Welche Rolle spielen Kondensstreifen für unser Klima?

Kondensstreifen sind durch Flugzeuge verursachte künstliche Eiswolken in etwa 10-13 km Höhe. Sie werden auf Satellitenbildern häufig - wie die natürlichen Eiswolken (Cirren) auch - durch ihre grosse Helligkeit und geringe Temperatur erkennbar. Von den natürlichen Cirren unterscheiden sich die Kondensstreifen im Satellitenbild vor allem durch ihre meist lineare Ausrichtung parallel zu Flugstraßen. Das nachstehende Anschauungsbeispiel stammt von einem Überflug des Satelliten NOAA-12 vom 4. Mai 1995 7:48 UTC (Quelle: DLR-Oberpfaffenhofen) über dem europäischen Raum. Da die Bildauflösung etwas über 1km beträgt, werden nur alte, verbreiterte Kondensstreifen erkennbar.

Warum treten Kondensstreifen auf?
In der Reiseflughöhe von 10 - 13 km ist die Umgebungstemperatur mit -40°C bis -70° Csehr niedrig. Die Temperatur nimmt gewöhnlich vom Erdboden bis in diese Höhe ab, um darüber wieder anzusteigen. Dieses Temperaturminimum kennzeichnet den Übergang zwischen Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre, die sogenannte Tropopause.
Der maximal mögliche Feuchtegehalt der Atmosphäre (jenseits dessen Kondensation und Wolkenbildung auftreten) wird mit abnehmender Temperatur sehr klein. 100% relative Feuchte in der Nähe der Tropopause entsprechen nur etwa 1/1000 der Wasserdampfdichte am Boden. Die meisten anderen Gase nehmen dagegen mit der Höhe sehr viel langsamer ab. So beträgt die Dichte von Sauerstoff oder CO2 in Tropopausennähe immer noch etwa 1/3 des bodennahen Wertes.
Die Verbrennung von 1 kg Kerosin in der Flugzeugturbine erzeugt 1,25 kg Wasserdampf und 3 kg CO2, sowie Stickoxide und Russ. Während die zusätzliche Menge an Wasserdampf in Bodennähe gegenüber der natürlichen Menge unerheblich ist, führt sie nahe der Tropopause häufig unmittelbar hinter dem Flugzeug zu Kondensation. Diese Bildung von Kondensstreifen wird um so wahrscheinlicher, je geringer die Temperatur der Umgebungsluft ist.

Ist aber die relative Feuchte der Umgebungsluft im Flugniveau klein, so können sich einmal entstandene Kondensstreifen nicht lange halten, da sie bei der Vermischung mit der Umgebungsluft verdunsten. Liegt die Umgebungsfeuchte dagegen über dem für die Eisbildung nötigen Wert, so können die in den Kondensstreifen gebildeten Eisteilchen auch lange überleben. Solche Eiswolken breiten sich dann aus, bedecken grosse Gebiete und können für Stunden oder Tage sichtbar bleiben.

Warum sieht man Kondensstreifen?
Die Sichtbarkeit von Kondensstreifen, aber auch ihr Klimaeinfluss, hängen wesentlich von ihren optischen Eigenschaften ab. Diese sind durch Anzahl, Grösse und Form der Eisteilchen bestimmt. Zwei gegenläufige Effekte spielen hierbei eine Rolle: im solaren Spektralbereich ist die Wirkung der Eiswolken wegen der Reflexion von Sonnenstrahlung in den Weltraum abkühlend. Im langwelligen Spektralbereich wirken Eiswolken hingegen erwärmend, da wegen der niedrigen Temperaturen an der Tropopause die Abstrahlung der Erde in den Weltraum reduziert wird. Der resultierende Nettoeffekt ist zunächst ungewiss, da die Konkurrenz zwischen Rückstreuung von Sonnenenergie und verminderter infraroten Wärmeabstrahlung von verschiedenen Faktoren wie Höhe, Dicke und Eigenschaften der Wolkenteilchen abhängt. Wegen ihrer geringen optischen Dicke werden sie jedoch meistens den zusätzlichen Treibhauseffekt verstärken.

Bis heute ist nicht endgültig geklärt, ob sich Kondensstreifen in dieser Hinsicht erheblich von natürlichen Cirren unterscheiden. Immerhin bilden sich ja im Abgasstrahl der Flugzeugturbine vermehrt Kondensationskeime, an denen sich der Wasserdampf des Abgasstrahles zu Tröpfchen anlagern kann, die bei der anschliessenden Abkühlung gefrieren. Damit wird die Zunahme dünner Zirrusbewölkung und deren Einfluss auf den Energiehaushalt der Erde begünstigt.

Klimaeinfluss von Kondensstreifen
Für einen möglichen Einfluss auf das Klima ist die Erhöhung des Bedeckungsgrades mit Eiswolken durch Kondensstreifen besonders wichtig. Die Auswertung von Satelliten- und anderen Beobachtungsdaten ergibt regional zeitweilig eine erhebliche Zunahme des Bedeckungsgrades durch langlebige, aus Kondensstreifen entstandene Eiswolken. Über Mitteleuropa und der transatlantischen Flugstraße wird dafür eine durchschnittliche Bedeckung von etwa 0.5% gefunden, ausserhalb der Hauptflugstraßen sind die Zuwächse noch kleiner. Dieser Wert ist mit einem durchschnittlichen Bedeckungsrad von etwa 20% für natürliche Eiswolken zu vergleichen. Diese gegenwärtig geringe Zunahme der Bewölkung führt in Klimamodellsimulationen auch nur zu einem unerheblichen Beitrag zum Treibhauseffekt von 0.05 °C. Die Simulationen zeigen aber auch, dass bei einer Verzehnfachung der zusätzlichen Bedeckung durchaus ein erheblicher Beitrag zu Klimaänderungen zu erwarten ist. Bei der vorhergesagten raschen Zunahme des Flugverkehrs ist eine besorgniserregende Entwicklung in den nächsten Jahrzehnten daher durchaus nicht ausgeschlossen.

Neben der Wirkung der Kondensstreifen selbst wird vermutet, dass die zusätzlichen Kondensationskeime nach der Auflösung der Kondensstreifen durch Verdunstung noch weiteren Einfluss auf den Treibhauseffekt haben. So könnte die Zahl der Eiskeime in Tropopausenhöhe allgemein so stark steigen, dass auch die spätere Bildung weiterer Cirren erleichtert würde. Da man diese dann aber nicht mehr unmittelbar der Flugzeugemission zuordnen kann, entziehen sie sich der Untersuchung. Die vermehrte Beobachtung natürlicher Cirren in den letzten Jahrzehnten deutet allerdings auf einen solchen Einfluss hin.