Klimawandel Globale Erkältung

Globale Erwärmung? Am letzten Sommertag dieses Jahres präsentiert sich das Zugspitzplatt tief verschneit. Minus zwei Grad zeigt das Thermometer auf Deutschlands höchstem Gipfel an. Nur wenige Besucher haben sich an diesem Tag hierher verirrt, dabei schien das Besucherplateau noch ein paar Tage zuvor bei Sonnenschein unter der Last der Menschen zusammenzubrechen. Einige arabische Touristinnen setzen mit ihren schwarzen Schleiern den einzigen Kontrastpunkt vor der weiß-grau verschneiten Landschaft. Sie haben sich den Besuch hier oben sicher anders vorgestellt, das Alpenpanorama können sie wegen des Schneetreibens allenfalls auf den Fotografien der Informationstafeln bewundern.

Trügerische Wahrnehmung

Man könnte es den würdigen Abschluss eines durchwachsenen Sommers nennen. Doch Wetter und Klima sind bekanntlich grundverschiedene Dinge, und so hat das subjektive Wetterempfinden mit der globalen Realität wenig zu tun. Tatsache ist: Der August 2012 war in den Alpen der viertwärmste seit rund 250 Jahren, und der arktische Meereisschild schmilzt einem neuen Minusrekord entgegen. Warum ist die Wahrnehmung für viele Menschen dennoch eine andere - im Gegensatz zur Mehrzahl der Wissenschaftler? Deutlich zeigte dies eine im Jahr 2008 durchgeführte Umfrage von Peter Doran und Maggie Zimmerman von der University of Illinois in Chicago.

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Von den Befragten, vorwiegend amerikanische Klimaforscher, waren neunzig Prozent der Ansicht, dass die globale Temperatur seit dem neunzehnten Jahrhundert gestiegen ist, und etwa achtzig Prozent glaubten, dass daran menschliche Aktivitäten einen signifikanten Anteil haben. In der Gesamtbevölkerung der Vereinigten Staaten teilte dagegen nur rund die Hälfte der Befragten diese Ansicht. Ist der Grund für diese verbreitete Meinung, dass ein paar verregnete Sommertage eher prägen als abstrakte Zahlen? Der Weltklimarat IPCC prognostiziert eine durchschnittliche Erwärmung am Erdboden von 0,18 Grad pro Jahrzehnt, gemittelt über die Messdaten der vergangenen 25 Jahre. Klingt diese globale Fieberkurve vielleicht nicht dramatisch genug?

Unten wärmer, oben kälter

Womöglich könnte ein Blick nach oben, in die höheren Luftschichten eine eindeutige Antwort liefern. „In der Mesosphäre und ihrer oberen Grenzschicht, der Mesopause in achtzig bis hundert Kilometer Höhe, sollte die Temperaturänderung mindestens zehnmal so stark ausfallen, wie auf der Erdoberfläche - um zwei bis drei Grad pro Jahrzehnt“, sagt der Klimaforscher Michael Bittner vom Fernerkundungsdatenzentrum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen bei München, das auf dem höchsten Berg Deutschlands regelmäßig Klimamessungen vornimmt. Nur die Richtung der Temperaturänderung ist umgekehrt. „Während die Zufuhr von Treibhausgasen wie Kohlendioxid am Erdboden für eine Erwärmung sorgt, sollte sie in der Mesosphäre und der Mesopause zu einer langfristigen Abnahme der Temperatur führen. Wir nennen das ,cooling to space’, also die verstärkte Abstrahlung von Wärme in den Weltraum.“ Im für Besucher normalerweise nicht zugänglichen Schneefernerhaus, auf 2600 Meter Höhe zwischen Zugspitzplatt und Gipfel, stehen zwei von Bittners Messgeräten. Das ehemalige Hotel, spektakulär mit seinen neun Etagen in den Fels gebaut, beherbergt seit 1999 eine Forschungsstation unter der Schirmherrschaft des bayerischen Umweltministeriums. Normalerweise laufen die Messungen ferngesteuert. Wenn alles gut läuft, braucht im Grunde niemand den weiten Weg hier hoch zu machen.

Verräterische Hochatmosphäre

Die Mesopause ist dank des Kühleffekts gewissermaßen der Eisschrank unseres Planeten: Bis zu minus hundert Grad werden hier im Sommer gemessen. Der Grund: Der Mesopause fehlt eine dichte Luftschicht als wärmende Decke. Dadurch strahlt sie mehr Wärme ins All ab als die darunter liegenden Atmosphärenschichten. Modellrechnungen prognostizieren, dass dieser Effekt durch die wachsenden Emissionen von Klimagasen noch verstärkt wird - ein Trend, den die Klimaforschung für sich nutzen will. Denn gelänge es, die Temperatur der Hochatmosphäre kontinuierlich zu überwachen, könnte man globale Entwicklungen schneller erkennen. „Wir wären in der Lage, der Politik aussagekräftigere Daten an die Hand zu geben.“

