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Klimawandel lässt Mesosphäre schrumpfen

Atmosphärenschicht in 50 bis 80 Kilometer Höhe verliert pro Jahrzehnt 150 bis 200 Meter

Nachtwolken
Leuchtende Nachtwolken über dem Nordpolargebiet – sie entstehen in der Mesosphäre und sind in den letzten Jahrzehnten häufiger geworden.© NASA/ HU/VT/CU-LASP/ AIM, Joy Ng

Paradoxer Effekt: Die zunehmenden Kohlendioxidwerte der unteren Atmosphäre machen die darüberliegende Mesosphäre kälter und dünner. Dadurch schrumpft sie pro Jahrzehnt um 150 bis 200 Meter, wie nun Satellitenmessungen bestätigen. Diese Veränderungen könnten unter anderem erklären, warum das Phänomen der leuchtenden Nachtwolken häufiger geworden ist – Eiswolken, die nur an der Obergrenze der polaren Mesosphäre vorkommen.

Die Mesosphäre ist die mittlere der fünf großen Atmosphärenschichten und schließt sich oben an die Stratosphäre an. Sie beginnt in rund 50 Kilometer Höhe und reicht bis 85 Kilometer weit hinauf. Dort, an ihrer Obergrenze, werden mit minus 90 Grad die kältesten Temperaturen der gesamten Erdatmosphäre erreicht. In diesem Bereich der Mesosphäre haben auch mehrere optische Phänomene ihren Ursprung, darunter das erst vor kurzem entdeckte Polarlicht-Phänomen „Dune“, aber auch die leuchtenden Nachtwolken – von unten angestrahlte Eiswolken, die vor allem im Polarsommer entstehen.

Mesosphäre
Lage der Mesosphäre. © Niko Lang/ CC-by-sa 3.0

Langzeit-Blick in die Mesosphäre

Schon länger sagen Klimamodelle voraus, dass auch die Mesosphäre von den steigenden CO2-Gehalten der Atmosphäre beeinflusst wird. Während das Treibhausgas jedoch die unteren Atmosphärenschichten aufheizt, wirkt es gleichzeitig wie eine Art isolierender Wärmedecke und lässt weniger Wärme in höhere Schichten aufsteigen. Dadurch kühlen sich Stratosphäre und Mesosphäre ab.

Unklar war aber bisher, in welchem Maße diese mesosphärische Abkühlung auf den Klimawandel zurückgeht, weil sie auch stark von äußeren Faktoren wie dem Sonnenzyklus beeinflusst wird. „Man braucht mehrere Jahrzehnte an Messdaten, um einen Eindruck der langfristigen Trends zu erhalten und zu trennen, was davon von Treibhausgas-Emissionen, dem Sonnenzyklus und anderen Faktoren verursacht wird“, erklärt Erstautor Scott Bailey vom Virginia Institute of Technology.

Um Klarheit zu schaffen, haben er und sein Team nun 29 Jahre an Daten von drei verschiedenen Satelliten ausgewertet, die kontinuierlich Temperatur und Luftdruck der oberen Atmosphäre über beiden irdischen Polargebieten messen. Dadurch erhielten sie einen bis ins Jahr 1991 zurückreichenden Datensatz.

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Immer kälter und dünner

Die Auswertungen bestätigen den Einfluss des Klimawandels auch auf die Mesosphäre. Neben den periodischen Schwankungen durch den Sonnenzyklus sei in den Zeitreihen ein linearer Abwärts-Trend der Temperaturen zu erkennen, so das Forschungsteam. Demnach hat die Temperatur der sommerlichen Mesosphäre in den letzten knapp 30 Jahren um ein bis zwei Grad pro Jahrzehnt abgenommen. Das bestätige die Ergebnisse der theoretischen Modelle, so Bailey und seine Kollegen.

Gleichzeitig gibt es einen zweiten Effekt: Durch die Abkühlung sinkt der Druck in der Mesosphäre und sie zieht sich stärker zusammen. Als Folge verliert die Obergrenze dieser Schicht an Höhe – die Mesosphäre schrumpft. „Die Rate dieses Schrumpfens liegt bei 150 bis 200 Meter pro Jahrzehnt“, berichten die Wissenschaftler. „Unsere Daten sind der erste Beobachtungsbeleg für diesen Schrumpfungseffekt.“

Rätsel um leuchtende Nachtwolken

Die allmähliche Abkühlung der Mesosphäre könnte auch erklären, warum in den letzten Jahren vermehrt leuchtende Nachtwolken beobachtet wurden. Typischerweise treten diese Eiswolken im Sommer über den Polargebieten auf, wenn Kälte, Sonne und genügend Wasserdampf für Eiskristalle zusammenkommen. In den letzten Jahrzehnten kommen diese Nachtwolken jedoch häufiger, früher und weiter südlich vor als zuvor.

Leuchtende Nachtwolken über einem See in Finnland © Martin Koitmäe / CC-by-sa 3.0

„Der einzige Grund, warum man diese Veränderungen bei den Wolken erwarten würde, wäre, dass die Temperaturen in der Mesosphäre sinken und der Wassergehalt steigt“, erklärt Bailey. Eine erhöhte Feuchtigkeit wurde für die Stratosphäre bereits gemessen. Bei den Temperaturen besteht allerdings ein Problem: Zwar wird die Mesosphäre kälter, ihre Obergrenze aber offenbar nicht: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich der Temperaturtrend in der Höhe umkehrt, in der die polaren Mesosphärenwolken entstehen“, berichten die Wissenschaftler. „Diese Trendumkehr ist angesichts der zunehmenden Mesosphärenwolken merkwürdig.“

Um diesen scheinbaren Widerspruch zu klären, wollen Bailey und sein Team nun die Bildung der leuchtenden Nachtwolken noch genauer und auch jenseits der Polarregionen untersuchen. Dafür planen sie Analysen von Satellitendaten zur Mesosphäre auch für niedrigere Breiten. (Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2021; doi: 10.1016/j.jastp.2021.105650)

Quelle: NASA

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