Stratosphärische Abkühlung

Eine Abkühlung der Stratosphäre ist nicht allein durch das Ozonloch hervorgerufen, sondern vor allem auch durch die verstärkte Emission von Kohlendioxid. Daher sind die Erderwärmung (= troposphärische Erwärmung) und die stratosphärische Abkühlung parallel gehende Effekte. Weitere Abkühlung kann jedoch wiederum einen Einfluss auf die Entwicklung der Ozonschicht haben, denn eine kalte Stratosphäre ist für den Ozonabbau notwendig. Wir merken uns daher, dass die Freisetzung von mehr CO2 auch die Bildung des Ozonloches begünstigt. Alle Faktoren zu verstehen, die zur stratosphärischen Abkühlung beitragen, ist jedoch schwierig. Wir versuchen, einen Überblick zu geben.

Kühlt sich die Stratosphäre ab?

Die Temperatur in der unteren Stratosphäre zu messen ist nicht so einfach wie in der Troposphäre, da es natürlich kein Netzwerk von Messstationen in 15-30 km Höhe gibt, das dem auf dem Erdboden vergleichbar wäre.
Wetterballons, Mikrowellenmessung (seit 1979), Raketensonden, LIDAR und Satelliten sind mögliche Hilfsmittel, um die Temperatur in der Stratosphäre zu messen. Einige von ihnen sind allerdings erst seit zwei oder drei Jahrzehnten verfügbar. Viele Korrekturen mussten gemacht werden und die Unsicherheit der Daten ist noch hoch.

Stratosphärische Abkühlung

1. Relative Abweichung der weltweiten Durchschnittstemperatur (°C) von 1958 bis 2005 (relativ zum Bezugszeitraum 1979-1997) für die untere Stratosphäre. Die Daten stammen aus Beobachtungen verschiedener Satelliten. Die Zeitpunkte schwerer Vulkanausbrüche (Agung, El Chichon und Mt. Pinatubo) sind hervorgehoben.
Quelle: IPCC AR4 2007, Fig. 3.17

Es scheint sich ein Trend für eine Abkühlung von etwa 0,4°C pro Jahrzehnt abzuzeichnen. Hierbei muss beachtet werden, dass immer wieder schwerere Vulkanausbrüche zu vorübergehenden Erwärmungen und einer Unterbrechung dieses Trends führen. Berechnungen verschiedener Forschungsinstitute schätzen die tendenzielle Abkühlung während der letzten beiden Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts (1979-2000) höher ein, als in der vorangegangenen Periode (1958-1978), wie in der Grafik links gezeigt ist.

stratosphärische Abkühlung

2. Stratosphärische Abkühlung aus verschiedenen Berechnungen
Werte aus IPCC TAR Tab. 2.3

Warum kühlt sich die Stratosphäre ab?

Es gibt verschiedene Gründe für die Abkühlung der Stratosphäre. Die zwei am besten verstandenen sind:
1) Der Abbau des stratosphärischen Ozons
2) Der Anstieg an atmosphärischem Kohlendioxid

Abkühlung infolge von Ozonabbau

Der erste Effekt ist einfach zu verstehen. Weniger Ozon führt zu einer geringeren Absorption von UV-Strahlung. Folglich wird diese Energie nicht mehr in Wärmestrahlung umgewandelt. Insofern ist die Abkühlung nichts anderes als eine Reduzierung der Wärme aus der absorbierten Sonnenstrahlung. Hinzu kommt, dass Ozon, insbesondere in der unteren Stratosphäre, noch als Treibhausgas wirkt. Nimmt diese Wirkung durch Verringerung der Ozonkonzentration ab, so wird es kühler. In etwa 20 km Höhe sind die Beiträge von UV-Licht und Infrarotstrahlung zur Energieumwandlung über Ozon etwa gleich. Ozon, dessen Treibhauseffekt mit der Höhe abnimmt, ist nicht das einzige Treibhausgas, das in solcher Weise wirkt.