Leuchtendes Thermometer

Wie aber misst man die Temperatur in einer solchen Höhe? Die Mesosphäre liegt zu hoch für Flugzeuge oder Forschungsballons, aber zu tief für Satelliten. Forschungsraketen sind für eine kontinuierliche Überwachung ungeeignet. Bittner und seine Kollegen versuchen deshalb auch gar nicht erst, ihre Thermometer direkt nach oben zu schicken. Ihnen reicht die Zugspitze. In einem kleinen Messraum des Schneefernerhauses observieren zwei sogenannte Infrarotspektrometer durch in die Fenster eingelassene Sehschlitze den Himmel über den Alpen. Klein und kompakt, passen die Instrumente gerade so auf die schmalen Fensterbänke. Jetzt, am frühen Nachmittag, verdecken allerdings schwarze Blendscheiben ihre empfindlichen Augen. Gemessen wird nämlich nur nachts.

Grünliche Lichtschale

Denn die Mesopause ist nicht nur kalt, sie leuchtet auch. In hundert Kilometer Höhe ionisiert die ultraviolette Strahlung der Sonne die Atome der Atmosphäre und bricht Moleküle auf. Die Bruchstücke finden anschließend wieder zusammen und geben dabei ihrerseits Energie in Form von Licht ab. Um viele Größenordnungen schwächer als das Sonnenlicht, ist die Strahlung bei Tage nicht zu sehen. Doch selbst nachts, wenn die Sonne längst nicht mehr als Energiespender zur Verfügung steht, glimmt die Mesopause noch. Astronomen kennen das Phänomen als Nachthimmelsleuchten oder „Airglow“. Es ist unter günstigen Bedingungen sogar mit bloßem Auge zu erkennen - und der Grund dafür, warum der Nachthimmel selbst abseits künstlicher Beleuchtung anders als im Weltraum nie völlig schwarz ist. Für Astronauten umgibt das Airglow den Globus wie eine dünne, grünlich schimmernde Schale.

Weltweites Spektrometernetz

Am intensivsten ist das Leuchten im Bereich der für das menschliche Auge unsichtbaren Infrarotstrahlung. Auf diese Wellenlängen sind die Spektrometer im Schneefernerhaus ausgelegt. Misst man die relativen Intensitäten bestimmter Spektrallinien, so kann man daraus die Geschwindigkeit der Gasmoleküle und damit letztlich die Temperatur ermitteln. Obgleich die Messung nur nachts und bei klarem Himmel funktioniert, eignet sich dieses Verfahren besser als jedes andere zur kontinuierlichen Überwachung der Mesopause. „In etwa achtzig Prozent der Nächte können wir messen, denn die Geräte sind schnell genug, um selbst kleinere Wolkenlücken auszunutzen“, sagt Michael Bittner. Seit 2005 laufen die Messungen auf der Zugspitze, inzwischen stehen baugleiche Spektrometer auch in Norwegen, Italien, Spanien, Georgien, Frankreich und Israel. Ein weiteres System wird gegenwärtig für die deutsche Neumayer-Station in der Antarktis vorbereitet. Alle Instrumente sind Teil des weltweiten NDMC-Netzwerks (“Network for the Detection of Mesopause Change“), dem zurzeit 54 Stationen auf allen Kontinenten angehören. Nicht nur in Deutschland, sondern weltweit hat man die Bedeutung der Hochatmosphäre für die Klimaforschung erkannt. Die Daten aller Stationen laufen im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum in Oberpfaffenhofen zusammen, von wo aus sie auch öffentlich zugänglich gemacht werden.

Widersprüchliche Resultate

Nach mehreren Jahren der Messung formen die Daten langsam ein Bild. Im September dieses Jahres trafen sich die Mitglieder des NDMC-Netzes in Buenos Aires. Sie hatten reichlich Diskussionsstoff, denn der erwartete Trend zur Abkühlung zeichnet sich zwar ab - so etwa bei einer der längsten kontinuierlichen Messreihen, die ebenfalls in Deutschland gelaufen sind. Seit Anfang der achtziger Jahre messen Wissenschaftler unter Leitung von Dirk Offermann an der Bergischen Universität Wuppertal die Temperatur der Mesopause. Ihre im Jahr 2010 veröffentlichte Zeitreihe umfasst 21 Jahre und zeigt tatsächlich eine mittlere Abkühlung um 2,3 Grad pro Jahrzehnt. Doch die Daten der anderen, weltweit verteilten Stationen sind widersprüchlich, nicht alle bestätigen den Trend der Abkühlung. Bei einigen ist die Temperaturabnahme deutlich geringer, andere wiederum registrieren bislang keine Temperaturänderung oder sogar eine leichte Erwärmung. Bittner beunruhigt das aber nicht: „Was wir sehen, ist, dass die Mesosphäre eine hohe Dynamik auf unterschiedlichen raumzeitlichen Skalen besitzt. Prozesse, die wir gerade erst zu verstehen beginnen.“

Windige Luftschichten

Überhaupt dürfe man sich die Hochatmosphäre nicht wie ein ruhiges, statisches Gebilde vorstellen. Auch in der Mesosphäre und der Mesopause blasen kräftige Winde, werden die Luftmassen durch großräumige Strömungen durcheinandergewirbelt, breiten sich Erdbebenwellen über den Globus aus. „Es überrascht nicht, dass nicht alle Stationen auf der Welt die gleichen Temperaturen messen. Wir bemerken, dass sich auch die Strömungsverhältnisse zu ändern scheinen, vermutlich ein weiterer Effekt des Klimawandels.“ So zeigt etwa die Wuppertaler Messreihe, dass die Mesopause ab Mitte der neunziger Jahre pro Jahr stärker abkühlt als in den Jahren zuvor. Eine Erklärung dafür gibt es bislang nicht.

