Feedback

Abbildung 1: 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 der Temperaturänderung mit Komponenten und Prozessen des Klimasystems auf. Über Veränderungen im Strahlungshaushalt kommt es entweder zur Verstärkung der Temperaturänderung (positives Feedback) oder Abschwächung (negatives Feedback). Während Klimaantriebe die Ursache für einen Klimawandel darstellen, sind Rückkopplungen nur Folgen davon.

Dabei bezieht sich die Rückkopplung auf die hervorgerufene Temperaturerhöhung an der Oberfläche. Rückkopplungen können 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

Berechnung von Rückkopplungsmechanismen

Die grundliegenden Theorien zum Rückkopplungsparameter ähneln denen der Klimasensitivität: Ein Strahlungsantrieb wird im Gleichgewicht ausgeglichen durch eine Temperaturänderung multipliziert mit einem Proportionalitätsfaktor, welcher unseren Rückkopplungsparameter darstellt. In diesen Parameter gehen alle Rückkopplungen mit ein. Da der Strahlungsantrieb bei einem stärkeren Treibhauseffekt negativ definiert ist, ist der Rückkopplungsparameter ebenfalls negativ, sodass es eine positive Temperaturänderung, also eine Erwärmung gibt.

Abbildung 2: Werte für verschiedene Rückkopplungen aus verschiedenen Modellen. P: Planck-Feedback (Schwarzköperstrahlung). WV: Wasserdampfrückkopplung. LR: Temperaturgradientrückkopplung. WV + LR: Wasserdampf- und Temperaturgradientrückkopplung. C: Wolkenrückkopplung. A: Albedorückkopplung. All: Alle außer Planck. Die grauen Kreise (jew. rechts) sind Modellwerte aus dem Modellvergleichsprojekt CMIP3, welches für den vorherigen IPCC Report genutzt wurde - die farbigen (linke Seite) aus dem aktuellen Vergleichsprojekt CMIP5. Die ausgefüllten Kreise sind jeweils Mittelwerte aller dargestellten Modelle. Das Bild stammt aus dem IPCC AR5 Chapter 9.7.1, Figure 9.43.

Der Strahlungsantrieb kann in Modellen eingestellt werden und ist bekannt. Daraus folgt: Je mehr der Rückkopplungsparameter gegen 0 geht, desto größer muss die Temperaturänderung sein, um ein bekannten (konstanten) Strahlungsantrieb auszugleichen. Andersherum: je negativer dieser Parameter ist, also je mehr negative Rückkopplungen es gibt, desto weniger erwärmt sich die bodennahe Temperatur:

Nehmen wir einen Strahlungsantrieb von -8 W/m² an. Ist unser Feedbackparameter -2 W/m²/K, braucht es eine Temperaturerhöhung von 4°C für ein Gleichgewicht.

Gibt es stattdessen sehr viele positive Feedbacks, läge der Feedbackparameter vielleicht bei -1 W/m²/K. Hier bräuchten wir schon eine Erwärmung von 8°C, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Andersherum folgt auf viele negative Feedbacks ein kleinerer Feedbackparameter, nehmen wir -4 W/m²/K an. Dann würde sich die Temperatur nur um 2°C erwärmen.

In der Summe verstärken Rückkopplungen eine anfängliche Erwärmung nach aktuellen Modellläufen um 1.5 W/(m²K)Die größte Bedeutung kommt dabei der Wasserdampfrückkopplung zu (Abbildung 2). Die Ergebnisse streuen im Allgemeinen noch recht weit. Sehr wahrscheinlich sind jedoch die meisten Rückkopplungen positiv - abgesehen vom Planck-Feedback - und verstärken die Klimaerwärmung.

Schwierigkeiten der Bestimmung von Feedbacks

Möchte man einzelne Komponenten des Klimasystems seperat auf ihre Reaktion auf eine Temperaturerhöhung durch CO2 untersuchen, muss die Abhängigkeit der Komponente von anderen Komponenten beachtet werden. Wasserdampf und Wolken sind bspw. auf eine Art gekoppelt:

Wasserdampf strahlt im langwelligen Bereich und ein Anteil dieser Strahlung gelangt in den Weltraum, sodass sozusagen Energie verloren geht. Dies passiert besonders in wolkenfreien Zonen, da Wolken diese Strahlung absorbieren würde. Kommt es in einem wärmeren Klima zu einer Erhöhung der Wasserdampfkonzentration, kommt es auch zu einer Erhöhung der langwelligen Ausstrahlung. Versucht man nun das Wasserdampffeedback zu bestimmen, läge es nahe, ein wärmeres Klima zu simulieren, und bis auf den Wasserdampf alle anderen Prozesse unveränderlich zu halten. So erhielte man die Veränderung der Wasserdampfkonzentration und die darausfolgende Veränderung der bodennahen Temperatur. Das Wasserdampffeedback hängt aber auch von der Wolkenbedeckung ab, welche im Experiment eigentlich unveränderlich gehalten werden soll. Würde in einem wärmeren Klima die Wolkenbedeckung abnehmen, wäre die Wasserdampfausstrahlung noch stärker.

An diesem Beispiel erkennt man, wie schwierig die Bestimmung von Rückkopplungen ist und sie eigentlich abhängig vom Ausgangsklima sind. Die Annahme, dass sie konstant sind, ist nur legitim, wenn das Klimasystem jedeglich ein kleines bisschen aus dem Gleichgewicht geführt wird. Heute werden komplizierte Methoden wie die Faktorseparation für die Rückkopplungsbestimmung angewandt, welche Analogien zur Elektrotechnik aufweist.

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Kontakt: Dieter Kasang