Robert Klatt
Die untere Atmosphäre (Troposphäre) heizt sich bei einem höheren CO₂‑Gehalt auf, während sich die darüberliegende Stratosphäre abkühlt. Nun wurden die physikalischen Grundlagen dieses scheinbar widersprüchlichen Verhaltens entschlüsselt.
Palisades (U.S.A.). Der Nobelpreisträger Syukuro Manabe hat bereits in den 1960er Jahren Klimamodelle entwickelt, laut denen CO₂ die untere Atmosphäre (Troposphäre) aufheizt und die darüberliegende Stratosphäre abkühlt. Inzwischen belegen Messungen, dass die Temperatur in der Stratosphäre seit den 1980er-Jahren tatsächlich um rund zwei Grad Celsius zugenommen hat. Die Wissenschaft geht davon aus, dass die Temperatur damit rund zehnmal stärker zugenommen hat als ohne die CO₂‑Emissionen des Menschen, durch die die CO₂‑Konzentration in der Atmosphäre kürzlich den höchsten Wert seit zwei Millionen Jahren erreicht hat.
Forscher der Harvard University haben im November 2024 eine Studie publiziert, die erklärt, welche quantenphysikalischen Prozesse dafür verantwortlich sind, dass ein höherer CO₂‑Gehalt zu einer Aufheizung der unteren Atmosphäre führt. Die grundlegenden Prozesse, die für die Abkühlung der Stratosphäre durch mehr CO₂ verantwortlich sind, wurden hingegen bisher nicht vollständig entschlüsselt. Nun haben Forscher der Columbia University eine Studie veröffentlicht, die die physikalischen Grundlagen des scheinbar widersprüchlichen Verhaltens erklärt. Das paradoxe Verhalten entsteht demnach dadurch, wie CO₂ mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen interagiert.
„Die bestehende Theorie war unglaublich aufschlussreich, aber im Moment fehlt uns eine quantitative Theorie für die durch CO₂ verursachte Abkühlung der Stratosphäre.“
Um zu entschlüsseln, wieso sich die Stratosphäre bei einer höheren CO₂‑Konzentration abkühlt, haben die Forscher zunächst die zentralen, dabei ablaufenden Prozesse identifiziert und ihnen mathematische Werte zugeordnet. Diese haben sie anschließend mit theoretischen Modellen und realen Messwerten verglichen. Diesen Prozess haben sie über einen Zeitraum von mehreren Monaten so lange iterativ wiederholt, bis die mathematische Gleichung mit den realen Werten übereingestimmt hat.
Die Forscher haben sich dabei auf die Wechselwirkung zwischen CO₂-Molekülen und Licht fokussiert, vor allem von Infrarotlicht und langwelligem Licht. Sie haben dabei entdeckt, dass sich nicht alle Wellenlängen im Infrarotbereich gleich verhalten und dass manche Wellenlängen die Abkühlung deutlich stärker fördern als andere. Der Bereich des Lichts, in dem die Abkühlung besonders effizient abläuft, vergrößert sich mit einer zunehmenden CO₂‑Konzentration.
„Diese Veränderungen der Effizienz sind das, was die Abkühlung der Stratosphäre antreibt.“
Außerdem haben die Wissenschaftler untersucht, wie Ozon und Wasserdampf, die an ähnlichen Prozessen wie CO₂ beteiligt sind, die Temperatur in der Stratosphäre beeinflussen. In den unteren Atmosphärenschichten fördern Ozon und Wasserdampf die Speicherung von Wärme, während sie in der Stratosphäre zur Abkühlung beitragen. Der Kühlungseffekt ist gegenüber dem CO₂‑zugrundeliegenden Effekt aber gering.
Wie die Forscher erklären, haben sie auf Basis dieser Erkenntnisse eine mathematische Gleichung entwickelt, die mit den realen Beobachtungen übereinstimmt. Demnach verändert sich die Abkühlung der Stratosphäre in Abhängigkeit von der Höhe. Sie ist in unteren Bereichen der Stratosphäre deutlich geringer und ist im höchsten Bereich der Stratosphäre am stärksten. Eine Verdopplung der CO₂-Konzentration in der Stratopause, dem oberen Rand der Stratosphäre, führt zu einer zusätzlichen Abkühlung von rund acht Grad Celsius.
Mehr CO₂ führt zudem dazu, dass die Stratosphäre Wärme besser in den Weltraum zurückstrahlen kann. Die Stratosphäre kühlt sich dadurch zusätzlich ab. Weil die Stratosphäre insgesamt kälter wird, kann die gesamte Erde aber weniger Wärme in den Weltraum reflektieren und die Erwärmung der unteren Atmosphärenschichten und der Erdoberfläche nimmt zu.
„Wir kennen diesen Prozess seit mehr als 50 Jahren und hatten ein ziemlich gutes qualitatives Verständnis davon, wie er funktioniert. Allerdings verstanden wir die Details dessen, was diesen Prozess mechanistisch tatsächlich antreibt, nicht.“
Quellen:
Pressemitteilung der Columbia University
Studie im Fachmagazin Nature Geoscience, doi: 10.1038/s41561-026-01965-8