Klimamodelle überschätzen Kühleffekt durch Wüstenstaub

Gängige Klimamodelle gehen von einer starken Erwärmungswirkung durch CO2 aus. Die daraus resultierende Erwärmung übersteigt jedoch die in der Realität gemessenen Temperaturen. Die Klimamodellierer stört dies jedoch wenig, denn sie haben genügend kühlende Effekte in die Modelle eingebaut, die sie nahezu nach Belieben skalieren können. So kommt am Ende immer das Wunschergebnis heraus. Kleine Schwebteilchen in der Atmosphäre, die sogenannten Aerosole, spielen hier eine wichtige Rolle. Die Aerosol-Joker-Herangehensweise hat viele Jahre lang gut funktioniert, bis es eines Tages den Aerosol-Fachleuten zu bunt wurde. Sie waren es leid, als Ausputzer missbraucht zu werden. Der letzte große Paukenschlag kam vor zwei Jahren aus Hamburg (siehe unseren Blogartikel “Direktor des Hamburger Max-Planck-Instituts für Meteorologie: Aerosole kühlen weniger stark als vormals angenommen“).

Am 13. März 2017 meldete sich nun eine internationale Forschergruppe mit einem Paper in Nature Geoscience zu Wort, die die von den Modellierern vermutete Kühlungwirkung von Wüstenstaub anhand von Messungen und Experimenten zu quantifizieren suchte. Die Überraschung war groß als sie etwas komplett anderes herausbekamen, als in den Modellen angesetzt. Der durchschnittliche Wüstenstaub war viel gröber als gedacht. Das hat eine wichtige Konsequenz: Während feinkörniger Staub kühlend wirkt, ist für den in Wirklichkeit viel gröberen Staub mit einer Erwärmungswirkung zu rechnen. Der damit rechnerisch verlorengegangene Kühleffekt kann in den Modellen also viel weniger überschüssige CO2-Wärme ausgleichen. Ein weiterer Hinweis auf eine deutlich geringere CO2-Klimasensitivität.

Hier der Abstract der wichtigen Studie von Jasper Kok und Kollegen:

Smaller desert dust cooling effect estimated from analysis of dust size and abundance
Desert dust aerosols affect Earth’s global energy balance through direct interactions with radiation, and through indirect interactions with clouds and ecosystems. But the magnitudes of these effects are so uncertain that it remains unclear whether atmospheric dust has a net warming or cooling effect on global climate. Consequently, it is still uncertain whether large changes in atmospheric dust loading over the past century have slowed or accelerated anthropogenic climate change, or what the effects of potential future changes in dust loading will be. Here we present an analysis of the size and abundance of dust aerosols to constrain the direct radiative effect of dust. Using observational data on dust abundance, in situ measurements of dust optical properties and size distribution, and climate and atmospheric chemical transport model simulations of dust lifetime, we find that the dust found in the atmosphere is substantially coarser than represented in current global climate models. As coarse dust warms the climate, the global dust direct radiative effect is likely to be less cooling than the ~−0.4 W m−2 estimated by models in a current global aerosol model ensemble. Instead, we constrain the dust direct radiative effect to a range between −0.48 and +0.20 W m−2, which includes the possibility that dust causes a net warming of the planet.

 

Bildung von Schwefeldioxid und von kühlenden Wolken über den Ozeanen wird in den bisherigen Klimamodellen offenbar überschätzt

Pressemitteilung des Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig vom 3. November 2016:

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Wirkung des Meeresgeruchs in Klimamodellen bisher überschätzt

Umfassendste Studie zur atmosphärischen Oxidation des natürlichen Klimagases Dimethylsulfid veröffentlicht

Die Bildung von Schwefeldioxid aus der Oxidation von Dimethylsulfid (DMS) und damit auch von kühlenden Wolken über den Ozeanen wird in den bisherigen Klimamodellen offenbar überschätzt. Das schließen Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) aus einer Modellstudie zu den Auswirkungen von Dimethylsulfid auf die Atmosphärenchemie. Bisher berücksichtigen Modelle mit der Oxidation in der Gasphase lediglich einen Teil des Oxidationsweges und vernachlässigen wichtige Pfade in der flüssigen Phase der Atmosphäre, schreibt das Team im Fachjournal PNAS bei der Veröffentlichung der bisher umfangreichsten mechanistischen Studie zur Multiphasenoxidation dieser Substanz. Die Ergebnisse zeigten, dass mehr Wissen über die Multiphasenoxidation von Dimethylsulfid und der entstehenden Substanzen notwendig sei, um die Atmosphärenchemie und deren Klimawirkungen über den Ozeanen besser zu verstehen und damit folglich auch die Genauigkeit der Klimaprognosen zu erhöhen.

Dimethylsulfid (DMS) wird von Mikroorganismen gebildet und ist beispielsweise auch Teil des Mundgeruches. Angenehmer in Erinnerung bleibt es dagegen als typischer Geruch des Meeres. DMS ist die häufigste natürliche Schwefelverbindung in der Atmosphäre. Vor allem die Ozeane, die rund 70 Prozent der Erdoberfläche ausmachen, tragen dazu bei. DMS wird von Phytoplankton gebildet und gast dann aus dem Meerwasser aus. In der Atmosphäre oxidiert DMS über Dimethylsulfoxid (DMSO) und Schwefeldioxid (SO2) zu Schwefelsäure (H2SO4). Diese kann neue Wolkenkeime bilden, aus denen neue Wolkentröpfchen entstehen können, welche die marinen Wolken optisch aufhellen und damit die Strahlungswirkung von Wolken und folglich das Klima auf der Erde beeinflussen. Daher ist das Verstehen und Quantifizieren dieser chemischen Prozesse in der Atmosphäre von großer Bedeutung für das Wissen zum natürlichen Klimaeffekt.

Der Oxidationsprozess von DMS wurde bereits in verschiedenen Modellstudien untersucht – allerdings ohne die Flüssigphasenchemie ausreichend zu berücksichtigen. Um diese Lücken zu schließen haben Wissenschaftler am TROPOS einen umfangreichen Multiphasenchemie-Mechanismus entwickelt („Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism DMS Module 1.0“), welcher mit dem Gasphasenmechanismus (MCMv3.2) und dem Flüssigphasenmechanismus (CAPRAM) im Modell SPACCIM angewendet wurde. Dieses am TROPOS entwickelte Modellsystem eignet sich aufgrund der detaillierten und kombinierten Beschreibung von mikrophysikalischen und chemischen Prozessen in Aerosolen und Wolken besonders für komplexe Studien zu atmosphärischen Mehrphasenprozessen. Als wichtigstes Resultat haben die neuen Modellergebnisse gezeigt, dass: „Die Prozesse in der flüssigen Phase deutlich die Menge an Schwefeldioxid reduzieren und die Menge an Methansulfonsäure (MSA) erhöhen. In den früheren Modellen klaffte daher eine Lücke zwischen den prognostizierten Werten im Modell und in der gemessenen Wirklichkeit. Diesen Widerspruch konnten wir jetzt aufklären und so die Bedeutung der Flüssigphase für die atmosphärische Oxidation von Dimethylsulfid und seine Produkte wie MSA bestätigen“, berichtet Dr. Andreas Tilgner vom TROPOS.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Rolle von Dimethylsulfid (DMS) im Klima der Erde immer noch nicht ausreichend verstanden ist – trotz vieler globaler Modellstudien. „Unsere Simulationen deuten darauf, dass die erhöhten DMS-Emissionen zu höheren Aerosolpartikelmassen, aber nicht notwendigerweise zu einer höheren Anzahl an Partikeln bzw. Wolkentröpfchen führt. Die Ergebnisse der Modellierung sind wichtig für das Verständnis der Klimaprozesse zwischen Ozean und Atmosphäre. Dazu kommt, dass immer wieder Geoengineering-Ideen heftig diskutiert werden, die sich durch eine Düngung des Ozeanes mehr kühlende Wolken erhoffen“, erklärt Prof. Hartmut Herrmann vom TROPOS. Die jüngste Studie lässt jedoch vermuten, dass dabei die Schwefeldioxid-Produktion weniger stark ausfällt und die Effekte auf die Rückstrahlwirkung der Wolken geringer wären als erwartet. Entsprechende Geoengineering-Ansätze könnten daher weniger wirksam sein als von den Befürwortern angenommen. Tilo Arnhold

Publikation:
Erik Hans Hoffmann, Andreas Tilgner, Roland Schrödner, Peter Bräuer, Ralf Wolke, and Hartmut Herrmann (2016): An advanced modeling study on the impacts and atmospheric implications of multiphase dimethyl sulfide chemistry. PNAS; 113 (42) 11776-11781, doi: 10.1073/pnas.1606320113
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1606320113 

Kommentar der Kalte-Sone-Redaktion: Weniger kühlende Wolken bedeutet auch, dass die CO2-Erwärmung in den Modellen möglicherweise zu hoch angesetzt wurde, denn insgesamt muss ja die beobachtete Temperatur herauskommen. Trotz der spannenden Pressemitteilung biss keine Zeitung an, Schweigen im Walde. Waren die Resultate zu unbequem, um sie der Bevölkerung zumuten zu können?  

