Wolken im Klimasystem

Wolken über dem Meer bei Lakes Entrance, Australia

Die Bedeutung von Wolken

Um das Klima der Zukunft vorhersagen zu können, muss man das Klimasystem und die komplizierten Wechselwirkungen seiner Komponenten verstehen. Eine der wichtigsten Komponenten des Klimasystems, die mit zahlreichen anderen Prozessen in Wechselwirkungen stehen, sind die Wolken. Wolken beeinflussen den Strahlungshaushalt der Atmosphäre; sie reflektieren die kurzwellige Sonnenstrahlung und absorbieren und emittieren langwellige Wärmestrahlung. Wolken sind ebenso ein wichtiger Faktor im Wasserkreislauf der Atmosphäre. Sie entstehen durch Kondensation aus Wasserdampf. Sie sorgen für Niederschlag, der in die Flüsse, Seen und Ozeane gelangt, aus denen dann durch Verdunstung der Wasserdampf stammt, aus dem die Wolken entstehen. Auch bei diesem Vorgang ist der Energiehaushalt der Atmosphäre betroffen: Bei Verdunstung wird der Atmosphäre Wärme entzogen, die bei der Kondensation als sogenannte latente Wärme wieder freigesetzt wird.

Auf der anderen Seite werden Wolken stark durch andere Faktoren beeinflusst. Kühlt die Luft sich ab, kann es zur Kondensation von Wasserdampf und zur Entstehung von Wolken führen. Erwärmt sich die Luft, können sich Wolken durch Verdunstung auflösen. Dabei spielen das Aufsteigen von Luftmassen - z.B. durch Erwärmung, an Gebirgen oder an Luftmassengrenzen - bei dem die Luft sich abkühlt, und das Absinken von Luftmassen, bei dem die Luft sich erwärmt, eine zentrale Rolle. Damit sich jedoch aus Wasserdampf Wolkentröpfchen bilden, braucht es sogenannter Kondensationskerne, der Aerosole. Befinden sich wenige Aerosolen in der Atmosphäre, bilden sich Wolken mit eher großen Tropfen, bei einer hohen Aerosoldichte eher solche mit vielen kleinen Tröpfchen. Windströmungen können Wolken weit von ihren Entstehungsgebieten entfernt verfrachten und zu Niederschlag Hunderte oder Tausende Kilometer vom Ursprungsort des Wolkenwassers entfernt führen.

Da Wolken sich auf kleinstem Raum sehr schnell verändern können, ist es sehr schwierig, sie in Computermodellen adäquat abzubilden. Aufgrund ihrer zentralen Bedeutung im Klimasystem sind Wolken daher eines der großen, wenn nicht das größte Problem der Klimavorhersage.

Wolkenbedeckungsgrad im Juli 2006

Wolkenbedeckung und Wolkenarten

Wolken bedecken ca. Zweidrittel des Globus: Stark bewölkt sind die Gebiete der Sturmtiefs über den Ozeanen in den mittleren Breiten und die tropischen Regengürtel, während die kontinentalen Wüstenregionen und die zentralen subtropischen Ozeane relativ wolkenarm sind.

Wolkenformen und Wolkenhöhen in verschiedenen Klimazonen

Die Art der Wolkenbedeckung ist nicht in allen geographischen Regionen und nicht in allen Höhen gleich. In den meisten Gebieten wechselt sie auch zeitlich sehr stark. Man kann die Wolken zum einen nach der Höhe, in der sie vorkommen, unterscheiden und zum anderen nach ihrer Form. Mit Ausnahme von Eiskristallwolken in den Polargebieten kommen Wolken nur in der Troposphäre vor, der unteren Schicht der Atmosphäre, in der sich das Wetter abspielt. Da die Obergrenze der Troposphäre, die Tropopause, mit 17-18 km über dem Äquator und 8 km über den Polen je nach Breitengrad unterschiedlich hoch liegt, wird die Wolkenhöhe oft nicht in Meter über dem Erdboden angegeben, sondern nach Luftdruckbereichen. So liegen nach einer Klassifizierung des Weltklimarates IPCC hohe Wolken über dem Luftdruckniveau von 440 hPa, während niedrige Wolken unter 680 hPa und mittlere Wolken dazwischen liegen. Je nach Breitenlage entspricht das in etwa den Höhenbereichen 3-18, 2-8 und 0-2 km (s. Tabelle).

