Wir Kinder der 50er-Jahre haben in den 60ern Stiefel auf alte Skier genagelt und sind damit den Hang hinterm Haus runtergefahren. Schnee gab’s von November bis April. Wenn wir in den 90ern mit unseren Kindern Schlittenfahren wollten, mussten wir schon einen Nordhang suchen, an dem die Schneelage geeignet war. Jetzt mit dem Enkel Schlittenfahren geht fast nur noch im Gebirge. Wo sind die Winter geblieben?
Ein Gastbeitrag von Wilhelm Dobler
Temperaturentwicklung in den letzten 240 Jahren
Abbildung 1 Jahresmittelwerte der Temperatur (gemessen am Hohenpeißenberg ab dem Jahr 1781); eigene Abbildung mit Daten vom Deutschen Wetterdienst (https://opendata.dwd.de/climate_environment/CDC/observations_germany/climate/hourly/air_temperature/historical/); Lizenz Creative Commons BY 4.0 (CC BY 4.0)
Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, sind die Temperaturen an der Messstation Hohenpeißenberg von 1781 bis Mitte der 1970er-Jahre, d.h. innerhalb von knapp 200 Jahren um ca. 0,7 Grad Celsius (°C) gestiegen. Diese Temperaturerhöhung ist möglicherweise durch den CO₂-Anstieg erklärbar. Die ab der zweiten Hälfte der Siebzigerjahre beobachtete Zunahme um 2 °C und der damit einhergehende Knick in der Trendlinie in den 70er-Jahren kann schwerlich auf CO₂ zurückgeführt werden, da der CO₂-Anstieg schon im 19. Jahrhundert mit der Industrialisierung begonnen hat und die CO₂-Emissionen in den 70er-Jahren sicher nicht kurzfristig so stark zugenommen haben.
Was hat sich in den Siebzigern geändert? 1969 hob die Boeing 747 zum ersten Mal in Everett bei Seattle ab. Flugzeuge mit Strahltriebwerken machten den Flugverkehr schneller und sicherer und sorgten für starkes Wachstum. Könnte es einen Zusammenhang zwischen Flugverkehr und Temperaturanstieg geben?
Wasserdampf und Klima
Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas, d.h. es absorbiert deutlich stärker als CO₂, und wirkt sich insbesondere auf den globalen Strahlungshaushalt in der Tropopause und der unteren Stratosphäre aus. Als Quellen für den Wasserdampf werden steigende Temperaturen in den Tropen und Methan angenommen. Wie ist der Eintrag durch den Flugverkehr zu bewerten?
Der Beitrag von Wasserdampf zum natürlichen Treibhauseffekt ist gegenüber dem von CO₂ circa zwei- bis dreimal größer. (Klima-Konsortium, 2013)
„As the global radiation budget is particularly sensitive to the water vapor content in the upper troposphere and lower stratosphere, even small water vapor variations in that region can cause large radiative perturbations and climate impacts.“ (Charlesworth et al., 2023)
Da der globale Strahlungshaushalt besonders empfindlich auf den Wasserdampfgehalt in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre reagiert, können selbst kleine Wasserdampfschwankungen in dieser Region große Störungen der Strahlung und Auswirkungen auf das Klima verursachen (eigene Übersetzung des Autors).
In der Literatur (vgl. Charlesworth et al., 2023) werden als Quellen für Wasserdampf in der Tropopause beziehungsweise der unteren Stratosphäre die Zunahme des Transports aus den Tropen durch die klimabedingte Erwärmung und die Methanoxidation angegeben:
„In the lower stratosphere, water vapor concentrations are primarily governed by temperatures near the cold tropical tropopause, where air ascends in the upward branch of the global stratospheric circulation. In addition, methane oxidation acts as an additional chemical source of water vapor in the stratosphere.“ (Charlesworth et al., 2023)
In der unteren Stratosphäre wird die Wasserdampfkonzentration in erster Linie von den Temperaturen in der Nähe der kalten tropischen Tropopause bestimmt, wo die Luft im Strom der globalen Stratosphärenzirkulation aufsteigt. Darüber hinaus wirkt die Methanoxidation als zusätzliche chemische Quelle für Wasserdampf in der Stratosphäre (eigene Übersetzung des Autors).
