt zur Folge haben und sich sehr schwer in Klimamodellen simulieren lassen, könnten sich in einer nicht von den Modellen simulierten Art und Weise verändern, wofür es aber keine Belege gibt. Andere Prozesse könnten regional wichtig sein, beispielsweise können sich die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Erdoberfläche über dem Ozean dort, wo das Meereis schmilzt, und über Land, wo die Transpiration der Pflanzen reduziert ist, verändern.

Es gibt bisher noch keine allgemein akzeptierte Art und Weise, globale Wolkenrückkopplungen aus Beobachtungen langfristiger Wolkentrends oder der Variabilität auf kürzeren Zeitskalen abzuleiten. Trotzdem liefern alle Modelle, die für den aktuellen Sachstandsbericht (und die vorhergegangenen beiden IPCC-Sachstandsberichte) genutzt wurden, Netto-Wolkenrückkopplungen, die entweder den anthropogenen Treibhauseffekt verstärken oder kaum einen Gesamteffekt haben. Rückkopplungen werden nicht in die Modelle “eingebaut“, sondern entwickeln sich aus der Funktionsweise der Wolken in der simulierten Atmosphäre und deren Effekten auf die Energieflüsse und -umsetzungen im Klimasystem. Die unterschiedlich starken Wolkenrückkopplungen, die in den verschiedenen Modellen erzeugt werden, ergeben sich vor allem durch die unterschiedlichen Sensitivitäten der Modelle gegenüber Änderungen der Treibhausgaskonzentrationen.

FAQ 7.1, Abbildung 1 | Schema wesentlicher Wolkenrückkopplungsmechanismen.

__________________________
Diese deutsche Übersetzung sollte zitiert werden als:

IPCC 2014: Klimaänderung 2013: Naturwissenschaftliche Grundlagen. Häufig gestellte Fragen und Antworten – Teil des Beitrags der Arbeitsgruppe I zum Fünften Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) [T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex und P.M. Midgley (Hrsg.)]. Deutsche Übersetzung durch die deutsche IPCC-Koordinierungsstelle und Klimabüro für Polargebiete und Meeresspiegelanstieg, Bonn, 2017.