Rückkopplungseffekt

Bedeutung, Funktion und Rolle im Klimawandel

Uns ist bereits bekannt, dass eine erhöhte Konzentration an Treibhausgasen in unserer Atmosphäre den Treibhauseffekt ankurbelt und dass dadurch die globale Durchschnittstemperatur steigt (siehe Artikel „Treibhauseffekt“). Diese Erwärmung beeinflusst unser Klimasystem massiv und löst weitere Reaktionen aus. Am bekanntesten und deutlich beobachtbar ist das Abschmelzen des arktischen Eises – nicht umsonst ist das Bild vom Eisbär, der auf einer kleinen Eisscholle am Meer dahintreibt, quasi zum Symbolbild des Klimawandels geworden. Die Eisschmelze schreitet aber besonders schnell voran. Der Grund dafür ist der Rückkopplungseffekt, der durch die erhöhte Temperatur ausgelöst wird und dadurch die Schmelze noch weiter verstärkt. Der Rückkopplungseffekt spielt im gesamten Klimasystem eine wichtige Rolle und ist für den weiteren Verlauf des Klimawandels von großer Bedeutung.

Was bedeutet Rückkopplung?

„Rückkopplung“ (engl: „feedback“) heißt, dass ein bestimmter Vorgang sich selbst verstärkt bzw. sich selbst abschwächt. Dieser Begriff kommt nicht nur in der Klimatologie vor, sondern auch in einigen weiteren Disziplinen, wie etwa in der Physik: Bestimmt kennt ihr diesen immer lauter werdenden, ohrenbetäubenden Ton, der entsteht, wenn ein Mikrophon zu nahe zum Lautsprecher kommt. Das akustische Signal ist in einen Kreislauf zwischen Mikrofon, Verstärker und Lautsprecher geraten – dadurch verselbstständigt es sich und wird lauter. Bei diesem Beispiel handelt es sich um eine positive Rückkopplung, bei der das Ergebnis eine Selbstverstärkung ist. Umgekehrt gibt es auch die negative Rückkopplung, die sich durch Selbstbegrenzung auszeichnet – dabei schwächt sich ein Vorgang selbst ab oder hebt sich auf.

Achtung: Bei „positiv“ und „negativ“ ist hier nicht von der Bewertung „gut“ und „schlecht“ die Rede, sondern verweist vielmehr auf den sachlichen Unterschied zwischen „da sein“ und „nicht da sein“. Zum Vergleich: Bei einem medizinischen Testergebnis heißt es auch „positiv“ oder „negativ“ – doch je nachdem, worum es sich genau handelt (z.B. Schwangerschaft, Erkrankung), fällt die individuelle Bewertung gut oder schlecht aus.

Die Eis-Albedo-Rückkopplung

Das zu Beginn erwähnte Szenario vom schmelzenden Arktiseis ist ein berühmtes Beispiel für eine positive Rückkopplung. Die genaue Bezeichnung heißt „Eis-Albedo-Rückkopplung“, die eine Wechselwirkung zwischen der Kryosphäre und dem gegenwärtigen Zustand der Atmosphäre darstellt.

Der Begriff „Albedo“ (lat. „weiße Farbe“), bezeichnet das Rückstrahlungsvermögen der Oberfläche eines Gegenstandes und gibt an, wie groß der Anteil an Sonnenstrahlen ist, die reflektiert werden. Je heller (= weißer) eine Oberfläche ist, desto mehr Sonnenstrahlen wirft sie zurück. Neuschnee, beispielsweise, reflektiert enorm viel Licht, sodass wir uns etwa bei einem Winterspaziergang geblendet fühlen. Je dunkler (= schwärzer) hingegen eine Oberfläche ist, desto weniger Sonnenstrahlen wirft sie zurück. Infolgedessen wird der Gegenstand durch die aufgenommene Sonnenenergie erwärmt – der Grund dafür, warum sich dunkler Asphalt im Sommer besonders stark erhitzt.

Im Falle der Arktis bedeutet dies, dass das helle Eis 80% der Sonneneinstrahlung reflektiert, während das dunkle Meerwasser nur 20% Reflexionsvermögen besitzt, dadurch mehr Sonnenenergie aufnimmt und sich stärker erwärmt. Dieser große Unterschied spielt eine wichtige Rolle, wenn sich die Lufttemperatur in der Umgebung erhöht und dadurch das Schmelzen des Eises in Gang setzt: Durch die Schmelze geht helle Oberfläche verloren und die Menge an dunklem Wasser nimmt zu. Auf diese Weise wird mehr Sonnenstrahlung aufgenommen, wodurch sich das Wasser weiter erwärmt und mehr Eis schmilzt. Infolgedessen entsteht noch mehr dunkle Wasseroberfläche und folglich mehr Wärme, die die Schmelze verstärkt … usw.


Dieser Effekt funktioniert auch in die andere Richtung: Sinkt die Lufttemperatur, gefriert mehr Wasser. Dadurch entsteht mehr helle Eisfläche, die mehr Sonnenstrahlen reflektiert. Gleichzeitig wird die dunkle Oberfläche des Wassers geringer, womit weniger Erwärmung stattfindet. Das wiederum löst eine verstärkte Eisbildung aus.

Bei der Eis-Albedo-Rückkopplung handelt es sich also um einen Vorgang, bei dem die Umgebungstemperatur das Schmelzen bzw. das Wachsen des Meereises in Gang setzt und sich aufgrund des Reflexionsvermögens dieser Vorgang verselbstständigt und intensiviert.