Der Faktor Sonne

Es könnte auch noch etwas dauern, bis alle diese Effekte verstanden sind, denn sie sind so zahlreich wie vielfältig. Mesosphäre und Mesopause werden an der Schnittstelle zwischen Weltraum und unterer Atmosphäre gewissermaßen von beiden Seiten in die Zange genommen: Pausenlos wird die Luftschicht von kosmischer Strahlung bombardiert. Abertausende Meteoriten treten pro Tag in die Mesosphäre ein und verglühen. Gezeitenkräfte, bekannt durch ihre Auswirkungen auf den Tidenhub der Weltmeere, wirken auch auf die Hochatmosphäre. Den größten Einfluss aber hat die Sonne. So verlagert sich die Höhe der Mesopause allein durch den Wechsel der Jahreszeiten um mehrere Kilometer, ihre Temperatur schwankt von Sommer zu Winter um 40 Grad oder mehr.

Die Erdbebenwellen in der Mesopause

Vor allem aber ist die Intensität der Sonnenstrahlung nicht konstant - sie schwankt im Aktivitätsrhythmus der Sonne von elf Jahren. Effekte, die bei langfristigen Trendmessungen berücksichtigt werden müssen. Aber auch von „unten“ werden Mesosphäre und Mesopause beeinflusst. Atmosphärische Dichteschwankungen, ausgelöst durch Wetterphänomene in den tiefer liegenden Luftschichten, durch Gebirge oder Land-See-Übergänge, pflanzen sich bis in große Höhen fort und sorgen dort für Temperaturänderungen in Zeiträumen von Stunden oder Tagen. Das gilt auch für geologische Ereignisse: Vulkanausbrüche und Erdbeben senden für den Menschen unhörbare Infraschallwellen aus. In der Mesopause werden diese Wellen wegen der abnehmenden Luftdichte um ein Vielfaches verstärkt und verursachen Temperaturschwankungen um mehrere Grad. Solche Störungen klingen zwar innerhalb weniger Minuten wieder ab, sie sind mit den modernen Spektrographen aber deutlich zu erkennen.

Neuartiges Tsunami-Warnsystem

Wenngleich sie bei der Ermittlung des langfristigen Temperaturtrends Schwierigkeiten machen, könnten solche Effekte auch nützlich sein: „Registrieren seismologische Stationen ein Erdbeben unter einem Ozean, dann könnten unsere Spektrometer bereits wenige Minuten später feststellen, ob es dabei zu vertikalen Verlagerungen des Ozeanbodens gekommen ist, die einen Tsunami auslösen können. Denn die seismischen Aktivitäten produzieren Infraschallwellen, die sich über das Meerwasser bis in die obere Atmosphäre ausbreiten“, erklärt Bittner. „Vielleicht erlaubt unser Verfahren einmal die Verbesserung der heutigen Tsunami-Warnsysteme.“

Ein zu komplexes System

Noch ist das Zukunftsmusik. Zunächst haben Bittner und seine Kollegen mit ganz anderen Schwierigkeiten zu kämpfen. Sie müssen verstehen, was die unterschiedlichen Messergebnisse der verschiedenen Stationen verursacht. Erst dann könnte ihr Verfahren auch Prognosen für die zukünftige Temperaturentwicklung ermöglichen. Die Atmosphäre ist ein hochkomplexes System, in hundert Kilometer Höhe ebenso wie unten am Boden. Erst langsam beginnen die Forscher zu verstehen, was an der Grenze zum Weltraum abläuft. Sicher ist: Auf lange Sicht ist die globale Abkühlung der oberen Atmosphäre eine Tatsache - so wie die Erwärmung am Boden. Als der sommerliche Schnee-Spuk auf der Zugspitze zwei Tage später vorbei ist, benötigt man kein aufwändiges Messinstrumentarium, um die Auswirkung des Klimawandels zu erkennen: Die kümmerlichen Reste des Schneefernergletschers machen die Erderwärmung augenfällig. Verglichen mit seiner Ausdehnung Ende des neunzehnten Jahrhunderts, hat der Gletscher rund vier Fünftel seiner Fläche verloren. Geht die Entwicklung so weiter, dürfte er bis 2030 komplett verschwunden sein, wie auch viele andere Eisfelder auf der Welt. Auch die ausgefeiltesten Messtechniken werden das nicht verhindern können.