Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

1 Temperaturtrends in der Mesosphäre
(F.-J. Lübken, U. Berger, D. Keuer, E. Becker)
1.1 Einleitung
Es ist unter Wissenschaftlern praktisch unbestritten,
dass der Anstieg von anthropogenen Treibhausgasen
in den letzten Jahrzehnten zu einem Temperaturanstieg
in der Troposphäre geführt hat. In der mittleren
Atmosphäre rechnet man dagegen allgemein mit einer
Abkühlung, da ein Anstieg der Konzentrationen von
infrarot-aktiven Gasen hier zu einer verstärkten Emission
von Strahlung in den Weltraum führt. Dies kühlt
die mittlere Atmosphäre. Auf die Frage, welche Auswirkungen
mögliche Trends von dynamischen Größen
haben könnten, gehen wir in Abschnitt 1.3 näher ein.
Wir konzentrieren uns in diesem Kapitel auf Temperaturtrends
in der Stratosphäre und Mesosphäre in
der Sommersaison, da hier die natürliche Variabilität
aufgrund von Wellen wesentlich kleiner ist als im Winter.
Dies erleichtert den experimentellen Nachweis von
Trends.
Typischerweise sagen Modellrechnungen eine Abkühlung
der Stratosphäre und Mesosphäre von etwa
0,5–1 Grad pro Dekade voraus. In der unteren Stratosphäre
liegen inzwischen lange Messreihen vor, die
einen Temperaturtrend in der oben angegebenen Größenordnung
bestätigen. Dagegen sind Temperaturmessungen
in der oberen Stratosphäre und in der Mesosphäre
schwieriger und daher seltener. Lange Messreihen
liegen nicht vor. Hinzu kommt, dass mit zunehmender
Höhe die Variation der solaren Strahlung mit
dem solaren 11-Jahreszyklus an Bedeutung gewinnt.
Dies erschwert die Analyse von Trends.
In Kühlungsborn wird seit Ende der 1950er Jahre
die Reflexion von Radiowellen in der Ionosphäre
vermessen. Die Reflexion erfolgt bei einer bestimmten
Elektronendichte, die man bei einem Druck von etwa
0,006 hPa (bei einem festen Sonnenstandswinkel von
78,4 ◦ ) in einer Höhe von ca. 82 km findet. Es zeigt sich,
dass diese Reflexionshöhen in den letzten Jahrzehnten
um ca. 1,5 km abgenommen haben (Abb. 1.1). Dies
bedeutet, dass sich die Atmosphäre unterhalb dieser
Höhe irgendwo abgekühlt haben muss. Mit anderen
Worten: die Atmosphäre schrumpft. Man erkennt aus
Abb. 1.1, dass die Abkühlung nicht stetig erfolgt, sondern
z. B. in den letzten 20 Jahren deutlich kleiner
ausfällt als zuvor. Wenn man nur den Zeitraum von
Abb. 1.1: Abweichung der Reflexionshöhen
von Radiowellen (Mittelwerte im Sommer)
vom langjährigen Mittel (rot). Kleinere Modulationen
durch den solaren Zyklus und die
geomagnetische Aktivität wurden entfernt.
Modellergebnisse von LIMA (blau), wobei eine
kleine Variation durch den solaren Zyklus
ebenfalls entfernt wurde.
Abb. 1.2: Aus Phasenhöhenmessungen im
Zeitraum 1959–2000 abgeleitete Temperaturtrends.
Zum Vergleich sind Modellrechnungen
des amerikanischen Modells WACCM nach
Garcia et al. (J. Geophys. Res., 2007) gezeigt.
1961 bis 1996 berücksichtigt, und vorher den Einfluss der geomagnetischen Aktivität und des solaren
Zyklus herausrechnet, ergibt sich aus den Messdaten eine Abnahme der Reflexionshöhe von
−388 m/Dekade.
Aus den Phasenhöhenmessungen allein kann man nicht feststellen, wo unterhalb von ∼82 km
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