Modifikation mariner Schichtwolken

Effekte von Wolken auf die Strahlung

Ob sich die Erde als Ganzes erwärmt oder abkühlt, entscheidet sich am Oberrand der Atmosphäre. Bekommt die Erde mehr Energie durch das Sonnenlicht, als sie in Form von reflektierter Sonnenstrahlung, oder in Form von Wärmestrahlung wieder abgibt, dann erwärmt sie sich.

Wolken haben dabei einen sehr großen Einfluss. Zunächst reflektieren sie Sonnenstrahlung – an einem bewölkten Tag ist es bei sonst gleichen Bedingungen tagsüber am Boden kälter als bei wolkenlosem Himmel. Sie kühlen also. Aber Wolken bewirken auch einen Treibhauseffekt. Bei bewölktem Wetter emittiert die Erde weniger Wärmestrahlung. Am Boden merkt man das vor allem nachts – in Nächten mit Wolken ist es wärmer als bei sternenklarem Himmel. Wolken erwärmen also andererseits auch. Was von beiden überwiegt, das hängt vom Wolkentyp, vom Untergrund und vom Sonnenstand ab.

• vom Wolkentyp: Je höher die Wolke in der Atmosphäre, desto stärker der erwärmende Effekt. Denn dann sind die Wolken auch sehr kalt, und strahlen also wenig Wärmestrahlung ins Weltall ab. Je dicker die Wolke, desto stärker der abkühlende Effekt. Denn Wolken, die von unten schwarz aussehen, lassen sehr wenig Sonnenlicht durch und reflektieren also alles ins Weltall. Am stärksten erwärmend wirken also hohe, dünne Wolken – die Zirren. Am stärksten abkühlend wirken dagegen niedrige, dicke Wolken.
• vom Untergrund: Dies gilt eigentlich nur für die Reflektion von Sonnenlicht. Wenn der Untergrund sehr hell ist (Schnee zum Beispiel, oder Wüsten), dann macht die Wolke keinen großen Unterschied. Wenn der Untergrund dunkel ist (Ozeane vor allem), dann ist der Unterschied sehr groß. Niedrige, dicke Wolken über Ozeanen haben also einen besonders starken abkühlenden Einfluss.
• vom Sonnenstand: Nachts haben Wolken keinen abkühlenden Einfluss. Daher ist der abkühlende Effekt im Winter insgesamt geringer als im Sommer. In den Tropen und Subtropen, wo sehr viel Sonnenlicht ankommt, ist der Effekt viel stärker als in Polarregionen. Also ist der abkühlende Effekt von Wolken besonders stark in den niederen Breiten.

Insgesamt überwiegt im globalen Mittel deutlich der kühlende Einfluss. Wenn man den kühlenden Einfluss weiter verstärken könnte, würde man also die Erde abkühlen. Besonders effektiv wäre es, wenn man mehr niedrige, dicke Wolken über den Ozeanen in den Tropen oder Subtropen schaffen könnte. Gerade über den Ozeanen in den Subtropen finden sich sehr ausgedehnte Wolkenfelder. Dort sinkt die Luft, die am Äquator in den hochreichenden Gewitterwolken aufgestiegen ist, ab und die Wolken breiten sich aus. Vor den Westküsten der Kontinente steigt Wasser aus dem Ozean auf, das in den Subtropen wegen der Erddrehung von Osten her gegen die Kontinente strömt. Das Meer ist also kalt, und statt dass es Turbulenz und damit Kumuluswolken gibt, entstehen so die ausgedehnten Schichtwolken, die sogenannten Stratokumulusfelder.

Effekte von Aerosolen auf Wolken

Schaut man sich Wolken genau an, dann findet man, dass sie aus einzelnen kleinen Tröpfchen bestehen, jeweils nur etwa 10 Mikrometer groß. Die Tröpfchen bilden sich in der Atmosphäre nicht spontan, sondern auf sogenannten Kondensationskeimen. Die Partikel in der Atmosphäre, die solche Kondensationskeime sein können, nennt man Aerosole. Aerosoltypen in der Atmosphäre sind zum Beispiel Staub, Sulfate, Ruß und von den Ozeanen aufgewirbeltes Meersalz. Wenn es lange nicht geregnet hat, kann man manchmal gut beobachten, wie die Aerosole in der Luft anschwellen, weil sich Wasserdampf auf ihnen anlagert. Besonders gut erkennt man den so entstehenden Dunst bei tiefstehender Sonne, also zum Beispiel am Abend. Wenn es dann weiter abkühlt, dann bildet sich Nebel – also Wolken, die am Erdboden aufliegen. Wenn es mehr Aerosole in der Luft gibt, dann gibt es auch mehr Wolkentröpfchen. Eine Wolke, die aus mehr Tröpfchen besteht, ist (von oben gesehen) heller (von unten dunkler) als eine Wolke mit weniger Tröpfchen, auch wenn sie aus der gleichen Menge Wasser bestehen. Wenn man nämlich das Wasser auf mehr Tröpfchen verteilt, ist die gesamte Oberfläche größer, obwohl die einzelnen Tröpfchen kleiner sind. So ist die Fläche, an der das Sonnenlicht reflektiert wird, größer und damit ist der abkühlende Effekt größer.

