Neue Studie zeigt die Möglichkeit katastrophenartiger Klimaänderungen in Simulationen eines Terra-Planeten

Sirisha Kalidindi und ihre Kollegen Dr. Christian H. Reick, Dr. Thomas Raddatz und Prof. Martin Claußen aus der Abteilung "Land im Erdsystem" am Max-Planck-Institut für Meteorologie haben eine neue Instabilität entdeckt, die zu einer schnellen Klimaänderung globalen Ausmaßes führt. Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Earth System Dynamics veröffentlicht und als Highlight hervorgehoben.

Die Wissenschaftler*innen waren überrascht, als sie in einer der ersten Anwendungen mit dem neuen Erdsystemmodell des MPI-M (ICON-ESM) einen Planeten untersuchten, der nur aus Land besteht ("Terra-Planet"). Denn sie fanden einen neuen Typ planetarer Klima-Instabilität, der sich in einer globalen Abkühlung um ungefähr 35 Kelvin innerhalb weniger Simulationsjahre zeigt. Bisher war bekannt, dass sich das Klima eines erdartigen Planeten drastisch ändern kann zu einem ultraheißen feuchten Treibhausklimas, indem sämtliches Wasser verdunstet, oder aber zu einem sehr kalten "Schneeball Erde", indem die Reflektion solarer Einstrahlung mit der Entwicklung weltweiter Eis- und Schneeschichten zunimmt. Im Gegensatz dazu hat die neu entdeckte Instabilität ihre Ursache in einer komplexen Reorganisation des tropischen Wasserkreislaufs.

Die abrupte Abkühlung beträgt ungefähr das Sechsfache der Temperaturdifferenz zwischen heute und der letzten Eiszeit. Diese drastische Klimaänderung hängt eng mit der Existenz zweier unterschiedlicher Klimazustände zusammen: der Terra-Planet ist entweder in einem Zustand, in dem die Tropen vollständig trocken und sehr heiß sind, oder in einem Zustand mit drastisch kühleren Tropen mit intensivem Niederschlag (Abb. 1 und 2).


Abb. 1: Temperatur und Niederschlag auf dem Terra-Planeten im heißen (links) und kalten (rechts) Zustand. Im heißen Zustand sind die Temperaturen in den Tropen dauerhaft über 40°C und der Niederschlag ist auf die Extratropen beschränkt. Im Gegensatz dazu liegt die Temperatur im kalten Zustand fast überall unter 0 °C, außer in den Tropen, wo sie bei ca. 10 °C liegen und Niederschlag tritt wie auf unserer heutigen Erde vorrangig in den Tropen auf.

Obwohl im heißen Zustand die Tropen trocken sind, gibt es dort auch Regen, dessen Wassertropfen allerdings in der heißen Atmosphäre verdunsten bevor sie am Boden ankommen. Bei abnehmender Sonneneinstrahlung sinkt die Höhe, in der diese Verdunstung erfolgt, bis sie den Boden erreicht. Das ist der Punkt, an dem eine Reihe katastrophaler, sich selbstverstärkender Klimatransformationen einsetzt, die in dem kalten Zustand endet. Der kalte Zustand ist hydrologisch durch einen umgekehrten Wasserkreislauf in den Tropen gekennzeichnet: Während im heißen Zustand alles Wasser, das aus dem Boden verdunstet, zu den Polen transportiert wird, wird im kalten Zustand eine beträchtliche Menge Wasser wieder in die Tropen zurückgeführt und intensiviert den Regen dort, so wie auf unserer heutigen Erde.


 

Abb. 2: Globale Oberflächentemperatur des Terra-Planeten als Funktion der Bodenalbedo. In den Simulationen wurde statt der Sonneneinstrahlung das Bodenreflexionsvermögen (Albedo) verändert, d.h. hohe Sonneneinstrahlung korrespondiert mit einer niedrigen Albedo und umgekehrt. Bei niedriger Albedo (hohe Sonneneinstrahlung) zeigt der Terra-Planet zwei alternative Klimazustände, einen heißen (rot) und einen kalten (blau). Bei zunehmender Albedo (abnehmende Einstrahlung) wird der heiße Zustand ab einem bestimmten Wert instabil und es tritt einen katastrophenartiger Übergang zum kalten Zustand auf (gestrichelte Linie).

Ausgehend von diesem kalten Zustand bleibt der Planet bei Absenkung der Albedo (zunehmende Sonneneinstrahlung) im kalten Zustand sogar jenseits des Wertes, an dem der heiße Zustand instabil wurde. Diese neue Art sich katastrophenartig entwickelnder Klimaveränderung basiert auf der Annahme einer sehr effizienten Rückführung von Regenwasser aus den Extratropen in die Tropen, was auf der heutigen Erde über die Ozeane geschieht, und für einen Terraplaneten durch Flüsse oder unterirdische Ströme in den Böden erfolgen könnte.

Möglicherweise, so spekulieren die Wissenschaftler*innen in ihrer Studie, könnte solch ein effizienter Wasserrückführungsmechanismus die Habitable Zone von Terra-Planeten erweitern. Die Habitable Zone ist der Bereich der Planetenabstände zur Sonne, in dem Flüssigwasser (als Voraussetzung für Leben) dauerhaft vorhanden ist. Da bei gleicher Sonneneinstrahlung die globale Temperatur eines Terra-Planeten ohne effiziente Wasserrückführung zwischen der des heißen und kalten Zustandes des Planeten mit effiziente Wasserrückführung liegen müsste, könnte Leben im kalten Zustand eventuell sogar näher zur Sonne möglich sein, und im heißen Zustand entsprechend weiter entfernt. Die Habitable Zone wäre also weiter.

Originalveröffentlichung:
Kalidindi, S., Reick, C. H., Raddatz, T., and Claussen, M.: Two drastically different climate states on an Earth-like terra-planet, Earth Syst. Dynam., 9, 739-756, 2018. doi.org/10.5194/esd-9-739-2018

Mehr Informationen:
Visualisierung: Drastischer Temperaturabfall auf einem erdähnlichen Terra-Planeten


Kontakt:
Sirisha Kalidindi
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 148
E-Mail: sirisha.kalidindi@we dont want spammpimet.mpg.de


Dr. Christian H. Reick
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 117
E-Mail: christian.reick@we dont want spammpimet.mpg.de