 

Klimamodelle unter Druck: Klimasimulationen errechnen eine viel zu hohe Abkühlung durch Vulkanausbrüche, die mit der realen Entwicklung kaum in Einklang zu bringen ist

Große Vulkanausbrüche kühlen für ein paar Jahre das Erdklima, soviel ist klar und durch empirische Daten gesichert. Aber wie funktioniert der Kühlmechanismus eigentlich? Die University of Washington berichtete am 9. Dezember 2015 über neue Erkenntnisse zum Ablauf der klimatischen Wirkungsweise von Schwefeldioxid:

Iceland volcano’s eruption shows how sulfur particles influence clouds

It has long been suspected that sulfur emissions can brighten clouds. Water droplets tend to clump around particles of sulfuric acid, causing smaller droplets that form brighter, more reflective clouds. But while humans have pumped sulfur into Earth’s atmosphere since the Industrial Revolution, it’s been hard to measure how this affects the clouds above. New University of Washington research uses a huge volcanic eruption in Iceland to measure the change. The new study, to be published in Geophysical Research Letters, a journal of the American Geophysical Union, shows that sulfur emissions do indeed result in smaller cloud droplet size, leading to brighter clouds that reflect significantly more sunlight.“This eruption is a chance to nail down one of the big uncertainties in climate models,” said first author Daniel McCoy, a UW doctoral student in atmospheric sciences.

The study takes advantage of a unique geologic event. During six months from summer 2014 until early 2015, a crack in the Bardarbunga volcano seeped lava and sulfur gas. This was not one of Iceland’s huge explosive eruptions that fill the skies with ash and shut down airplane routes. Instead it was a long, slow, low-elevation seep of sulfur emissions that produced an amount of lava second only to Laki in the recent history of Iceland eruptions. The UW researchers looked at data for that region recorded by NASA’s MODIS, or Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, instrument to measure the size of droplets in the marine cloud layer. While the volcano was spewing sulfur, the droplets were the smallest in the 14-year record of observations. “You can see the effect over an entire ocean for a two-month period,” McCoy said. “It was a pretty unique geophysical event within the satellite record.”

The results confirm that volcanoes cool the planet not just by emitting particles high in the atmosphere, but also by releasing low-level sulfur to influence cloud formation. When the air contains aerosol particles, the same amount of water vapor condenses into many small drops, whose larger surface area reflects more sunlight. The difference in reflected solar radiation for September and October 2014 was 2 watts per square meter in the region over Iceland. “The effect of volcanic emissions on clouds has been a difficult one to quantify because of the ephemeral nature of most events,” said co-author Dennis Hartmann, a UW professor of atmospheric sciences. “This eruption provides a natural laboratory that lets us test how clouds respond to aerosols.”

The results may help understand humans’ impact on clouds. Human pollution since the Industrial Revolution is believed to have altered skies in the Northern Hemisphere. One uncertainty in climate models is how much human pollution has brightened the clouds, shielding the planet from the effects of the simultaneous rise in carbon dioxide. “One of the big uncertainties regarding climate change is how much human-produced aerosols have offset the warming until now,” Hartmann said. “We hope the data from this eruption will improve the model simulations of cloud effects, and narrow the uncertainties in projections of the future.”

The most recent Intergovernmental Panel on Climate Change report was the first to include a chapter on clouds and aerosols, one of the biggest uncertainties in global climate models. This study will provide a benchmark for modelers to check their simulations of clouds and aerosols and improve their algorithms for the next generation of climate models. “The same way that the Mount Pinatubo eruption in 1991 was a big on-off signal that allowed us to evaluate models’ response to volcanic forcings, I think this Iceland eruption is a unique event that will help us to better understand the interaction between aerosols and clouds,” McCoy said.

Paper: Daniel T. McCoy, Dennis L. Hartmann. Observations of a substantial cloud aerosol indirect effect during the 2014-2015 Bárðarbunga-Veiðivötn fissure eruption in Iceland. Geophysical Research Letters, 2015; DOI: 10.1002/2015GL067070

Eine weitere Fallstudie wurde im Juni 2016 in Climate of the Past von einem Team um Rudolf Brazdil publiziert. Studienobjekt ist der Tambora-Ausbruch im April 1815 und die klimatischen Folgen für die Tschechische Republik. Die Forscher fanden in den historischen Quellen Berichte über einen sehr feuchten Sommer 1815 und einen extrem kalten Sommer 1816. Hier der Abstract:

Climatic effects and impacts of the 1815 eruption of Mount Tambora in the Czech Lands
The eruption of Mount Tambora in Indonesia in 1815 was one of the most powerful of its kind in recorded history. This contribution addresses climatic responses to it, the post-eruption weather, and its impacts on human life in the Czech Lands. The climatic effects are evaluated in terms of air temperature and precipitation on the basis of long-term homogenised series from the Prague-Klementinum and Brno meteorological stations, and mean Czech series in the short term (1810–1820) and long term (1800–2010). This analysis is complemented by other climatic and environmental data derived from rich documentary evidence. Czech documentary sources make no direct mention of the Tambora eruption, neither do they relate any particular weather phenomena to it, but they record an extremely wet summer for 1815 and an extremely cold summer for 1816 (the “Year Without a Summer”) that contributed to bad grain harvests and widespread grain price increases in 1817. Possible reasons for the cold summers in the first decade of the 19th century reflected in the contemporary press included comets, sunspot activity, long-term cooling and finally – as late as 1817 – earthquakes with volcanic eruptions.

In einer Studie zum vulkanischen Einfluss auf das Klima im tropischen Südamerika berichteten Colose et al. 2016 über jahreszeitliche Unterschiede. Es mache durchaus einen klimatischen Unterschied, ob ein Vulkan in der Monsun-Saison ausbricht oder während der Trockensaison.

Eine Gruppe um Markus Stoffel machte sich am 31. August 2015 in Nature Geoscience Gedanken über ein großes Rätsel in den Klimawissenschaften. Klimamodelle simulieren den vulkanischen Kühleffekt viel stärker als er in der Realität ist. In den historischen Rekonstruktionen über Baumringdaten sucht man vergeblich nach den massiven und langanhaltenden Temperaturstürzen, die die Klimarechenkästen postulieren. Zwischen Realität und virtueller Klimawelt klafft eine enorme Schere. Nun ja, Stoffel und Kollegen machten sich auf die Suche, um die beiden Pole anzunähern.

Dabei “massierten” sie zum einen die Baumringrekonstruktionen ein wenig, um ein bisschen mehr Abkühlung zu erhalten. Zum anderen modifizierten sie die Klimamodelle, so dass die stark übertriebene Kühlwirkung etwas abgemildert wurde. Ein diplomatisches Vorgehen. Man muss abwarten, ob sich die Klimamodellierer die Kritik zu herzen nehmen und endlich realistischer in ihren Klimaparametern werden. Die Zeiten, in denen die gesamte Kleine Eiszeit irrigerweise durch eine handvoll Vulkanausbrüche erklärt wurde, scheinen jedenfalls endgültig vorbei zu sein. Im Folgenden die Kurzfassung der Arbeit von Stoffel et al. 2015:

Estimates of volcanic-induced cooling in the Northern Hemisphere over the past 1,500 years
Explosive volcanism can alter global climate, and hence trigger economic, political and demographic change1, 2. The climatic impact of the largest volcanic events has been assessed in numerous modelling studies and tree-ring-based hemispheric temperature reconstructions3, 4, 5, 6. However, volcanic surface cooling derived from climate model simulations is systematically much stronger than the cooling seen in tree-ring-based proxies, suggesting that the proxies underestimate cooling7, 8; and/or the modelled forcing is unrealistically high9. Here, we present summer temperature reconstructions for the Northern Hemisphere from tree-ring width and maximum latewood density over the past 1,500 years. We also simulate the climate effects of two large eruptions, in AD 1257 and 1815, using a climate model that accounts explicitly for self-limiting aerosol microphysical processes3, 10. Our tree-ring reconstructions show greater cooling than reconstructions with lower spatial coverage and based on tree-ring width alone, whereas our simulations show less cooling than previous simulations relying on poorly constrained eruption seasons and excluding nonlinear aerosol microphysics. Our tree-ring reconstructions and climate simulations are in agreement, with a mean Northern Hemisphere extra-tropical summer cooling over land of 0.8 to 1.3 °C for these eruptions. This reconciliation of proxy and model evidence paves the way to improved assessment of the role of both past and future volcanism in climate forcing.