Abkühlung durch den Treibhaus-Effekt

Treibhausgase (CO2, O3, FCKW) absorbieren und emittieren generell Infrarotstrahlung auf einer bestimmten Wellenlänge. Wenn diese Absorption sehr stark ist, wie auf der 15 µm Bande (= 667 cm-1) des Kohlendioxids, kann das Treibhausgas den Hauptteil der von der Erde ausgehenden Infrarotstrahlung schon in der Nähe der Erdoberfläche blockieren. Nur noch ein kleiner Anteil erreicht das Kohlendioxid auch noch in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre. Andererseits emittiert das Kohlendioxid aufgefangene Wärmestrahlung in Richtung Weltraum. In der Stratosphäre wird nun diese Emission höher als die Energie, die aus der Absorption gewonnen wird. Es resultiert ein netto-Energieverlust und damit eine Abkühlung. Für andere Treibhausgase wie Ozon und FCKW ist dieser Effekt nicht so stark oder tritt erst in größeren Höhen auf, da die Sättigung in der Troposphäre geringer ist. Sie fangen nicht schon alle Energie in ihrem Wellenlängenbereich in der Troposphäre ab und können daher in der Stratosphäre noch absorbieren.

stratosphärische Abkühlungsraten

3. Stratosphärische Abkühlungsraten Die Abbildung zeigt, wie Wasser, Kohlendioxid und Ozon zur stratosphärischen Abkühlung beitragen. Die Tropopause ist als gepunktete Linie eingetragen, mit der Tropopsphäre darunter und der Stratosphäre darüber. Insbesondere für Kohlendioxid ist es offensichtlich, dass es keinen kühlenden Effekt in der Troposphäre, aber einen deutlichen Effekt in der Stratosphäre gibt. Ozon hingegen erwärmt die untere und kühlt die obere Stratosphäre.
Abbildung aus: Clough and Iacono, JGR, 1995; übernommen von der SPARC Webseite

Wo findet die Abkühlung statt?

Die Ozonabnahme wirkt sich in der Region um 20 km stärker aus. Wie man aus Abbildung 3 sieht, ist die Abkühlung durch den Anstieg von Kohlendioxid hingegen zwischen 40 und 50 km Höhe stärker. Wie wir uns denken können, führen so verschiedene Ursachen nicht zu einer einheitlichen Abkühlung über die gesamte Stratosphäre. Die Temperaturtendenz wurde daher nicht nur in der unteren Stratosphäre beobachtet (Abb. 1), sondern in verschiedenen Höhen. Die Abbildungen unten geben uns eine Vorstellung.

Höhenabhängigkeit der stratosphärischen Abkühlung

4. Tendenzen in der stratosphärischen Abkühlung in verschiedenen Höhen
Quelle: Ramaswamy et al., Reviews of Geophysics, Feb. 2001

Weitere Einflüsse

Es wird außerdem angenommen, dass eine zusätzliche Erwärmung der Troposphäre durch den Treibhauseffekt dazu führen könnte, dass planetare Wellen gestört werden, die die Stratosphäre über der Arktis erwärmen. Solche Wellen werden insbesondere auf der Nordhalbkugel von der Oberflächenstruktur der Erde bestimmt (Gebirgsketten wie der Himalaya, Wechsel von Land und Ozean).
Neueste Untersuchungen zeigen, dass auch ein Ansteigen des stratosphärischen Wasserdampfgehaltes eine kühlende Wirkung haben kann, im Ausmaß ähnlich dem Effekt durch Ozonverlust.

Schlussfolgerung

Derzeit ist unser Verständnis der stratosphärischen Abkühlung noch nicht vollständig und eine weitere Erforschung notwendig.
Aber die beobachtete und vorhergesagte Abkühlung macht die Bildung eines Ozonloches über der Arktis wahrscheinlicher. Wir müssen bedenken, dass die Emission von Kohlendioxid nicht nur zu einer Erwärmung der Troposphäre, sondern auch zu einer Abkühlung der Stratosphäre führt.

About this page:
author: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
1. scientific reviewer: Dr. Wolfgang Steinbrecht - German Met. Service
2. scientific reviewer: Dr. Christoph Brühl - MPI Chemistry, Mainz 2004-05-11
Letzte Überarbeitung: 2007-08-23

Last modified: Saturday, 20 June 2020, 2:00 PM