Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

3 Übersichtsartikel: Trends in der Erdatmosphäre
(J. Bremer)
In zunehmendem Maße werden weltweit Untersuchungen durchgeführt, ob und in welchem Umfang
die Erdatmosphäre durch menschliche Eingriffe verändert wird. Dabei spielen Spurengase
trotz ihrer geringen Konzentration eine wichtige Rolle, u.a. deswegen, weil sie als Folge des
durch sie bedingten Treibhauseffektes klimarelevant sind, oder weil sie die biologisch schädliche
solar UV-Strahlung absorbieren (Stichwort Änderungen der Ozonschicht). Klimarelevante Spurengase,
wie z.B. Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon und Methan, verbleiben relativ lange in der
Erdatmosphäre und sind deshalb auch in den höheren Schichten der Atmosphäre wirksam. Sie
zeichnen sich maßgeblich dadurch aus, dass sie Absorptionsbanden im infraroten (IR) Spektralbereich
aufweisen, also in jenem Bereich, in dem der Erdboden abstrahlt und in dem Strahlung
durch die Erdatmosphäre transportiert wird. Im globalen Mittel verursacht diese IR-Strahlung
in der Troposphäre bis in Höhen von etwa 10 km eine Erwärmung der Atmosphäre (bekannter
Treibhauseffekt), während sie in den darüber liegenden Schichten, d.h. in der Stratosphäre
(ca. 10 – 50 km), in der Mesosphäre (ca. 50 – 100 km) und in der Thermosphäre (oberhalb von
100 km) im wesentlichen zu einer Abkühlung führt. Die unterschiedliche Wirkung der klimarelevanten
Spurengase (Erwärmung in der Troposphäre und Abkühlung in den darüber liegenden
Schichten) liegt vereinfacht ausgedrückt daran, dass die von ihnen abgestrahlten Photonen in der
Troposphäre nach sehr kurzen Wegstrecken wieder absorbiert und re-emittiert werden, während
sie in der oberen Atmosphäre in den Weltraum entweichen können. Es stellt sich die Frage,
in welchem Umfang die anthropogen verursachten langfristigen Änderungen der Konzentration
von Spurengasen die thermische und dynamische Struktur der Atmosphäre beeinflussen. Um
diese Frage beantworten zu können, wird seit vielen Jahren versucht, mit Hilfe unterschiedlicher
Messungen und Modellrechnungen, Trends in der oberen Atmosphäre nachzuweisen und ihre
Ursachen zu verstehen. Dabei wollen wir uns im vorliegenden Artikel auf die Bereiche oberhalb
der Tropopause beschränken.
Basierend auf Messungen mit Radiosonden,
Raketen, Satelliten und Lidar konnte in
den vergangenen Jahren (Ramaswamy et al.,
Rev. Geophysics, 39, 71-122, 2001) bei Benutzung
jährlicher Mittelwerte eine deutliche
Abkühlung der Stratosphäre mit Trends von
−0, 75 K Dekade −1 für den Höhenbereich zwischen
20 und 35 km und ansteigend mit der
Höhe bis etwa −2, 5 K Dekade −1 nahe 50 km
nachgewiesen werden. Dabei sind diese beobachteten
Trends deutlich größer als die aus Modellrechnungen
abgeleiteten Trends, d.h. ihre Ursachen
werden noch nicht in allen Einzelheiten
verstanden. Es wurde schon frühzeitig vermutet
und durch die genannten Temperaturtrends in
der Stratosphäre unterstützt, dass die Trends in
Abb. 3.1: Langfristige Variationen der NLC-
Häufigkeit für NW Europa (blau) und nach Beobachtungen
nahe Moskau (rot) einschließlich ihrer
Trend-Geraden.
den Atmosphäre mit der Höhe zunehmen und deshalb in der Meso- und Thermosphäre besser
nachweisbar sein sollten als in niederen Schichten. Es tauchte die Frage auf, ob nicht insbesondere
die Mesosphäre als mögliches Frühwarnsystem für Klimaänderungen verwendet werden könnte.
Diese optimistische Vermutung basierte zum Teil auf sehr deutlichen Zunahmen der Häufigkeit
von NLC (Eiswolken, die in mittleren und bevorzugt in polaren Breiten in 82 km Höhe
auftreten). Nach einer sorgfältigen Homogenisierung der NLC-Messreihe ist die ursprünglich berichtete
Zunahme deutlich reduziert worden. In Abb. 3.1 sind zwei NLC-Beobachtungsreihen
aufgetragen, die korrigierte Reihe aus Beobachtungen über NW-Europa (blau) und eine Rei-
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