Physik Journal 7 / 2017

Ein eisiger Wind fegt uns um die Ohren, als wir aus dem Auto steigen und uns schnell in die Forschungsstation flüchten. Im Eingangsbereich schlüpfen wir in die bereit stehenden Sandalen, die verhindern sollen, dass mit den Winterstiefeln Schnee und Dreck in das Gebäude gelangen – schließlich stehen hier sehr teure optische Geräte. Der erste Weg führt Gerd Baum­garten und mich in den großen Aufenthaltsraum im ersten Stock. Dort bietet sich ein spektakulärer Ausblick auf das Meer, die vielen Fischerboote vor der Küste und die schneebedeckten Nachbarinseln. Keine Frage: Die fast 15-stündige Anreise – mit zwei langen Zwischenstopps in Oslo und Bodø – hat sich gelohnt!

Bereits seit seiner Doktorarbeit vor 20 Jahren kommt Gerd Baumgarten dreimal im Jahr für zwei bis drei Wochen auf die Forschungsstation, um das Rayleigh/Mie/Raman-Lidar (RMR-Lidar) zu betreuen, welches das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik seit 1994 zusammen mit dem Service d’aéronomie du CNRS aus Frankreich betreibt. Mit dem Experiment lassen sich beispielsweise Temperaturen und Winde und deren zeitliche Variation aufgrund von Schwerewellen oder Gezeiten analysieren. Zudem ist es möglich, Aero­solschichten, polare Stratosphärenwolken im Winter oder leuch­tende Nachtwolken im Sommer zu untersuchen. Das erlaubt Rückschlüsse auf die thermische Struktur und dynamische Prozesse der mittleren Atmosphäre.#) Diese spielt beim Verständnis des Klimawandels und für Klimamodelle eine wichtige Rolle. Zudem lassen sich in der Arktis besondere Phänomene untersuchen wie der Polarwirbel oder die damit zusammenhängende plötzliche Stratosphärenerwärmung. Bei dieser steigt die Temperatur der Stratosphäre innerhalb weniger Tage um mehr als 50 Grad an...

Etwa 99 Prozent der gesamten atmosphärischen Luftmasse befindet sich in ihren untersten 30 Kilo­metern. Doch auch wenn das bezogen auf den Erddurchmesser nicht viel erscheint, ist die Erdatmosphäre für alles Leben auf der Erde von fundamentaler Bedeutung. Sie ist verantwortlich für den natürlichen Treibhauseffekt, der die globale Durchschnittstemperatur der Erdoberfläche um 30 bis 33 °C auf behagliche +15 °C anhebt und so flüssiges Wasser auf der Erdober­fläche ermöglicht. Die Atmosphäre schirmt hochenergetische kosmische Strahlung ab und beherbergt die stratosphärische Ozonschicht, die Landlebewesen vor der gefährlichen UV-Strahlung der Sonne schützt. Und sie versorgt Menschen wie Tiere mit dem lebenswichtigen Sauerstoff und Pflanzen mit dem notwendigen Kohlendioxid. Die Atmosphäre sorgt – überwiegend durch den Transport latenter Wärme vom Äquator aus polwärts – für eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Zudem ist sie als wichtiges Reservoir über vielfältige und komplexe Wechselwirkungsprozesse in globale Spurenstoffkreisläufe und den Wasserkreislauf eingebunden. Nur neun Gase machen 99,9999 Prozent (Volumen) der Atmosphäre aus: Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, CO2 und die Edelgase Argon, Neon, Helium und Krypton sowie Methan. Das restliche Millionstel besteht aus hunderten bis tausenden von Spurengasen.

Der Atmosphärendruck P und zunächst auch die Temperatur T nehmen mit der Höhe z ab. Die Druckabnahme wird durch die barometrische Höhenformel beschrieben [1]...

