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Wissen, was sich oben abspielt

Meteorologen der Freien Universität erforschen, wie Veränderungen in der Stratosphäre zum Klimawandel beitragen

22.02.2013

Die obere Grenze der Stratosphäre ist ungefähr 50 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt.
Die obere Grenze der Stratosphäre ist ungefähr 50 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt. Bildquelle: NASA www.nasa.gov

Spätestens seit der Extremsportler Felix Baumgartner im Oktober 2012 aus fast 40 Kilometern Höhe zur Erde gesprungen ist,  kennt die ganze Welt den Begriff Stratosphäre. Jene Schicht unserer Erdatmosphäre, die sich in einer Höhe zwischen 15 und 50 Kilometern um den Globus zieht, in der die Luft extrem dünn ist und der Weltraum nicht mehr fern. Berliner Forscher interessieren sich allerdings nicht erst seit dem Rekordsprung dafür, was sich dort oben abspielt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat gerade weitere 2,27 Millionen Euro für das Forschungsprogramm „SHARP“ bewilligt, das sich mit dem Thema „Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction“ beschäftigt und das von der Freien Universität Berlin koordiniert wird. Ziel ist es, besser zu verstehen, was in dieser Schicht der Erdatmosphäre passiert – um daraus wirkungsvollere Strategien im Kampf gegen den Klimawandel zu entwickeln.

Dass ausgerechnet Berliner federführend sind bei diesem Projekt, ist nur konsequent. Berlin gilt als Wiege der Stratosphären-Forschung: Der Meteorologe Richard Adolph Aßmann vom Berliner Aeronautischen Observatorium hatte diesen Bereich der Atmosphäre im Jahr 1902 zeitgleich mit dem Franzosen Léon-Philippe Teisserenc de Bort entdeckt.

Als Berliner Forscher vor gut 60 Jahren allerdings zum ersten Mal feststellten, dass sich die Stratosphäre erwärmt, interessierte sich kaum jemand dafür. Schließlich macht der Teil der Atmosphäre nur zehn bis 15 Prozent der gesamten Luftmasse aus. Allzu groß könne der Einfluss auf das Weltklima also nicht sein, dachten damals wohl die meisten.

Heute aber weiß man: Wenn sich die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre stark verändert, beeinflusst das auch die Bedingungen in der darunter liegenden Troposphäre, also der Schicht der Erdatmosphäre, in der wir leben und in der sich ein Großteil unseres Wetters abspielt.

In der Stratosphäre ist die Luft extrem trocken

Klimaforschung ist mittlerweile Hightech-Wissenschaft. Längst haben Satelliten jene Heißluftballone aus Gummi verdrängt, mit denen Aßmann vor mehr als hundert Jahren noch Messdaten in der Atmosphäre sammelte. Heute helfen Hochleistungsrechner den Wissenschaftlern, aus den Daten Prognosen für die Klimaentwicklung zu erstellen.

„Um eine Simulation für einen Zeitraum von 1960 bis 2100 zu bekommen, müssen wir die Rechner mehrere Monate lang laufen lassen“, sagt Meteorologie-Professorin Ulrike Langematz, die das Forschungsprogramm „SHARP“ leitet.

In der Stratosphäre ist die Luft extrem trocken, denn jeder Tropfen Feuchtigkeit gefriert schon bei minus 80 Grad in der darunter liegenden Tropopause, jener dünnen Begrenzungsschicht, die die vom Wetter geprägte Troposphäre von der darüber liegenden und stabil geschichteten Stratosphäre trennt.

Als eine von wenigen Forschungsgruppen berücksichtigen die Berliner beim Erstellen ihrer Klimamodelle auch den Einfluss chemischer Faktoren. Denn: In der unteren Stratosphäre befindet sich auch die Ozonschicht. Sie schützt die Troposphäre, in der wir leben, vor allzu viel Sonneneinstrahlung. In den vergangenen Jahrzehnten hat der Mensch allerdings dafür gesorgt, dass die Ozonschicht immer dünner geworden ist.

