Über Wolken, diese sich ständig wandelnden, scheinbar aus dem Nichts entstehenden und wieder verschwindenden Formen auf Wasser und Eis, zerbrechen sich die Menschen seit jeher den Kopf.
Erst Anfang des 19. Jahrhundert erstellte der britische Hobbymeteorologe Luke Howard eine erste Wolken-Klassifikation. Viele heute noch gebräuchliche Begriffe, wie Cirrus, Cumulus oder Stratus stammen von Howards Systematik.
Ein paar grobe Kategorien reichen aber nicht, um das Geheimnis der Wolken zu lüften. So schrieb der britische Universalgelehrte John Ruskin noch Jahrzehnte später resigniert, niemand wisse, was eine Wolke formt, warum sie sich bewege, wie sie sich bewege. "Was wir über die Luft wissen, muss – wenn man es nicht aus reiner Höflichkeit anders nennen will – meiner Meinung nach als nichts bezeichnet werden."
Ganz so hart geht die Wissenschaftszunft heute nicht mehr mit sich ins Gericht. Und das aus gutem Grund. Vieles ist heute verstanden.
Vieles, aber bei Weitem nicht alles. Die statistischen Ansätze zur Darstellung von Wolken in Klimamodellen seien mit sehr großen Unsicherheiten behaftet, sagt der Meteorologe Bjorn Stevens, der die Abteilung Klimaphysik am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI‑M) in Hamburg leitet. "Es ist noch nicht einmal sicher, ob die Theorie dahinter wirklich stimmt."
Wolken beeinflussen den Energiehaushalt der Erde auf zwei Arten. Sie absorbieren Wärmestrahlung und verstärken dadurch den natürlichen Treibhauseffekt. Gleichzeitig reflektieren sie einen Teil des Sonnenlichts zurück ins All und kühlen den Planeten.
Welcher der beiden Effekte überwiegt, hängt unter anderem von Wolkenhöhe, Dicke und Zusammensetzung ab. Unterm Strich gehen Wissenschaftler:innen heute davon aus, dass alle Wolken zusammen eine kühlende Wirkung auf die Erde haben. Das liegt vor allem an den tiefen tropischen Wolken, die die Ozeane sehr wirksam von der Sonne abschirmen.
Wolken wirken der Erderwärmung eher entgegen
Viel schwieriger als die Frage, wie Wolken auf das Klima wirken, ist die Frage, wie ein sich veränderndes Klima sich auf die Wolken auswirkt. Tatsächlich sind Wolken der größte einzelne Unsicherheitsfaktor bei der Vorhersage, wie stark unser Klima auf steigende Treibhausgasemissionen reagiert.
Die Spannbreite der möglichen Erderwärmung unter Annahme eines bestimmten Emissionsszenarios hängt also zu einem großen Teil von Wolken ab. In der Fachsprache gibt es dafür den Begriff Wolkenrückkopplung.
Im neuesten Bericht des Weltklimarates IPCC von 2023 wird für die Rückkopplung eine Spannbreite von 0,12 bis 0,72 Watt pro Quadratmeter und Kelvin angegeben, auch leicht negative Werte sind aber möglich.
Vereinfacht bedeutet das: Nach derzeitigem Wissensstand dürfte sich die kühlende Wirkung der Wolken mit der Erwärmung eher abschwächen. Wie stark dieser Effekt ausfällt, ist jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet und auch das Gegenteil ist nicht ausgeschlossen.
Eine neue Studie stellt nun gar die vorsichtige Tendenz bisheriger Analysen infrage. Niedrige Wolken über den Tropen hätten im Gegensatz zu den bisherigen Annahmen während der letzten Jahrzehnte zugenommen, schreiben die Klimaforscher:innen Gregory Cesana und Assia Arouf, die an der Columbia-Universität in New York tätig sind.
In der im Fachjournal Geophysical Research Letters veröffentlichten Untersuchung heißt es weiter, die kühlende Wirkung der Wolken habe sich deshalb im Zuge der Erderwärmung verstärkt. Aus ihren Daten leiten die Autor:innen eine historische Wolkenrückkopplung von minus 0,79 Watt pro Quadratmeter und Kelvin ab. Mit jedem Grad Erwärmung hätten die tropischen Niedrigwolken zusätzlich Sonnenenergie ins All reflektiert.
Die Wolkenrückkopplung sei deshalb im Gegensatz zu den Ergebnissen vieler Klimamodelle nicht nur negativ – also der Erderwärmung entgegenwirkend – sondern auch deutlich größer, schreiben die Autor:innen.
Das Herzstück sind die Daten
Die beiden Klimaforscher:innen konzentrieren sich auf die tiefen Wolken der Tropen, da diese nicht nur einen großen Einfluss auf die Energiebilanz der Erde haben, sondern hier auch mitunter die größten Unsicherheiten bestehen. Allerdings betonen die Autor:innen, dass ihre Ergebnisse auch bei einer globalen Betrachtung Bestand hätten.