Wasserdampf aus den Tropen
Der Anteil an Wasserdampf, den die Luft aufnehmen kann (sogenanntes Sättigungsmischungsverhältnis), hängt von Temperatur und Druck ab. Mit abnehmender Temperatur nimmt der Wasserdampfanteil überproportional ab. Wenn die Luft aufsteigt, verliert sie durch Kondensation fortlaufend Wasserdampf, bis der kälteste Punkt (Cold point) erreicht ist, keine weitere Kondensation erfolgt und der vorhandene Wasserdampf in die Tropopause übergeht. Über den Tropen liegt die Tropopause auf einer Höhe von 16000 bis 18000 m. Der Luftdruck ist dort gering (circa 100 Hektopascal (hPa)), die Temperatur niedrig (je nach Jahreszeit zwischen -65 °C und -80 °C). Dort beträgt der Anteil von Wasserdampf in der Luft wenige mg/m3. Wenn sich die Temperatur in der tropischen Tropopause erhöhen würde, könnte sich dieser Anteil erhöhen und dadurch mehr Wasserdampf in die Tropopause bzw. Stratosphäre transportiert werden.
In einer Studie von Tegtmeier et al. (2020) zur Entwicklung der Temperatur der tropischen Tropopause werden Datenquellen ausgewertet, die Messungen von 1979 bis 2005 umfassen. Die Auswertung kommt zu dem Schluss, dass – anders als in Klimamodellen prognostiziert – die Temperaturen in der tropischen Tropopause nicht gestiegen, sondern in den Bereichen mit Drücken zwischen 100 und 70hPa sogar um etwa 0,5°C gefallen sind.
„Long-term reanalysis trends in temperature in the upper TTL (tropical tropopause layer, Anmerkung des Autors) show good agreement with trends derived from adjusted radiosonde data sets indicating significant stratospheric cooling of around -0.5 to −1 K per decade. At 100 hPa and the cold point, most of the reanalyses suggest small but significant cooling trends of −0.3 to −0.6 K per decade that are statistically consistent with trends based on the adjusted radiosonde data sets.“ (Tegtmeier et al., 2020)
Die langfristigen Trends aus den Reanalysen der Temperatur in der oberen tropischen Troposphäre stimmen gut mit den Trends überein, die aus den bereinigten Datensätzen der Radiosonden abgeleitet wurden und auf eine signifikante stratosphärische Abkühlung von etwa -0,5 bis -1 K pro Jahrzehnt hindeuten. Bei 100 hPa und am „Cold point“ deuten die meisten Reanalysen auf geringe, aber signifikante Abkühlungstrends von -0,3 bis -0,6 K pro Jahrzehnt hin, die statistisch mit den Trends auf der Grundlage der bereinigten Datensätze der Radiosonden übereinstimmen. (eigene Übersetzung des Autors)
Wasserdampf aus Methan-Oxidation
Nach der Darstellung von (Kasang, 2024), werden ca. 40 Millionen Tonnen (t) Methan pro Jahr in der Stratosphäre zu Wasserdampf oxidiert. Ein Molekül Methan (CH4, Molgewicht: 16 g/mol, Wasser: 18 g/mol) kann nach der Reaktionsgleichung maximal zu zwei Molekülen Wasserdampf (H2O) oxidiert werden.
Hieraus entstehen damit höchstens 90 Mio. t Wasser in der gesamten Stratosphäre pro Jahr.
Wasserdampf aus der Kerosinverbrennung
Wie sieht es mit dem Wassereintrag des Flugverkehrs aus? Der Kerosinverbrauch lag im Jahr 2019 nach Angaben der Vereinten Nationen bei 388 Millionen Tonnen (UN-Energy Statistics Pocketbook. 2022). Kerosin besteht aus langkettigen Kohlenwasserstoffen hier am Beispiel von Decan abgebildet:
Die Verbrennung langkettiger Kohlenwasserstoff-Moleküle lässt sich näherungsweise ohne Berücksichtigung der endständigen Wasserstoffatome durch folgende Gleichung angeben:
Damit entsteht aus einem Teilmolekül CH₂ ein Wassermolekül H₂O. CH₂. hat Molgewicht 14 g/mol, H₂O 18 g/mol, d.h. aus einer Tonne Kerosin entsteht circa. 1,28 t Wasser. Wenn man für Steig- und Sinkflug 5% abrechnet, verbleiben 1,2 t Wasser pro Tonne Kerosin in der Tropopause oder auf ein Jahr gerechnet knapp 465 Mio. t.
Vergleich der Wasserdampfeinträge
Für den Vergleich der Wasserdampfeinträge muss der Bereich abgegrenzt werden, in dem verglichen werden soll. Der Flugverkehr findet überwiegend auf der Nordhalbkugel und dort nördlich des 30. Breitengrades und nochmal verdichtet über den USA, dem Nordatlantik und Europa statt. Damit ist der Vergleich im Wesentlichen für die Nordhalbkugel relevant. Methan dürfte größenordnungsmäßig mit circa 45 Mio. t nur geringen Einfluss haben. Der Eintrag in der tropischen Tropopause (am „Cold Point“) scheint derzeit nicht relevant zu sein, da die Temperaturen nach der oben zitierten Studie dort eher sinken. Der wesentliche Anteil ist damit zumindest für die Nordhalbkugel auf den Flugverkehr zurückzuführen.
