Durch die Forschungsarbeit konnten zwei Arten von Zirren (Eiswolken) kategorisiert werden. Der erste Zirruswolken-Typ bildet sich direkt als Eis. Es handelt um sogenannte In-situ-Zirruswolken. Beim zweiten Zirrustyp steigen kleine flüssige Tropfen in der Atmosphäre nach oben und vereisen beim Aufstieg bei < minus 38 Grad. (Foto: imago/blickwinkel)

Die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welchen Einfluss Wolken beim globalen Temperaturanstieg haben, werden Stück für Stück genauer. Als anerkannt gilt unter den Klimaforschern, dass Wolken das Sonnenlicht zurück ins Weltall reflektieren und damit einen dämpfenden Einfluss auf den Temperaturanstieg haben. Doch ist dies der einzige Effekt? Und wie sieht der Einfluss der Wolken konkret aus? Eine wichtige Stellung bei der Modellierung von Klimaszenarien nehmen die sogenannten Eis- oder Zirruswolken ein. Im Rahmen der Arbeitsgruppe „Wasserdampf und Wolken“ des Forschungszentrums Jülich unter der Leitung von Dr. Martina Krämer, wurden die Daten von 17 Messkampagnen ausgewertet. Sie wurden in einem Zeitraum von 15 Jahren auf Forschungsflügen in einem Gesamtumfang von 94 Stunden quer durch Gebiete aus Zirruswolken durchgeführt. Die Daten von drei Messkampagnen von Forschern aus den USA wurden in Kooperation in die Datenbank integriert. Die übrigen 14 Forschungsmissionen mit eigenen Messungen wurden unter anderem mit dem russischen Höhenflugzeug Geophysica, welches eine Steighöhe von 20km hat, und dem deutschen Forschungsflugzeug HALO (Steighöhe 15 km) absolviert. Zum Einsatz kam dabei beispielsweise das eigens in Jülich entwickelte Messgerät FISH (Fast In-situ Stratospheric Hygrometer), das den Eisgehalt der Eiswolken ermittelt, sowie das Wolkenspektrometer NIXE-CAPS, das Anzahl und Größe von Eispartikeln bestimmt.

Gemessen wurde über Europa, Australien, Brasilien sowie Nordamerika. Die zentralen Fragen dabei waren: Wie viele Eispartikel sind in den Zirruswolken vorhanden und wie groß sind die Eispartikel? Denn eine Wolke mit vielen kleinen Eispartikeln strahlt signifikant mehr Sonnenlicht zurück ins All als eine Wolke, die aus weniger, dafür jedoch größeren Eispartikeln besteht. Die Messdaten, die gewonnen wurden, dienten zur Validierung der eigenen Modellsimulationen am Forschungszentrum Jülich. Beispielsweise wurde im Rahmen der Messungen bestätigt, dass es einen Zusammenhang zwischen der Menge an Eis, der Temperatur –  sogenannter Eiswassergehalt/ IWC-T (Ice Water Content – Temperature) – und den auftauchenden Eiskristallkonzentrationen gibt. Hohe IWCs führen demnach zu hohen Eiskristallkonzentrationen mit dementsprechend höheren Abstrahleffekten der Sonnenstrahlen.

Skizze von ‚in-situ‘ und ‚liquid origin‘ Zirren (große Schrift: hohe Häufigkeit; kleine Schrift: niedrige Häufigkeit). ‚In-situ origin‘ Zirren (grünliche Farben) bilden sich direkt aus der Gasphase. Sie unterteilen sich in zwei Kategorien: (1) Dünne Zirren mit kleinem Eiswassergehalt und wenigen, größeren Eiskristallen – sie bilden sich in langsamen Auftriebsgeschwindigkeiten. (2) Bei schnellen Auftrieben bilden sich dicke Zirren mit hohem Eiswassergehalt und vielen, kleinen Eiskristallen. ‚Liquid origin‘ Zirren (bläuliche Farben) bestehen aus gefrorenen flüssigen Tropfen, die von weiter unten in die Höhe von Zirruswolken gehoben wurden. Sie sind eher dick, mit höherem Eiswassergehalt als die ‚in-situ‘ Zirren und vielen großen Eiskristallen. (Grafik: Krämer et al. 2016, ACP)

