Bereits seit dem Jahr 1923 registrieren spezielle Messgeräte die auf den Erdboden einfallende Sonnenstrahlung. Aber erst mit dem Internationalen Geophysikalischen Jahr 1957/58 wurde allmählich ein weltweites Messnetz installiert. Die Daten zeigen den Wissenschaftlern auf, dass die von der Sonne gelieferte Energie auf der Erdoberfläche über die Jahrzehnte stark schwankt und das Klima entsprechend beeinflusst.

Forschungsschwerpunkt an der ETH Zürich

Welche Faktoren die Sonneneinstrahlung vermindern oder verstärken und somit zum «global dimming» oder «global brightening» führen, ist ein noch junges Forschungsgebiet, auf dem sich vor allem Wissenschaftler der ETH Zürich einen Namen gemacht haben. Nun hat die American Geophysical Union (AGU) einen Sonderband zum Thema herausgebracht, der den bisherigen Erkenntnisstand umfassend darlegt und einen wichtigen Beitrag für die Klimawissenschaften liefert. «Erst jetzt, insbesondere mit Hilfe dieses Sonderbandes, wurde die Forschung in diesem Bereich so richtig lanciert», betont Martin Wild, Senior Scientist am Institut für Atmosphäre und Klima der ETH Zürich, der sich auf das Thema spezialisiert hat.

Abnehmende Sonneneinstrahlung entdeckt

Die ersten Erkenntnisse darüber, dass die Sonneneinstrahlung nicht konstant ist, sondern über die Jahrzehnte stark variiert, wurden in den späten 80er und frühen 90er Jahren für lokale Bereiche der Erde publiziert. Beispielsweise entdeckte Atsumu Ohmura, Professor Emeritus an der ETH Zürich, zu jener Zeit, dass die Sonneneinstrahlung über Europa zwischen den 1950er- und 1980er Jahren deutlich abnahm. Erst 1998 gab es für die grossen Regionen wie Afrika, Asien, Nordamerika und Europa die erste den Globus umspannende Studie, nach der die Oberflächen-Sonneneinstrahlung zwischen den 1950ger Jahren und 1990 pro Jahrzehnt im Schnitt um zwei Prozent abnahm.

Wild und Kollegen fanden aber bei der Analyse neu erhobener Daten heraus, dass die Sonneneinstrahlung ab 1985 allmählich wieder zunahm. In einer Publikation in «Science» prägten sie im Jahr 2005 dafür den Begriff «global brightening», nachdem bereits 2001 der Begriff «global dimming» für die zuvor festgestellte abnehmende Sonneneinstrahlung lanciert wurde.

Erst kürzlich hat eine Publikation in der Zeitschrift «Nature», an der Wild auch beteiligt war, Wellen geschlagen und die Thematik des «global dimming/brightening» ins Rampenlicht gebracht.

Luftverschmutzung begünstigt Kohlenstoffaufnahme

In dieser Studie untersuchten die Wissenschaftler erstmals den Zusammenhang zwischen dem «global dimming/brightening» und dem Kohlenstoffkreislauf. Es gelang ihnen zu zeigen, dass aufgrund der erhöhten Aerosol- und Wolkenbildung während Zeiten des «global dimming» mehr Streulicht erzeugt wird und die Pflanzen CO₂ effizienter aufnehmen als bei sauberer und klarer Luft. Die Ursache sehen die Wissenschaftler darin, dass Streulicht im Vergleich zum direkten Sonnenlicht tiefer in die Vegetation eindringt und die Pflanzen somit das Licht wirkungsvoller zur Fotosynthese nutzen. Zwischen 1960 und 1999 seien deshalb rund 10 Prozent mehr Kohlenstoff in der terrestrischen Biosphäre gebunden worden.

Der Sonderband, der im renommierten Fachmagazin «Journal of Geophysical Research» der AGU erscheint, verschafft einen Überblick über den bisherigen Kenntnisstand. Fast die Hälfte der Publikationen des Sonderbands sind entweder vollständig oder teilweise von ETH-Wissenschaftlern verfasst. Wild ist Guest-Editor des Bandes und selbst Verfasser und Mitautor von zehn Publikationen.

Die Publikationen vermitteln ein erstes Bild davon, wie stark die Effekte sind, wie sie räumlich und zeitlich variieren und was die möglichen Konsequenzen für den Klimawandel sind. Dabei werden auch ausführlich die dahinterstehenden Ursachen und Mechanismen diskutiert, da noch viele Phänomene nicht erklärt werden können.

Noch viele Fragen offen

Unklar ist nämlich, ob es die Wolken oder die Aerosole sind, die «global dimming/brightening» auslösen, oder gar Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen, da Aerosole die «Helligkeit» und Lebensdauer der Wolken beeinflussen können. Die Erforschung dieser Zusammenhänge ist für die Wissenschaftler schwierig, da nur ungenügend oder sogar gar nicht gemessen wurde, wie sich die Wolken und der Aerosolgehalt in der Atmosphäre über die letzten Jahrzehnte entwickelt haben. Die in den vergangenen Jahren neu gestarteten Satelliten-Mess-Programme sollen vom Weltraum aus für die Zukunft diese Lücke schliessen helfen.

«Es gibt noch einen enormen Forschungsbedarf, da noch viele Fragen offen sind», hält Wild fest. Hierzu zählen etwa die Grössenordnung des Effekts auf der globalen Ebene und wie stark sich der Effekt in den Städten und in ländlichen Gegenden, in denen weniger Aerosole in die Umwelt gelangen, unterscheidet. Eine grosse ungeklärte Frage ist auch, was über den Ozeanen passiert. Denn von dort gibt es bisher kaum Messdaten.

Eine weitere Herausforderung ist für die Forschenden, die Effekte des «global dimming/brightening» besser in die Klimamodelle zu integrieren, um deren Auswirkung auf den Klimawandel besser zu verstehen. Denn einerseits weisen Studien darauf hin, dass «global dimming» die tatsächliche Erwärmung und somit den Klimawandel bis in die 1980er Jahre hinein maskiert hat. Auf der anderen Seite zeigen die publizierten Studien auch, dass die Modelle, die im vierten Assessment Report des Intergovernmental Pannel on Climate Change (IPCC) verwendet wurden «global dimming/brightening» nur unzureichend abbilden: Weder das «dimming» noch das darauffolgende «brightening» wird von den Modellen vollständig simuliert. Dies liegt laut den Wissenschaftlern vermutlich daran, dass die Prozesse, die das «global dimming/brightening» verursachen, nicht ausreichend berücksichtigt wurden, und die historischen, vom Menschen verursachten Emissionsraten, die in die Modelle einfliessen, mit grossen Ungenauigkeiten behaftet sind.

«An der ETH arbeiten wir deshalb mit einer Entwicklungsversion eines globalen Klimamodelles, das wesentlich detailliertere Aerosol und Wolkenmikrophysik beinhaltet und «global dimming/brightening» besser wiedergeben kann», sagt Wild. Für ihn sind die Studien «erste» Abschätzungen, auf die nun weitere Forschungsarbeiten folgen müssen.