Januar 17, 2021

Albedoänderungen und Klimasensitivität

Die Klimadiskussion wird überwiegend von der Diskussion um den Einfluss von CO_2 dominiert, der nach den Strahlungstransportgleichungen, die die ausgehende Infrarotstrahlung (OLR) beschreiben, einen gewissen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde hat.
Es gibt jedoch noch weitere Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Der einfallende Energiefluss, die kurzwellige-Einstrahlung, ist offensichtlich von entscheidender Bedeutung . Die tatsächliche Menge des von der Sonne kommenden Energieflusses, die „Sonnenkonstante“, hat sich als extrem stabil erwiesen, aber die globale Albedo, die darüber entscheidet, wie viel Sonnenfluss in die Atmosphäre eintritt, ist ein extrem wichtiger Kontrollparameter.

Das Dilemma der Albedo der Erde war, dass es keine „nette Theorie“ gibt, wie man sie aus einer einfachen (möglicherweise vom Menschen verursachten) Ursache bestimmen kann. Im Gegenteil, sie beinhaltet viele derzeit schlecht verstandene Faktoren, von denen einige unter menschlicher Kontrolle sind, andere aber nicht:

  • Wolken unterschiedlicher Art in verschiedenen Höhen,
  • reflektierende und streuende Aerosole,
  • Einflüsse auf die Wolkenerzeugung, wie kosmische Strahlung und Magnetfelder,
  • Oberflächen- und atmosphärische Eigenschaften als Folge von Schneebedeckung, Verstädterung, Landwirtschaft, Luftverschmutzung usw.,
  • mögliche Rückkopplungseffekte der Temperatur über Wasserdampf.

Eine umfassende Theorie, der Einfluss der Erdalbedo wurde lange Zeit in der Mainstream-Diskussion vernachlässigt oder ignoriert.
Aber es gibt einen anderen Ansatz. Satellitenmessungen haben es möglich gemacht, den direkten Einfluss der Albedo auf die tatsächliche Sonneneinstrahlung zu messen . Kürzlich wurde von J. Herman et al. eine Analyse über 30 Jahre veröffentlicht: Nettoabnahme des Reflexionsvermögens der Erdwolke, des Aerosols und der Oberfläche 340 nm .

Diese sorgfältige Analyse zeigt einen klaren, signifikanten Trend für die gesamte Reflexivität, die 75% der gesamten Sonneneinstrahlung auf der Erde ausmacht (Breitengrad -60…60 Grad, kleinere Einstrahlung und größere Albedo in Polnähe):

Gemessene Erdreflexivität von 1980 bis 2010

Die geänderte Reflektivität wurde in Änderungen des einfallenden bzw. reflektierten SW-Flusses umgesetzt:

Energiebudget des eingehenden SW-Flusses, mit Änderungen aufgrund der Albedo-Abnahme

Das bedeutet, dass der solare Einstrahlungsfluss in den 30 Jahren von 1980 bis 2010 um 2,33\frac{W}{m^2} gestiegen ist. Diese albedo-bedingte Zunahme innerhalb von 30 Jahren ist größer als der geschätzte Antrieb durch den Anstieg von CO_2 seit Beginn der Industrialisierung.

Basierend auf der Energiebilanz zwischen einfallender SW-Einstrahlung S_a=S\cdot(1-a) und ausgehender LW-Strahlung mittels des Stefan-Boltzmann-Gesetzes

    \[T=\sqrt[4]{\frac{S\cdot(1-a)}{4\cdot\sigma}}}\]

die Temperatur-Empfindlichkeit gegenüber Einstrahlungsänderungen (ohne Rückkopplung) ist

    \[\frac{\Delta T}{T} = 0,25\cdot\frac{\Delta S_a}{S_a}\]


    \[$\Delta T = 0,25\cdot \frac{2,33\cdot 288}{161,3+78} K = 0,7 K\]


Im gleichen Zeitraum von 30 Jahren beträgt die geschätzte Änderung des OLR-Flusses aufgrund von CO_2 0,6 \frac{W}{m^2}, was zu einer Temperaturempfindlichkeit von

    \[\Delta T = 0,25\cdot \frac{0,6\cdot 288}{161,3+78} K = 0,18 K\]


