Wasserkreislauf und Klima

Wasserkreislauf und atmosphärische Zirkulation

Der globale Wasserkreislauf wird im wesentlichen von der großräumigen Zirkulation der Atmosphäre bestimmt, die wiederum vom Klima abhängig ist. Die höchsten Niederschläge finden sich in der innertropischen Konvergenzzone, wo aufgrund der hohen Sonneneinstrahlung wasserdampfgesättigte Luftmassen aufsteigen, dabei abkühlen und sich ausregnen. In den Subtropen, in denen Luftmassen in hohem Maße absinken und sich erwärmen, kommt es kaum zu Niederschlägen. Hier herrscht die Verdunstung vor. Über den subtropischen Kontinenten, die meistens von Wüsten eingenommen sind, gibt es kaum Wasser, das verdunsten kann. Die subtropischen Ozeane sind dagegen die wichtigsten Wasserdampflieferanten der Atmosphäre. In der Westwindzone der mittleren und höheren Breiten nehmen die Niederschläge wieder zu. Der Wasserdampf stammt teils aus den Subtropen, teils aus den Ozeanen und von der Landvegetation der mittleren Breiten selbst. Weiter zu den Polen hin nehmen die Niederschläge wieder ab, weil kalte Luft nur wenig Wasserdampf aufnehmen kann, und ein großer Teil des Wassers ist in Eis und Schnee gebunden.

Wasserkreislauf und Wasserverteilung in früheren Klimaepochen

Während früherer Klimaepochen war der Wasserkreislauf und die Wasserverteilung z.T. sehr verschieden von den heutigen Verhältnissen. In der frühen Erdneuzeit vor rund 50 Millionen Jahren gab es kein Eis auf der Erde, und die Temperaturen lagen bis zu 10 °C über den heutigen. Der Wasserkreislauf war wesentlich intensiver als heute, d.h. es verdunstete mehr Wasser und es fiel auch mehr Niederschlag. Die letzten zweieinhalb Millionen Jahre waren insgesamt wesentlich kälter als die frühe Erdneuzeit und durch den Wechsel von kalten und warmen Phasen gekennzeichnet, den Kalt- und Warmzeiten des Eiszeitalters. In den Kaltzeiten war ein großer Teil des Wassers in riesigen Eisschilden gebunden, die sich weit über Nordamerika und den eurasischen Kontinent erstreckten. Die globalen Temperaturen lagen im Mittel etwa um 4 °C unter den heutigen. Die Atmosphäre konnte insgesamt weniger Wasserdampf aufnehmen und entsprechend weniger durch Niederschlag abgeben.

Der Wasserkreislauf im Treibhausklima

Der Blick in die Vergangenheit zeigt, dass der Wasserkreislauf stark vom Klima abhängig ist. Daher stellt sich die Frage, wie sich der gegenwärtige und künftige Klimawandel durch den Menschen auf den Wasserkreislauf auswirkt. Die globale Erwärmung um fast 0,8 °C in den letzten 100 Jahren sollte sich auch in einer Verstärkung des Wasserkreislaufs niederschlagen. Bei einer Erwärmung um 1 °C wird theoretisch die Wasserdampfkapazität der Atmosphäre um 7% erhöht. Allgemein wird angenommen, dass der hydrologische Zyklus infolge der globalen Erwärmung durch die Zunahme der Treibhausgase intensiviert wird. Fast alle Klimamodelle zeigen, dass eine Erwärmung an der Erdoberfläche um 1 °C durch die Steigerung der Verdunstung besonders über den Ozeanen eine Erhöhung der Niederschläge um 2-3% zur Folge hat. Es ist jedoch sehr schwierig, eine solche Tendenz auch festzustellen. Das hat vor allem zwei Gründe. Zum einen sind Niederschläge und Verdunstung regional sehr unterschiedlich und es gibt selten ausreichende Messreihen.

Zum anderen hat sich in den letzten Jahrzehnten nicht nur die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre erhöht, sondern auch die von Aerosolen. Aerosole schwächen die Sonneneinstrahlung sowohl direkt in wolkenfreier Atmosphäre wie indirekt durch eine Zunahme der Wolkenbedeckung. Hinzu kommt, dass Aerosole durch den starken Abkühlungseffekt am Boden und die teilweise Erwärmung in der mittleren Troposphäre das vertikale Temperaturprofil verändern. Hieraus können sich erhebliche Folgen für den hydrologischen Zyklus ergeben.

