Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.

Klimaforscher: Wissenschaft im Wolkigen

Von natur-Autor Ulf Lüdeke

Mysterium Wolke: Von der Forschung mit flüchtigen Objekten Fotos
Corbis

Wolken sind seit jeher faszinierend - Klimaforscher taten sich lange schwer mit ihnen: zu kompliziert, zu flüchtig. Das ändert sich gerade.

Es war ein bemerkenswertes Treffen, das im Dezember 2008 in der altehrwürdigen "Royal Meteorological Society" im englischen Reading stattfand. Gavin Pretor-Pinney, ein Wolkenfan und Gründer der "Cloud Appreciation Society", legte den Experten Dutzende großformatiger Fotos vor - Fotos, die Wolkenfreunde über Jahre hinweg an unterschiedlichsten Orten der Welt gemacht hatten. Und die einen Wolkentyp zeigten, der nicht ins gängige Schema passte.

Riesige, mehr oder weniger schichtförmige Wolken, deren Unterseite auf bizarre Weise verformt war. Einige schlugen wilde Wellen; andere zeigten gekröseartige Strukturen; und die spektakulärsten sahen aus, als habe ein Riese mit einem Zauberstab in ihnen gerührt.

Die Runde war sich einig: Diese Wolken waren wunderschön. Und sehr fremdartig. So sehr, dass man darüber nachdenken solle, ob man es hier möglicherweise mit einer neuen Form zu tun habe. Was wiederum eine Sensation wäre. Der letzte neue Wolkentyp wurde 1953 definiert, und das grundsätzliche System der Wolken-Klassifikation gilt bereits seit 1802. Die Meteorologen beschlossen daher, erst einmal systematisch Daten darüber zu sammeln, unter welchen Druck- und Temperaturverhältnissen diese Wolken überhaupt entstehen. So könne man ernsthaft in die wissenschaftliche Diskussion einsteigen und irgendwann vielleicht bei der Internationalen Meteorologischen Union WMO die offizielle Anerkennung des neuen Wolkentyps beantragen. Wolkengucker Pretor-Pinney hatte auf jeden Fall schon mal einen passenden Namen parat: "asperatus", was soviel bedeutet wie "aufgewühlt".

Zu flüchtig für die Forschung

Die Aufmerksamkeit für die ungewöhnlichen Wolken fällt in eine Zeit, in der auch die Wissenschaft sich mit gesteigertem Interesse den Wolken zuwendet. Im jüngst erschienenen 5. Bericht des Welt-Klimarats IPCC gibt es erstmals ein eigenes Kapitel für Wolken und Aerosole - also für alles, was salopp gesagt, in der Luft herumschwirrt und das Klima beeinflussen könnte. Zu flüchtig und kleinteilig waren die Wolken bisher für die eher grob gerasterten globalen Klimamodelle. Doch mit steigender Genauigkeit der Modelle, immer leistungsfähigeren Computern und zunehmendem Grundlagenwissen über Wolken lässt sich ihr Einfluss auf das Klima inzwischen immer präziser berechnen.

Dabei ist die Wolkenkunde in mancherlei Hinsicht sehr konservativ. Es war kein Zufall, dass bei dem Treffen in Reading der Vater der modernen Meteorologie als stummer Zuhörer zugegen war: Luke Howard, der dort in Öl an der Wand hängt. Der Londoner Apotheker und Naturforscher hatte im Jahr 1802 die noch heute gültigen Namen für die wesentlichen Wolkentypen auf-gestellt: "Stratus" für die meist niedrigen Schichtwolken, "Cumulus" für Haufenwolken, "Nimbus" für Regenwolken, "Cirrus" für die zarten, meist in großer Höhe schwebenden Federwolken. Durch Kombination der Begriffe wie "Cumulonimbus" oder "Cirrostratus", dazu mit Adjektiven wie "altus" für hoch, lassen sich schon die allermeisten Wolkentypen beschreiben.

