Schattenspender und Wärmedecke – die Rolle der Wolken im Klimasystem

Wenn sich die Atmosphäre erwärmt, verdunstet mehr Wasser. Aber entstehen dann auch mehr Wolken? Und spenden sie mehr kühlenden Schatten – oder verstärken sie vielleicht die Erwärmung? Solche Fragen stellen sich Wissenschaftler, die sich mit einer der wichtigsten Unbekannten in der Klimaforschung auseinandersetzen: der Wolkenrückkopplung.

Wolken spielen nicht nur eine wichtige Rolle im Wettergeschehen, sondern wirken sich auch auf die klimatisch bedeutsame Energiebilanz der Erde aus. Das geschieht auf zweierlei Weise: Zum einen beeinflussen Wolken, wie viel Sonnenstrahlung auf die Erde fällt, und zum anderen, wie viel Wärmestrahlung die Erde ins All zurück sendet.

Satellitenbild. Blick auf die Erdkugel, im Fokus sind Afrika und Umgebung. Verschiedene Wolkenformen sind zu erkennen.
Wolken auf Satellitenfoto

Schattige Wolken

In der Regel sind Wolken – vom Weltall aus gesehen – heller als die Erdoberfläche. Darum wird bei bewölktem Himmel ein größerer Teil der Sonnenstrahlung reflektiert. Auf diese Weise kühlen Wolken das Klimasystem. Forscher sprechen vom Albedo-Effekt, denn Albedo ist das Rückstrahlvermögen, und albus ist der lateinische Ausdruck für weiß.

Je stärker die einfallende Sonnenstrahlung ist, desto größer ist der Albedo-Effekt: Er entfaltet seine Wirkung natürlich nur tagsüber, im Sommer intensiver als im Winter und in den Tropen kräftiger als in hohen Breiten. Außerdem wirkt der Effekt umso stärker, je dunkler die Erdoberfläche ist. Denn dann ist der Kontrast zwischen den hellen Wolken und der dunklen Erdoberfläche am größten. Besonders stark ist der Effekt also über den dunklen Meeresgebieten, kleiner dagegen über Schnee oder Wüsten.

Auch die Eigenschaften der Wolken haben einen Einfluss auf den Albedo-Effekt. Stark wasserhaltige Wolken sind von oben gesehen besonders hell - darum nimmt der Effekt mit dem Wassergehalt zu. Klein ist die Wirkung bei dünnen Schleierwolken, groß bei dicken Haufenwolken.

Treibhauseffekt der Wolken

Infografik. Vier Teilgrafiken, in denen ein Haus und eine mehr oder weniger warm angezogene Person in vier verschiedenen Konstellationen dargestellt sind: Einmal bei Sonne um 13 Uhr, sommerlich gekleidet, einmal nachts um 1 Uhr bei Mondschein, warm angezogen, einmal bei bewölktem Himmel um 13 Uhr, normal bekleidet, sowie einmal nachts um 1 Uhr, wieder bei bewölktem Himmel und normal bekleidet.
Wolken, Strahlung und Temperatur

Andererseits üben Wolken auch einen Treibhauseffekt aus: Sie wärmen die Erde wie eine Decke. Ein bewölkter Himmel sendet weniger Wärmestrahlung ins Weltall als ein wolkenloser. Das liegt daran, dass Wolken an ihrem Oberrand meistens kälter sind als die Erdoberfläche, und bei niedrigen Temperaturen ist die Wärmestrahlung logischerweise schwächer.

Der Treibhauseffekt der Wolken ist umso stärker, je höher sie ragen. Denn mit der Höhe nimmt die Temperatur ab und die Wärmestrahlung der Wolke wird wiederum geringer. Der Treibhauseffekt der Wolken wirkt sich bei Tag wie bei Nacht aus. Dass er vor allem nachts zu spüren ist, liegt daran, dass dann der kühlende Albedo-Effekt wegfällt.

Netto-Effekt heute

Was die Wolken betrifft, so ist der Albedo-Effekt im gegenwärtigen Zustand des Klimas etwas stärker als der Treibhauseffekt. Das lässt sich anhand von Satellitenmessungen nachweisen. Netto wirken die Wolken mit ungefähr -200 Watt pro Quadratmeter kühlend auf die Erdoberfläche. Das ist die Bilanz aus dem Albedo-Effekt, der mit -500 Watt pro Quadratmeter kühlt, und dem Treibhauseffekt, der mit +300Watt pro Quadratmeter erwärmt.

Was in Zukunft passieren kann - und warum

Die Balance zwischen dem kühlenden und dem wärmenden Effekt kann sich in Zukunft verschieben. Würden sich mehr dünne, hohe Wolken (Zirren) bilden, dann nähme der Treibhauseffekt zu. Träten mehr dicke, niedrige Wolken auf (Stratus/Stratokumulus) – besonders über dem Meer –, dann würde der abkühlende Effekt noch mehr dominieren als bisher schon.

Nun könnte man fragen, warum sich die Wolken in einer wärmer werdenden Atmosphäre überhaupt ändern müssen. Es könnte ja auch anders sein: Wolken entstehen ab einer Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent. Erwärmt sich das Klima, dann verdunstet zwar mehr Wasser, aber die relative Luftfeuchtigkeit – das Verhältnis der aufgenommenen Wassermenge zur maximal möglichen, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist – bleibt wahrscheinlich konstant, weil ja auch die Temperatur steigt. Das wäre mit gleich bleibenden Wolken vereinbar.