Die meisten hohen Wolken befinden sich in der Nähe des Äquators und über den tropischen Kontinenten. Sie finden sich aber auch in den Tiefdruckzonen und im Sommer über den Kontinenten der mittleren Breiten. Wolken mittlerer Höhe sind typisch für die Tiefdruckgebiete der Westwindzonen der mittleren Breiten.

Niedrige Wolken gibt es über nahezu allen Ozeanen, hauptsächlich jedoch über den (durch Auftriebswasser) kühleren subtropischen Ozeanen, außerdem auch in den Polargebieten. Je nach Höhe bilden sich unterschiedliche Wolkenformen bzw. -gattungen heraus, die mit Cirrus führ hohe, Altus für mittlere und Stratus für niedrige Wolken bezeichnet werden. Die Wolkengattungen Nimbostratus, Cumulus und Cumulonimbus erstrecken sich über mehrere Höhenbereiche.

Wolken und Strahlung

Das Klimasystem der Erde empfängt kurzwellige Strahlung von der Sonne, die die Atmosphäre und die Erdoberfläche erwärmt. Erdoberfläche und Atmosphäre wiederum reflektieren einen Teil der kurzwelligen Solarstrahlung und emittieren langwellige Wärmestrahlung zurück in den Weltraum. Die Energie der kurzwelligen Solarstrahlung ist wesentlich höher als die der langwelligen Wärmestrahlung. Sie ist abhängig von der Temperatur der abstrahlenden Körper, die im Fall der Oberfläche der Sonne über 5500 °C beträgt, während die bodennahe Atmosphäre der Erde im Mittel nur 15 °C warm ist.

Zwischen Wolken und den kurzwelligen und langwelligen Strahlungsflüssen der Atmosphäre gibt es zahlreiche Wechselwirkungen. Wolken reflektieren die kurzwellige Sonnenstrahlung, absorbieren die langwellige Wärmestrahlung und emittieren sie wieder und werden selbst durch Strahlung verändert. Diese Funktion der Wolken ist alltäglich erfahrbar: Eine Wolkendecke, die sich vor die Sonnen schiebt, führt unmittelbar zur Absenkung der Temperatur am Boden. In einer Winternacht verhindert eine Wolkendecke die Wärmeabstrahlung in den Weltraum; im Vergleich zu einer sternklaren wolkenlosen Winternacht wird es deutlich weniger kalt. Eine starke Sonneneinstrahlung kann im Sommer auch zur Auflösung einer Wolkendecke führen.

Albedo-Effekt von Wolken

Vom Weltraum aus gesehen besitzen Wolken eine helle Farbe. Diese kommt dadurch zustande, dass die winzigen Wasser- und Eispartikel der Wolken 30 bis 60 % der auf sie treffenden Sonnenstrahlen reflektieren. Wolken besitzen also eine relativ hohe Albedo. Die Wirkung der Wolkenalbedo ist im Vergleich zu einem wolkenfreien Himmel umso höher, je stärker die Sonneneinstrahlung ist und je dunkler der Boden unter den Wolken ist. So haben Wolken über einem tropischen Regenwald, über dem die Sonnen mehr oder weniger senkrecht steht, eine besonders hohe Albedo. Ähnliches gilt für Wolken über den dunklen Oberflächen der tropischen Ozeane. Über schneebedeckten Regionen in hohen Breiten kann die Wolkenalbedo dagegen geringer als die der Erdoberfläche sein. In der winterlichen Polarnacht, wenn die Sonne nicht mehr den Horizont übersteigt, spielt die Albedo gar keine Rolle mehr. Ebenso wenig spielt die Albedo der Wolken nachts eine Rolle.