Der Tau-Punkt ist erreicht

Goethe war von Howards Wolken-Skala so begeistert, dass er ihm ein Gedicht mit dem Titel "Howards Ehrengedächtnis" widmete und zur Verbreitung der Skala beitrug. Er bat sogar Caspar David Friedrich, der in Gemälden wie "Der Wanderer über dem Nebelmeer" eindrucksvolle Wolkenpanoramen geschaffen hatte, ihm einen Aufsatz über Howard zu illustrieren. Doch der berühmte Maler ließ den Geheimrat abblitzen: Er halte es für falsch, "die freien und luftigen Wolken in eine strenge Ordnung und Klassifikation zu zwingen".

Aber was ist eigentlich eine Wolke? Um sich das Prinzip vor Augen zu führen, reicht es, an einem kühlen Tag ins Freie zu treten und tief ein- und wieder auszuatmen. Die Mini-Wolke, die plötzlich wie aus dem Nichts vor der Nase schwebt, ist äußerst flüchtig. Aber sie ist eine echte Wolke, die sich physikalisch nicht von den großen unterscheidet. Auch sie ist aus Wasserdampf entstanden, den es überall in der erdnahen Atmosphäre gibt. Wolken bilden sich in der Regel dann, wenn feuchte Luftmassen aufsteigen, sich dabei abkühlen und der in ihnen enthaltene Wasserdampf zu Wassertropfen kondensieren kann. Das ist das Hauptprinzip.

Ob aus dem Dampf Tröpfchen werden, hängt vor allem von zwei Faktoren ab: der Menge der Wassermoleküle und der Temperatur. Ist der Sättigungsgrad von 100 Prozent Luftfeuchtigkeit - der sogenannte Tau-punkt - erreicht, dann beginnen die Wassermoleküle sich an festen Oberflächen abzulagern: als Tau zum Beispiel an Fenstern oder Grashalmen, oder an kleinen Schwebstoffen in der Luft, den Aerosolen, die in der Atmosphäre reichlich vorhanden sind. Je nach Volumen der Wolken nehmen nun die Tropfen (bei Kälte auch Eiskristalle) an Größe zu und werden häufig groß genug, dass sie trotz der bisweilen orkanartigen Aufwinde im Innern der Wolke als Regen, Schnee oder Hagel zu Boden fallen.

Dabei ist die Vielfalt der Kombinationen zwischen den flachen Stratuswolken, die grau und unförmig direkt über unseren Köpfen zu hängen scheinen, und den eisigen Cirrus-Wölkchen am Ende der bis zu 18 Kilometer hohen Troposphäre scheinbar grenzenlos - und die der Formen und Farben auch.

Wolken-Index erscheint inkonsequent

Kleinere Wolken leuchten tagsüber Weiß, weil die Tropfen das weiße Sonnenlicht brechen und streuen. Große Regenwolken sind dunkel, weil die Wassermassen das Licht mehrfach streuen und zum Teil absorbieren. Doch schon die Wassertröpfchen einer kleinen, wattigen Cumuluswolke, ein Zeichen schönen Wetters, können insgesamt leicht 50 Tonnen wiegen - so viel wie eine Lokomotive. Zum Auf- und Untergang der Sonne changieren die Farben zwischen Gelb, Apricot, Orange, Rot und Lachs, weil das Sonnenlicht horizontal einfällt, eine längere Strecke durch die Atmosphäre zurücklegt und dieser Filter nur die rötlichen Farben durchlässt.

Künstler waren von diesem Farbenspiel schon immer fasziniert. Niederländische Landschaftsmaler wie Jacob van Ruisdael, animiert durch den weiten Himmel ihrer brettebenen Heimat, machten im 17. Jahrhundert die Wetterküchen auf der Leinwand salonfähig. Der Brite William Turner ließ zwei Jahrhunderte später seine Wolken in wahren Explosionen von Farbe und Licht ineinanderfließen - und nahm damit nicht nur den Impressionismus vorweg, sondern auch die Abstraktionen des 20. Jahrhunderts.

