Feedback

Konzeptionelles Modell der Wirkungen von Klimaantrieb und Feedback auf die Strahlungsbilanz. Das Strahlungsungleichgewicht bezieht sich hier auf den oberen Rand der Atmosphäre, die Temperaturänderung auf die 2m Temperatur. Rote Pfeile sind Klimaantreibe, blaue Pfeile Rückkopplungen. Der gelbe Pfeil symbolisiert eine Störung der solaren Einstrahlung. Das Planck-feedback ist die Anpassung der emittierten Strahlung der Erde an ihre Temperaturänderung. Die Abbildung ist selbstgezeichnet nach Sherwood et al. (2014).
Eine Störung wäre beispielsweise eine erhöhte CO2 Konzentration. Der resultierende Treibhauseffekt ist ein Klimaantrieb, welcher zu einem Strahlungsungleichgewicht führt, in dem das Erdsystem am Oberrand der Atmosphäre weniger Strahlung emittiert als von der Sonne erhält. Dies gleicht die Erde zunächst und im Laufe der Zeit durch eine Temperaturänderung an der Oberfläche (in diesem Falle durch eine Temperaturerhöhung) aus. Dabei treten Rückkopplungen/Feedbacks innerhalb des Klimasystems auf, die wiederum Albedo und die atmosphärischen Durchlässigkeit (auch Emissivität genannt) der langwelligen Strahlung auf, welche wieder zu Temperaturveränderungen führen.

In der Diskussion über das Ausmaß des Klimawandels wird oft von Rückkopplungsmechanismen (feedbacks) gesprochen. Diese treten als Folge des externen Klimaantriebs bei Wechselwirkungen zwischen dem hervorgerufenen Strahlungsungleichgewicht bzw. der Temperaturerhöhung und der Antwort des Klimasystems auf diese Veränderung auf (Abb.1). Während Klimaantriebe die Ursache für einen Klimawandel darstellen, sind Rückkopplungen nur Folgen davon.

Dabei bezieht sich die Rückkopplung auf die durch den Antrieb hervorgerufene Temperaturerhöhung an der Oberfläche. Wenn eine Änderung der Temperatur eine Größe beeinflusst, die über die Strahlungsbilanz wiederum zu einer Temperaturänderung führt, spricht man von einer Rückkopplung. So können Rückkopplungen anschaulich anhand eines Kreislaufs illustriert werden, der mit der Erwärmung der Oberflächentemperatur beginnt (Abbildung 1, rechte Seite). Innerhalb dieses Kreislaufs kann es dann zu einer Verstärkung oder Linderung des anfänglichen Temperaturanstiegs kommen. Im ersten Fall spricht man von einer positiven, im zweiten von einer negativen Rückkopplung.

Ein solcher Kreislauf ist allerdings nur eine Modellvorstellung unter bestimmten Annahmen, da Rückkopplungen im Klimasystem nicht von einander getrennt ablaufen sondern untereinander interagieren (deshalb bezeichnet man das Klimasystems als nichtlinear). So lässt sich der Effekt einer einzelnen Rückkopplung auf die Temperatur nur schwer einschätzen. Beispielsweise wird bei einer deutlich negativen Temperaturgradient-Rückkopplung die Wasserdampf-Rückkopplung am Boden wahrscheinlich größer sein.

Arten von Rückkopplungsmechanismen

• Wasserdampf-Rückkopplung (water vapour feedback) und Temperatur-Gradient-Rückkopplung (lapse rate feedback)
  
• Wolkenrückkopplung
  
• Eis-Albedo-Rückkopplung
  
• Biogeophysikalische Rückkopplungen
  
• Schwarzkörperstrahlung
  
• Kohlenstoffkreislauf

Einschätzung der Größenordnung der Rückkopplungsmechanismen

In der Summe verstärken Rückkopplungen eine anfängliche Erwärmung nach aktuellen Modellläufen um 2 W/(m²K) (Abbildung 2). Die größte Bedeutung kommt dabei der Wasserdampfrückkopplung zu. Die Ergebnisse streuen im Allgemeinen noch recht weit. Sehr wahrscheinlich sind jedoch die meisten Rückkopplungen positiv und verstärken die Klimaerwärmung.

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Kontakt: Dieter Kasang