Zum Abschluß noch eine Studie von Swindles et al. 2011 zu vulkanischen Aschelagen im nördlichen Europa während der vergangenen 7000 Jahre. Während der letzten 1000 Jahre lagerte sich etwa alle 56 Jahre eine Ascheschicht in Nordeuropa ab. Hier der Abstract:

A 7000 yr perspective on volcanic ash clouds affecting northern Europe
The ash cloud resulting from the A.D. 2010 eruption of Eyjafjallajökull in Iceland caused severe disruption to air travel across Europe, but as a geological event it is not unprecedented. Analysis of peats and lake sediments from northern Europe has revealed the presence of microscopic layers of Icelandic volcanic ash (tephra). These sedimentary records, together with historical records of Holocene ash falls, demonstrate that Icelandic volcanoes have generated substantial ash clouds that reached northern Europe many times. Here we present the first comprehensive compilation of sedimentary and historical records of ash-fall events in northern Europe, spanning the past 7000 yr. Ash-fall events appear to have been more frequent in the past 1500 yr. It is unclear whether this reflects a true increase in eruption frequency or dispersal, or is an artifact of the records or the way in which they have been generated. In the past 1000 yr, volcanic ash clouds reached northern Europe with a mean return interval of 56 ± 9 yr (the range of return intervals is between 6 and 115 yr). Probabilistic modeling using the ash records for the last millennium indicates that for any 10 yr period there is a 16% probability of a tephra fallout event in northern Europe. These values must be considered as conservative estimates due to the nature of tephra capture and preservation in the sedimentary record.

 

Ozeanzyklik statt Aerosole: Met Office Hypothese zum Nordatlantik endgültig verworfen

Im April 2012 meldetete die WAZ reißerisch:

Klima: Luftverschmutzung fördert Dürren und Wirbelstürme
Die Luftverschutzung fördert Dürren in Afrika und Wirbelstürme über dem Atlantik. Das haben jetzt britische Klimaforscher herausgefunden. Historische Klimaereignisse können damit nicht mehr natürlichen Klimaschwankungen angelastet werden. [...] “Wir müssen umdenken: Eine ganze Anzahl von historischen Klimaereignissen wie besonders starke Dürren in der Sahelzone können wir nun nicht mehr nur den natürlichen Klimaschwankungen anlasten”, schreiben Ben Booth vom Hadley Centre des britischen Meteorological Office in Exeter und seine Kollegen. Bisherige Klimamodelle, aber auch Regelungen zum Schwebstoffausstoß müssten an die neuen Erkenntnisse angepasst werden.

Weiterlesen auf derwesten.de.

Es handelte sich um eine Arbeit von Booth et al. 2012, deren Belastbarkeit aber bereits damals von den meisten Fachkollegen bezweifelt wurde (siehe unseren Blogbeitrag “Britisches Met Office schnupft Aerosol-Überdosis: Ich mach’ mir die Welt, Widdewidde wie sie mir gefällt“).

Am 6. Juni 2016 kam nun das endgültige Ende des alarmistischen Modells. Eine Forscherguppe um Jon Robson analysierte in Nature Geoscience die Klimaentwicklung im Nordatlantik und konnte die Temperaturveränderungen vollständig mit der klimasysteminternen atlantischen Ozeanzyklik erklären. Die Autoren erklären ausdrücklich, dass die Aerosol-Hypothese von Booth und Kollegen damit hinfällig ist. Die WAZ schweigt zur Arbeit. Ein neuer Fall unserer Dokumentation zum verdächtigen “Schweigen im Walde“. Hier die Kurzfassung der neuen Arbeit von Robson et al. 2016:

A reversal of climatic trends in the North Atlantic since 2005
In the mid-1990s the North Atlantic subpolar gyre warmed rapidly1, which had important climate impacts such as increased hurricane numbers2 and changes to rainfall over Africa, Europe and North America3, 4. Evidence suggests that the warming was largely due to a strengthening of the ocean circulation, particularly the Atlantic Meridional Overturning Circulation1, 5, 6, 7. Since the mid-1990s direct and indirect measurements have suggested a decline in the strength of the ocean circulation8, 9, which is expected to lead to a reduction in northward heat transport10, 11. Here we show that since 2005 a large volume of the upper North Atlantic Ocean has cooled significantly by approximately 0.45 °C or 1.5 × 1022 J, reversing the previous warming trend. By analysing observations and a state-of-the-art climate model, we show that this cooling is consistent with a reduction in the strength of the ocean circulation and heat transport, linked to record low densities in the deep Labrador Sea9. The low density in the deep Labrador Sea is primarily due to deep ocean warming since 1995, but a long-term freshening also played a role. The observed upper ocean cooling since 2005 is not consistent with the hypothesis that anthropogenic aerosols directly drive Atlantic temperatures12.

 

CERN-CLOUD-Projekt: Kühleffekt anthropogener Aerosole offenbar geringer als gedacht. Klimaprognosen müssen nach unten korrigiert werden

Einer der Knackpunkte der heutigen Klimamodelle ist der sogenannte Aerosoljoker, den wir bereits in unserem Buch ‘Die kalte Sonne’ kritisch unter die Lupe nahmen. Das Problem: Die IPCC-Modelle gehen von einer so starken CO2-Erwärmungswirkung aus, dass die Temperaturen heute eigentlich viel höher sein müssten. Der IPCC behalf sich mit einm Trick und kühlte kurzerhand die überschüssige theoretische Wärme wieder mit anthropogenen Aerosolen, vor allem Schwefeldioxid (SO2), herunter. In den Zukunftsprognosen wurde dann das SO2 langsam heruntergefahren, so dass enorme Erwärmungsraten angenommen werden konnten.

Bereits vor einem Jahr, im April 2015, warnten Forscher davor, dass man die Kühlwirkung der Aerosole wohl überbeansprucht hat (siehe unseren Blogartikel “Direktor des Hamburger Max-Planck-Instituts für Meteorologie: Aerosole kühlen weniger stark als vormals angenommen“). Dieser Verdacht scheint sich nun zu erhärten. Im Rahmen des CLOUD-Projekts am CERN fanden Forscher nun weitere Hinweise darauf, dass man den Aerosol-Effekt in den Modellen wohl kräftig herunterkorrigieren muss. Die Ergebnisse wurden nun von mehreren Teams in Nature, Nature Communications und Science veröffentlicht. Die Universität Wien gab hierzu am 25. Mai 2016 die folgende Pressemitteilung heraus:

Klimaforschung: Verschmutzte Luft führt nicht zu mehr Wolken
Vor industrieller Revolution gab es mehr Wolken am Himmel als angenommen

Wolkiger als bisher vermutet präsentierte sich das Klima vor der industriellen Revolution. Diesen Rückschluss lassen neueste Experimente am CERN zu, an dem auch Aerosolphysiker der Universität Wien beteiligt waren. Wie sich beim CLOUD-Experiment zeigt, produzieren organische Dämpfe, die von Bäumen in die Umgebung abgegeben werden, zahlreiche Aerosolpartikel in der Atmosphäre. Bislang ging man davon aus, dass Schwefelsäure – vorwiegend aus fossilen Brennstoffen – essentiell ist, um Partikelneubildung zu initiieren. Weiters konnte gezeigt werden, dass diese sogenannten biogenen Dämpfe auch beim Wachstum der neugebildeten Teilchen bis hin zu Größen von Wolkenkondensationskernen eine Schlüsselrolle spielen. Die Ergebnisse der Studie erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin Nature.

Der internationale Klimabeirat (IPCC) betrachtet die Zunahme an Aerosolpartikeln und Wolken seit vorindustrieller Zeit als größten Unsicherheitsfaktor bei der Klimaerwärmung. Das Experiment CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) wurde entwickelt um zu verstehen, wie sich in der Atmosphäre neue Aerosolpartikel bilden und wachsen. So kann auch der Einfluss von Ionen untersucht werden, die durch kosmische Strahlung entstehen. Quantitative Messungen ergaben dabei eine Zunahme der Produktionsrate von organischen Teilchen um einen Faktor 10-100 verglichen mit Situationen ohne diese Ionen. Daraus lässt sich schließen, dass kosmische Strahlung in vorindustrieller Zeit einen größeren Einfluss auf Aerosol- und Wolkenbildung hatte, als unter heutigen – relativ schmutzigen – Bedingungen.