Die Wissenschaft dagegen tat sich mit dieser Vielfalt lange Zeit ziemlich schwer. Davon zeugt noch heute die Klassifizierung der Wolken nach ihrem Äußeren, die genau besehen merkwürdig inkonsequent erscheint. Denn eigentlich streben Wissenschaftler danach, ihre Objekte möglichst nach inhaltlichen Kriterien zu ordnen, etwa nach der Entstehung, und nicht nach optischen Merkmalen. Doch Wolken lassen sich nicht einfach durchschauen. Sie sind zu komplex, zu kurzlebig und zu schwer zu fassen, um ihre Entstehung, ihr Verhalten und ihre Wirkung auf die Umgebung exakt zu messen. Vor allem, wenn es um längerfristige Zeiträume geht.

Zusammenhang mit Klimaerwärmung

Doch in jüngster Zeit erfahren Wolken in der Wissenschaft eine neue Welle von Aufmerksamkeit - und zwar in der Klimaforschung. "Wolken gelten in der Klimaanalyse als der größte Unsicherheitsfaktor", sagt Johannes Quaas, Professor für Meteorologie an der Universität Leipzig und Leiter der Arbeitsgruppe "Wolken und globales Klima". Zwar steckt in der Atmosphäre, in Gestalt von Wolken und Nebel und als unsichtbarer Wasserdampf, nur etwa ein Tausendstel Prozent des Wasserhaushalts der Erde.

Doch allein die räumliche Verteilung über der Erdoberfläche lässt erahnen, wie groß der Wolkeneinfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde und damit auf deren Temperatur sein muss. Mehr als die Hälfte der Erdoberfläche liegt ständig im Schatten von Wolken. Und diese reflektieren ganze 20 Prozent der Sonneneinstrahlung direkt zurück ins All. Die globale Wolkenfläche sei zwar "relativ konstant", sagt Quaas, hänge aber von Faktoren ab, die sich mit einer Erwärmung ändern könnten. "Und wenn der Abschattungseffekt nur um drei Prozent sinken würde, würde dies schon den Treibhauseffekt, den das vom Menschen erzeugte CO2 in der Atmosphäre auslöst, glatt verdoppeln."

Ob die Fläche der Wolken nun zu- oder abnimmt, ist nur eine von vielen brennenden Fragen, die Meteorologen klären wollen. Dass den Wolken im Zusammenhang mit der Klimaerwärmung immer größere Bedeutung beigemessen wird, zeigt auch der jüngste Bericht des Welt-Klimarats IPCC, der seit 1990 in mehr-jährigen Abständen veröffentlicht wird.

Wolken im Raster der Forschung

Die Wahrscheinlichkeit, dass Wolken durch Rückkopplungseffekte die Klimaerwärmung verstärken, berechneten die Fachleute anhand neuer Forschungsergebnisse mit 66 Prozent. Zu einer deutlicheren Aussage konnten sie sich nicht durchringen; denn, so paradox es klingt: Theoretisch könnten die Wolken die Klimaerwärmung am Ende sogar leicht abschwächen.

Um externe Einflüsse auf die Strahlungsbilanz der Erde miteinander vergleichen zu können, hat der IPCC die Einheit "Strahlungsantrieb" eingeführt, gemessen in Watt pro Quadratmeter. Der Strahlungsantrieb der Wolken liegt zwischen +1,4 und -0,2 Watt pro Quadratmeter je Grad Erderwärmung - das bedeutet, um diesen Betrag verstärken (oder verringern, je nach-dem) die Wolken die Erderwärmung. Zum Vergleich: Für die Summe aller Treibhausgase, die als Hauptursache der globalen Erwärmung gelten, rechnet man mit einem Strahlungsantrieb von 2,6 Watt pro Quadatmeter.