Auf Nachfrage erklärt Gregory Cesana, die globale Wolkenrückkopplung falle mit minus 0,31 Watt pro Quadratmeter und Kelvin schwächer aus, aber "der Trend bleibt der gleiche und die Größenordnung ist weiterhin beträchtlich".
Der Aufwand, der in das Zusammentragen und die Aufbereitung der Daten für die Studie geflossen ist, sei wirklich beeindruckend, lobt Bjorn Stevens, der selbst nicht an der Studie beteiligt war.
Das Herzstück der Studie ist in der Tat die Zusammenstellung eines möglichst konsistenten Datensatzes zu den Niedrigwolken seit 1979. Im ersten Schritt harmonisieren die Autor:innen dafür 13 verschiedene Satellitendatensätze, um Unterschiede durch Sensoren, Kalibrierungen und Auswertealgorithmen zu verringern.
Separat davon rekonstruieren sie im zweiten Schritt die Niedrigwolken seit 1979 anhand sogenannter Cloud Controlling Factors. Das sind meteorologische Größen wie Meeresoberflächentemperatur, Temperaturinversion oder Windgeschwindigkeit, die die Bildung und Auflösung von Niedrigwolken maßgeblich beeinflussen.
Die rekonstruierte und die satellitengestützte Zeitreihe werden anschließend zu einer gemeinsamen Zeitreihe zusammengeführt. Das soll die Schwächen einzelner Datensätze ausgleichen und eine möglichst verlässliche Rekonstruktion der Niedrigwolken seit 1979 liefern.
KI-Boom beschränkt Klima-Rechenleistung
Nach Ansicht der Autor:innen entwickelten sich die meteorologischen Bedingungen, die Niedrigwolken beeinflussen, im historischen Klima anders als in vielen idealisierten Modellversuchen. Insbesondere das räumliche Muster der Ozeanerwärmung unterscheide sich. Dadurch verändern sich auch Temperaturinversionen und Windfelder anders als in den Modellstudien.
Eine höhere Meeresoberflächentemperatur allein würde zwar tendenziell weniger Niedrigwolken begünstigen. Dieser Effekt werde nach den Ergebnissen der Studie jedoch durch stärkere Temperaturinversionen und höhere Windgeschwindigkeiten überkompensiert. Insgesamt nähmen die Niedrigwolken deshalb zu.
Die physikalische Herleitung sei nachvollziehbar und plausibel, so Stevens. Auch die Zunahme an tropischen Niedrigwolken sei angesichts der vergleichsweise schwachen Erwärmung im Ostpazifik gegenüber dem Westpazifik zu erwarten.
Schwer nachvollziehbar sei allerdings, wie sich dieses Ergebnis mit den Ceres-Messungen – Satellitenmessungen zum Strahlungshaushalt der Erde – vereinbaren lasse. Diese deuteten seit 2001 darauf hin, dass die Erde insgesamt weniger Sonnenlicht reflektiert. "Darauf geht die Studie nicht ein."
Für den ebenfalls nicht an der Studie beteiligten Atmosphärenphysiker Diego Villanueva Ortiz von der ETH Zürich ist die Methodik ebenfalls überzeugend, gleichzeitig mahnt er: "Aus einer Änderung der Wolkenbedeckung allein kann man nicht direkt auf den gesamten Rückkopplungseffekt der Niedrigwolken schließen."
Die Studie betrachte aber lediglich Veränderungen der Wolkenbedeckung, nicht jedoch der optischen Dicke, also Mächtigkeit der Wolken. Andere Studien hätten ergeben, so Villanueva, dass sich diese beiden Effekte "zumindest teilweise gegenseitig aufwiegen".
Kritik an der Abbildung von Wolken in Klimamodellen teilen aber sowohl Villanueva als auch Stevens. Bjorn Stevens leitete obendrein das internationale Forschungsprojekt Eurec4a, eines der bislang größten zu tropischen Passatwolken. Dort wurde ebenfalls nachgewiesen, dass einige Annahmen in Klimamodellen zur Wolkenrückkopplung so in der Natur nicht funktionierten.
Dennoch würden die Modelle vielfach weiterhin verwendet, bemängelt Stevens. Der Wolkenforschung werde nach wie vor zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt.
"Wir können deshalb leider keine allzu großen Fortschritte erwarten." Es würden zwar neue, physikalisch fundiertere Modelle entwickelt, der Zugang zu Rechenleistungen sei aber durch den aktuellen "KI‑Rausch" zunehmend eingeschränkt.
Das habe ich noch nirgends gelesen, dazu würde ich mir mal einen eigenen Artikel wünschen.