Über CLOUD
Das CLOUD-Experiment wird von einem internationalen Konsortium, bestehend aus 21 Instituten, geleitet, an dem auch neun österreichische ForscherInnen aus dem In- und Ausland mitarbeiten. Ein Team um Paul Winkler von der Fakultät für Physik der Universität Wien beteiligte sich an den Experimenten vorrangig durch die Bestimmung der Aerosolgrößenverteilung, die bei der Entstehung von Wolken essentiell ist. “Dazu werden Teilchen in einem veränderlichen elektrischen Feld eines Zylinderkondensators nach ihrer Größe selektiert und anschließend detektiert”, erklärt der Aerosolphysiker Paul Winkler. In weiterer Folge kann die Häufigkeitsverteilung von Aerosolteilchen in unterschiedlichen Größenklassen sowie das Wachstum von dynamischen Aerosolteilchen bestimmt werden.

Folgen für Klimaforschung
Die Konsequenzen der neuen Erkenntnisse sind vielfältig. “Ioneninduzierte Nukleation von rein biogenen Teilchen spielt offenbar eine wichtige Rolle in sauberen Umgebungen. Es handelt sich hier um einen bislang unbekannten Effekt, durch den die Natur Aerosolteilchen ohne Verschmutzung bilden kann“, so Winkler. Wenn sich diese neuen Teilchen einmal gebildet haben, können weitere, gleichzeitig vorhandene organische Dämpfe das Partikelwachstum beschleunigen. Ein schnelles Anwachsen erhöht die Überlebenschancen von Nanoteilchen, die sich sonst aufgrund ihrer hohen Diffusivität rasch an größere Teilchen anlagern und wieder verloren gehen. Wenn diese Teilchen allerdings eine Größe von ca. 100 Nanometern erreichen, können sie als Wolkenkondensationskerne indirekt die Strahlungseigenschaften von Wolken beeinflussen und werden somit klimawirksam. “Die ioneninduzierte Nukleation von Teilchen könnte sogar Bewegung in die spannende Frage bringen, ob es in vorindustrieller Zeit einen physikalischen Mechanismus im Zusammenhang mit der Sonnen-Klima-Variabilität gab”, erklärt Winkler abschließend.

Publikationen in “Nature”
Kirkby, J. et al. Ion-induced nucleation of pure biogenic particles. Nature,
Doi 10.1038/nature17953 (2016).

Tröstl, J. et al. The role of low-volatility organic compounds in initial particle growth in the atmosphere. Nature,
Doi 10.1038/nature18271 (2016).

Bei den Folgen für die Klimaforschung hätte man gerne noch erwähnen können, dass damit die CO2-Klimasensitivität wohl weiter nach unten absacken wird. Ein (zu) heißes Eisen? Stattdessen versucht man lieber noch einmal die Sonne zu mobben. In der heutigen, schmutzigen Atmosphäre würde die kosmische Strahlung bei der Wolkenbildung wohl keine Rolle spielen. Für die vorindustrielle Zeit mit sauberer Atmosphäre könnte dies aber anders aussehen, sagen die Forscher. Krampfhaft versucht man den viel zu gering angesetzten Strahlungsantrieb des IPCC zu rechtfertigen. Ein nicht sehr nachhaltiger Ansatz. Der Elefant im Raum: Die stärkste Erwärmung im späten 20. Jahrhundert fällt mit der aktivsten solaren Phase zusammen. Wie lange wird es noch dauern, bis ein uns eins zusammengezählt sind?

Die Webplattform Wissenschaft aktuell erläuterte die Ergebnisse zu den kosmischen Strahlen wie folgt:

Auf die künstliche Atmosphäre lenkten die Forscher einen Strahl positiv geladener Teilchen, sogenannter Pionen, den sie mit einem Proton-Synchrotron erzeugten. Damit simulierten sie den Einfluss kosmischer Strahlung, die stetig in die Erdatmosphäre eindringt. Dieser Teilchenbeschuss brachte die organischen Moleküle dazu, sich zu etwa zwei Nanometern kleinen Partikeln zusammenzuballen. Weitere Messungen belegten, dass diese Partikel in Gegenwart flüchtiger organischer Substanzen weiter wuchsen, um effiziente Kondensationskeime zu bilden. Parallel untermauerten die Forscher diesen Mechanismus mit Computermodellen.

Angesichts der Bedeutung der neuen Ergebnisse, wollen wir weitere Pressemitteilungen und Medienberichte hierzu anschauen. Die Universität Frankfurt gab am selben Tag die folgende Meldung heraus. Im ersten Absatz wird die Relevanz der Studien gut zusammengefasst:

Wolken und Klima in der vorindustriellen Zeit
Die durch den Menschen verursachten Aerosolpartikel wirken der Erwärmung der Erdatmosphäre durch Treibhausgase entgegen. Doch ist dieser Effekt vielleicht kleiner als gedacht, da auch schon in vorindustrieller Zeit durch die Ausdünstungen von Bäumen viele Partikel entstanden. Das folgt aus einer Untersuchung am internationalen CLOUD-Experiment, an dem Atmosphärenforscher der Goethe-Universität maßgeblich beteiligt waren. Die Ergebnisse erscheinen heute in Form von drei Publikationen in den renommierten Fachzeitschriften „Science“ und „Nature“.

In vorindustrieller Zeit kühlte der Duft üppiger Pinienwälder die Atmosphäre, denn Pinien sondern organische Verbindungen ab, die zur Wolkenbildung beitragen. Insofern kompensieren die durch den Menschen verursachten Aerosole den Treibhauseffekt vermutlich nicht so stark, wie bisher angenommen.

„Diese Ergebnisse sind die wichtigsten, die bisher an der CLOUD-Kammer am CERN erzielt worden sind“, betont der Sprecher des CLOUD-Experiments, Jasper Kirkby, Honorarprofessor an der Goethe-Universität: „Berücksichtigt man in Zukunft die Entstehung und das Wachstum rein organischer Aerosolpartikel bei der Entwicklung von Klimamodellen, dürfte das wesentlich dazu beitragen, den Einfluss menschlichen Handelns auf die Wolken und das Klima besser zu verstehen.“

Prof. Joachim Curtius vom Institut für Atmosphäre und Umwelt an der Goethe-Universität ergänzt: „Wir gehen davon aus, dass der jetzt entdeckte Prozess dazu führt, dass wir die Wolkenbildung in früheren Zeiten neu bewerten müssen, da es mehr Partikel gegeben haben müsste als bisher angenommen. Der Unterschied zum heutigen Zustand würde dann geringer ausfallen als bisher gedacht.“

Das CLOUD-Experiment untersucht, wie sich neue Aerosolpartikel in der Atmosphäre bilden und welchen Einfluss sie auf das Klima haben. Nehmen die Aerosolpartikel zu, wie es durch menschliche Aktivitäten der Fall ist, wird mehr Sonnenlicht reflektiert und die Wolken werden heller, weil sich mehr Wolkentröpfchen bilden. Um diesen kühlenden Effekt durch anthropogene Einflüsse abschätzen zu können, müssten die Aerosolmengen aus der Zeit vor der Industrialisierung bekannt sein. Da diese durch direkte Messung nicht zugänglich sind, werden sie durch zuverlässige Laboruntersuchungen wie dem CLOUD-Experiment simuliert und in Klimamodellierungen berücksichtigt.

In vorindustrieller Zeit trugen vor allem die von Bäumen abgesonderten organischen Verbindungen zur Aeorosolbildung bei. Die Forscher untersuchten alpha-Pinen, eine Substanz, die Pinienwäldern den charakteristischen angenehmen Duft verleiht. Sie gehört zu den wichtigsten biogenen Emissionen. Alpha-Pinen wird in der Atmosphäre durch Ozon schnell oxidiert und in nachfolgenden Reaktionsketten entstehen dabei auch einige extrem schwerflüchtige Substanzen. Sie treten aber nur in sehr geringen Mengen von etwa 1 Molekül pro 1 Billionen Luftmoleküle auf.

Die CLOUD-Experimente zeigen, dass sich aus den extrem schwerflüchtigen organischen Verbindungen sehr effizient neue Partikel bilden. Dieser Prozess läuft unter Atmosphärenbedingungen ab, auch ohne Beteiligung von Schwefelsäure. Bisher ging man davon aus, dass Schwefelsäure an der Partikelbildung in der Atmosphäre nahezu immer beteiligt ist. Schwefelsäure stammt in der Atmosphäre hauptsächlich aus Schwefeldioxid, das aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe stammt.