Es gibt 2 wichtige und einfache Konsequenzen aus dieser Übersicht und den Berechnungen:

  • Der Einfluss von CO_2 macht 20% der Temperaturänderung der letzten 30 Jahre aus, während die Änderung der Albedo 80% der Temperaturänderung ausmacht.
  • Beide Kräfte zusammen hätten eine durchschnittliche Temperaturänderung von 0,88 K erzeugt. Tdie tatsächliche Änderung der globalen Temperatur ist viel geringer, je nach der Institution, die die Temperatur misst, beträgt sie 0,3..0,5 K, was etwa die Hälfte des Zwanges zur Beibehaltung des SB-Gleichgewichts ist. Daher muss es eine ziemlich starke negative Rückkoppelung , geben, die den Effekt des zusätzlichen SW-Flusses (von der Albedo) bzw. des verminderten LW-Flusses (von CO_2 um ca. 50%) reduziert.
Globale durchschnittliche Satellitentemperaturen (UAH)
Globale durchschnittliche Oberflächentemperatur (HadCRUT4)

Für die CO_2-Empfindlichkeit (Temperaturänderung bei Verdoppelung von CO_2) bedeutet diese Rückmeldung, dass wir bei 600 ppm eine Temperaturänderung von weniger als 0,5 Grad K im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten erwarten können. Diese Schlussfolgerung wird unter der Annahme gezogen, dass Albedo-Veränderungen unabhängig von CO_2 sind. Ob es einen bisher unbekannten Zusammenhang gibt oder nicht, hängt von aktuellen Untersuchungen ab.

Natürlich stellt sich die Frage, was den Rückgang der Albedo verursacht hat. Darauf gibt es derzeit keine klare Antwort. Die Grösse des Effekts scheint die Möglichkeit auszuschliessen, dass er mit dem globalen CO_2-Niveau zusammenhängt. Gegenwärtig ist es wahrscheinlicher, dass es einen kausalen Zusammenhang zwischen dem Einfluss von Aerosolen, Sonnenaktivität und kosmischer Strahlung auf die Wolkenbildung gibt. Aber auch der menschliche Einfluss durch erhöhte Oberflächenabsorption durch Urbanisierung („städtische Wärmeinseln„) ist ein guter Kandidat für weitere Forschung.

2 Gedanken zu “Albedoänderungen und Klimasensitivität

  1. Hallo Herr Dengler,

    wieder einmal sehr interessante Aspekte und sehr gut von Ihnen beschrieben.
    Eine simple Überlegung:
    Es ist ja eine Tatsache, dass die Erde in den vergangenen Jahrzehnten „ergrünt“ ist, wohl Dank dem erhöhten CO2.
    Führt eine „Ergrünung“ nicht auch zu einem niedrigeren Albedo, bspw. durch größere Blattgrün-Flächen?

    Vielen Dank voab und: Machen Sie weiter so 🙂

    Beste Grüße
    Stephan Wilke

    1. Lieber Herr Wilke,
      gute Frage. Die beschriebenen Variabilität beruht in meiner Vorstellung v.a. auf der Reflexion durch die Wolken. Das Thema Albedo auf der Erdoberfläche habe ich noch nicht systematisch bearbeitet. Zugegebenermaßen ist das Thema Bodenalbedo einigermaßen kompliziert, z.B. hat Wald eine niedrigere Albedo als offenes Ackerland und Wiesen. Bei zunehmender Begrünung dürfte der Haupt-Klimaeffekt auf der Kühlung durch Wasserverdunstung beruhen (Mannheim will bis zur BuGa seine Temperatur durch Begrünung um 2 Grad senken) – was dann auch wieder zur verstärkten Wolkenbildung führt. Aktuell lenkt das Thema Covid 19 etwas vom Klima ab, ich sehe einige Parallelen, die falschen Modelle werden dort schneller von der Wirklichkeit eingeholt.
      Viele Grüße, Joachim Dengler

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