Weiterer negativer Effekt des Klimagases nachgewiesen: CO₂ heizt unten auf und kühlt oben ab

Kohlendioxid verändert nicht nur das Klima dort, wo Menschen Hitze, Dürre oder Starkregen spüren. Es hinterlässt seine Spur auch weit über den Wolken: Während die Erde am Boden wärmer wird, kühlt die Stratosphäre, also die Luftschicht zwischen etwa elf und 50 Kilometern Höhe, seit Jahrzehnten ab.

Für Klimaforscher ist das eines der deutlichsten Zeichen menschlichen Einflusses. Eine neue Studie erklärt nun, warum derselbe Stoff unten Wärme festhält, in großer Höhe aber Wärme ins All abgibt – und weshalb diese Abkühlung die Erderwärmung sogar verstärkt.

Klimawandel: CO₂ wirkt unten warm und oben kalt

In Bodennähe funktioniert CO₂ wie eine Decke. Das Gas hält einen Teil der Wärmestrahlung zurück, die von der Erde ins All entweichen würde. Dadurch steigen die Temperaturen an der Oberfläche und in den unteren Luftschichten. Dieser Treibhauseffekt ist seit Langem bekannt.

In der Stratosphäre wirkt derselbe Stoff ganz anders. Dort nimmt das Klimagas Infrarotstrahlung aus tieferen Luftschichten auf und gibt einen Teil dieser Energie wieder ins All ab. Die Luft verliert dadurch Wärme. Statt zusätzlicher Erwärmung entsteht also Abkühlung.

Die Autoren der Studie sehen darin einen klaren Hinweis auf den menschlichen Einfluss auf das Klima. „Die Abkühlung der Stratosphäre als Reaktion auf steigende Kohlendioxid-Konzentrationen ist ein Fingerabdruck menschlicher Einflüsse auf das Klima“, heißt es in der Arbeit.

Seit Mitte der 1980er-Jahre hat sich die Stratosphäre bereits um rund zwei Grad Celsius abgekühlt. Ohne zusätzliche Emissionen durch den Menschen wäre dieser Rückgang nach bisherigen Berechnungen mehr als zehnmal kleiner ausgefallen.

Warum die obere Atmosphäre stärker abkühlt

Nicht jede Schicht der Stratosphäre verändert sich gleich stark. Je höher man kommt, desto deutlicher fällt die Abkühlung aus. Besonders stark zeigt sich der Effekt nahe der Stratopause, also am oberen Rand der Stratosphäre.

Verdoppelt sich die CO₂-Konzentration, könnte die Temperatur in diesem Bereich der Stratosphäre um bis zu acht Grad sinken. In tieferen Schichten der Atmosphäre fiele die Abkühlung deutlich geringer aus.

Das hängt mit bestimmten Infrarot-Wellenlängen zusammen. CO₂ reagiert nicht auf jede Wärmestrahlung gleich. Einige Bereiche sind besonders wirksam, weil sie Wärme besonders gut aufnehmen und wieder abstrahlen. Die Forscher beschreiben das als eine Art Goldlöckchen-Zone – nicht zu schwach und nicht zu stark, sondern physikalisch passend.

Mit mehr Kohlenstoff in der Atmosphäre wird dieser Bereich größer. „Diese Veränderungen der Effizienz treiben letztlich die Abkühlung der Stratosphäre an“, erklärt Sean Cohen von der Columbia University.

Abkühlung verstärkt die Erwärmung zusätzlich

Die Abkühlung hoch oben hat noch eine Folge, die auf den ersten Blick widersprüchlich wirkt: Sie verstärkt die Erwärmung am Boden zusätzlich.

Der Grund liegt in der Energiebilanz der Erde. Eine kältere Stratosphäre strahlt insgesamt weniger Wärme zurück ins All. Dadurch bleibt mehr Energie im Klimasystem erhalten. Die Erde verliert also langsamer Wärme, obwohl CO₂ in dieser Luftschicht wie ein Kühler arbeitet.

„Die Abkühlung der Stratosphäre erhöht die Strahlungswirkung von Kohlendioxid an der Obergrenze der Atmosphäre um etwa 50 Prozent“, schreiben die Autoren der Studie. Das erklärt, warum sich das Klima nicht nur durch Prozesse am Boden verändert, sondern auch durch Vorgänge weit darüber.

Ozon und Wasserdampf spielen eine kleinere Rolle

Neben dem langlebigen Treibhausgas beeinflussen auch Ozon und Wasserdampf die Wärmestrahlung der Atmosphäre. Beide Stoffe tragen dazu bei, dass Wärme gespeichert oder abgegeben wird. Im Vergleich fällt ihr Einfluss auf die Stratosphäre jedoch deutlich kleiner aus. CO₂ bleibt der wichtigste Treiber.

Die Autoren machen klar: Die Abkühlung der Stratosphäre entsteht nicht einfach durch mehr Treibhausgas in der Luft. Entscheidend sind die besonderen Eigenschaften von CO₂. Das Gas nimmt bestimmte Wärmestrahlung auf und gibt sie in großer Höhe besonders wirksam wieder ab. Deshalb schreiben die Forscher, die Abkühlung sei „das einzigartige Ergebnis der Spektroskopie dieses Gases“. Gemeint ist damit die besondere Art, wie CO₂ mit Wärmestrahlung reagiert.

Ein Rätsel aus den 1960er Jahren wird verständlicher

Schon der Klimaforscher Syukuro Manabe hatte diesen Zusammenhang in den 1960er-Jahren beschrieben. Seine Modelle zur CO2-bedingten Erderwärmung gelten bis heute als Grundlage moderner Klimaforschung.

Was lange fehlte, war die präzise physikalische Erklärung für die Stärke und die Höhenverteilung dieser Abkühlung. „Wir kennen diesen Prozess seit mehr als 50 Jahren und hatten ein gutes qualitatives Verständnis. Aber die mechanistischen Details waren nicht klar“, sagt Klimaforscher Robert Pincus.

Die neue Arbeit liefert dafür nun eine schlüssige Antwort. Sie zeigt, warum das wichtigste menschengemachte Treibhausgas nicht überall gleich wirkt – und warum die kühlere obere Atmosphäre kein Widerspruch zur Erderwärmung ist, sondern eines ihrer deutlichsten Signale.

Kurz zusammengefasst:

• CO₂ speichert in Bodennähe Wärme und erwärmt dadurch die Erde, in der Stratosphäre gibt es Wärme jedoch ins All ab und kühlt diese Luftschicht.
• Mit jeder Verdopplung der CO₂-Konzentration kann sich die obere Stratosphäre um bis zu acht Grad abkühlen, besonders stark nahe der Stratopause.
• Die kühlere Stratosphäre lässt insgesamt weniger Wärme ins All entweichen, wodurch sich der Treibhauseffekt verstärkt und die Erwärmung am Boden zusätzlich zunimmt.

Übrigens: CO₂ beeinflusst das Klima nicht erst seit der Industrialisierung, sondern schon seit fast 485 Millionen Jahren. Eine große Studie zeigt, dass warme Erdphasen immer wieder mit hohen CO₂-Werten zusammenfielen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © NASA