Warum ändern sich also die Wolkenfelder? Hier liegt das Hauptproblem bei der Vorhersage der Wolkenrückkopplung. Denn wo sich - speziell in einem wärmeren Klima – welche Wolkentypen bilden, hängt auch mit der wandelbaren Zirkulation der Atmosphäre zusammen, im Zusammenspiel mit den anderen Klimakomponenten, besonders dem Ozean.

Aus einem Flugzeug fotografiert, erkennt man hier ein ausgedehntes Areal mit kleinen Cumuluswolken. Der Rückkopplungseffekt von Cumuluswolken bereitet Klimaforschern besonders große Schwierigkeiten.
Areal von Cumuluswolken

Einfach ist die Vorhersage bei den Wetterfronten, die in den mittleren Breiten auftreten. Schwieriger wird es bei den hochreichenden Wolken in den Tropen. Die größten Komplikationen gibt es bei den flachen Wolken, die durch turbulente Durchmischung und strahlungsbedingte Abkühlung in der bodennächsten Luftschicht entstehen. Wichtige Faktoren sind die Beschaffenheit der Oberfläche, die Temperaturverteilung und die Wind- und Zirkulationsverhältnisse. In komplizierter Abhängigkeit von diesen Faktoren bilden sich im einen Fall bevorzugt Schichtwolken, die viel Sonnenlicht reflektieren, im anderen Fall aber einzelne Haufenwolken, die wesentlich weniger Licht zurückstrahlen.

Rätselraten über die Stärke der Wolkenrückkopplung

Wie stark wird nun die Wolkenrückkopplung auf eine Temperaturänderung ausfallen? Diese Frage konnte bisher anhand von Beobachtungen noch nicht präzise beantwortet werden. Alle Versuche in dieser Richtung sind fehlgeschlagen – so zum Beispiel die Untersuchungen zur Änderung von Wolken nach einem Vulkanausbruch (die Abkühlung nach Ausbruch des Pinatubo 1991 half, das Wasserdampf-Feedback besser zu verstehen). Aus diesem Grund untersuchen Klimaforscher die Wolkenrückkopplung mit hilfe von Computersimulationen.

Leider gehen die Resultate der Klimamodelle weit auseinander. Die Wolkenrückkopplung gilt darum als eines der Hauptprobleme in der Klimaforschung. Die Rückkopplung durch Wasserdampf ist zwar nach heutigem Kenntnisstand stärker als der Wolkeneffekt, aber die Unterschiede in den simulierten Wolkenrückkopplungen sind derart groß, dass sie die Gesamtunsicherheit bei den Rückkopplungen dominieren.

Was kann die Wissenschaft tun?

Die Klimaforschung hat das Problem schon lange erkannt und widmet der Wolkenforschung mehr und mehr Aufmerksamkeit. Um die Wolkenrückkopplungen besser zu verstehen, nutzt man im Wesentlichen Beobachtungen und Simulationen:

  1. Um die Einzelprozesse besser zu verstehen, machen Forscher Beobachtungen mit neuen Messmethoden. Ein Beispiel sind Flüge mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO und Kampagnen mit Radar- und Lidarsystemen. Das Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg wiederum vermisst, wie sich die Haufenwolken über dem westlichen Nordatlantik verändern. Eine wichtige Rolle spielen Hochleistungssatelliten, die globale hochaufgelöste Informationen über Wolkeneigenschaften liefern. Ein bedeutsamer Schritt wird der Start des ESA-Satelliten EarthCARE im Jahr 2013 sein. Er wird Radar- und Lidarbeobachtungen mit Messungen des Strahlungshaushalts verbinden. Von diesen Messdaten erhofft man sich, dass sie eine Quantifizierung der Wolkenrückkopplung aus Beobachtungen erlauben, sofern sich die Beobachtungen bis mindestens 2020 fortsetzen lassen.
  2. Die Fernerkundungsdaten können genutzt werden, um die für Wolkenrückkopplungen relevanten Prozesse in Klimamodellen genau zu prüfen und zu eichen. Die hoch aufgelösten Simulationsmodelle, mit denen einzelne Wolken und Wolkenfelder untersucht werden, wurden in den letzten Jahren stark verbessert. In dieser virtuellen Realität kann man untersuchen, wie Wolken auf Änderungen der klimatischen Umgebung reagieren. Ein Hauptproblem besteht darin, dass die Prozesse, die mit den Wolken zu tun haben, von der Gittermaschenweite der grob aufgelösten Klimamodelle (rund 1000 km), die für langfristige Simulationen gedacht sind, nicht erfasst werden. Eine verfeinerte Auflösung bis unter 100km, um wenigstens die großen Wolken einigermaßen simulieren zu können, würde eine Vertausendfachung der nötigen Computerleistung erfordern. Noch ist das unrealistisch. Dennoch werden hochauflösende globale Modelle heute schon entwickelt, um wenigstens idealisierte, kürzere Simulationen des Klimawandels durchführen zu können.