Vor allem chlorhaltige Substanzen wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die jahrzehntelang als Kälte- und Lösemittel oder Treibgase in der Industrie eingesetzt wurden und so in die Umwelt gelangten,  sind am Abbau des schützenden Ozons beteiligt.

Vorbote für den vom Menschen verursachten Klimawandel

Weniger Ozon heißt nicht nur, dass mehr Sonnenstrahlen die Erde erreichen, gleichzeitig kühlt sich die Stratosphäre ab. Denn Ozon absorbiert UV-Strahlung und wandelt diese in Wärmeenergie um, weniger Ozon bedeutet deshalb auch weniger Wärmeenergie und niedrigere Temperaturen in der Stratosphäre. Verstärkt wird dieser Abkühlungseffekt durch die Zunahme der Treibhausgase, wie Kohlendioxid, Methan oder Lachgas.

Sie blockieren die Wärmestrahlung, die von der Erde ausgeht, verstärkt in den unteren Atmosphärenschichten, was dort zu der globalen Erwärmung führt. Gleichzeitig emittieren die Treibhausgase in der Stratosphäre Wärmestrahlung vermehrt wieder in den Weltraum.

„Wir werten die Abkühlung als Vorboten für den vom Menschen verursachten Klimawandel“, sagt Langematz. „Zwar gibt es erste Anzeichen dafür, dass die FCKW-Konzentration zurückgeht und sich die Ozonschicht langsam erholt. Auf das Ozonloch über der Antarktis wirkt sich das aber noch nicht aus.“ Der Grund: Hier verstärkt der sogenannte Polarwirbel – eine thermisch bedingte Kaltluftzone –den Abbau des Ozons.

2012 waren diese Polarwirbel allerdings nicht so kräftig wie sonst, das Loch in der Ozonschicht entsprechend kleiner. Das mag erfreulich klingen, es könne aber auch darauf hindeuten, dass die Dynamik in der Stratosphäre insgesamt gestört sei, sagt Langematz. Das wiederum setze sich dann bis in tiefer gelegene Luftschichten fort.

Den größten Anteil an der Klimaerwärmung haben Treibhausgase

Außerdem gibt es noch den Einfluss der Sonne. Schon Langematz’ Vorgängerin am Institut, Professorin Karin Labitzke, hatte die Wechselwirkungen zwischen Sonne, Stratosphäre und Ozon erforscht. Vor rund zehn Jahren hat Langematz ihre Arbeitsgruppe übernommen. „Das Problem ist, dass man viele, viele Jahre braucht, um signifikante Ergebnisse zur Aktivität der Sonne zu erhalten“, sagt die Meteorologin. „Das können mehr als 100 Jahre sein.“

Wie aktiv die Sonne ist, zeigt sich an der Zahl der Sonnenflecken, jenen dunklen Stellen auf der sichtbaren Oberfläche des Sterns, die durch Änderungen im solaren Magnetfeld hervorgerufen werden. Ihre Anzahl schwankt im Laufe eines elfjährigen Zyklus. „Wir haben beobachtet, dass sich die Ozonschicht deutlich verändert, je nachdem ob die Sonnenflecken zu- oder abnehmen“, sagt Langematz. „Die zentrale Frage ist also: Wie genau kann ein Klimamodell sein, in dem die Sonne nicht berücksichtigt wird?“

Für Skeptiker eines vom Menschen verursachten Klimawandels war die Aktivität der Sonne schon immer willkommenes Argumentationsfutter.  „Den größten Anteil an der Klimaerwärmung haben aber definitiv die Treibhausgase“, betont Langematz. „Auch wenn die Sonnenaktivität wieder abnehmen sollte, wird damit nicht das ausgeglichen, was wir Menschen durch den Ausstoß an Treibhausgasen angerichtet haben.“