Durch die Forschungsarbeit konnten zwei Arten von Zirren (Eiswolken) kategorisiert werden. Der erste Zirruswolken-Typ bildet sich direkt als Eis. Es handelt um sogenannte In-situ-Zirruswolken. Beim zweiten Zirrustyp steigen kleine flüssige Tropfen in der Atmosphäre nach oben und vereisen beim Aufstieg zum Temperaturbereich < minus 38 Grad, in dem sich Zirruswolken bilden. Doch welche Klimaeffekte haben diese unterschiedlichen Zirruswolken? Die Forschung zeigt, dass bei langsamen Aufwindungen die In-situ-Zirruswolken – d.h. Wolken, die sich direkt als Eis bilden – aus wenigen, ziemlich großen Eiskristallen bestehen. Sie haben mit hoher Wahrscheinlichkeit eine wärmende Wirkung, da sie das ankommende Sonnenlicht nicht blockieren. Ihr IWC ist dementsprechend niedrig. Bei schnellen Aufwindungen hingegen können sich In-situ-Zirruswolken mit vielen, eher kleinen Eiskristallen bilden. Sie reflektieren die Sonne stärker und haben das Potenzial, kühlend zu wirken. Haben die Zirruswolken einen flüssigen Ursprung, ist der IWC am höchsten und die optische Dicke der Wolken ist auch entsprechend hoch. Diese Wolken enthalten viele große Eiskristalle.

Die Modellsimulationen zeigen auch, dass es zwischen Zirruswolken in mittleren Breitengraden und Zirruswolken in der Arktis große Unterschiede gibt. In der Arktis wurden weniger Zirren gefunden, die einen flüssigen Ursprung haben. Die Ursache dafür liegt an den langsameren Aufwindgeschwindigkeiten in der Region. Dementsprechend treten in der Arktis seltener dicke Zirruswolkenschichten auf. Und dementsprechend niedriger ist die Fähigkeit, Sonnenstrahlen zu blockieren. In Europa treten sowohl in Niedrig- als auch Hochdrucksystemen häufig langsam aufsteigende In-situ-Zirruswolken auf, während im Zusammenhang mit Schwerkraftwellen die In-situ-Zirruswolken schnell aufsteigen. In den USA und den Tropen finden sich hingegen vermehrt dicke Zirren mit flüssigem Ursprung.

Durch die Forschungsleistung der Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können bestehende Klimamodelle wieder ein Stück präzisiert werden. Der Beitrag der Wolken zur Erderwärmung oder Kühlung der Erde kann nun bezogen auf unterschiedliche Wolkenarten und regionale Spezifika noch genauer erfasst werden.

Text: Oliver Jorzik (Earth System Knowledge Platform | ESKP)

Fachliche Durchsicht und Ergänzungen: Dr. Martina Krämer (Forschungszentrum Jülich | FZJ)

Quellen und weiterführende Informationen

  Heymsfield et al. (2017): Ice Formation and Evolution in Clouds and Precipitation: Measurement and Modeling Challenges, Chapter 2: Cirrus Clouds. Meteor. Monogr., DOI:10.1175/AMSMONOGRAPHS-D-16-0010.1.Link
  Kienast-Sjögren et al. (2016): Climatological and radiative properties of midlatitude cirrus clouds derived by automatic evaluation of lidar measurements, Atmos. Chem. Phys., 16, 7605-7621. Link
  Krämer et al. (2016): A microphysics guide to cirrus clouds – Part 1: Cirrus types, ACP, 16: 3463-3483. DOI:10.5194/acp-16-3463-2016. Krämer et al.: Aerosol and Cloud Particle Sampling, In: Airborne Measurements for Environmental Research: Methods and Instruments, Ed. M. Wendisch & J.-L. Brenguier. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Print ISBN: 9783527409969, Online  ISBN: 9783527653218, DOI: 10.1002/9783527653218. Link
  Luebke et al. (2016): The origin of midlatitude ice clouds and the resulting influence on their microphysical properties, Atmos. Chem. Phys.,  16, 5793-5809. DOI:10.5194/acp-16-5793-2016. Link
  Luebke et al. (2013): Ice water content of Arctic, midlatitude, and tropical cirrus – Part 2: Extension of the database and new statistical analysis. Atmos. Chem. Phys., 13: 6447 – 6459, DOI: 10.5194/acp-13-6447-2013. Link
  Petzold  et al. (2017): Upper tropospheric water vapour and its interaction with irrus clouds as seen from IAGOS long-term routine in-situ observation, Faraday Discuss. DOI:10.1039/C7FD00006E. Link
  Spichtinger, P. und M. Krämer (2013): Tropical tropopause ice clouds: a dynamic approach to the mystery of low crystal numbers. Atmospheric chemistry and physics. 13: 9801 – 9818. DOI: 10.5194/acp-13-9801-2013. Link

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