Die Albedo der Erde und ihre Symmetrie

In einem Artikel, der in AGU Advances erschienen ist, analysieren Dr. George Datseris und Prof. Bjorn Stevens die Albedo der Erde, ihre überraschende Symmetrie in den beiden Hemisphären und wie dies durch Wolken möglich wird.

Die Albedo der Erde ist der Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung, der vom gesamten Planeten ins All zurückreflektiert wird. Satellitenbeobachtungen liefern uns Messungen der Sonneneinstrahlungsbilanz an der Oberseite der Atmosphäre und zeigen, dass unser Planet im Durchschnitt 30 % der Strahlung reflektiert. Völlig überraschend ist, dass jede einzelne Hemisphäre des Planeten im Durchschnitt ebenfalls 30 % reflektiert. Das ist deswegen überraschend, weil Land mehr Sonnenlicht reflektiert als der Ozean, und die Nordhemisphäre im Vergleich zur Südhemisphäre mehr Land als Ozean hat. Allein aus diesem Grund müsste die Nordhemisphäre mehr Sonnenlicht reflektieren, d. h. eine höhere Albedo aufweisen, einfach aufgrund dieses Ungleichgewichts auf der Oberfläche.

 

Der wichtigste "Akteur" für die Albedo-Symmetrie der Erde sind die Wolken, die für etwa die Hälfte der Albedo des Planeten verantwortlich sind. Es stellt sich heraus, dass die Wolken auf den größten Skalen so verteilt sind, dass sie das Defizit der Oberflächenalbedo der Südhemisphäre ausgleichen. Diese Tatsache ist seit Jahrzehnten durch Beobachtungen bekannt. Unbekannt ist, wie Wolken dies tun und warum. Das Wissen um diese Frage hat jedoch Auswirkungen auf grundlegende Prozesse, die dem Energiehaushalt des Planeten und dem äquatorialen Wärmetransport zugrunde liegen. 

 

Datseris und Stevens waren in der Lage, den ersten Teil dieser Frage zu beantworten und mehrere Hinweise für den zweiten Teil zu liefern. Um herauszufinden, wie die Wolken das Ungleichgewicht der Oberflächenalbedo zwischen den beiden Hemisphären ausgleichen, konstruierten sie ein neues raum-zeitliches Feld, das die Wolkenalbedo darstellt,  aus Messungen des Wolkenanteils und der optischen Tiefe aus den Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) Daten, wie unten dargestellt.

 

 

Abb. 1: Zeitlich und zonal gemitteltes Wolkenalbedo-Feld C (aus Datseris und Stevens, 2021). Es wird außerdem mit dem Wolkenanteil f verglichen, der üblicherweise zur Darstellung der Bewölkung verwendet wird (normiert auf dieselben Einheiten). Die schwarzen Zahlen zeigen den räumlichen Mittelwert von C in jedem farbigen Breitengradband.

 

Die Analyse zeigte, dass die tropische Bewölkung zwischen den beiden Hemisphären weitgehend ausgeglichen ist, auch wenn die innertropische Konvergenzzone (ITCZ, ein großes Band der Bewölkung in Äquatornähe, das den größten Teil des Pazifiks und des Atlantiks umspannt) hauptsächlich nördlich des Äquators liegt. Im Gegensatz dazu ist die Bewölkung der außertropischen Tiefdruckzugbahnen, insbesondere über dem Ozean (nicht in der Abbildung dargestellt), weitgehend unausgewogen, wobei die Wolkenalbedo über dem Ozean in den Zugbahnen auf der Südhemisphäre wesentlich höher ist. Dieses Ungleichgewicht der Wolkenalbedo gleicht das Ungleichgewicht der Oberflächenalbedo zwischen den beiden Hemisphären aus und führt zu einer insgesamt symmetrischen Albedo.

 

Die Frage, die sich nun stellt, ist, ob dieser ausgleichende Effekt der Wolken zufällig ist, oder ob ein "Kompensationsmechanismus" den Prozess unterstreicht. Um zu verstehen, welche Eigenschaften dieser Mechanismus erfüllen sollte, falls er existiert, analysierten Datseris und Stevens direkt die Daten der reflektierten Sonneneinstrahlung von CERES. Konkret analysierten sie die de-saisonalisierte, hemisphärisch gemittelte Zeitreihe R' (auch Anomalien genannt), die in der folgenden Abbildung dargestellt ist.

 

Abb. 2: De-saisonalisierte, hemisphärisch gemittelte Zeitreihen für die reflektierte kurzwellige Strahlung an der Oberseite der Atmosphäre, für die Nord- (blaugrün) und Südhalbkugel (schwarz, gestrichelt) (aus Datseris und Stevens, 2021).

 

Obwohl die Zeitreihen selbst nicht von Rauschen zu unterscheiden sind, werden sie von einem identischen langfristigen Trend über Jahrzehnte hinweg dominiert. Während der Trend auf der Nordhalbkugel auf Veränderungen der Stratocumulus-Wolken über dem Nordostpazifik zurückgeführt wurde, war ein ähnlicher Trend auf der Südhalbkugel eine Überraschung. Dies deutet auf einen physikalischen Mechanismus hin, und wenn es einen solchen gibt, helfen die Eigenschaften der Zeitreihen, den Bereich der Zeitskalen einzugrenzen, auf denen er wirken könnte. Das Fehlen einer Korrelation auf monatlichen Zeitskalen (die Daten in diesem Bereich sind Rauschen ohne dynamische Hinweise) schließt kurze Zeitskalen aus. Der Ausgleich auf den Zeitskalen der Zeitreihen schließt lange Zeitskalen aus (denn wenn ein Mechanismus auf mehrdekadischen Skalen funktionieren würde, gäbe es keinen Grund, warum die Trends der beiden Hemisphären so perfekt übereinstimmen). Die verbleibenden möglichen Zeitskalen für einen Ausgleichsmechanismus liegen daher zwischen einem Jahr und einem Jahrzehnt.
 

Die Publikation wurde als "Editor's Highlight" ausgewählt.
 

Original publication:

Datseris, G. and B. Stevens (2021) Earth’s albedo and its symmetry. AGU Advances. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021AV000440

 

Contact:

Dr. George Datseris
Max Planck Institute for Meteorology
Phone: +49 (0) 40 41173 308
Email: george.datseris@we dont want spammpimet.mpg.de