Dass die Aussagen zum Einfluss der Wolken auf das Klima so diffus sind, hat mehrere Gründe - zum Teil dieselben, warum die Klimaforscher das Thema Wolken so lange mit spitzen Fingern angefasst haben. "Es gibt derart viele Unsicherheitsfaktoren, dass verlässliche Voraussagen einfach noch unglaublich schwierig sind", erklärt Johannes Quaas, der zu den fachlichen Kommentatoren des Entwurfs des IPCC-Berichts gehört.

Bizarrer Zusammenhang zu Klimakiller Nummer 1

"Zudem beträgt die Rastergröße bei globalen Klimamodellen 100 bis 200 Kilometer" - viel zu groß für die meisten Wolken, die auch in anderer Hinsicht noch zu wenig untersucht sind. Wie kompliziert es ist, vom Menschen verursachte positive oder negative Einflüsse auf die Klimaerwärmung nachzuweisen, verdeutlicht eine Untersuchung zum Schwefeldioxid. Dem Gas, das vorwiegend durch Verbrennen von Kohle und Erdölprodukten entsteht, wird in der Atmosphäre trotz seiner für uns schädlichen Wirkung ein kühlender Einfluss zugeschrieben, da es dort Sulfat-Aerosole bildet, die das Sonnenlicht stärker reflektieren als viele andere Aerosole.

Die Chemikerin Eliza Harris vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz fand jedoch heraus, dass die Sulfat-Aerosole beim Kontakt mit Wolken ihre molekulare Struktur verändern, was sowohl die Reflexionsfähigkeit der Aerosole als auch deren Lebensdauer verringert. Dies hat wiederum globale Folgen für die Prognosen der Erderwärmung, schlussfolgert Harris: "Als wir auf die Klimamodelle blickten, waren wir sehr erstaunt, denn nur eines von zwölfen berücksichtigt diesen Effekt bei der Sulfatbildung".

Ein besonders bizarres Detail in Zusammenhang mit dem Klimakiller Nr. 1, dem Kohlendioxid, fanden kürzlich Forscher der niederländischen Universität Wageningen heraus. Sie wollten wissen, wie sich ein CO2-Anstieg in den gemäßigten Zonen auf die Vegetation auswirkt. Die Untersuchung ergab, dass Pflanzen bei zunehmendem C02-Gehalt weniger Wasserdampf über ihre Poren abgeben, weil sie das für die Photosynthese benötigte Kohlendioxid schneller aufnehmen können, erläutert Jordi Vilà-Guerau de Arellano. Bei einem Temperaturanstieg um zwei Grad und verdoppeltem CO2-Gehalt, wie es viele Klimamodelle annehmen, würde die Verdunstung in gemäßigten Breiten um 15 Prozent abnehmen, was wiederum zu einer verringerten Bildung von Cumuluswolken führte, der weltweit häufigsten Wolkenart. Nun wollen die Forscher den Effekt auch für die Tropen berechnen.

Die Vermessung des Himmels

Zwar können all diese Modelle aus Sicht von Johannes Quaas "nur mit idealisierten Szenarien erfassen, wie sich der Mensch in der Zukunft verhält - was zusätzlich zu den physikalischen Eigenschaften eine enorme Unsicherheit erzeugt." Doch trotz der vielen Unwägbarkeiten stehe die Wolkenforschung am Anfang einer neuen Ära. "Die Technik hat in den vergangenen Jahren unglaublich große Sprünge gemacht, zum Beispiel, was die satellitengestützte Wolkenvermessung per Laser und Radar betrifft, die seit 2007 im Einsatz ist. Die Laser erlauben es, die exakte Wolkenhöhe zu bestimmen, das Radar misst die Dicke der Wolken und bestimmt die Regenwahrscheinlichkeit." Inzwischen seien enorme Datenmengen angefallen, die nun ausgewertet werden müssen, sagt Quaas: "Doch ohne das genaue Verständnis der grundsätzlichen physikalischen und chemischen Abläufe, wie Wolken sich bilden und verhalten, bleibt ihre Wirkung in den Klima-Modellen ungenau."

