Positive Rückkopplungen

Ein kleiner Anstoß schaukelt sich auf

Positive Rückkopplungen sorgen in manchen Fällen für eine Verstärkung von ursprünglich sehr schwachen und für sich kaum wirksamen Variationen äußerer Klimaantriebe. Ein wichtiges Beispiel für eine positive Rückkopplung im Klimasystem ist die Eis-Albedo-Rückkopplung.

Die im Folgenden angeführten Effekte wirken natürlich auch in die umgekehrte Richtung, also in Richtung Abkühlung. Aus Aktualitätsgründen werden sie jeweils nur in die Erwärmungsrichtung erklärt. Daneben gibt es noch andere Rückkopplungen, von denen der derzeitige Forschungsstand allerdings annimmt, dass sie gegenüber den hier angeführten weniger wirksam sind.

Eis-Albedo-Rückkopplung

Die Eis-Albedo-Rückkopplung beruht auf der sehr unterschiedlichen Reflexion der eingestrahlten Sonnenenergie durch verschiedene Oberflächen. Eine geringe Abkühlung durch einen äußeren Antrieb, der beispielsweise in 65° N über den ausgedehnten Landmassen Sibiriens und Kanadas die winterliche Schneedecke dort etwas länger in die warme Jahreszeit hinein andauern lässt, bewirkt einen erhöhten Energieverlust durch Reflexion am weißen Schnee (bis 80 % und mehr) gegenüber der durch apere Oberflächen (20 % und weniger). Die Albedo-Rückkopplung ist allerdings komplizierter, da auch die Oberfläche der Wolken stark zu ihr beiträgt, und diese sind in den Klimamodellen noch nicht befriedigend simuliert. Wesentliche klassische Messungen der Albedo über Schnee und Eis führten Franz Sauberer und Inge Dirmhirn in den späten 1940er- und frühen 1950er-Jahren in der vergletscherten Umgebung des Sonnblick-Observatoriums durch (Abb. 1).

Manche positive Rückkopplungen werden in sich noch verstärkt, da sie eine weitere Selbstverstärkung verursachen. Das ist etwa der Fall, wenn im nördlichen Eismeer die Eisdecke zurückgeht. In diesem Fall besteht grundlegende Rückkopplung in einem besonders starken Albedoeffekt, da eine Wasseroberfläche noch weniger Strahlung reflektiert als Land. Dazu kommt eine zweite Rückkopplung, da die Packeisdecke zuvor auch den Wärmefluss aus dem Ozean in die Atmosphäre abgeschirmt hat, was nach dem Abtauen nicht mehr der Fall ist.

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Abb. 1: Links: Werte der Albedo für verschiedene Oberflächenzustände eines Gletschers (Böhm u.a. 2011, nach Sauberer und Dirmhirn 1952). Rechts: Die Werte wurden durch mehrere Messkampagnen in den 1950er-Jahren von Inge Dirmhirn und Franz Sauberer am Sonnblick gewonnen (Tollner H., ZAMG).

Löslichkeit von Gasen

Eine andere wesentliche Rückkopplung im Klimawandel beruht auf der temperaturabhängigen Löslichkeit von Gasen – auch von Treibhausgasen – im Ozean: Da wärmeres Wasser geringere Gaslöslichkeit besitzt und atmosphärische Treibhausgase Erwärmung verursachen, liegt eine positive Rückkopplung vor. Vor allem dieser selbstverstärkende Prozess führte zusätzlich zur Albedo-Rückkopplung zur starken Parallelität zwischen Treibhausgasen und dem Temperaturverlauf in den starken Kaltzeitzyklen. Eine etwas höhere Ozeantemperatur durch die Zyklen der astronomischen Bahnparameter führt zum Ausgasen von Treibhausgasen in die Atmosphäre, verursacht wieder eine Temperaturerhöhung usw.

Wasserdampfrückkopplung

Etwa zu einer Verdopplung der durch die anthropogenen Treibhausgase angenommenen Erwärmung führt die Wasserdampfrückkopplung in der Atmosphäre. Sie wird durch das physikalische Gesetz verursacht, dass der maximal mögliche Wasserdampfgehalt der Atmosphäre progressiv mit deren Temperatur steigt (Magnus-Formel). Da für zwei Drittel der Erdoberfläche mit den Ozeanen eine unerschöpfliche Wasserdampfquelle vorhanden ist, steigt dieser auch tatsächlich, wenn es wärmer wird. Da Wasserdampf ein sehr wirksames Treibhausgas ist, ergibt sich eine klare Selbstverstärkung, für die sich die Bezeichnung „indirekter Treibhauseffekt“ eingebürgert hat.

Methan

Über ein anderes Treibhausgas, das Methan (CH4) läuft eine weitere positive Rückkopplung, die allerdings quantitativ noch wenig erforscht ist. Nur das Vorzeichen ist unbestritten. Beim unvermeidlichen Auftauen von Permafrost im Zuge der globalen und in den nördlichen arktischen Landmassen besonders starken Erwärmung könnten relevante Mengen des bisher im gefrorenen Untergrund der Tundra fest gebundenen „Sumpfgases“ aus den wachsenden Sumpfflächen frei werden. Messprojekte und Modellrechnungen bemühen sich zurzeit verstärkt um eine genaue Darstellung dieses Prozesses, der nicht so einfach abläuft, wie man vermuten könnte. Die mit einer Erwärmung ebenfalls einhergehende anwachsende und dichter werdende Pflanzendecke könnte das Methan abpuffern.

 

Literatur:

Böhm R., Auer I., Schöner W. (2011): Labor über den Wolken. Die Geschichte des Sonnblick-Observatoriums. Wien, Köln, Weimar: Böhlau, 380 Seiten, ISBN 978-3-205-78723-5

Denman K.L., Brasseur G. (2007): Couplings between changes in the climate system and biochemistry. In: Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L. (Hg.): Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of working group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, New York: Cambridge University Press, 499–587, ISBN 9780521705967 (PDF-Datei; 7,8 MB)

National Research Councel (Hg.) (2003): Understanding climate change feedbacks. Washington D.C.: The National Academic Press, 166 Seiten, ISBN 978-0-309-09072-8 (Website)

Sauberer F., Dirmhirn I. (1952): Der Strahlungshaushalt horizontaler Gletscherflächen auf dem Hohen Sonnblick. Geografiska Annaler 34, 261–290

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