Weiterhin haben die Forscher herausgefunden, dass Ionen aus der kosmischen Strahlung die Bildung der organischen Partikel erheblich verstärken – um einen Faktor 10-100 im Vergleich zur Partikelbildung ohne Ionen, solange die Konzentrationen der partikelbildenden Gase niedrig sind. „Unsere Untersuchungen zeigen weiterhin, dass diese schwerflüchtigen organischen Substanzen auch in unverschmutzter Umgebung das Wachstum der Partikel dominieren – und zwar über den ganzen Größenbereich von Clustern aus wenigen Molekülen bis hin zu Partikelgrößen von 50-100 Nanometern, die groß genug sind, um als Wolkenkeime dienen zu können“, erklärt Joachim Curtius. Die Wachstumsraten nehmen zu, je größer die Partikel werden, da immer mehr Oxidationsprodukte, auch solche mit höherer Flüchtigkeit, an den größer werdenden Partikeln kondensieren können. Dieser Prozess wird quantitativ mit einem Kondensations-Modell für die verschiedenen organischen Substanzen beschrieben.

Warum ist dies wichtig für unser Verständnis des Klimas? Es könnte sein, dass es sich um einen sehr wichtigen, weil effizienten Mechanismus zur Bildung von organischen Partikeln unter natürlichen Bedingungen handelt. Sobald sich die Partikel gebildet haben, wachsen sie durch die Kondensation von weiteren ähnlichen sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen an. Weil die neugebildeten Partikel schnell wachsen, geht ein geringerer Anteil durch Zusammenstöße mit bereits vorhandenen großen Partikeln verloren. So wachsen mehr Partikel bis zu Größen, bei denen sie als Wolkenkeime dienen und das Klima beeinflussen können.

Eine weitere Veröffentlichung, die gleichzeitig in Science erscheint, berichtet von Beobachtungen aus dem Observatorium am Jungfraujoch, in denen die rein organische Nukleation auch in der freien Troposphäre nachgewiesen wurde. Dies belegt die Relevanz der Laboruntersuchungen von CLOUD für die Atmosphäre.

Publikationen:
Kirkby, J. et al.: Ion-induced nucleation of pure biogenic particles, in: Nature, doi:10.1038/nature17953

Tröstl, J. et al:The role of low-volatility organic compounds in initial particle growth in the atmosphere, in: Nature, doi:10.1038/nature18271.

Bianchi, F. et al. :New particle formation in the free troposphere: A question of
chemistry and timing, in: Science, doi 10.1126/science.aad5456, 2016

 

 

In einer Pressemitteilung der Carnegie Mello University zu den neuen Studien wird die kühlende Rolle der Aerosole in den Klimamodellen gut beschrieben:

Clouds provide clue to better climate predictions
A research group from the CERN Cloud experiment, including scientists from Carnegie Mellon University’s College of Engineering and Mellon College of Science, have uncovered the processes behind the formation and evolution of small atmospheric particles free from the influence of pollution. Their findings are key to creating accurate models to understand and predict global climate change. The findings are published in the May 26 [2016] issue of Nature.

Clouds and aerosols-small airborne particles that can become the seeds upon which clouds form-are essential to climate predictions because they reflect sunlight back into space. Reflecting light away from Earth can have a cooling effect, masking some of the warming caused by greenhouse gases. “The best estimate is that about one-third of the warming by greenhouse gas emissions is masked by this aerosol cooling, but the fraction could be as large as half and as little as almost nothing,” says Neil Donahue, professor of chemical engineering, engineering and public policy, and chemistry at Carnegie Mellon.

In order to have complete climate prediction models, scientists need to incorporate clouds and aerosols into their calculations, but understanding how new aerosol particles form and grow in the atmosphere, and how they affect clouds and climate, has been challenging. Scientists involved with CERN’s CLOUD experiment study use a large chamber to simulate the atmosphere and track the formation and growth of aerosol particles and the clouds they seed. The latest research shows that new particles can form exclusively from the oxidation of molecules emitted by trees without the presence of sulfuric acid. Sulfuric acid largely arises from fossil fuels, so the new findings provide a mechanism by which nature produces particles without pollution.

“This softens the idea that there may be many more particles in the atmosphere today due to pollution than there were in 1750, and suggests that the pristine pre-industrial climate may have had whiter clouds than presently thought,” says Donahue.

The team’s research has lasting climate implications. “Earth is already more than 0.8C than it was in the pre-industrial epoch, and this is with some masking by aerosol particles. As the pollution subsides, up to another 0.8C of hidden warming could emerge,” says Donahue.

Während die beteiligten Wissenschaftler in ihren Pressemitteilungen nur vage Andeutungen machen, dass man die Modelle nun “neu bewerten” müsse, werden einige Zeitungsartikel deutlicher. The Daily Star klärte seine Leser gleich in der Titelzeile darüber auf, dass die Temperaturprognosen wohl abgemildert werden müssen:

Scientists make news clouds which may lessen global warming
A new discovery about how clouds form may scale back some of the more dire predictions about temperature increases caused by man-made global warming. That’s because it implies that a key assumption for making such predictions is a bit off. “What this will do is slightly reduce and sharpen the projections for temperature during the 21st century,” said researcher Jasper Kirkby. [...] Kirkby said it’s too soon to tell how much less warming the new study implies. Other recent studies found flaws in climate forecasts because of uncertainty about clouds that would increase, not decrease, possible warming in the future.

Ganzen Artikel in The Daily Star lesen

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Kleinere Vulkanausbrüche fallen beim Faktencheck als Grund der Erwärmungspause glatt durch

Alle Jahre wieder wird von interessierten Kreisen der Versuch unternommen, „unsichtbare“ Vulkanausbrüche als Bremser der verspäteten Klimaerwärmung darzustellen. Man sei gar nicht auf Riesenausbrüche angewiesen, die ihre kühlende Schwefeldioxid-Fracht hoch in die Stratosphäre schleudern und dort mit den Höhenwinden quer über den Globus verteilen. Nein, man könnte auch ganz viele kleine Ausbrüche nehmen. Über bislang schlecht bekannte Wege würde auch deren Aerosol in die Stratosphäre gelangen. So jedenfalls die Behauptung.

Nehmen wir zum Einstieg eine Pressemitteilung der University of Saskatchewan vom 5. Juli 2012. Hier wird der Monsun als Höhenkatapult angenommen:

A University of Saskatchewan-led international research team has discovered that aerosols from relatively small volcanic eruptions can be boosted into the high atmosphere by weather systems such as monsoons, where they can affect global temperatures. The research appears in the July 6 issue of the journal Science. Adam Bourassa, from the U of S Institute of Space and Atmospheric Studies, led the research.

Ein Jahr später, am 6. März 2013, griff Scinexx das Thema auf:

Klima: Kleine Vulkane bremsen Erwärmung
In den letzten zwölf Jahren erwärmt sich die Erde langsamer als erwartet, weil Schwebstoffe in der Atmosphäre die Sonne reflektieren und so ihren Wärmeeffekt verringern. Bisher dachte man, dass vor allem Ruß und Abgase der asiatischen Schwellenländer für diesen Effekt verantwortlich sind. Jetzt aber haben US-Forscher einen ganz anderen Schuldigen ausgemacht: mittlere und kleine Vulkanausbrüche. Die dabei abgegebenen Schwefelaerosole sind vermutlich sogar die Hauptbremser des Klimawandels, wie die Forscher im Fachmagazin “Geophysical Research Letters” berichten.

Weiterlesen auf Scinexx

Tja, eine unter 30 anderen konkurrierenden Theorien zur Erwärmungspause. Da hat Scinexx wohl etwas übertrieben („Jetzt aber…“). Ein Durchbruch im Erkenntnisstreben war dies jedenfalls nicht. Schnell versackte das Modell wieder in der Versenkung. Jedenfalls bis zum 19. November 2014 als Scinexx die Idee wieder auferstehen ließ:

Auch kleine Vulkane verändern das Klima
Ausgestoßenes Schwefeldioxid reflektiert mehr Sonnenlicht als gedacht.
Kleiner Ausbruch, große Wirkung: Kleinere vulkanische Eruptionen könnten mehr zur Abkühlung des Klimas beitragen als bisher gedacht. Möglicherweise sind sie sogar schuld an der rätselhaften Klimawandel-Pause ab 2001. Das jedenfalls postuliert ein internationales Forscherteam anhand neuer Messdaten. Demnach reflektieren die vulkanischen Schwefelgase solcher Ausbrüche doppelt soviel Sonnenlicht wie angenommen.