In einem schreinähnlichen, gläsernen Flachbau am Stadtrand von Leipzig, aus dessen Mitte ein silogroßer Metall-Zylinder aufragt, haben andere Klimaforscher vor sieben Jahren das Regenmachen selbst in die Hand genommen. Das Herzstück des Wolkenlabors im Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist ein acht Meter hohes, nur daumendickes Rohr, in dem - abgeschirmt gegen Umwelteinflüsse - sich Atmosphärencocktails mixen lassen, die in der Natur nur schwer oder gar nicht beobachtbar sind. Ergänzt werden diese Experimente durch Datenerhebungen in natürlichen Wolken per Hubschrauber, der an einem 140 Meter langen Seil in bis zu 3000 Metern Höhe eine knallrote, sargförmige Messstation auf Kufen in die Wolken hinablässt.

Wolken mit Salz anreichern

Die Leipziger Meteorologen untersuchen mikrophysikalische Eigenschaften von Wolken, wie Zahl und Größe der Wassertropfen und den permanenten Wech-sel der Aggregatzustände zwischen flüssig und fest. Was passiert, wenn sich an Aerosolpartikeln Wassertropfen bilden? Wie beeinflussen die Partikel das Gefrieren der Tropfen, wie wirken sich beispielsweise Turbulenzen auf das Wachstum und die Größenverteilung der Tropfen aus? "Viele dieser Prozesse können noch immer nicht ausreichend erklärt werden", erläutert der Chef des Wolkenlabors, Frank Stratmann; "sie sind aber von grundlegender Bedeutung für die Entstehung von Wolken und damit für deren Auswirkung auf die Klimaerwärmung."

Die neuen Erkenntnisse der Schlüsselprozesse kommen dabei keinesfalls nur langfristigen Prognosen wie den IPCC-Klimamodellen zugute, die die Entwicklung der globalen Wetterlage bis zum Jahr 2100 erklären sollen, sondern auch kurzfristigen Vorhersagen. Die wie-derum sind wichtig für regional begrenzte, aber extrem heftige Niederschläge, die laut den IPCC-Wetterauguren durch Wolken-Klimawechselwirkungen künftig stark zunehmen werden.

Selbst wenn sich die schlimmsten Klimaprognosen bewahrheiten, könnte ein besseres Verständnis der Wolken hilfreich sein: "Denkbar wäre zum Beispiel, niedrige Wolken über den Ozeanen mit Meersalz anzureichern", erläutert Johannes Quaas. "Die Wolken würden dadurch heller werden, mehr Sonnenlicht reflektieren und so zur Kühlung der Meeresoberfläche beitragen. Allerdings weiß niemand, wie so etwas technisch umgesetzt werden könnte." Und das haben bislang alle Vorschläge zum gezielten Eingreifen in die globale Klimaregulation gemeinsam.

Was immer die Klimaforschung noch herausfinden wird, Wolken werden immer ein spezielles Forschungs-gebiet bleiben. Sie sind abstrakt und konkret zugleich, wechselhaft in ihrer Gestalt und doch dauerhafte Zeugen des Kreislaufs der Natur.

Wohl niemand hat die flüchtige Erscheinung und gleichzeitig beruhigende Wirkung einer schönen Sommerwolke mit so zarter Lakonie festgehalten wie Bertolt Brecht in seinem berühmten Gedicht "Erinnerung an die Marie A.": "Und über uns im schönen Sommerhimmel / War eine Wolke, die ich lange sah. / Sie war sehr weiß und ungeheuer oben / Und als ich aufsah, war sie nimmer da."