Im Vergleich zu einer wolkenfreien Atmosphäre erhöhen Wolken die Albedo des Planeten Erde deutlich. Ihr gesamter Strahlungseffekt durch die Reflexion von kurzwelliger Solarstrahlung beträgt ca. -50 W/m². Die beiden Erdbeobachtungssatelliten der NASA CloudSat und CALIPSO haben über den Zeitraum 2000 bis 2010 den Albedoeffekt der Wolken genauer bestimmt. Er betrug in diesem Zeitraum 47,5 W/m² und kommt hauptsächlich durch die Reflexion von Sonnenlicht durch Wolken in den mittleren Breiten der jeweiligen Sommerhemisphäre zustande. Insgesamt reflektieren Wolken mehr als doppelt so viel Sonnenlicht wie die Erdoberfläche.

Die einzelnen Wolkenformen reflektieren die Solarstrahlung unterschiedlich stark. Die hohen und dünnen Cirrus-Wolken lassen den Großteil der Sonneneinstrahlung passieren und reflektieren davon nur wenig wieder zurück in den Weltraum. Ihr Abkühlungseffekt ist also gering. Im Gegensatz dazu wirken die dicken und niedrigen Stratus- und Stratocumulus-Wolken stark abkühlend. Sie sind gegenüber den kurzwelligen Sonnenstrahlen wenig transparent und reflektieren sie zu einem erheblichen Teil zurück in den Weltraum. Niedrige Wolken, die sich oft über große Gebiete erstrecken, tragen zur abkühlenden Wolkenalbedo am meisten bei. Die über mehrere Kilometer in die Höhe reichenden Cumulonimbus-Wolken reflektieren die Solarstrahlung aufgrund ihrer Dicke ebenfalls sehr stark, sind aber in der Regel nicht so ausgedehnt wie die Stratus-Wolken.

Treibhauseffekt von Wolken

Wolken wirken aber nicht nur abkühlend. Sie behindern auch die langwellige Wärmeausstrahlung von der Erdoberfläche und den unteren Schichten der Atmosphäre in den Weltraum, indem sie sie absorbieren und nach allen Seiten wieder emittieren. Die Stärke der von einer Wolke emittierten Strahlung hängt vor allem von ihrer Temperatur, aber auch anderen Faktoren wie der Dicke der Wolke und der Partikel, aus denen die Wolke geformt ist, ab. Die Oberfläche der Wolken ist gewöhnlich kälter als die Erdoberfläche und emittiert daher weniger Wärmestrahlung Richtung Weltraum als diese. Die Folge ist, dass Wärmeenergie unterhalb der Wolke eingefangen wird und die Temperatur der unter der Wolke befindlichen Atmosphäre und der Erdoberfläche erhöht. Wolken üben damit einen Treibhauseffekt ähnlich dem der Treibhausgase aus. Im gesamten Strahlungshaushalt der Atmosphäre beträgt die nach unten gerichtete langwellige Strahlung 344-350 W/m². Wolken tragen dazu mit 24-34 W/m² bei. Der Weltklimarat IPCC gibt einen Mittelwert von 30 W/m² an. Wolken sind damit zu fast einem Zehntel am Treibhauseffekt des Planeten beteiligt.

Wie stark der Beitrag der Wolken im Einzelfall ist, hängt vor allem von der Höhe der Wolken ab. Die hohen und dünnen Cirrus-Wolken lassen zwar die kurzwellige Solarstrahlung passieren, absorbieren aber die langwellige Wärmestrahlung und emittieren sie sowohl Richtung Weltraum wie zurück zur Erdoberfläche. Weil Cirrus-Wolken hoch und insofern sehr kalt sind, ist ihre Abstrahlung in den Weltraum aber deutlich geringer, als die Abstrahlung der wärmeren Erdoberfläche und Atmosphäre ohne Wolken wäre. Da Cirrus-Wolken einerseits diese Abstrahlung verhindern, andererseits aber die empfangene Wärmestrahlung Richtung untere Atmosphäre und Erdoberfläche teilweise wieder abstrahlen, erwärmen sie diese deutlich. Sie üben also einen relativ starken Treibhauseffekt aus.