Ridley et al. 2014, Geophysical Research Letters, November 2014

Auch Spektrum der Wissenschaft liebt offenbar den Erklärungsversuch, formulierte am 12. Januar 2015 aber etwas vorsichtiger:

Wie stark dämpfen Vulkane die Erderwärmung?
Seit 1998 stiegen die mittleren Erdtemperaturen verglichen mit den Jahrzehnten zuvor nur noch schwach an. Vulkane könnten einen Teil der “Pause” verursacht haben. […] Ein Teil dieser so genannten “Pause der Erderwärmung” (die eigentlich keine war) könnte auf die kühlende Wirkung zahlreicher kleiner Vulkanausbrüche zurückgehen, schlagen nun Forscher um Benjamin Santer vom Lawrence Livermore National Laboratory vor: Etwa ein Drittel der Auszeit gehe auf gesteigerten Vulkanismus zu Beginn des 21. Jahrhunderts zurück, so die Autoren.

Santer et al. 2015, Geophysical Research Letters, Januar 2015

Ben Santer ist ehemaliger IPCC-Berichtsautor von 1995. Im damaligen Bericht konnte man sich noch überhaupt nicht vorstellen, dass es ab 1998 zu einer lang andauernden Erwärmungspause kommen würde. Es wundert daher kaum, dass Wissenschaftler wie Santer nun unvorhersagbare Vulkanausbrüche ins Feld führen, um ihre Glaubwürdigkeit zu reparieren. Dabei hätte beim Blick auf den Verlauf der Ozeanzyklen PDO und AMO eigentlich klar sein sollen, dass die wilde Erwärmungsepisode 1977-1998 keineswegs einen Langzeittrend darstellt.

Allen IPCC-Wünschen zum Trotz, werden die kleineren Vulkanausbrüche nicht die Lösung des Problems sein können. Im November 2013 hatte nämlich ein Forscherteam um Jim Haywood bereits festgestellt, dass kleinere Vulkanausbrüche gar nicht genügend Abkühlung produziert haben können, um die Erwärmungspause der letzten anderthalb Jahrzehnte zu erklären. Im Folgenden die Kurzfassung des in den Atmospheric Science Letters erschienenen Papers:

The impact of volcanic eruptions in the period 2000–2013 on global mean temperature trends evaluated in the HadGEM2-ES climate model
The slow-down in global warming over the last decade has lead to significant debate about whether the causes are of natural or anthropogenic origin. Using an ensemble of HadGEM2-ES coupled climate model simulations we investigate the impact of overlooked modest volcanic eruptions. We deduce a global mean cooling of around −0.02 to −0.03 K over the period 2008–2012. Thus while these eruptions do cause a cooling of the Earth and may therefore contribute to the slow-down in global warming, they do not appear to be the sole or primary cause.

Aber spielen wir für einen Moment einfach mal mit. Sind kleinere Vulkanausbrüche seit Beginn der Erwärmungspause wirklich häufiger geworden? Willis Eschenbach hat sich auf WUWT einmal die Mühe gemacht und hat in den Daten des Smithsonian Volcanism Project nachgeforscht. Hier zunächst einmal die Anzahl aller Vulkanausbrüche auf der Welt, unabhängig von ihrer Stärke:

(weiterlesen …)

Französische Forschergruppe postuliert Beeinflussung der atlantischen Ozeanzyklen durch Vulkanausbrüche – vergisst dabei aber Sonnenaktivitätsschwankungen zu berücksichtigen

Eigentlich hatten sich schon alle darauf geeinigt, dass Vulkane das Klima maximal drei bis fünf Jahre abkühlen können. Eine Forschergruppe um Didier Swingedouw wollte dies jedoch nicht wahrhaben und dachte sich eine windige Konstruktion aus, die sie in der Fachzeitschrift Nature Communications auch tatsächlich unterbringen konnten. Die Idee: Vulkanausbrüche verändern Ozeanzyklen und wirken so über etliche Jahrzehnte nach. Speziell dachten die Wissenschaftler da an die nordatlantische Ozeanzirkulation (AMOC), die 15 Jahre nach dem Vulkanausbruch schneller werden würde. Nach zehn weiteren Jahren würde sich die Zirkulation dann wieder verlangsamen und nach weiteren 5 Jahren wieder beschleunigen. Alles nachzulesen in einer Pressemitteilung der französischen Forschungsorganisation CNRS vom 30. März 2015:

Volcanic eruptions durably impact North Atlantic climate

Particles emitted during major volcanic eruptions cool the atmosphere due to a ‘parasol’ effect that reflects sunlight. The direct impact of these particles in the atmosphere is fairly short, lasting two to three years. However, they alter for more than 20 years the North Atlantic Ocean circulation, which connects surface and deep currents and influences the climate in Europe. This is the conclusion of a study by researchers from the CNRS, IRD, CEA and MétéoFrance1 who combined, for the first time, climate simulations, recent oceanographic data, and information from natural climate records. Their findings2 are published in Nature Communications on March 30th [2015; Swingedouw et al.]. […]

The cooling, which only lasts two or three years, then triggers a rearrangement of ocean circulation in the North Atlantic Ocean. Around fifteen years after the beginning of the eruption, the circulation speeds up. It then slows down after twenty-five years, before accelerating again thirty-five years after the phenomenon. Volcanic eruptions thus appear to act on the ocean circulation in the North Atlantic rather like a pacemaker, causing variability over a twenty-year period. The scientists confirmed these results by comparing them with observations of ocean salinity, a key factor for the sinking of water and therefore for ocean circulation. In numerical simulations and modern oceanographic data they detected similar variations in the early 1970s and 1990s connected to the eruption of the Agung volcano.

Using data from Greenland ice cores and observations carried out on bivalve molluscs collected to the north of Iceland and dating back more than 500 years, as well as a simulation of the climate over the last thousand years, the researchers systematically identified acceleration of ocean circulation fifteen years after five volcanic eruptions that took place several hundred years ago. Lastly, the researchers revealed the interference produced by the latest three main eruptions, Agung in 1963, El Chichón in Mexico in 1982, and Pinatubo in 1991, explaining for the first time the recent variability of currents in the North Atlantic ocean. They conclude that a major eruption in the near future could have an impact on the currents in the North Atlantic Ocean — and hence on our ability to predict the variability of the climate in Europe — over several decades. They now hope to consolidate these findings by collecting data from additional sources, especially in paleoclimatology.

Ein neuer Versuch, die Kleine Eiszeit den Vulkanen anzuhängen, obwohl sich der Zusammenhang mit der verringerten Sonnenaktivität überdeutlich anbietet?

Eine Kleinigkeit hatten die Franzosen dann doch übersehen. Es ist nämlich schon seit längerem bekannt, dass die atlantischen Ozeanzyklen, speziell die NAO, von der Sonnenaktivität beeinflusst werden. Wir haben hier im Blog mehrfach über entsprechende Studien berichtet:

Weshalb will der Begriff „Sonne“ in der Studie von Swingedouw und Kollegen einfach nicht fallen? Da hatten es Kollegen aus Dänemark ein Jahr zuvor deutlich besser gemacht. Eine Team um Mads Faurschou Knudsen hatte ebenfalls in Nature Communications ein Paper veröffentlicht, in dem Einflussfaktoren auf die atlantische Ozeanzirkulation beschrieben werden, in diesem Fall die Atlantische Multidekadenoszillation (AMO). Wir hatten seinerzeit über die Studie hier im Blog berichtet. Die Dänen sehen neben vulkanischen Einflüssen auf die AMO auch einen bedeutenden Einfluss von Sonnenaktivitätsschwankungen. Der Prozess könnte mithilfe des UV-Anteils der Sonnenstrahlung ablaufen, der zu Ozonveränderungen in der Stratosphäre führt, was wiederum Windsysteme und Ozeanzyklen beeinflusst. In einer Pressemitteilung der Aarhus University vom April 2014 beschreiben die Autoren ihre Ergebnisse: (weiterlesen …)

Große Vulkanausbrüche kühlen das Klima – aber nur wenige Jahre lang

Im heutigen Teil unserer Aerosol-Reihe geht es um die klimatisch kühlende Wirkung von Vulkanausbrüchen. Mittlerweile hat man sich geeinigt, dass die Asche einzelner Vulkanausbrüche lediglich für wenige Jahre in der Stratosphäre zirkuliert, bevor die Partikel dann zur Erde zurückrieseln und der Kühleffekt wieder allmählich verschwindet. Aus klimatischer Sicht spielen Vulkanausbrüche daher keine große Rolle. Korrekter wäre die Einstufung dieser explosiven Ereignisse in die Kategorie „Wetter“.

Vorangegangene Versuche, die Kleine Eiszeit mit Vulkanausbrüchen zu erklären rufen heute nur noch ein mildes Schmunzeln hervor (siehe „Die Kleine Eiszeit als weltweite Kältephase: Welche Rolle spielten die Vulkane?“). Eine der vielen Sackgassen in der Wissenschaft. Trotzdem ist es wichtig, die Vulkanhistorie und ihre kurzfristigen Auswirkungen auf die Temperaturgeschichte zu verstehen. In den letzten Jahren hat es hierzu eine Reihe von neuen Arbeiten und Artikeln gegeben, die wir hier vorstellen wollen.

