Wie schillernde Wolken das Klima aufheizen

Kurz nach der Wintersonnenwende gab es im Tessin ein so seltenes wie sehenswertes Naturschauspiel zu bestaunen. Am 22. Dezember 2023 formten sich dort schillernde, halbdurchsichtige Perlmuttwolken.

Bei den farbig leuchtenden Wolken handelte es sich um polare Stratosphärenwolken (polar stratospheric clouds, PSCs), die hierzulande kaum vorkommen. Normalerweise sind PSCs unsichtbar. Nur bei geeignetem Lichteinfall fangen sie an zu schillern. In den nördlichen Breiten kommen PSCs etwa zehnmal im Jahr vor, am Südpol treten sie noch häufiger auf.

Die seltenen Wolken könnten eine wichtige Rolle bei der Erderhitzung spielen, fanden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Australien kürzlich heraus – und zwar im Zusammenhang mit dem Klimagas Methan.

Warum die Pole sich so stark erwärmen – bisherige Erklärungen

Dabei geht es vor allem um den Temperaturanstieg an den Polen. Kein Bereich der Erde hat sich wegen der Klimakrise so stark erhitzt. Die Arktis erwärmt sich viermal so schnell wie der Rest des Planeten.

Einige Ursachen sind bekannt. Darunter

• der Albedo-Effekt. Dieser bezeichnet die Tatsache, dass helle Flächen wie frischer Schnee mehr Strahlung reflektieren als dunkle wie Meerwasser. Je mehr Eis schmilzt, desto wärmer wird es.
• die Rolle des schwächer werdenden Golfstroms, der ein Teil des transatlantischen Strömungssystems AMOC ist.
• die Auswirkung des sich verlangsamenden globalen Höhenwinds Jetstream, der häufiger als früher für lange anhaltende Wetterlagen sorgt.

Was Perlmuttwolken damit zu tun haben sollen

Aktuelle Klimamodelle unterschätzen dennoch regelmässig den Temperaturanstieg. Ein Grund dafür könnten die irisierenden Wolken in der Stratosphäre sein – im Zusammenspiel mit dem Klimagas Methan. PSCs sind besondere Wolken. Sie entstehen nur, wenn es in einer Höhe von 15 bis 25 Kilometern kälter wird als minus 78 Grad. 

Dann legen sie sich wie eine isolierende Decke über die Pole und tragen dazu bei, die Erde zu erwärmen. So die Theorie der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sie im Dezember in «Nature Geoscience» veröffentlichten. Aber was hat das mit Methan zu tun?

Aber was hat das mit Methan zu tun?

Dazu muss man wissen, wie Wolken entstehen, was PSCs besonders macht und wie die Forschenden darauf kamen. Wasser in der Luft ist normalerweise unsichtbar. Erst wenn sich daraus Tröpfchen bilden, sind die Klumpen aus Wassermolekülen gross genug, um das Licht abzulenken – was wir dann als Nebel oder Wolke sehen.

In der Stratosphäre ist die Luft sehr trocken. PSCs oder Perlmuttwolken bestehen meist aus Säuren wie Schwefelsäure, an denen sich Wasserkristalle anlagern können. Und da kommt Methan ins Spiel. Das Treibhausgas, das um ein Vielfaches wirksamer ist als CO₂, kann Wasser abspalten.

«Wir wissen, dass Methan in der Atmosphäre oxidiert wird und dabei Wasserdampf entsteht», erklärt die Klimaforscherin und Hauptautorin Deepashree Dutta gegenüber dem US-Magazin «Wired». «Dieser Wasserdampf steigt dann in die Stratosphäre auf und trägt zur Bildung von polaren stratosphärischen Wolken bei.» Die Erwärmung kann in den kalten Wintermonaten bis zu sieben Grad betragen, rechneten die Forschenden aus.

Wie wir aus der Erdgeschichte für die Klimakrise lernen können

Das war schon einmal so. Oder zumindest so ähnlich. Im Eozän vor etwa 50 Millionen Jahren waren die Treibhausgaskonzentrationen viel höher als heute und die Erde viel wärmer. Methan spielte dabei eine grosse Rolle.

Damals sah die Erdoberfläche aber noch anders aus als heute. Das Himalaya-Gebirge war beispielsweise noch nicht voll ausgebildet, Grönland lag niedriger und darauf lag keine dicke Eisschicht. Die Luft konnte besser zirkulieren – günstige Voraussetzungen für die Bildung von polaren Stratosphärewolken und die Grundlage für das australische Rechenmodell.

Der heutige Zustand der Erdoberfläche sei eine gute Nachricht, sagt Dutta. Das Ausmass der PSCs werde nicht so hoch sein wie im Eozän. Vor 50 Millionen Jahren herrschte ein ausgeprägtes Warmklima, die Pole waren so gut wie eisfrei.

Wenn die Menschheit weiterhin Methan in die Atmosphäre ausstösst, könnte dies aber den stratosphärischen Wasserdampf liefern, der zur Bildung weiterer unsichtbarer Wolken erforderlich ist. Die schillernden Wolken könnten häufiger auftreten, was zu einer weiteren Erwärmung der Pole führen könnte.

PSCs haben womöglich noch andere Klimawirkungen

Allerdings sind Wolken eine der grossen Unbekannten bei Wetter- und Klimaprognosen. Sie sind schwer zu analysieren und zu berechnen, können aber einen grossen Einfluss haben. «Die Intensität der Rückkopplungen, an denen Wolken beteiligt sind, ist nach wie vor mit den grössten Unsicherheiten behaftet», verdeutlicht die Atmosphärenchemikerin Sophie Szopa, die das Klima des Eozäns am französischen Labor für Klima- und Umweltwissenschaften bei Paris untersucht hat.

Das ist nur ein Grund, die Ausnahme-Wolken genau zu untersuchen. PSCs spielen auch eine Rolle bei der Entstehung des Ozonlochs. Was ebenfalls Einfluss auf das Klima hat, sagen Forschende der ETH Zürich. Sie führen häufiger auftretende Wetteranomalien auf das Ozonloch in der Arktis zurück.