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 in früheren Klimaepochen

Wasserkreislauf und die Wasserverteilung unterschieden sich in früheren Klimaepochen z.T. sehr 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 durch empirische Daten zu belegen. Das hat vor allem zwei Gründe. Zum einen sind Niederschläge und Verdunstung regional sehr unterschiedlich und es gibt nur für wenige Regionen 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 sind teils natürlichen Ursprungs. Sie entstehen aber auch wie Kohlendioxid bei der Verbrennung fossiler Energieträger. Aerosole schwächen die Sonneneinstrahlung sowohl direkt in wolkenfreier Atmosphäre als auch indirekt durch eine Zunahme der Wolkenbedeckung und haben somit eine Abkühlung zur Folge. Außerdem bewirken Aerosole, dass sich in den Wolken eher viele kleine als wenige große Tröpfchen bilden, was den Niederschlag verringert. Hinzu kommt, dass Aerosole durch den starken Abkühlungseffekt am Boden und die teilweise Erwärmung in der mittleren Troposphäre durch Rußaerosole das vertikale Temperaturprofil verändern. Dadurch nimmt die Temperatur mit der Höhe weniger stark ab und der Auftrieb warmer wasserdampfhaltiger Luft wird geschwächt, was wiederum den Niederschlag verringert. Da der Niederschlag die Hauptursache für die Entfernung von Aerosolen aus der Atmosphäre ist, gibt es eine positive Rückkopplung: Die Verringerung der Niederschläge sorgt für eine Erhöhung der Aerosolkonzentration usw. Nach neueren Modellrechnungen kann der hydrologische Zyklus auf Veränderungen im Aerosolgehalt sogar stärker als auf Veränderungen in der Konzentration von Treibhausgasen reagieren.

Da Aerosole nur eine kurze Lebensdauer in der Atmosphäre haben, ist ihre Wirkung auf die Gebiete ihrer Entstehung begrenzt. Ihr globaler Effekt auf den hydrologischen Zyklus ist daher weitgehend unklar. Für die Niederschläge ergibt sich im Zeitraum 1951-2005 über dem Land jedenfalls kein klarer globaler Trend. Regionale Trends sind jedoch teilweise deutlich erkennbar. Eine Zunahme zeigen etwa die USA (mit Ausnahme des Südwestens) und Kanada, große Gebiete Südamerikas, West-Australien, Nordeuropa und Sibirien. Die größten negativen Trends zeigen die Sahelzone und der mediterrane Raum. Betrachtet man nur die Zeit von 1979 bis 2005, weist der Sahel jedoch einen positiven Trend auf.