Da wäre zunächst einmal eine Studie von Sigl et al. 2014 in Nature Climate Change. Anhand von Aschelagen in antarktischen Eiskernen rekonstruierten diese Forscher die Historie großer Vulkanausbrüche für die vergangenen 2000 Jahre. Dabei fanden sie für die ersten 1500 Jahre starke Abweichungen von der bisherigen vulkanischen Geschichtsschreibung, wobei Diskrepanzen in der klimatischen Kühlwirkung von 20-50% auftraten. Eine korrekte Datenbasis ist jedoch die Grundlage für Modellierungen, da diese mit der historischen Entwicklung abgeglichen und kalibriert werden. Offenbar hat man hier in der Vergangenheit mit einer sehr unsicheren und fehlerhaften Datenbasis gearbeitet. Im Folgenden ein Auszug aus der Kurzfassung des Papers:

Insights from Antarctica on volcanic forcing during the Common Era
[…] Whereas agreement with existing reconstructions is excellent after 1500, we found a substantially different history of volcanic aerosol deposition before 1500; for example, global aerosol forcing values from some of the largest eruptions (for example, 1257 and 1458) previously were overestimated by 20–30% and others underestimated by 20–50%.

Eine noch aktuellere Vulkanrekonstruktion stammt von Baillie & McAneney, die ihre Ergebnisse im Januar 2015 im Fachblatt Climate of the Past veröffentlichten. Auch diese Studie basiert auf antarktischen Eiskernen, umfasst aber nur die ersten 1000 Jahre nach Christi Geburt. Dabei thematisieren die Autoren große Unsicherheiten in der Altersdatierung, die in verschiedenen Studien zu stark unterschiedlichen Resultaten führen. Hier besteht offenbar noch massiver Forschungsbedarf.

Eine Wissenschaftlergruppe um Martin Tingley von der Pennsylvania State University nahm die Ausbrüche des Krakatau (1883) und Novarupta (1912) näher unter die Lupe. Die Forscher fanden, dass die klimatische Abschätzung der Abkühlung über Baumringe im Gegensatz zu den realen Temperaturmessdaten deutlich zu hoch ausfiel. Dies gilt insbesondere für Gegenden in höheren geographischen Breiten, wo die Baumringe neben der Temperatur auch auf Veränderungen im Tageslicht reagieren. Im Folgenden die Kurzfassung der Arbeit, die im November 2014 in den Geophysical Research Letters erschien:

Temperature reconstructions from tree-ring densities overestimate volcanic cooling
The fidelity of inferences on volcanic cooling from tree-ring density records has recently come into question, with competing claims that temperature reconstructions based on tree-ring records underestimate cooling due to an increased likelihood of missing rings or overestimate cooling due to reduced light availability accentuating the response. Here we test these competing hypotheses in the latitudes poleward of 45°N, using the two eruptions occurring between 1850 and 1960 with large-scale Northern Hemisphere climatic effects: Novarupta (1912) and Krakatau (1883). We find that tree-ring densities overestimate postvolcanic cooling with respect to instrumental data (Probability≥0.99), with larger magnitudes of bias where growth is more limited by light availability (Prob.≥0.95). Using a methodology that allows for direct comparisons with instrumental data, our results confirm that high-latitude tree-ring densities record not only temperature but also variations in light availability.

Siehe hierzu auch einen Artikel vom Cato Institut.

Auch andere Fallstudien förderten Interessantes zutage. Im Januar 2013 beschäftigte sich in den Geophysical Research Letters eine Forschergruppe um Jiandong Xu mit den klimatischen Auswirkungen eines großen Vulkanausbruchs 946 n. Chr. in China. Der Ausbruch des Changbaishan Vulkans war einer der stärksten der letzten 2000 Jahre. Seltsamerweise fanden die Autoren im grönländischen Eis keine entsprechende Aschenlage. Offenbar gelangten die vom Vulkan in die Stratosphäre geschleuderten Sulfatoxide nicht in die Arktis. Das Forscherteam schließt daraus, dass die klimatischen Auswirkungen dieses starken Vulkanausbruchs wohl eher regional begrenzt gewesen sein müssen und keinen globalen Charakter hatten. Hier die Kurzfassung:

Climatic impact of the Millennium eruption of Changbaishan volcano in China: New insights from high-precision radiocarbon wiggle-match dating
Changbaishan volcano in northeast China
, previously dated to have erupted around the mid-10th century A.D., is renowned for producing one of the largest eruptions in history (magnitude 6.8) and thus speculated to have substantial climatic impact. Here we report a new high-precision 14C wiggle-match age of A.D. 946 ± 3 obtained from a 264 year old tree trunk (with bark) killed during the eruption, using the OxCal’s Bayesian modeling approach with 27 sequentially sampled annual rings of decadal intervals. The new chronology conforms well to the calendar date of A.D. 946 for the eruption inferred from historical documentary evidence. We find no stratospherically loaded sulfate spike that might be associated with the A.D. 946 eruption in the global volcanism record from the GISP2 ice core, suggesting the stratospheric sulfate aerosols produced during the eruption were not transported to the arctic region, due probably to its relatively low stratospheric sulfur emission and the seasonal effects of the atmospheric circulation at the time of the eruption that likely occurred in the winter of A.D. 946–947. Since the stratospheric volcanic sulfates are the main cause of large-scale climate perturbations, this finding indicates that the Millennium eruption of Changbaishan volcano might have limited regional climatic effects, rather than global or hemispheric impact as implied by its magnitude.

Im Dezember 2012 publizierte ein Forscherteam um Anja Schmidt von der University of Leeds im Journal of Geophysical Research eine Analyse des isländischen Laki-Ausbruchs von 1783. Damals gelangten große Mengen an Schwefeldioxid in die Stratosphäre, und die Temperaturen der nördlichen Halbkugel sackten drei Jahre lang deutlich ab. Hier die Kurzfassung:

Climatic impact of the long-lasting 1783 Laki eruption: Inapplicability of mass-independent sulfur isotopic composition measurements
The long-lasting 1783–1784 CE Laki flood lava eruption in Iceland released around 120 Tg of sulfur dioxide into the upper troposphere/lower stratosphere. Northern Hemisphere temperature proxy records of the 1780s indicate below-average temperatures for up to three years following the eruption. The very warm summer of 1783 in Europe, which was followed by a very cold winter, may have been caused by the eruption, but the mechanisms are not yet well understood. Some studies attributed the cold winter 1783–1784 to natural variability of climate. However, our climate model simulations show that the Laki radiative effects lasted long enough to contribute to the winter cooling. […]

Ein weiterer bedeutender Ausbruch ereignete sich 1815 in Indonesien. Der Vulkan Tambora bescherte Europa und Nordamerika das berühmte „Jahr ohne Sommer“. Anlässlich des 200-jährigen Jubiläums berichtete Die Zeit am 5. April 2015: (weiterlesen …)

Wolken-Rätsel XY ungelöst

Gleich zu Jahresbeginn 2014 meldete t-online eine kleine, nein, eine richtig große Sensation:

Klimawandel: Das Wolken-Rätsel ist wohl gelöst
[...] [Die] Klimasensitivität [...] besagt, wie groß die Erwärmung ausfällt, wenn sich die Treibhausgas-Konzentration auf 560 ppm verdoppelt. Laut dem jüngsten Bericht des Uno-Klimarats IPCC wäre dann eine Erwärmung zwischen 1,5 und 4,5 Grad zu erwarten. Wie hoch der Wert genau ausfallen wird, entscheiden zu großen Teilen die Wolken – und ausgerechnet sie sind besonders schwierig zu berechnen. [...] Jetzt aber will ein australisch-französisches Forscherteam das Rätsel gelöst haben. Und die Ergebnisse, die jetzt im Fachblatt “Nature” veröffentlicht wurden, verheißen nichts Gutes. Der Effekt der Wolken auf die Erwärmung sei unterschätzt worden, schreiben die Wissenschaftler um Steven Sherwood von der australischen University of New South Wales. Die Verdopplung des Kohlendioxids werde die Atmosphäre im globalen Durchschnitt nicht um 1,5 bis 4,5, sondern um 3 bis 5 Grad erhitzen.

