Tropische Wolkenforschung für genauere Klimaprognosen  [28.02.20]

Wie schnell wird die globale Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten voranschreiten? Ein entscheidender Faktor dafür ist bisher noch kaum erforscht: Tropische Schönwetterwolken, die sich in den äquatornahen Passatregionen Tag für Tag über dem Ozean bilden und wie ein kühlender Schutzschild für die Atmosphäre wirken. Sollte die Wolkendecke unter dem Einfluss des Klimawandels dünner werden, könnte das den weiteren Temperaturanstieg maßgeblich beschleunigen. Die weltweit einzigartige europäische Feldstudie EUREC4A mit Beteiligung von mehr als 30 nationalen und internationalen Partnern nahm die komplexen Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre am Beispiel der Region um Barbados in den vergangenen Wochen so genau unter die Lupe wie nie zuvor. Mit dabei: Fünf Klimaforscher und Hochleistungslaser-Technologie der Uni Hohenheim. Das Lidar-System ARTHUS (Atmospheric Raman Temperature and Humidity Sounder), das an Bord eines Forschungsschiffs zum Einsatz kam, gilt weltweit als das beste Fernerkundungssystem, um Wasserdampf und Temperatur in den unteren Atmosphärenschichten zu messen.

Vier Forschungsflugzeuge, vier hochseetauglicher Forschungsschiffe, fünf autonome Unterwasserfahrzeuge, modernste bodengestützte Fernerkundung und eine neue Generation hochentwickelter Satellitenfernerkundungsmethoden sowie hochauflösender Klimamodellierungen: Die deutsch-französisch geleitete Kampagne EUREC4A (Elucidating the role of clouds-circulation coupling in climate) gilt aktuell als ambitionierteste europäische Feldstudie im Bereich der Atmosphären- und Meereswissenschaften.

„Das übergeordnete Ziel sind genauere Prognosen zum weiteren Verlauf der Erderwärmung. In den letzten Jahren mehrten sich die Hinweise, dass die äquatornahen Passatregionen besonders klimasensitiv sind, d.h. für das globale Klimasystem eine wichtige Rolle spielen. Kleine Veränderungen hier könnten Rückkopplungseffekte auslösen, die den Temperaturanstieg maßgeblich beschleunigen“, erklärt Prof. Dr. Volker Wulfmeyer vom Institut für Physik und Meteorologie an der Uni Hohenheim, der in den vergangenen Wochen im Rahmen von EUREC4A eine Messkampagne an Bord des Forschungsschiffs Maria S. Merian leitete.

Passatwolken kühlen Atmosphäre

Im Mittelpunkt des Forschungsinteresses steht die Wolkenbildung in den Passatregionen. Wie alle Schönwetterwolken bilden sich die tropischen Passatwolken Tag für Tag in einheitlicher Höhe über dem Ozean und lösen sich abends wieder auf. Sie sind besonders leicht und flach und bewirken nur selten Niederschläge.

Doch so flüchtig diese Wolkengebilde auch sind, so bedeutsam könnte ihre Rolle für das Weltklima sein: „Die Wolkendecke in den Passatregionen reflektiert mehr Sonnenlicht als der Ozean. Deshalb übt sie einen kühlenden Effekt auf die Atmosphäre aus. Klimaforscher vermuten jedoch, dass die Passatbewölkung in Folge der globalen Erwärmung stark abnehmen könnte. Dies könnte den zukünftigen Temperaturanstieg weiter beschleunigen“, so Prof. Dr. Wulfmeyer.


Komplexe Wechselwirkungen verifizieren

Hypothesen zu diesem Rückkopplungseffekt wurden über einen Zeitraum von Jahrzehnten aus mehreren Runden von internationalen Klimamodell-Vergleichsstudien (CMIP) entwickelt. Ziel der Messkampagne EUREC4A ist es nun, zu überprüfen, ob diese Modelle richtig sind.

„Dazu ist es notwendig besser zu verstehen, wie sich Wolken bilden, räumlich organisieren und auflösen. Wichtige Faktoren dafür sind Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Auf- und Abwinde, die entstehen, wenn Luftmassen in der Atmosphäre aufeinanderstoßen bzw. auseinanderdriften. Bisher noch wenig erforscht ist in diesem Zusammenhang die komplexe Interaktion des Ozeans mit der Atmosphäre. Also z.B. welchen Einfluss Meeresströmungen, Ozeantemperatur und aufsteigender Wasserdampf etc. auf die Wolkenbildung nimmt“, so Prof. Dr. Wulfmeyer.

Zwar gibt es bereits Modelle, welche die hochkomplexen Wechselwirkungen abbilden können. Allerdings müssen diese anhand von Messungen noch überprüft und angepasst werden. Erstmals werden in der Kampagne EUREC4A dazu nun klein- und großskalige Beobachtungen von atmosphärischen und ozeanischen Prozessen miteinander verknüpft.

Lasersysteme der Uni Hohenheim im Einsatz

Auf einem der vier Forschungsschiffe kam dabei in den vergangen Wochen auch Hochleistungslaser-Technologie der Universität Hohenheim zur Anwendung: Der Atmospheric Raman Temperature and Humidity Sounder („ARTHUS“) ist eines von drei Lidar-Systemen des Instituts für Physik und Meteorologie. Es gilt weltweit als das besten Fernerkundungssystem, um Wasserdampf und Temperatur in den unteren Atmosphärenschichten bis zu 4 km Höhe in extrem hoher Auflösung zu messen.

„Eine Besonderheit der Hohenheimer Methode besteht darin, dass sie auch dreidimensionale Darstellungen ermöglicht. Dafür wird ein dritter Laser wie ein Radar während des Messvorgangs gekippt, so kann nicht nur die Luftsäule direkt über dem Laser erfasst werden, sondern ein kompletter Schnitt von mehreren Quadratkilometern. Damit kann z.B. das Windprofil bis zu einer Höhe von einigen Kilometern gemessen werden“, so Dr. Andreas Behrendt, der Leiter des Fernerkundungsteams.

Die Messungen der Lidar-Systeme an Bord des Forschungsschiffs Maria S. Merian wurden von der Fernerkundungsabteilung des Instituts für Physik und Meteorologie (IPM) der Universität Hohenheim durchgeführt, unter Beteiligung der Wissenschaftler Dr. Diego Lange, Dr. Andreas Behrendt, Dr. Florian Späth und Timo Keller. Geleitet wurde die Kampagne von Prof. Dr. Volker Wulfmeyer.

Hintergrund: „Grand Science Challenges on Clouds, Circulation and Climate Sensitivity“

Die Feldstudie EUREC4A, die vom 20. Januar bis 20. Februar 2020 lief, ist ein Höhepunkt der „Grand Science Challenges on Clouds, Circulation and Climate Sensitivity“ des Weltklimaforschungsprogramms (WCRP). Sie baut auf einem Jahrzehnt von Messungen im tropischen Atlantik auf, das 2010 mit der Errichtung eines Wolkenobservatoriums auf Barbados startete, und mit zwei Messkampagnen mit dem Forschungsflugzeug HALO 2013 und 2016 fortgesetzt wurde.

Text: Leonhardmair