Wenn sich die Wolkentröpfchen ändern, dann kann das allerdings noch einige andere Konsequenzen für die Wolke haben. Zum Beispiel dauert es dann zunächst länger, bis sich Regen bildet. Die kleineren Tröpfchen brauchen nämlich viel länger, bis sie zu der Größe von Regentropfen anwachsen. Andererseits verdunsten kleinere Tröpfchen schneller. So gibt es viele Wechselwirkungen in den Wolken, die es kompliziert machen, eine genaue Vorhersage zu treffen, was mit einer Wolke passiert, in der mehr Aerosole vorhanden sind.

Impfen von Wolken?

Die Idee ist es also, über den Subtropen, dort, wo sich die ausgedehnten Stratokumulusfelder befinden, mit Hilfe von speziell konstruierten Schiffen zusätzliche Aerosole über dem Ozean aufzuwirbeln und die Wolken damit zu “impfen”. Es gilt als wahrscheinlich, dass dadurch die Meeresoberfläche tatsächlich kühler wird. Aber um wieviel, kann man wegen der vielen Wechselwirkungen in den Wolken, die noch nicht gut genug erforscht sind, nicht genau vorhersagen.

Ein weiteres Problem mit dieser Methode ist es, dass ja nur gewisse Regionen gekühlt würden. Um tatsächlich den Treibhauseffekt auszugleichen, müsste in den Regionen daher eine ziemlich starke Veränderung der Strahlung erreicht werden (z.B. 30 Wm² für einen Ausgleich über die nächsten ca. 30 Jahre). Dies hat möglicherweise erhebliche Konsequenzen für das regionale Klima, und eventuell auch für das Klima in benachbarten Regionen.

Ein mögliches Feldexperiment und die Forschungsfragen im Projekt “LEAC”

Dass das Impfen von Wolken über Ozeanen passieren würde, und dass es sich auf gewisse Regionen beschränkt, kann man aber auch als Vorteil sehen: Ein Experiment wäre möglich, das zunächst nur kleinräumig durchgeführt werden könnte und weder Menschen (die ja nicht im Ozean leben) noch das Klima (weil das Experiment ja klein wäre) stark beeinträchtigen würde. Zu klein darf es aber andererseits auch nicht sein, denn dann könnte man die Auswirkung des Experiments bei der starken Variabilität der Wolken statistisch nicht eindeutig identifizieren. Wie groß bei den Unsicherheiten das Experiment sein müsste, damit befasst sich das Projekt “LEAC”.

Ob man so ein Experiment überhaupt durchführen sollte, ist eine Frage, die die globale Gesellschaft beantworten muss. Möglicherweise möchten die Menschen lieber die Finger davon lassen. Vielleicht wird das Problem des Klimawandels gar nicht als so schwerwiegend wahrgenommen, so dass man lieber ein sich wandelndes Klima als einen Eingriff in das Klimasystem akzeptieren würde. Oder man möchte lieber nicht das Risiko möglicher Nebenwirkungen eines Experiments in Kauf nehmen. Die Gründe dafür können ganz unterschiedlich sein: Man kann auf dem Standpunkt stehen, dass die Folgen des Klimawandels ja erst spätere Generationen richtig viel kosten. Warum sollten wir also heute die möglicherweise schwerwiegenden Folgen eines Experiments in Kauf nehmen? In die ganz anderer Richtung argumentiert kann man aber auch auf dem Standpunkt stehen, dass man lieber auf die vergleichsweise sichere Alternative setzt, auf Treibhausgasemissionen zu verzichten. Je nachdem würde sich also die Gesellschaft eher für das Feldexperiment entscheiden oder lieber nicht. Das ist die andere große Frage im Projekt “LEAC”.

Das Projekt wird also letztlich die Frage beantworten helfen, ob, und, wenn ja, wann man ein Feldexperiment durchführen sollte, und wie groß es dann ausfallen würde.

Autoren

Johannes und Martin Quaas, 6. September 2013

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Kontakt: Martin Behrens