Die Temperatur der niedrigen Wolken wie etwa der Stratocumulus-Wolken unterscheidet sich dagegen nur wenig von der der Erdoberfläche. Sie emittieren daher eine ähnlich starke Strahlung Richtung Weltraum wie die Erdoberfläche. Andererseits wird die dünne Luftschicht zwischen der Wolkenunterseite und dem Boden und dieser selbst durch die langwellige Strahlung erwärmt, die die Wolken nach unten abstrahlen.

Inwieweit die nach unten emittierte Strahlung die bodennahe Luft und die Erdoberfläche erreicht, hängt wesentlich von der Menge an Wasserdampf unterhalb der Wolken ab, der die von den Wolken ausgehende Strahlung absorbiert und sie wieder re-emittiert. Die Strahlung ist am geringsten in den tropischen Breiten, weil hier unterhalb der Wolken der Wasserdampfgehalt, besonders über den warmen Ozeanen, am größten ist. Am stärksten ist die direkt von den Wolken ausgehende langwellige Strahlung Richtung Erdoberfläche in den mittleren bis hohen Breiten, weil hier weniger Wasserdampf in der Atmosphäre vorhanden ist und die abwärts gerichtete Wärmestrahlung daher weniger stark absorbiert wird und direkt Richtung Erdoberfläche gelangt.

Wolken und Strahlung

Nettoeffekt

Dadurch dass Wolken die planetare Albedo erhöhen, bewirken sie einen Strahlungseffekt von ca. -50 W/m² durch die Reflexion von kurzwelliger Solarstrahlung. Gleichzeitig tragen Wolken aber auch mit etwa +30 W/m² zum Treibhauseffekt bei, indem sie langwellige Wärmestrahlung absorbieren und emittieren. Der Netto-Strahlungseffekt liegt damit bei ungefähr -20 W/m², bedeutet also eine deutliche Abkühlung des gegenwärtigen Klimas durch die Wirkung von Wolken. In Grad Celsius ausgedrückt kühlen Wolken die Erde um 12 °C durch Reflexion ab und erwärmen sie um 7 °C durch den Treibhauseffekt. Der Netto-Effekt von Wolken auf das gegenwärtige Klima der Erde beläuft sich auf -5 °C.

Bei hohen Wolken dominiert der Erwärmungseffekt. Sie sind sehr transparent für die kurzwellige Solarstrahlung, absorbieren aber die langwellige Strahlung vom Boden. Wegen ihrer niedrigen Temperatur emittieren sie von der absorbierten Strahlung nur wenig Richtung Weltraum. Die nach unten gerichtete langwellige Strahlung und die durch die dünnen Cirruswolken durchgehende Solarstrahlung überwiegen zusammen deutlich gegenüber der Abstrahlung in den Weltraum.

Bei niedrigen Wolken verhält sich die Strahlungsbilanz genau umgekehrt. Sie reflektieren einen großen Teil der Sonneneinstrahlung. Sie absorbieren zwar auch langwellige Strahlung von der Erdoberfläche oder der Atmosphäre, emittieren davon aber nahezu gleich viel Richtung Weltraum wie Richtung Boden. Der Netto-Strahlungs-Effekt ist daher über den größten Teil des Globus negativ, und zwar besonders dort, wo ausgedehnte Stratus- und Strato-Cumulus-Wolken vorherrschen wie in den mittleren Breiten und über den östlichen subtropischen Ozeanen.

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Kontakt: Dieter Kasang