Diesen Artikel...
Forum - Diskutieren Sie über diesen Artikel
insgesamt 101 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
1. Schade, aber typisch
Bearhawk 16.11.2013
Haetten Sie einmal weitergelesen, dann hätten Sie festgestellt, dass der IPPC gar nicht weiter erwähnt wird. Hier ging es nur darum, dass den Wolken ein eigenes Kapitel gewidmet wurde. Uns wurde seinerzeit beigebracht, dass man beide Seiten anhören muss, um sich eine eigene Meinung zu bilden. Heute stoesst man auf einen Begriff der einem nicht passt und hört auf zu lesen. Um aber nochmal nachzuhelfen. Es ging hier um ein Treffen der Royal Meteorological Society und der wollen Sie die Serioesitaet sicher nicht absprechen? Ansonsten ein sehr interessanter Artikel zum Thema Wolken, der mich als Pilot besonders angesprochen hat!
2. Sehnsucht pur.
spielerisch 16.11.2013
Zitat von sysopDPAWolken sind seit jeher faszinierend - Klimaforscher taten sich lange schwer mit ihnen: zu kompliziert, zu flüchtig. Das ändert sich gerade. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/klimaforscher-analysieren-wolken-a-933821.html
WOLKEN sind wie Wanderdünen aus Wasser und Licht. Sie vermitteln dem Betrachter ein Gefühl sehnsüchtiger, vollkommener Schönheit in unaufhaltsamer Verwandlung.
3.
klfm01 16.11.2013
Zitat von BearhawkHaetten Sie einmal weitergelesen, dann hätten Sie festgestellt, dass der IPPC gar nicht weiter erwähnt wird. Hier ging es nur darum, dass den Wolken ein eigenes Kapitel gewidmet wurde. Uns wurde seinerzeit beigebracht, dass man beide Seiten anhören muss, um sich eine eigene Meinung zu bilden. Heute stoesst man auf einen Begriff der einem nicht passt und hört auf zu lesen. Um aber nochmal nachzuhelfen. Es ging hier um ein Treffen der Royal Meteorological Society und der wollen Sie die Serioesitaet sicher nicht absprechen? Ansonsten ein sehr interessanter Artikel zum Thema Wolken, der mich als Pilot besonders angesprochen hat!
Das Thema Wolken ist in der Tat interessant. Es wäre aber besser gewesen, den Scharlatanverein IPPC gar bnicht erst zu erwähnen, auch wenn der sich überall einmischen will, um seine Märchen zu verbreiten. Nein, dazu habe ich keine Veranlassung bisher.
4. weder noch
SATire 16.11.2013
das IPCC ist weder ein Verein IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (http://www.ipcc.ch/) noch betrügerisch und hat insofern mit seriöser Wissenschaft doch sehr viel zu tun, indem alle Jahre wieder eine umfassende Literaturrecherche in allen seriösen Veröffentlichungen durchgeführt und als Bericht veröffentlicht wird...
5.
klfm01 16.11.2013
Zitat von SATiredas IPCC ist weder ein Verein IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (http://www.ipcc.ch/) noch betrügerisch und hat insofern mit seriöser Wissenschaft doch sehr viel zu tun, indem alle Jahre wieder eine umfassende Literaturrecherche in allen seriösen Veröffentlichungen durchgeführt und als Bericht veröffentlicht wird...
Klar. Wer gemäss der IPCC-Doktrin schreibt, wird veröffentlicht und kommt an die begehrten Klimagelder. Insofern darf man sich nicht über die Flut solcher "seriöser" Glaskugelspielereien nicht wundern. Daß die Prophezeiungen dieses Vereins regelmässig im großen Stil fehlschlagen, ist dabei gar nicht von Belang. Es gibt genug Dumme, die der Klimakirche anhängen.
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    

© SPIEGEL ONLINE 2013
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH



Elf Tricks für die Vorhersage

Gefunden in

Der kompakte Nachrichtenüberblick am Morgen: aktuell und meinungsstark. Jeden Morgen (werktags) um 6 Uhr. Bestellen Sie direkt hier: