Aerosole vergrößern Wolkenzellen und bewirken bei Luftverschmutzung eine stärkere Strahlungskühlung

Aerosole, die oft zusammen mit Treibhausgasen ausgestoßen werden, können Wolken aufhellen und eine deutliche Abkühlung verursachen. Die Unsicherheit im Zusammenhang mit Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen (ACIs) ist jedoch groß und möglicherweise signifikant genug, um einen beträchtlichen Teil der durch Treibhausgase verursachten Erwärmung zu verschleiern.

Eine höhere Aerosolkonzentration unterdrückt im Allgemeinen den Niederschlag und erhöht die Anzahl der Tröpfchen in den Wolken, die über die Azoreninsel Graciosa ziehen, wo eine Station zur Messung der atmosphärischen Strahlung (ARM) kontinuierliche Bodenmessungen der Aerosol- und Wolkeneigenschaften durchführt. Atmosphärenmodellsimulationen im Kilometermaßstab erfassen die mesoskalige Struktur der Wolken und zeigen Übereinstimmung mit Satelliten- und Flugzeugbeobachtungen der Wolken- und Aerosoleigenschaften.

Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, mesoskalige Zustandsübergänge der Wolken bei der Quantifizierung der zunehmenden Auswirkungen von Aerosolen auf die Wolkenreflexion zu berücksichtigen, was mit herkömmlichen Klimamodellen auf gröberen Skalen nicht möglich ist.

Die Forscher entwickelten ein Lagrange-Modell, das den ACI entlang der Flugbahnen von Luftpartikeln verfolgt, und betteten es in das Weather Research Forecast (WRF)-Modell ein. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Atmosphärenchemie und Physik.

Dieser Rahmen umfasst die Abfrage von polarumlaufenden und geostationären Satelliten sowie Flugzeugmessungen, die während der intensiven Betriebszeiten von Wolken und Aerosolen während ihrer gesamten Lebensdauer durchgeführt werden, und liefert dadurch eine neue Einschränkung, die zur Quantifizierung und zum Verständnis der stark nichtlinearen kausalen Zusammenhänge zwischen Wolkenwasser, Niederschlag und Aerosolen erforderlich ist.

Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Aerosolbildung in den Simulationen der Nieselregen in den Wolken unterdrückt wird, was zu einer erhöhten Vertikalgeschwindigkeit und einem stärkeren Abtransport in der Nähe der Oberseite der planetaren Grenzschicht führt. Die Fläche der marinen Wolkenzellen dehnt sich aus, wodurch der Abstand zwischen flachen Wolken kleiner wird und die Reflexion der Sonnenstrahlung in den Weltraum verstärkt wird.

Diese Erkenntnisse geben Aufschluss über die Stärken und Schwächen des Modells und sind für die Modellentwicklung hilfreich, um die Prozesse der Wolkenkontrolle zu verbessern und so künftige Klimaänderungsprognosen besser zu verstehen und zu quantifizieren.

Eine Reihe von WRF-Experimenten wurde im Kilometermaßstab durchgeführt, wobei die Aerosolkonzentrationen in 10 Fallstudien anstiegen. Diese fielen mit Flugzeugmessungen zusammen, die während der Aerosol- und Wolkenexperimente im östlichen Nordatlantik (ACE-ENA) durchgeführt wurden. Diese Experimente ermittelten die Sensibilität von Aerosolauswirkungen auf die mikrophysikalischen und dynamischen Eigenschaften mariner Stratocumuluswolken.

Im Allgemeinen zeigten die Ergebnisse, dass der Niederschlag stark unterdrückt wird und sich die Wolken in ansonsten wolkenfreie Regionen ausdehnen. Dies führt zu einer deutlichen Zunahme der Wasserausbreitungswege und des Wolkenanteils, die, wenn sie in Strahlungsantriebsberechnungen gemeinsam betrachtet werden, einen erheblichen Beitrag zum gesamten indirekten Aerosoleffekt leisten. Trotz der großen Bandbreite thermodynamischer Bedingungen wurde diese Reaktion festgestellt, war jedoch an Tagen mit weniger Niederschlag schwächer.

Die Rolle des Niederschlags in ACIs sollte bei der Parametrisierung von Klimamodellen mit gröberer Auflösung berücksichtigt werden, welche die komplexen Details der mesoskaligen Strukturen in den mit WRF simulierten Wolken nicht erfassen können.

Das neue Framework der Forscher ist äußerst vielseitig und kann auf Landregionen mit ARM-Beobachtungen angewendet werden, sodass in zukünftigen Arbeiten eine eingehendere Untersuchung der Aerosolaktivierung, Warmregenprozesse und/oder Turbulenzdarstellungen möglich ist.