Wasserdampfrückkopplung und Temperaturgradientrückkopplung

Die Wasserdampfrückkopplung und die Temperaturgradientrückkopplung beeinflussen sich gegenseitig, weshalb sie im folgenden Artikel zusammen erläutert werden.

Wasserdampfrückkopplung

Wasserdampf ist ein starkes Treibhausgas und absorbiert stark im langwelligen Strahlungsbereich. Diese Absorption ist dabei (logarithmisch) abhängig von der Wasserdampfkonzentration. Wärmere Luft kann zudem mehr Wasserdampf aufnehmen. Kombiniert man diese beiden Punkte, erhält man eine stark positive Wasserdampfrückkopplung bei einer globalen Erwärmung (solange die relative Feuchtigkeit gleich bleibt). Die globale Erwärmung durch Kohlenstoffdioxid wird durch Wasserdampf verdoppelt, wenn man allein dieses Feedback in Betracht zieht.

Temperaturgradientrückkopplung

Durch unterschiedliche Erwärmung mit der Höhe als Reaktion auf einen Strahlungsantrieb wie bspw. eine erhöhte CO2 Konzentration kommt es ebenfalls zu einer Rückkopplung. Die Temperaturabnahme mit der Höhe (Temperaturgradient) wird in der Troposphäre von Strahlung, Konvektion und dynamischen Prozessen bestimmt. In hochreichenden konvektiven Wolken nimmt die Temperatur feuchtadiabatisch mit der Höhe ab. Dafür wird angenommen, dass ein aufsteigendes Luftpaket seine Temperatur nur durch Arbeit gegen Druckänderung (Expansionsabkühlung) oder durch Phasenumwandlungen des Wassers (Kondensationswärme) verändert und ansonsten keine Wärme, bspw. durch Strahlung, aufnimmt oder abgibt - also isoliert ist. Da in einer Wolke vorrangig Kondensation und somit eine Erwärmung stattfindet, ist die Temperaturabnahme mit der Höhe im feuchtadiabatischem Fall nicht so stark wie ohne die Berücksichtigung von Phasenumwandlungen, also im trockenadiabatischem Fall.

Tropische Temperaturgradientrückkopplung

Abbildung 1: Skizzenhafte adiabatische (durchgezogene Linien) und feuchtadiabatische (gestrichelte Linien) Temperaturabnahme mit der Höhe im jetzigen Klima (blau) und in einem wärmeren Klima (rot). Die Tropen sind im mittel feuchtadiabatisch geschichtet. Dort ist der Betrag der Erwärmung in der Höhe (Länge des oberen schwarzen Doppelpfeils) größer als bodennah (Länge des unteren schwarzen Doppelpfeils).

In den Tropen tritt konvektive Wolkenbildung immer wieder auf. Da dort horizontale Temperaturunterschiede sehr schnell durch dynamische Prozesse (Bewegung von Luftmassen) ausgeglichen werden, ist die tropische Troposphäre im mittel feuchtadiabatisch geschichtet. Klimamodelle zeigen, dass sie auch in einem wärmeren Klima so geschichtet bleiben wird, was bedeutet, dass in der Höhe eine stärkere Erwärmung stattfindet, als am Boden (s.h. Abbildung 1). Da die entscheidenden Schichten für die troposphärische Ausstrahlung in den Weltraum in der höheren Troposphäre liegen, nimmt durch diesen Effekt die langwellige Abstrahlung zu (also das Gegenteil vom Treibhauseffekt), da sie auf Basis einer noch höheren Temperatur stattfindet. Deshalb ist diese Rückkopplung negativ.

Außertropische Temperaturgradientrückkopplung

In den Außertropen berechnen die Klimamodelle stattdessen eine positive Temperaturgradientrückkopplung, da hier andere Prozesse eine Rolle spielen und horizontale Temperaturunterschiede nicht sofort ausgeglichen werden. Die tropische Rückkopplung überwiegt global gemittelt jedoch. Die berechneten Werte für die Rückkopplung unterscheiden sich auch von Modell zu Modell. Je stärker ein Modell die Erwärmung der tropischen Gebiete und je schwächer die Erwärmung in den Außertropen berechnet, desto stärker ist die Rückkopplung.

Abhängigkeit von Wasserdampfrückkopplung und Temperaturgradientrückkopplung

Die negative Temperaturgradientrückkopplung wirkt der positiven Wasserdampfrückkopplung entgegen und hängt stark von ihr ab. Ist die Wasserdampfrückkopplung groß, nimmt die Temperatur zu - die Atmosphäre schichtet sich dann aber feuchtadiabatisch, sodass es in der höheren Troposphäre wärmer wird. Das verstärkt die negative und somit ausgleichende Temperaturgradientenrückkopplung (s.h. Abbildung 1). Dabei ist wichtig, dass Änderungen in der relativen Feuchte diese gegenseitige Beeinflussung verändern würden. Würde es relativ gesehen feuchter werden, wäre die ausgleichende Temperaturgradientrückkopplung nicht mehr so stark, sodass die Wasserdampfrückkopplung stärker ins Gewicht fallen würde. Die mittlere relative Feuchtigkeit zeigt aber kaum Veränderungen in Klimamodellen, solange die großskalige Zirkulation unverändert bleibt.

Literatur

• Bony, S., Colman, R., Kattsov, V., Allan, R., Bretherton, C., Dufresne, J-L., Hall, A., Hallegatte, S., Holland, M., Ingram, W., Randall, D., Soden, B., Tselioudis, G. und Webb, M. (2006): How Well Do We Understand and Evaluate Climate Change Feedback Processes? Journal of Climate. Vol. 19. S.3445-3482.
• Vial, J., Dufresne, J-L., Bony, S. (2013). On the interpretation of inter-model spread in CMIP5 climate sensitivity estimates. Climate Dynamics. Vol. 41, Issue 11-12, S. 3339-3362.

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Kontakt: Dieter Kasang