Oktober 22, 2021

Albedoänderungen und Klimasensitivität

Die Klimadiskussion wird überwiegend von der Diskussion um den Einfluss von CO_2 dominiert, das nach den Strahlungstransportgleichungen, die die ausgehende Infrarotstrahlung (OLR = „outgoing longwave radiation“) 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 Lichteinstrahlung, ist offensichtlich von entscheidender Bedeutung . Die tatsächliche Menge des von der Sonne kommenden Energieflusses, die „Sonnenkonstante“, hat sich als extrem konstant erwiesen, aber die globale Albedo, die darüber entscheidet, wie viel Sonnenfluss in die Atmosphäre eintritt bzw. in den Weltraum reflektiert wird, 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.

Mangels einer umfassenden Theorie wurde der Einfluss der Erdalbedo lange Zeit in der Mainstream-Klimadiskussion vernachlässigt oder ignoriert.
Aber es gibt einen anderen Ansatz. Satellitenmessungen haben es möglich gemacht, die Albedo zu messen und daher den direkten Einfluss der Albedo auf die von der Erde absorbierte Sonneneinstrahlung zu messen . Kürzlich wurde von J. Herman et al. eine Analyse über 30 Jahre veröffentlicht: Nettoabnahme des Reflexionsvermögens der Wolken, der Aerosole und der Erdoberfläche bei 340 nm Wellenlänge.

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, die Pole haben weniger Gewicht aufgrund kleinerer Gesamt-Einstrahlung und größerer Albedo in Polnähe):

Gemessene Erdreflexivität von 1980 bis 2010

Die geänderte Reflektivität wurde in Änderungen des einfallenden bzw. reflektierten Licht-Energieflusses umgesetzt:

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

Das bedeutet, dass der solare Einstrahlungs-Energiefluss 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 Strahlungs-Antrieb durch den Anstieg von CO_2 seit Beginn der Industrialisierung.

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

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

ergibt sich die Temperatur-Sensitivität gegenüber Einstrahlungsänderungen (ohne Berücksichtigung von möglichen Rückkopplungen) – durch Bildung der ersten Ableitung \frac{dT}{dS_a} und linearer Approximation des Stefan-Boltzmann-Gesetzes:

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

\Delta T_{Albedo} = 0,25\cdot \frac{2,33\cdot 288}{161,3+78} K = 0,7 K

Im gleichen Zeitraum von 30 Jahren beträgt die geschätzte Abnahme des Infrarot-Energieflusses in den Weltraum aufgrund von CO_2 0,6 \frac{W}{m^2}, was zu einer Temperatursensitivität von

\Delta T_{CO_2} = 0,25\cdot \frac{0,6\cdot 288}{161,3+78} K = 0,18 K

führt. Beide „Antriebe“ sorgen für Erwärmung der Atmosphäre.
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 Wolkenreflexivität 80% der Temperaturänderung bewirkt.
  • Beide Kräfte zusammen hätten demnach zusammen eine durchschnittliche Erwärmung von 0,88 K erzeugt. Die 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 der theoretischen Gleichgewichtstemperatur nach den obigen Überlegungen ist. Daher muss es eine ziemlich starke negative Rückkoppelung geben, die den Effekt des zusätzlichen Licht-Energieflusses (von der abnehmenden Wolkenreflextion) sowie des verminderten Infrarot-Energieflusses (von CO_2) um ca. 50% reduziert.
Globale durchschnittliche Satellitentemperaturen (UAH)
Globale durchschnittliche Oberflächentemperatur (HadCRUT4)

Für die CO_2-Sensitivität (Temperaturänderung bei Verdoppelung von CO_2) bedeutet diese negative Rückkopplung, dass wir bei einer Erhöhung der CO_2-Konzentration auf 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-Änderungen sind.

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 in Form von erhöhter Oberflächenabsorption durch Urbanisierung („städtische Wärmeinseln„) ist ein guter Kandidat für weitere Forschung.

4 Gedanken zu “Albedoänderungen und Klimasensitivität

  1. Lieber Joachim,

    so ganz vergessen scheint die Sonne als Faktor nicht. Heute ist dieser interessante Artikel auf Heise.de erschienen:

    „Erdschein“: Erde reflektiert aufgrund des Klimawandels weniger Sonnenlicht

    „Seit der Jahrtausendwende ist die Erde um 0,5 Prozent dunkler geworden. Sie absorbiert mehr Sonnenlicht, was zum Klimawandel beiträgt. Das wurde nun bestätigt.„

    https://www.heise.de/news/Erdschein-Erde-reflektiert-aufgrund-des-Klimawandels-weniger-Sonnenlicht-6206321.html

    Viele Grüße
    Thomas

    1. Danke, Thomas, für diesen interessanten Hinweis. Das ist eine schöne Bestätigung.
      Nur die Formulierung „aufgrund des Klimawandels“ stimmt nicht und führt in die Irre, weil es keinerlei kausalen Zusammenhang gibt zwischen möglicher CO2-bedingter Erwärmung und verringerter Wolkenbildung. Im Gegenteil – das PIK (Potsdam Institut für Klimafolgenforschung) betont immmer wieder, dass höhere Temperaturen zu mehr Wasserdampfbildung führen, und folglich auch zu mehr Wolken.
      Dass die verringerte Wolkenbildung mit menschlichem Einfluß zu tun haben kann, ist allerdings außer Frage, wahrscheinlich ist der größte Faktor dabei die Verstädterung („urban heat islands“). Auch die Veränderung der Landwirtschaft (Rodung von Wäldern, z.B. für „Energiepflanzen“) trägt dazu bei.

  2. 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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