Der Treibhauseffekt beruht darauf, dass die Anzahldichten von Gasen wie Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) in der Troposphäre genügend groß sind. Diese im Infraroten aktiven Spurengase absorbieren z. B. vom Erdboden emittierte IR-Photonen größtenteils und re-emittieren sie wieder. Eine anthropogene Zunahme der Konzentrationen von Treibhausgasen, vor allem von CO2, führt damit zu einer Erwärmung der bodennahen Schichten von global etwa einem Grad in den letzten 120 Jahren, aber auch lokal zu einem Anstieg der Niederschläge, beispielsweise in Deutschland vor allem im Winter, sowie zu einer weltweiten Zunahme von Extremereignissen. Ein Teil der IR-Strahlung gelangt von der Troposphäre in obere Schichten („Strahlungstransfer“). Weil die Anzahldichten der Gase mit zunehmender Höhe exponentiell sinken, kann ein immer größerer Anteil der emittierten IR-Photonen die Erdatmosphäre verlassen, und die Atmosphäre kühlt ab („cooling to space“). ­Neben der IR-Strahlung beeinflussen viele weitere Prozesse die thermische Struktur der Atmosphäre.

Die Temperatur der Stratosphäre hängt wesentlich davon ab, dass hier die ultraviolette solare Strahlung durch Ozon absorbiert wird und die Atmosphäre aufheizt. Diese Aufheizung reicht grob von 30 bis 70 km Höhe und führt zum Temperaturmaximum bei etwa 50 km. In der mittleren Atmosphäre spielen aber auch dynamische Prozesse eine wichtige Rolle, was sich besonders deutlich in der oberen Mesosphäre in mittleren und polaren Breiten zeigt. Dort ist es im Sommer sehr viel kälter als im Winter. Tatsächlich sind die in diesem Höhenbereich gemessenen Temperaturen um bis zu 120 Grad niedriger, als es aufgrund eines strahlungsbestimmten Zustands zu erwarten wäre. Die obere Mesosphäre, in mittleren und hohen Breiten im Sommer bei ca. 90 km Höhe, ist mit rund 130 K die kälteste Region der gesamten Erdatmosphäre. Unter diesen Bedingungen können sich sogar Eisteilchen bilden („leuchtende Nachtwolken“, Abb. 1). Die niedrigen Temperaturen sind vor allem darauf zurückzuführen, dass Schwerewellen eine großräumige „residuelle“ Zirkulation induzieren, die in der Mesosphäre in mittleren und hohen Breiten im Sommer aus aufsteigenden Luftmassen besteht. Dies führt zu einer adiabatischen Abkühlung. Im Winter sorgen umgekehrt die absinkenden Luftmassen für eine Erwärmung. Bei den Schwerewellen handelt es sich um großräumige periodische Schwingungen in der Atmosphäre, die z. B. bei der Überströmung eines Gebirges angeregt werden. Die Dichte in einem Luftpaket, das nach oben steigt, ist im Allgemeinen kleiner als die Dichte der Umgebung. Dies führt zu einer Rückstellkraft, deren Stärke proportional zur Auslenkung ist, ähnlich wie bei einer Feder. Es kommt zu Schwingungen des Luftpakets um die Gleichgewichtslage und zu Wellen mit periodischen Schwankungen von Dichte, Temperatur, Druck und Winden [1]. Diese Schwerewellen haben typische Periodendauern von Minuten bis Stunden und vertikale bzw. horizontale Wellenlängen von etwa 2 bis 30 km bzw. 10 bis 1000 km. Aufgrund der abnehmenden Luftdichte wachsen die Amplituden dieser Wellen mit der Höhe exponentiell an. Schließlich brechen sie in höheren Schichten und deponieren dort Impuls und Energie, was entscheidend zur residuellen Zirkulation beiträgt. Schwerewellen sind Gegenstand aktueller Forschung. Wichtige physikalische Prozesse sind nicht ausreichend verstanden, z. B. ihre Erzeugung, Ausbreitung, Filterung und Brechung. Auch die nichtlineare Wechselwirkung dieser Wellen mit dem atmosphärischen Hintergrund sowie mit Gezeiten der Atmosphäre bzw. mit größerskaligen planetaren Wellen ist unklar. Eine wichtige Eigenschaft dieser Wellen ist es, weit entfernt liegende Höhenschichten miteinander koppeln zu können...