Geschrieben hat die Meldung der Spiegel Online Redakteur Markus Becker. Hat er die Nature-Arbeit von Sherwood et al. richtig eingestuft? Die Arbeit stellt sich auf jeden Fall gegen den aktuellen Forschungstrend. Fast monatlich werden derzeit neue Studienergebnisse veröffentlicht, die eine deutlich geringere CO2-Klimasensitivität errechnen, als bislang vom IPCC angenommen (siehe Artikelübersicht hier). Zudem schießen die aktuellen IPCC-Modelle bekanntlich weit über die reale Temperaturentwicklung hinaus (Abbildung 1).

Abbildung 1: Prognosen der IPCC-Klimamodelle (dünne farbig Linien) schießen meilenweit über die reale Temperaturentwicklung (blaue und grüne Punkte) hinaus (Abbildungsquelle). Offensichtlich ist die CO2-Klimawirkung zu hoch angesetzt worden. Sherwood et al. behaupten das Gegenteil: Das CO2 wäre sogar noch klimawirksamer als bislang gedacht. Die verrückte Welt der Klimamodellierung…

 

Wie begründen Sherwood und Kollegen also ihre Außenseiterposition? Lesen wir hierzu kurz auf t-online weiter:

Der Schlüssel der neuen Berechnung liegt nach Angaben der Forscher in der Wirkung der Klimaerwärmung auf die Wolkenbildung. Beobachtungen hätten gezeigt, dass höhere Temperaturen über dem tropischen Meer zu einer schwächeren Wolkenentstehung in geringer Höhe führten. Auf diese Weise erreiche mehr Sonnenlicht die Oberfläche und führe so zu einer noch stärkeren Erwärmung.

Interessant. Eine Klimaerwärmung wird vermutlich zu einer Steigerung des Wasserdampf-Gehaltes in der Atmosphäre führen. Das klingt plausibel. Wenn man einen Topf Wasser auf eine heiße Herdplatte stellt, entsteht jede Menge Wasserdampf. Der vermutete Wasserdampf-Anstieg dient in den Klimamodellen derzeit als wichtiger Verstärker der CO2-Klimawirkung. Allerdings: Mehr Wasserdampf könnte auch zu mehr tiefen Wolken führen, die wiederum kühlend wirken. Der Wiki-Bildungsserver erklärt: (weiterlesen …)

Klimamodelle in Bedrängnis: Sulfat-Aerosole kühlen das Klima weniger als gedacht

Der Weltklimarat geht davon aus, dass das Kohlendioxid eine sehr starke Klimawirkung besitzt. Allerdings beträgt die real gemessene Erwärmung der letzten 150 Jahre lediglich 40% von dem, was aufgrund der vom IPCC angenommenen CO2-Klimasensitivität zu erwarten gewesen wäre. Bereits vor drei Jahren (2010) wies ein US-amerikanisches-schwedisches Forscherteam um Stephen Schwartz vom Brookhaven National Laboratory in einem Artikel im Journal of Climate auf diese bedeutende Diskrepanz hin. Bei der Analyse möglicher Gründe fanden Schwartz und Kollegen, dass hierfür entweder eine vom IPCC zu hoch angesetzte CO2-Klimasensitivität verantwortlich zeichnet oder die kühlende Wirkung von anthropogenen Aerosolen von den Weltklimaratsmitgliedern überschätzt wurde. Derartige Schwefelemissionen wurden in den vergangenen Jahren gerne als Kühlungsjoker präsentiert, unter anderem vom Hockeystick-Erfinder Michael Mann.

Neuere Untersuchungen erteilen dem Aerosol-Joker nun jedoch eine klare Absage. In einer Pressemitteilung vom 9. Mai 2013 lässt das Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz keinen Zweifel daran, dass die Klimamodelle die Kühlwirkung der Aerosole wohl bislang deutlich überschätzt haben, so dass gemäß der Schwartz-Studie nun wohl doch alles auf eine reduzierte Klimasensitivität hinweist. Im Folgenden die vollständige MPI-Pressemitteilung:

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Sulfat-Aerosole kühlen das Klima weniger als gedacht

Lebensdauer wolkenbildender Sulfat-Partikel in der Luft geringer als angenommen: Ursache ist eine in bisherigen Klimamodellen unbeachtete Oxidation von Schwefeldioxid

Schwefeldioxid ist als Gegenspieler der Treibhausgase offenbar weniger effektiv als bisher angenommen. Aus ihm entstehen in der Luft Sulfat-Aerosolpartikel, die das Sonnenlicht reflektieren und als sogenannte Wolkenkondensationskeime die chemischen Vorgänge in Wolken beeinflussen. Sulfat-Aerosolpartikel helfen also, die Erde zu kühlen. Sie sind deshalb ein wesentlicher Bestandteil vieler Klimamodelle. Wie ein Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz nun jedoch herausfand, ist es wahrscheinlich, dass die meisten Modelle bei ihren Vorhersagen den Kühlungseffekt dieser Partikel überschätzt haben. Grund ist ein bisher weitgehend unberücksichtigter Reaktionsweg in den Wolken, den Mineralstaub katalysiert und der die Lebensdauer von Sulfat-Aerosolpartikeln und deren Fähigkeit, Sonnenlicht zu reflektieren, stark beeinflusst.

Als Kondensationskeime sind Aerosolpartikel ein wichtiger Ausgangspunkt für die Bildung von Wolken. Luftfeuchtigkeit lagert sich an ihnen an, und es entstehen kleine Tropfen, die schließlich zu Wolken werden. In den Wolken selbst jedoch verändert sich die chemische Zusammensetzung der Aerosolpartikel.

Um herauszufinden, was sich dort genau abspielt und warum, untersuchten Dr. Eliza Harris und Dr. Bärbel Sinha vom Max-Planck-Institut für Chemie gemeinsam mit weiteren Wissenschaftlern aus Mainz und anderer Institute verschiedene Luftmassen. Das Besondere: Sie beobachteten eine Wolke, die sich an einem Berg aufstaute, während sie sich bildete. Auf diese Weise verfolgten sie die Veränderung der Aerosolbestandteile im Laufe der Wolkenentstehung.

 

Isotopen-Analyse verrät, wie Sulfat entsteht

Harris und Sinha richteten dabei ihr Hauptaugenmerk auf die Analyse von Schwefelverbindungen. Deren Zusammensetzung untersuchten sie anhand von Luftproben, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten genommen wurden: Vor dem Eintauchen in die Wolke, während des Aufenthalts in der Wolke und nachdem sie die Wolke wieder verlassen hatten.

Die Schwefelverbindungen in den Proben unterschieden sich in der Verteilung der Schwefelisotope. Isotope sind Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl an Neutronen im Atomkern und lassen sich mit einem Massenspektrometer unterscheiden. Mithilfe der NanoSIMS-Ionensonde, eines besonders hochempfindlichen Massenspektrometers, konnte das Forscherteam sogar, Rückschlüsse auf die chemischen Abläufe ziehen. „Die relativen Reaktionsraten von Isotopen sind wie Fingerabdrücke, die verraten, auf welchem Weg das Sulfat aus dem Schwefeldioxid entstanden ist“, erklärt Eliza Harris ihre Untersuchungsmethode, die Teil ihrer Doktorarbeit in der Forschungsgruppe von Peter Hoppe am Max-Planck-Institut für Chemie war.

 

Rolle von Übergangsmetallionen bei der Bildung von Sulfat-Aerosolen bisher unterschätzt

Harris‘ Studie offenbart, dass der wichtigste Weg der Sulfatbildung in den meisten Klimamodellen bisher offenbar übersehen wurde. Ihren Messungen zufolge entstehen Sulfate in Wolken am häufigsten über die Oxidation von Schwefeldioxid (SO2) mit Sauerstoff (O2). Diese Reaktion wird durch sogenannte Übergangsmetallionen, kurz TMI für „transition metal ion“, wie Eisen, Mangan, Titan oder Chrom, katalysiert. Zudem traten die Sulfate meistens in Wolkentropfen auf, die sich auf großen Mineralstaubpartikeln, den wichtigsten Lieferanten der Übergangsmetallionen, gebildet hatten. Sehr viel seltener führte die Spur zur Oxidation von Schwefeldioxid mit Wasserstoffperoxid (H2O2) und Ozon (O3).

„Als meine Kollegen und ich mit diesem Ergebnis auf die grundlegenden Annahmen der Klimamodelle blickten, waren wir sehr erstaunt. Denn nur eines von zwölf Modellen berücksichtigt die Rolle der Übergangsmetallionen bei der Sulfatbildung“, so die Wissenschaftlerin, die mittlerweile am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA arbeitet. Stattdessen verwendeten die meisten Modelle den alternativen Fall der Schwefeldioxidoxidation durch Wasserstoffperoxid (H2O2), Ozon (O3) und das Hydroxyl-Radikal (OH). (weiterlesen …)