Allgemein wird angenommen, dass der hydrologische Zyklus infolge der globalen Erwärmung durch die Zunahme der Treibhausgase intensiviert wird. Fast alle Klimamodelle zeigen, dass eine Erwärmung an der Erdoberfläche um 1 oC durch die Steigerung der Verdunstung besonders über den Ozeanen eine Erhöhung der Niederschläge um 2-3% zur Folge hat. Die Verdunstung nimmt vor allem zu, weil die Wasserdampfkapazität einer wärmeren Atmosphäre erhöht ist. Beobachtungen über die letzten 50 Jahre bestätigen diesen Befund der Modelle jedoch nur begrenzt und zeigen in einigen Gebieten eine Abnahme der potentiellen Verdunstung. Als wahrscheinliche Erklärung gilt eine Reduzierung der Sonneneinstrahlung durch mehr Wolken und/oder Aerosole.33 Modellrechnungen bestätigen solche Zusammenhänge:34 Die Zunahme von Wolken und Aerosolen in den letzten Jahrzehnten führt im Modell zu einer Reduktion der Sonneneinstrahlung am Boden um 5,2 W/m2 über Land und 3,8 W/m2 global.

Aerosole wirken dem Einfluss der Treibhausgase auf Verdunstung und Niederschlag entgegen. Erstens verzögern sie direkt den Niederschlag durch ihren Einfluss auf die Tröpfchengröße (s.o.). Zweitens verringert die durch Aerosole verursachte Verminderung der Einstrahlung die Verdunstung und in der Folge auch den Niederschlag. Und drittens sorgt die Erwärmung der unteren Atmosphäre durch absorbierende Aerosole (vor allem durch Ruß) für eine Verringerung der Temperaturabnahme mit der Höhe und damit für eine Schwächung des Auftriebs warmer wasserdampfhaltiger Luft, was wiederum die Niederschlagsneigung schwächt. Die Erwärmung der unteren Atmosphäre durch Ruß-Aerosole sorgt auch direkt für eine abnehmende Bewölkung und eine Reduzierung von Niederschlägen.35 Quantitativ können diese Effekte durch Beobachtung bisher nicht bestätigt werden. Modellrechnungen zeigen jedoch sehr deutliche Effekte.

Nach neueren Modellrechnungen36 dürfte die Veränderung bei Verdunstung und Niederschlag durch Aerosole trotz des geringeren Temperatureinflusses höher als durch Treibhausgase sein. Der hydrologische Zyklus reagiert hiernach auf Veränderungen im Aerosolgehalt dreimal stärker als auf Veränderungen in der Konzentration von Treibhausgasen. Während die globale Erwärmung den hydrologischen Zyklus verstärkt, ist der Aerosoleffekt auf die Einstrahlung am Boden stark genug, um diesen Effekt umzudrehen. Die Verringerung der Niederschläge ist besonders groß über aerosolbelasteten Gebieten. Da der Niederschlag die Hauptursache für die Entfernung von Aerosolen aus der Atmosphäre ist, gibt es einen positiven Feedback.: Die Verringerung der Niederschläge sorgt für eine Erhöhung der Aerosolkonzentration usw. Außerdem stabilisiert die Abkühlung des Bodens durch Aerosole die untere Atmosphärenschicht und unterdrückt die Konvektion. Trotz einer allgemeinen Erwärmung (hier übertrifft der Treibhauseffekt den Aerosoleffekt) nimmt der Niederschlag in manchen Breiten ab, besonders über den Kontinenten in niederen Breiten.

Der anthropogene Aerosoleffekt hängt stark vom Zustand des Klimas ab. Bei gleicher Emission ist die Aerosolkonzentration in einem Treibhausklima niedriger als ohne Treibhauserwärmung. Durch die Treibhausgaserwärmung wird die Aerosolmenge in der Atmosphäre reduziert. Grund ist die kürzere Verweilzeit von Aerosolen, die durch die Verstärkung von Niederschlägen bedingt ist. In einem kühleren Klima ist die Schwächung des hydrologischen Zyklus mit einer längeren atmosphärischen Verweilzeit von Aerosolpartikeln und folglich einer größeren räumlichen Verbreitung verbunden. Ebenso besitzen Wolken eine längere Verweilzeit durch den zweiten indirekten Aerosoleffekt. Pro oC Erwärmung nimmt die simulierte Aerosolmenge um 17% ab. Daraus folgt, dass eine weitere Erwärmung durch Treibhausgase die Konzentration von Aerosolen weiter reduzieren könnte, auch wenn die Emissionen gleich bleiben.