Wolken faszinieren durch ihre Vielfalt und Einmaligkeit. Ihre phänomenologischen (makro­physikalischen) Charakteristika wie die Höhe der Wolkenbasis über Grund oder ihre vertikale Mächtigkeit erlauben es, sie in Gruppen mit typischen Merkmalen einzuordnen. Demnach unterscheidet man horizontal ausgerichtete, stratiforme Wolken, die sich in verschiedenen Höhen der Troposphäre ausbilden, von hauptsächlich vertikal ausgedehnten, konvektiven Wolkentürmen, die bis in die obere Troposphäre und darüber hinaus reichen und häufig mit Starkniederschlag, Windböen, Hagel oder Gewitter einhergehen (Abb. 1). Trotz der typischen äußeren Erscheinung ist jede Wolke einzigartig. Dies zeigt sich vor allem durch eine hohe Variabilität ihrer mikrophysikalischen Eigen­schaften. So erstreckt sich die Größe von Wolken­tröpfchen, Eiskristallen und Nieder­schlags­­par­tikeln von einigen Mikrometern bis zu Zentimetern.

Wolken bestimmen durch den Niederschlag die geographische Verteilung des verfügbaren Süßwassers auf der Erde. Würde man den gesamten in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf auskondensieren, ergäbe sich eine nur etwa 2,5 cm hohe flüssige Wasser­schicht auf der Erdoberfläche. Wenn nur das vorhandene flüssige und eisförmige Wasser der Wolken akkumuliert würde, wäre die Wasserschicht 0,1mm dünn. Trotz dieser im Vergleich zur Gesamtausdehnung der Troposphäre (10 bis 15 km) sehr kleinen Werte stellen troposphärische Wolken innerhalb des Erdsystems ein entscheidendes Bindeglied für den hydrologischen Kreislauf dar. Sie spielen eine wesentliche Rolle für die Verfügbarkeit von Trink- und Brauchwasser in Flüssen, Seen und Grundwasserreservoiren. Die geographische Verteilung von Niederschlag ist dabei eng mit dynamischen Atmosphärenprozessen verbunden, wobei Phasenumwandlungen und entsprechende latente Energietransformationen auftreten...

Die Luftschichten der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre in Höhen zwischen 5 und 25 km beeinflussen unser Klima erheblich. In diesem relativ kalten Bereich der Atmosphäre wirken sich Änderungen in der Konzentration von Treib­hausgasen und Wolken besonders stark auf die Strahlungsbilanz der Atmosphäre aus. Die räumlich und zeitlich sehr variablen Treibhausgase wie Wasserdampf und Ozon sorgen dabei für hohe Unsicherheiten. Beispielsweise tragen unter anderem geringe, bisher unverstandene Variationen von Wasserdampf in der unteren Stratosphäre (0,5 ppmv, etwa 10 Prozent) zur Variabilität der Bodentemperatur auf Zeitskalen von Jahrzehnten bei. So hat ein plötzlicher Rückgang des Wasserdampfes im ersten Jahrzehnt dieses Jahrhunderts den berechneten Temperaturanstieg infolge anthropogener Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan um etwa 25 Prozent auf rund 0,1 Kelvin pro Jahrzehnt verlangsamt [1]. Gleichzeitig ist die räumliche und zeitliche Variabilität in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre das Ergebnis der komplexen Wechselwirkung einer Vielzahl atmosphärischer Prozesse. Ihr unzureichendes Verständnis wirkt sich auf die Vorhersagekraft globaler und regionaler Klima- und Wettermodelle aus. Das Infrarotspektrometer GLORIA soll dazu beitragen, diese Prozesse besser zu verstehen (Abb. 1). Dazu gehören beispielsweise der konvektive Aufwärtstransport von Wasserdampf und ozonzerstörenden Substanzen in den Tropen, der quasi-horizontale Austausch von Luftmassen zwischen der oberen tropischen Troposphäre und der unteren extratropischen Stratosphäre sowie die globale Umverteilung von Spurenstoffen durch die von atmosphärischen Wellen getriebene stratosphärische Brewer-Dobson-Zirkulation.

