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Die Abbildung zeigt die Ausbreitung einer Vulkanwolke in der Stratosphäre in den ersten Tagen nach einem Vulkanausbruch.

Stratosphärischer Antrieb und Klima

Große Vulkanausbrüche sind eine der größten Unsicherheiten in Bezug auf die Entwicklung des Klimasystems. Zusammen mit der schwankenden Sonnenaktivität und astronomischen Schwankungen sind starke Vulkanausbrüche ein bedeutender Faktor der natürlichen Klimavariabilität. Fundierte Kenntnisse über die Auswirkungen von Vulkanausbrüchen sind daher für das Verständnis sowohl der vergangenen als auch der möglichen künftigen Klimaentwicklung unerlässlich. Das übergreifende Ziel der Arbeitsgruppe Stratosphärenantrieb und Klima ist es, das derzeitige wissenschaftliche Verständnis des stratosphärischen Antriebs und seiner Rolle für das vergangene, gegenwärtige und zukünftige Klima zu verbessern. Der Themenschwerpunkt liegt auf stratosphärischen Aerosolen (Vulkane, stratosphärische Aerosolintervention (SAI)), berücksichtigen aber auch andere Faktoren, wie solare und orbitale Antriebe.

Unsere Forschungsfragen:

  • Wie hängen stratosphärische Schwefelemissionen und der globale Strahlugsantrieb zusammen und welche Prozesse bestimmen dies?
  • Wie hängt der Antrieb mit der Reaktion des Klimas zusammen?
  • Wie maskiert die natürliche Variabilität die vulkanischen Signale in verschiedenen Zeiträumen?

Unser Ansatz:

  • Wir verwenden globale stratosphärische Aerosolmodelle, hochauflösende konvektionsaufgelöste Atmosphärenmodelle und Erdsystemmodelle, um einerseits die Entwicklung von der stratosphärischen Schwefelemission zum stratosphärischen Aerosolantrieb und andererseits die Auswirkungen des stratosphärischen Aerosolantriebs auf das Klima getrennt zu untersuchen.
  • Nutzung von Synergien durch  Vergleiche der modellierten räumlichen und zeitlichen Entwicklung der Vulkanwolke nach den jüngsten Eruptionen mit  Satelliten- und In-situ-Beobachtungen 
  • Erforschung neuer Methoden (z. B. datengesteuerte Verfahren) zur Ermittlung von Signalen, die zur Kalibrierung oder Einschränkung einfacher konzeptioneller oder impulsbezogener Modelle und zur Interpretation von Proxyrekonstruktionen aus Eisbohrkernen oder Baumringen verwendet werden können
  • Teilnahme an internationalen Aktivitäten wie Modellvergleichsprojekten (ISA-MIP, VolMIP, GeoMIP).

Starke Vulkanausbrüche, die schwefelreiche Gase in die Stratosphäre einbringen, bilden stratosphärisches Sulfataerosol. Die Auswirkungen des stratosphärischen Aerosols auf das Klima der Erde sind allgemein bekannt: Es verändert die atmosphärische Strahlungsbilanz, was zu einer Abkühlung der Oberfläche und einer Erwärmung der Stratosphäre führt. Diese beiden Effekte führen zu Veränderungen in der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation und verändern den Wasser- und Kohlenstoffkreislauf (Abbildung 1). Daraus ergibt sich ein kompliziertes Bild globaler und regionaler Auswirkungen auf unterschiedlichen Zeitskalen. Einerseits hängen die Klimaauswirkungen von Vulkanausbrüchen von den Eruptionscharakteristika selbst ab: Emissionsstärke und -höhe, Eruptionsbreiten und Jahreszeit. Andererseits hängen sie von den anfänglichen Hintergrundbedingungen ab, d. h. den Treibhausgaskonzentrationen und den internen Modi des Klimasystems wie der Phase der El-Niño-Südlichen Oszillation (ENSO) - einem wiederkehrenden Klimamuster, bei dem sich die Wassertemperatur im zentralen und östlichen tropischen Pazifik ändert - oder der Quasi-Biennial-Oszillation (QBO). Die QBO ist eine Oszillation des äquatorialen zonalen Windes zwischen Ost- und Westwinden in der tropischen Stratosphäre, die etwa alle zwei Jahre auftritt.

Beschreibung der Prozesse nach einem Eintrag von Schwefeldioxid (SO2) in die Stratosphäre nach einem Vulkanausbruch. SO2 wird durch OH zu Schwefelsaeure oxidiert, welche dann kleine Aerosole bildet. Diese streuen einfallendes Sonnenlicht, wodurch sich die planetare Albedo vergrößert. Das verringert die Temperatur auf der Erdoberfläche. Gleichzeitig nimmt das Sulfataerosol terrestrische Strahlung auf, was die Schwefelschicht erwärmt und dynamische Vorgaenge beeinflusst.
Figure 1: Schematischer Überblick über die Klimaauswirkungen nach einem sehr großen Vulkanausbruch, aus Timmreck (2018).

Unsere Forschungsthemen

Änderung des Strahlungsantriebs durch Vulkaneruptionen

Der vulkanische Strahlungsantrieb hängt von der Aerosolgrößenverteilung ab. Der simulierte Strahlungsantrieb von großen Vulkanausbrüchen unterscheidet sich stark zwischen verschiedenen Modellen. Um die Gründe für diese Diskrepanzen zwischen den globalen Aerosolmodellen besser zu verstehen, haben wir das SSiRC International Stratospheric Aerosol Model Intercomparison Project (ISA-MIP) initiiert. Die ISA-MIP-Experimente wurden konzipiert, um die Schlüsselprozesse zu untersuchen, die die Bildung und zeitliche Entwicklung des stratosphärischen Aerosols in verschiedenen Zeiträumen der Beobachtungsaufzeichnungen beeinflussen.

Für eine gegebene vulkanische Schwefeldioxid (SO2)-Emission bestimmt das Modellgitter in Kombination mit den vorgeschriebenen Emissionsszenarien die stratosphärische SO2-Konzentration und anschließend die anfängliche Entwicklung der vulkanischen Wolke. Wir untersuchen ob eine realistischere Darstellung der konvektiven Vulkanwolke auf globaler Ebene erforderlich ist, um den Strahlungsantrieb durch Aerosole besser zu ermitteln, indem wir Simulationen mit hoher räumlicher Auflösung durchführen. Diese ermöglichen die mesoskalige Entwicklung und Dynamik von Vulkanwolken mit den großräumigeren Zirkulationssystemen zu verknüpfen, die für die Ausbreitung der Wolke verantwortlich sind.

Vulkanische Aschewolke [mg/kg] a) drei Stunden, b) einen Tag und c) 4 Tage nach einem angenommenen Ausbruch des Laacher Sees, simuliert mit ICON-ART. Die antizyklonalen Bewegungen an der Spitze der Wolke beginnen kurz nach der Eruption und werden mit der Zeit stärker, wenn sich die Wolke ausbreitet. 4 Tage nach der Eruption habe sich zwei Aschewolken gebildet, die sich jeweils in unterschiedliche Richtung ausbreiten aber weiterhin rotieren. Die Rotation ist die Folge der Absorbtion von solarer und terrestrischer Strahlung, welche die Aschewolke erwaermt. Die warme Wolke dehnt sich aus und beginnt zu rotieren.
Abbildung 2: Vulkanische Aschewolke [mg/kg] a) drei Stunden, b) einen Tag und c) 4 Tage nach einem angenommenen Ausbruch des Laacher Sees. Die antizyklonale Rotation am Oberrand der Wolke beginnt kurz nach der Eruption und wird stärker, wenn sich die Wolke ausbreitet. Abbildung aus Niemeier et al., 2021.

Hydrologischer Zyklus

Ein Hauptaugenmerk unserer Gruppe liegt in den kommenden Jahren auf dem Einfluss von Vulkanen auf das tropische Wasserklima, was für die jüngste Generation von Klimamodellen immer noch eine Herausforderung darstellt. Wir interessieren uns insbesondere für die regionalen tropischen Niederschlagsreaktionen und die Rückkopplung von Wasserdampf. Ein in den letzten Jahren stark diskutiertes Thema ist der vulkanische Einfluss auf die tropische Klimavariabilität, insbesondere die El Niño Southern Oscillation (ENSO) und die Niederschläge des asiatischen Monsuns sowie die kombinierte Wirkung beider. Aufgrund neuer Entwicklungen bei den Modellierungsmöglichkeiten und datengesteuerten Methoden (künstliche Intelligenz/Maschinenlernen) einerseits und aufgrund der Fülle der Ergebnisse des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) und großer Ensemblesimulationen andererseits erwarten wir eine Verbesserung des derzeitigen Verständnisses der vulkanischen Auswirkungen auf das tropische Hydroklima.

Der Wasserdampf in der unteren Stratosphäre hat einen besonders starken Einfluss auf die Strahlungsbilanz des Erdsystems. Wir wollen daher verstehen, wie der stratosphärische Aerosolantrieb den stratosphärischen Wasserdampf beeinflusst und wie sich dies auf den Strahlungsantrieb auswirkt. Mit Hilfe von  hochauflösenden Modellen untersuchen wir nicht nur die Veränderungen des stratosphärischen Wasserdampfs aufgrund von Veränderungen in der großräumigen Zirkulation, sondern auch für mögliche Veränderungen in der tiefen Konvektion (Abbildung 3), die sich auf die thermisch angetriebene turbulente Vermischung bezieht, die Luftpakete von der unteren in die obere Atmosphäre bewegt.

Die schematische Graphik stellt vier Prozesse dar, die zum Feuchtetransport in die Stratosphäre beitragen. Darüber hinaus sind atmosphärische Temperatureprofile vor und nach einer Vulkaneruption abgebildet. Der erste dargestellte Transportweg ist als "langsam aufsteigender Wasserdampf" gekennzeichnet, visulisiert mit einer blauen Scheibe und einem aufwärts zeigenden Pfeil. Der zweite dargestellte Transportweg ist "den kältesten Punkt überschießende Konvektion". Konvektion, die den "kältesten Punkt" erreicht, kann gefrorene Feuchte aufwärts transportieren. Oberhalb des "kältesten" Punktes sublimiert die gefrorene Feuchte aufgrund der wieder ansteigenden Temperatur und trägt zum Wasserdampfbudget der Stratosphäre bei. Dieser Prozess ist durch einen hochreichenden konvektiven Wolkenturm dargestellt. Pfeile visualisieren den vertikalen Transport sowie horizontales Detrainment unterhalb des "kältesten Punktes". Der dritte dargestellte Transportweg ist als "Auftieg feuchter Luft innerhalb von Wolken" bezeichnet. Die Wechselwirkung der Strahlung mit der gefrorenen Feuchte führt zu einem lokalen Heizen und daraus resultierenden Auftrieb. Hierfür wird eine kleine Cirruswolke, die auf die Höhenregion des "kältesten Punktes" begrenzt ist, dargestellt. Ein vertikaler Pfeil symbolisiert den Aufwärtstransport. Der letzte Transportweg wird "turbulentes Mischen" genannt. Kleinskalige Turbulenzen führen zu einer Mischung gefrorener Feuchte mit umliegender Luft. Dieser Prozess ist mit kreisförmigen Pfeilen und einer kleinen Cirruswolke repräsentiert. Zuletzt sind zwei atmosphärische Temperaturprofile als Funktion der Höhe dargestellt; in schwarz ohne vulkanische Perturbation (Kontrolle) und in grün mit den Auswirkungen durch die Präsenz von vulkanischem Aerosol (Vulkan). Im ungestörten Fall (schwarze Linie) nimmt die Temperatur von Boden an mit der Höhe ab, bis zu einer als "kältester Punkt" markierten Höhe, ab der die Temperatur wieder ansteigt. In Vulkanfall (grüne Linie) sieht man eine Abkühlung unterhalb des "kältesten Punktes", die durch die Rückstreuung einfallender solarer Strahlung durch das Vulkanaerosol verursacht wird. Die Temperatur des "kältesten Punktes" und die Temperaturen darüber sind in Folge der Absorption von langwelliger und naher Infrarotstrahlung durch das Aerosol erhöht. Als Folge der Heizung durch das Vulkanaerosol verschiebt sich der "kälteste Punktes" nach unten. Dies ist mit horizontalen Linien, die den "kältesten Punkt" im Kontrol- und Vulkanfall markieren, betont.
Abbildung 3: Schematischer Überblick über Prozesse, die Feuchte und gefrorene Wolkenpartikel, z.B. Eis in Cirruswolken, in die Stratosphäre transportieren. Die Auswirkungen von vulkanischem Aerosol in der tropischen Tropopausenschicht und Stratosphäre auf das atmosphärische Temperaturprofil ist im rechten Bildteil abgebildet. Credit: Clarissa Kroll, MPI-M

Variabilität in Vergangenheit und Zukunft

Ein zentraler Forschungsschwerpunkt unserer Gruppe ist es, nachweisbare vulkanische Signale zu identifizieren. Dies ist vor allem dann interessant, wenn es darum geht, vulkanisch bedingte Klimaänderungen zu nutzen, um das Verhalten des Klimasystems einzuschränken. Hier führen wir Standardanalysen durch und nutzen dabei die große Menge an vorhandenen CMIP6/PMIP4-Simulationen und großen ESM-Ensemblesimulationen. Wir interessieren uns für vergangene Perioden, in denen der vulkanische Einfluss auf das Klima am stärksten ist, wie in der Mitte des 6. oder im frühen 19. Jahrhundert (Abbildung 4), oder in denen sich das Klima in einer Übergangsphase befindet, wie in der Bölling-Alleröd/Jüngeren Dryas-Periode. Auch in einem zukünftigen wärmeren Klima werden natürliche Einflüsse wie ein Vulkanausbruch das Klima beeinflussen. Wir konzentrieren uns auf die Frage, ob die gleichen Prozesse relevant sind und die gleichen Auswirkungen haben wie im gegenwärtigen Klima.

Sommertemperaturen auf den Nordhalbkugel in zwei MPI-ESM past2k Simulationen (farbige Linien) zusammen mit "EA+" Rekonstruktionen (grau) von Büntgen et al. (2020). Die Zeitserien zeigen Abweichungen vom 0 - 1849 CE Mittel, basierend auf den Mittelwerten der Monate Juni bis August. Rote Linien zeigen starke Vulkanausbrüche an.
Sommertemperaturen auf den Nordhalbkugel in zwei MPI-ESM past2k Simulationen (farbige Linien) zusammen mit "EA+" Rekonstruktionen (grau) von Büntgen et al. (2020). Die Zeitserien zeigen Abweichungen vom 0 - 1849 CE Mittel, basierend auf den Mittelwerten der Monate Juni bis August. Rote Linien zeigen starke Vulkanausbrüche an. Credit: Shih-Wei Fang, MPI-M.

Effizienz des Strahlungsantriebs pro injizierter Masse gegen die Injektionsrate von Schwefel. Die x-Achse zeigt die Injektionsrate, die y-Achse den Strahlungsantrieb pro injizierter Masse, was ein Maß für die Effizienz der Injektion ist. Der Wirkungsgrad ist bei kleinen Injektionsraten am höchsten und nimmt mit steigender Injektionsrate ab. Die Kurven der Effizienz unterscheiden sich deutlich zwischen verschiedenen Modellen, bis zu einem Faktor von drei. Die Folge ist eine unterschiedliche Abkühlung für dieselbe Injektionsrate als Ergebnis verschiedener Modellsimulationen.
Abbildung 5: Effizienz des Strahlungsantriebs pro emittierter Schwefelmasse in Abhängigkeit von der Emissionsrate für verschiedene Modelle. Mit zunehmender Emmisionsrate nimmt die Effizienz ab, was vor allem auf die größeren Partikel zurückzuführen ist. Credit: Ulrike Niemeier, MPI-M

Stratosphärische Aerosol-Intervention (SAI)

Eine rasche und erhebliche Reduzierung der Treibhausgase ist erforderlich um den globalen Temperaturanstieg auf höchstens 2 °C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Es ist nach wie vor unklar, ob dieses Ziel erreicht werden könnte. Auch weitere Technologien, z.B. die Entfernung und dauerhafte Speicherung von CO2 aus der Atmosphäre, stehen bisher nicht zur Verfügung. Daher nutzen wir bestehende Klimamodelle zur Erforschung weiterer "Climate Engineering"- oder "Geoengineering"-Methoden, die als absichtliche Manipulation des Klimas in großem Maßstab definiert werden.

Eine dieser Methoden wird als stratosphärische Aerosolintervention (SAI) bezeichnet. SAI folgt dem Vorbild eines grossen Vulkanausbruchs indem künstlich SO2 in der Stratosphäre, in etwa 20 km Höhe, emittiert wird. SO2 wird oxidiert und bildet kleine Sulfatpartikel, welche Sonnenlicht streuen. Folglich erreicht weniger Sonnenlicht die Erdoberfläche - ein kühlender Effekt. Gleichzeitig absorbiert Sulfat langwellige Strahlung, wodurch sich die künstliche Sulfatschicht in der Stratosphäre aufheizt. Wir versuchen, die Auswirkungen dieser künstlichen Sulfatschicht besser zu verstehen, indem wir den Lebenszyklus von Sulfat mit globalen Aerosolmodellen simulieren. Dabei konzentrieren wir uns auf mikrophysikalische Prozesse, den Transport der Aerosole und auf die Auswirkungen der aerosolinduzierten Erwärmung auf die stratosphärische Dynamik. Diese Faktoren bestimmen die Effizienz des Strahlungsantriebs pro injizierter Masse, welche in verschiedenen Modellen recht unterschiedlich ist (Abbildung 5). Die Effizienz des Strahlungsantriebs ist ein Maß für die durch SAI erreichbare Abkühlung.

Weitere Informationen

Weitere Links

Gruppenmitglieder und Publikationen

Name
Email
Position
Telefon
Raum
Niemeier, Ulrike
Wissenschaftler*in
+49 40 41173-130
B 418
Timmreck, Claudia
Gruppenleiter*in
+49 40 41173-384
B 407
  • Andreasen, L., Cornér, J., Abbott, P., Sinclair, V., Riede, F. & Timmreck, C. (2024). Changes in Northern Hemisphere extra-tropical cyclone frequency following volcanic eruptions. Environmental research: climate, 3: 025002. doi:10.1088/2752-5295/ad2c0e [publisher-version]
  • Günther, M., Schmidt, H., Timmreck, C. & Toohey, M. (2024). Why does stratospheric aerosol forcing strongly cool the warm pool? Under open review.. EGUsphere, . doi:10.5194/egusphere-2024-429 [Preprint] [pre-print]
  • Kroll, C., Fueglistaler, S., Schmidt, H., Dauhut, T. & Timmreck, C. (2024). The impact of stratospheric aerosol heating on the frozen hydrometeor transport pathways in the tropical tropopause layer. Environmental Research Letters, 19: 044039. doi:10.1088/1748-9326/ad33d0 [supplementary-material][publisher-version]
  • Schmidt, H., Rast, S., Bao, J., Fang, S.-W., Jiménez de la Cuesta Otero, D., Keil, P., Kluft, L., Kroll, C., Lang, T., Niemeier, U., Schneidereit , A., Williams , A. & Stevens, B. (2024). Effects of vertical grid spacing on the climate simulated in the ICON-Sapphire global storm-resolving model. Geoscientific Model Development, 17, 1563-1584. doi:10.5194/egusphere-2023-1575 [supplementary-material][publisher-version]
  • Timmreck, C., Olonscheck, D., Ballinger, A., D’Agostino, R., Fang, S.-W., Schurer, A. & Hegerl, G. (2024). Linearity of the climate response to increasingly strong tropical volcanic eruptions in a large ensemble framework. Journal of Climate, 37, 2455-2470. doi:10.1175/JCLI-D-23-0408.1 [supplementary-material]
  • Visioni, D., Robock, A., Haywood, J., Henry, M., Tilmes, S., MacMartin, D., Kravitz, B., Doherty, S., Moore, J., Lennard, C., Watanabe, S., Muri, H., Niemeier, U., Boucher, O., Syed, A., Egbebiyi, T., Seferian, R. & Quaglia, I. (2024). G6-1.5K-SAI: a new Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) experiment integrating recent advances in solar radiation modification studies. Geoscientific Model Development, 17, 2583-2596. doi:10.5194/gmd-17-2583-2024 [publisher-version]
  • Bruckert, J., Hoshyaripour, G., Hirsch, L., Horvath, A., Kahn, R., Kölling, T., Muser, L., Timmreck, C., Vogel, H., Wallis, S. & Vogel, B. (2023). Dispersion and aging of volcanic aerosols after the La Soufriere eruption in April 2021. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 128: e2022JD037694. doi:10.1029/2022JD037694 [publisher-version]
  • Chen, Y., Ji, D., Zhang, Q., Moore, J., Boucher, O., Jones, A., Lurton, T., Mills, M., Niemeier, U., Séférian, R. & Tilmes, S. (2023). Northern-high-latitude permafrost and terrestrial carbon response to two solar geoengineering scenarios. Earth System Dynamics, 14, 55-79. doi:10.5194/esd-14-55-2023 [publisher-version]
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  • Freychet, N., Schurer, A., Ballinger, A., Suarez-Gutierrez, L. & Timmreck, C. (2023). Assessing the impact of very large volcanic eruptions on the risk of extreme climate events. Environmental Research: Climate, 2: 035015 . doi:10.1088/2752-5295/acee9f [publisher-version]
  • Hohenegger, C., Korn, P., Linardakis, L., Redler, R., Schnur, R., Adamidis, P., Bao, J., Bastin, S., Behravesh, M., Bergemann, M., Biercamp, J., Bockelmann, H., Brokopf, R., Brüggemann, N., Casaroli, L., Chegini, F., Datseris, G., Esch, M., George, G., Giorgetta, M., Gutjahr, O., Haak, H., Hanke, M., Ilyina, T., Jahns, T., Jungclaus, J., Kern, M., Klocke, D., Kluft, L., Kölling, T., Kornblueh, L., Kosukhin, S., Kroll, C., Lee, J., Mauritsen, T., Mehlmann, C., Mieslinger, T., Naumann, A., Paccini, L., Peinado, A., Praturi, D., Putrasahan, D., Rast, S., Riddick, T., Roeber, N., Schmidt, H., Schulzweida, U., Schütte, F., Segura, H., Shevchenko, R., Singh, V., Specht, M., Stephan, C., von Storch, J., Vogel, R., Wengel, C., Winkler, M., Ziemen, F., Marotzke, J. & Stevens, B. (2023). ICON-Sapphire: simulating the components of the Earth System and their interactions at kilometer and subkilometer scales. Geoscientific Model Development, 16, 779-811. doi:10.5194/gmd-16-779-2023 [publisher-version]
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Kontakt

Dr. Claudia Timmreck

Gruppenleiterin
Tel.: +49 (0)40 41173-384
claudia.timmreck@we dont want spammpimet.mpg.de

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