Die Größe des arktischen Eisschilds unterliegt natürlichen, jahreszeitlichen Schwankungen: Bei kühlen Temperaturen im Winter wächst das Eis, während es im Sommer bei wärmeren Temperaturen wieder zurückgeht – der Eis-Albedo-Rückkopplungseffekt trägt seinen Anteil dazu bei. Seit 2010 jedoch wird ein Trend zur beschleunigten Schmelze beobachtet. Die durchschnittliche Meereisausdehnung in den Septembermonaten von 1981 (Messbeginn) bis 2010 betrug 6,41 Millionen km². Im September 2020 lag der Wert nur mehr bei 3,92 Millionen km² – das ist die zweitgeringste Ausdehnung seit Messbeginn. Geht der Trend in dieser Form so weiter, steuern wir laut Klimaforschung auf eine saisonal eisfreie Arktis zu.

Hier ein kurzer Beitrag von WetterOnline zum Eisrückgang in der Arktis von 1979 bis 2020:


Hier noch ein Link zu einer sehr anschaulichen Visualisierung von Eisschmelze, Meeresspiegelanstieg, CO2-Ausstoß und globalem Temperaturanstieg: Nasa – Climate Time Machine

Ein weiteres Beispiel für einen positiven Rückkopplungseffekt ist das Auftauen des Permafrostbodens in Sibirien, in welchem große Mengen an Methan, ein sehr wirksames Treibhausgas, gespeichert sind. Wird dieses durch das Auftauen freigesetzt, führt das zu einer Verstärkung des Treibhauseffektes und trägt zur weiteren Erderwärmung bei. (Mehr dazu im kommenden Artikel „Kipppunkte“)

Negative Rückkopplungen als stabilisierende Faktoren für das Klima

Selbstabschwächende Effekte (negative Rückkopplungen) sind aus aktueller Sicht weit weniger erforscht und daher Gegenstand intensiver Untersuchungen und Diskussionen. Fest steht, dass im Gegenzug zum positiven Rückkopplungseffekt die Auswirkungen von negativen Rückkopplungen eine eher stabilisierende Wirkung auf unser Klima haben. Ein Beispiel dafür ist die Wechselwirkung von Biosphäre und Atmosphäre: Eine hohe Lufttemperatur bewirkt, dass v.a. in warmen und feuchten Gebieten üppigere Grünflächen wachsen. Dadurch wird mehr CO2 aufgenommen, welches somit nicht mehr als Treibhausgas wirken kann. Dadurch wird der Treibhauseffekt abgeschwächt. (Mehr dazu im kommenden Artikel „CO2-Speicher“).

Bislang unklar ist die Rolle der Wolken, die ebenfalls eine negative Rückkopplung bewirken könnten: Aufgrund ihrer hohen Albedo reflektieren sie einen Großteil der Sonnenstrahlen, wodurch die Erde weniger erwärmt wird. Allerdings wird ihnen auch ein positiver Rückkopplungseffekt zugeschrieben, da sie die von der Erde reflektierte Wärmestrahlung am Austritt in die Atmosphäre hindern und damit zur Erwärmung beitragen – aus diesem Grund ist es in Nächten mit bewölktem Himmel auch wärmer als in sternenklaren Nächten. Um die Frage, ob der globale Bewölkungsgrad nun eine positive oder negative Rückkopplung bewirkt, beantworten zu können, sind weitere Forschungen und verbesserte, genauere Klimamodelle nötig.

Unsicherheit durch Rückkopplungen

Rückkopplungen im Klima, insbesondere positive Rückkopplungseffekte, sind sehr schwer vorhersagbar und berechenbar. Wie wir wissen, ist das Klima ein komplexes System aus eng miteinander verwobenen Bestandteilen. Durch Rückkopplungen kann ein kleiner Faktor eine große Veränderung auslösen, die wiederum weitere Auswirkungen zur Folge hat. Gefährlich wird es, sobald in diesem Prozess gewisse Punkte überschritten werden und dieser somit nicht mehr aufgehalten werden kann (mehr dazu im kommenden Artikel „Kipppunkte“). Die schwierige Berechenbarkeit auf der einen Seite und die möglichen gravierenden Folgen auf der anderen Seite machen Rückkopplungen damit zu einer ernstzunehmenden Herausforderung im Klimawandel.

Quellen:

  • Gonstalla, Esther: Das Klimabuch. Alles was man wissen muss, in 50 Grafiken. München: oekom verlag, 2019
  • https://nsidc.org/arcticseaicenews/2020/10/lingering-seashore-days/
  • https://science.orf.at/stories/3201876/
  • https://www.spektrum.de/lexikon/geographie/albedo/241
  • https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/atmosphaere/klimaforschung/eisalbedo/
  • https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Eis-Albedo-R%C3%BCckkopplung
  • https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Treibhausgase_im_Klimasystem
  • https://www.zamg.ac.at/cms/de/klima/informationsportal-klimawandel/klimasystem/rueckkopplungen/negative-rueckkopplungen
  • https://www.zamg.ac.at/cms/de/klima/informationsportal-klimawandel/klimasystem/rueckkopplungen/positive-rueckkopplungen
  • https://www.zamg.ac.at/cms/de/klima/informationsportal-klimawandel/klimasystem/rueckkopplungen

© Fotocredit Beitragsbild (Eisbär): pixabay

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