Die Stratosphäre in etwa 10 bis 50 km Höhe beeinflusst das bodennahe regionale Klima und Wetter aber nicht nur über Strahlungseffekte von Treibhausgasen, sondern auch über die großräumige Luftzirkulation. Der stratosphärische Polarwirbel ist ein großräumiges Tiefdruckgebiet über dem Winterpolargebiet, das von einem Starkwindband rund um den Globus umschlossen ist. Der Wind weht dabei von Westen nach Osten, und seine Stärke beeinflusst nach neuen Erkenntnissen auch den polaren Strahlstrom in der Troposphäre in einer Höhe von 8 bis 12 km. Dieser Jetstream ist vom Flugverkehr bekannt, wo er beispielsweise die Reisezeit von Nordamerika nach Europa verkürzt. Die Kopplung von Polarwirbel und Jetstream ist bisher wenig verstanden. Neuere Untersuchungen zeigen, dass ein Abschwächen des Polarwirbels zu einer Verschiebung der Lage des Jetstreams führt, die in Nordeuropa kalte trockene Winter begünstigt [2]. Die Stärke des Polarwirbels wird maßgeblich von planetaren Wellen beeinflusst. Planetare Wellen werden in der Troposphäre angeregt und breiten sich in die Stratosphäre aus. Sie stellen globale Schwingungen der Luftströmung entlang der Breitenkreise dar, bei denen die Coriolis-Kraft als Rückstellkraft fungiert. Während der Einfluss planetarer Wellen auf den Polarwirbel recht gut verstanden ist, gilt dies nicht für kleinräumigere Schwerewellen [3]. Diese Luftschwingungen entstehen mit der Schwerkraft als Rückstellkraft, wenn eine Luftströmung ein Gebirge überqueren muss (orographische Anregung), aber auch durch Konvektion oder andere Instabilitäten innerhalb der Strömung. Wie Schwerewellen angeregt werden, sich im Hintergrundwind ausbreiten und mit diesem wechselwirken, ist noch nicht gut verstanden...

Treibhausgase, welche die Strahlung im thermischen Infrarot-Spektralbereich absorbieren und re-emittieren, beeinflussen maßgeblich das Klima auf der Erde. Die drei wichtigsten Treibhausgase in der Atmosphäre sind Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4), wobei CO2 und CH4 Teil des Kohlenstoffkreislaufs sind. Dieser wirkt sich auf den Wasserkreislauf aus, denn der atmosphärische Wasserdampf­gehalt hängt im Wesentlichen von den atmosphärischen Temperaturen und damit auch von CO2 und CH4 ab.

Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt den Austausch von kohlenstoffhaltigen Verbindungen zwischen verschiedenen Reservoiren, also der Atmosphäre, dem Ozean, der Landoberfläche, welche die Biosphäre und die Böden enthält, sowie dem geologischen Reservoir. Dieser Austausch erfolgt auf verschiedenen Zeitskalen. Ohne Eingriff des Menschen läuft der Austausch mit dem großen geologischen Reservoir, das sich in der Erdkruste sowie dem Erdmantel befindet, auf sehr langen Zeitskalen ab [1]. Die in Sedimentgesteinen vorkommenden fossilen Brennstofflagerstätten sind Teil des geologischen Reservoirs. Wir möchten hier den Fokus auf den Klima­wandel legen, der auf Zeit­skalen von hunderten von Jahren stattfindet. In diesem Zusammenhang sind die Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen sowie der Austausch von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Landökosystemen und Ozean relevant...