Und die Schäfchenwolken bleiben doch!

Einige Klimamodelle sagen voraus, dass die Passat-Quellwolken deutlich abnehmen: Wenn es wärmer wird, transportieren die Wolken mehr Feuchtigkeit in höhere Luftschichten. Umgekehrt sinkt trockenere Luft von oben herab. Die absolute Feuchtigkeit insgesamt nimmt zwar zu, aber die relative Feuchtigkeit in den untersten Luftschichten nahe der Wolkenunterkante würde so abnehmen. Dies stellt ein weniger günstiges Umfeld für die Wolkenbildung dar. Und wenn die Bewölkung insgesamt abnimmt, wird insgesamt weniger Sonnenlicht reflektiert. Dies führt zu einer stärkeren Erwärmung, einer stärkeren durchmischungsbedingten Austrocknung, noch weniger Wolken und so weiter. Klimamodelle, die bei steigenden CO₂-Werten eine überdurchschnittliche Erwärmung vorhersagten, neigten dazu, diese Hypothese der „Austrocknung durch Vermischung“ deutlicher zu zeigen als Modelle, die eine geringere Erwärmung vorhersagten.

Im Februar 2020 fand vom karibischen Barbados aus die deutsch-französische-barbadische Messkampagne „EUREC⁴A“ statt. Konzipiert und geleitet wurde sie von Prof. Bjorn Stevens, Geschäftsführender Direktor am MPI-M, und Dr. Sandrine Bony, Forschungsdirektorin am LMD in Paris. Die Messkampagne sollte die Ideen überprüfen, die auf Analysen zurückgehen, die von ihren jeweiligen Gruppen in den Jahren 2013 und 2014 veröffentlicht wurden. Aufbauend auf einer nunmehr zwölfjährigen Zusammenarbeit zwischen dem MPI-M und dem Caribbean Institute for Meteorology and Hydrology (CIMH) unter der Leitung von Dr. David Farrell sowie einer Reihe früherer Feldkampagnen entwickelten die Forscher*innen und ihre Teams die Methoden, die benötigt wurden, damit EUREC⁴A die Hypothese der „Austrocknung durch Vermischung“ erfolgreich überprüfen konnte.

Mit vor Ort auf Barbados waren zwei Nachwuchswissenschaftler*innen des MPI-M: Dr. Geet George, der damals mit Prof. Bjorn Stevens an seiner Dissertation arbeitete, und Dr. Raphaela Vogel, die nach Abschluss ihrer Promotion am MPI-M nach Paris gezogen war, um als Postdoktorandin im Team von Dr. Bony am LMD zu arbeiten. Heute ist sie Wissenschaftlerin an der Universität Hamburg. „Wir haben die erste Realmessung überhaupt gemacht, um die Hypothese zu testen“, sagt Dr. Vogel. Ein Datenschatz, der die bisherige Annahme zum Verhalten subtropischer Quellwolken kippt.

Um etwas über die flächige Wolkenzirkulation auf der Mesoskala sagen zu können, „muss man gleichzeitig die Umgebungsbedingungen aus der Höhe und die Wolken an ihrer Basis vermessen. Dafür ist es hilfreich, zwei Flugzeuge zu haben“, erläutert Dr. George.

So flog der deutsche Forschungsflieger HALO in einer Höhe von 10.000 Metern. Die Daten wurden mithilfe von Sonden gewonnen, abgeworfen durch einen Schacht im Flugzeug – der Kampagnenposten von Dr. Geet George. „Während der Flüge war ich im hinteren Teil des Flugzeugs damit beschäftigt, die an einem Fallschirm hängenden Sensorpakete abzusetzen – sogenannte Dropsonden“, beschreibt er die Flugtage vor Ort. Während die Dropsonden durch die Wolkenschicht zum Boden sinken, funken sie die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit und ihre Position an das Flugzeug zurück, wo alles aufgezeichnet wird.

Das französische Forschungsflugzeug ATR-42 setzte eine neu entwickelte Technik ein, um die Wolkenbasis waagerecht zu „durchleuchten“. Dazu wurden gepulste Radio- und Lichtstrahlen ausgesandt, die von Wolkentröpfchen zurückgestreut werden. Die rückgestreute Strahlung erlaubt Rückschlüsse über das Vorkommen von Wolken und Regen. Insgesamt waren während der Feldstudie fünf Forschungsflugzeuge, vier Forschungsschiffe und innovative bodengestützte Fernerkundung im Einsatz.

Von besonderem Interesse war die Luftdurchmischung in den Wolken. Das Fluggebiet war mit etwa 200 Kilometern Durchmesser zu groß, um diese direkt zu messen. So war ein alternativer, indirekter Ansatz gefragt. Dieser wurde von Dr. Bony und Prof. Stevens vorgeschlagen und zunächst anhand von Daten aus einer vorbereitenden Messkampagne im Jahr 2016 getestet. Dr. Vogel verfeinerte den Ansatz mit Hilfe detaillierter strömungsdynamischer Simulationen, die sie zu Beginn ihrer Postdoc-Zeit am LMD erstellte und analysierte. „Wir haben die Dicke der untersten atmosphärischen Schicht bestimmt, also unterhalb der Wolkenunterkante, sowie alle Größen, die diese Dicke ändern können. Dabei haben wir uns darauf konzentriert, wie sich die mesoskalige Zirkulation und das Einmischen warmer, trockenere Luft von weiter oben auswirkt: Also was geht in die Wolkenunterschicht rein und was raus. Aus dieser Massenbilanz lässt sich schließlich die Stärke der Konvektion bestimmen: Geht mehr rein als raus, steigt mehr Luft in den Wolken auf. Sonst ist es weniger“, erklärt Dr. Vogel.