Indizien für Änderungen der Atmosphärenparameter in der Tropopause
Abbildung 2 Durchschnittstemperaturen in der Tropopause in Grad Kelvin (K) für die Monate Januar und Juli in den Jahren 1996-2021 (gemessen in 10-12.000 Meter Höhe, 30-60 Grad nördlicher Breite), eigene Abbildung mit Daten von https://iagos.aeris-data.fr/, Lizenz: Creative Commons BY 4.0 (CC BY 4.0)
Rohdaten der Tropopause werden im Rahmen des Projektes IAGOS (IAGOS 2022) erfasst. Über ein Messmodul, das in Verkehrsflugzeugen mittransportiert wird, werden laufend Parameter der das Flugzeug umgebenden Atmosphäre, insbesondere Temperatur und Wasserdampf, ermittelt.
Die in Abbildung 2 dargestellte Auswertung basiert auf Daten der Monate Juli und Januar für die Zeit von 1996 bis 2021 von in Frankfurt startenden und landenden Flugzeugen. Die Auswertung wurde eingeschränkt auf den Breitenbereich 30 Grad bis 60 Grad Nord, Höhe zwischen 10000m und 12000m. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, betrug die Durchschnittstemperatur über alle Messpunkte für Juli 224 K (-49°C) und für Januar 217 K (-56°C). Das Jahr 2002 wurde wegen der starken Abweichung in den Mittelwert nicht einbezogen; für Juli 2010 standen keine Werte zur Verfügung.
Die Temperaturdifferenz zwischen den Januar- und Juli-Mittelwerten beträgt 7°C. Es fällt auf, dass die Temperatur im Dezember 2001 und Januar 2002 um ca. 15 °C unter dem Mittelwert der anderen Jahre liegt. Messfehler können ausgeschlossen werden, da z.B. im Januar 2002 46 Messflüge mit 184000 Messpunkten erfasst wurden.
Abbildung 3 Durchschnittstemperaturen in der Tropopause in Grad Kelvin (gemessen von Juni 2001 bis Juni 2002 in 10-12.000 Metern Höhe, 30-60 Grad nördlicher Breite), eigene Abbildung mit Daten von https://iagos.aeris-data.fr/, Lizenz: Creative Commons BY 4.0 (CC BY 4.0)
Abbildung 3 zeigt, dass die Temperatur-Mittelwerte 2001 schon ab September gefallen sind, im November bereits bei 215 K lagen, ein Wert, der in den anderen Jahren erst im Januar erreicht wird. In jedem Fall wurden diese Werte vielfach gemessen und deuten darauf hin, dass in dem Winter 2001/2002 deutlich niedrigere Temperaturen in der Tropopause herrschten.
Die Ursache für den stärkeren Temperaturrückgang im Winter 2001/2002 wird man vielleicht nicht mehr klären können.
Es ist eigentlich nicht plausibel, dass trotz der stark unterschiedlichen Sonnenscheindauer in unseren Breiten (Mitte Juli für Deutschland: knapp 16 Stunden, Mitte Januar: knapp 9 Stunden) der Temperaturrückgang im Winter in der Tropopause nur 7 °C beträgt. Könnte es sein, dass sich die Tropopause durch den regelmäßigen Wassereintrag stärker als in früheren Zeiten erwärmt? Vielleicht haben wir im Winter 2001/2002 für eine kurze Zeit die Wintertemperatur der ungestörten Tropopause gesehen. Vielleicht sind die Winter deshalb verschwunden.
Literaturverzeichnis
- Charlesworth, E.; Plöger ,F; Birner et al.: Stratospheric water vapor affecting atmospheric circulation, 2023.
- https://iagos.aeris-data.fr/ (abgerufen am 20.12.2022)
- https://opendata.dwd.de/climate_environment/CDC/observations_germany/climate/hourly/air_temperature/historical/ (abgerufen am 22.06.2024)
- Kasang, D.: Methan (2024); https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Methan
- Stocker, T.F., Qin, D., Plattner, G.-K. et al. (Hrsg.). Deutsche Übersetzung durch die deutsche IPCC-Koordinierungsstelle und Klimabüro für Polargebiete und Meeresspiegelanstieg, Bonn, 2017
- Tegtmeier, S; Anstey, J; Davis, S et al.: Temperature and tropopause characteristics from reanalyses data in the tropical tropopause layer, 2020, Atmospheric Chemistry and Physics.
- Department of Economic and Social Affairs, United Nations: Energy Statistics Pocketbook 2022.
