Max-Planck-Institut für Meteorologie Deutsches Klimarechenzentrum

Beeinflussen Kondensstreifen unser Klima?
Kondensstreifen und Klimawirkung
Verbrennungsprodukte
3,15 kg
8-20 g
1g
NO
x SO2
CO2
Ruß
CO
H2O
CHx
1,24 kg
0,7-2,5 g
0,01-0,03 g
0,1-0,7 g
(pro kg Kerosin)
Kondensstreifen und Strahlungswirkung
15 km
CO2
H2O
NOx
SO2
Aerosole
Kondensstreifen
10 km
5 km
Solarstrahlung
wird gestreut
Wärmestrahlung
wird absorbiert
Die Verbrennung von Kerosin in der Flugzeugturbine erzeugt neben Rußpartikeln eine Reihe gasförmiger Produkte unter anderem auch Wasserdampf (siehe Abbildung). Ein großer Teil der Spurenstoffe wird von
Flugzeugen im Reiseflug in Höhen zwischen 9 und 12 km freigesetzt. Hier
ist die Umgebungstemperatur mit - 40° bis - 70° C sehr niedrig und die
natürliche Wasserdampfkonzentration liegt nur noch bei einem Tausendstel des bodennahen Wertes. Der emittierte Wasserdampf kondensiert
auf Partikeln im Abgasstrahl und bildet so die häufig sichtbaren Kondensstreifen. Ist die relative Feuchte im Flugniveau klein, so können sich Kondensstreifen nicht lange halten. Liegt die Umgebungsfeuchte aber über
dem für die Eisbildung nötigen Wert, so können die in den Kondensstreifen
gebildeten Eisteilchen auch lange überleben. Solche Eiswolken breiten
sich häufig aus, bedecken große Gebiete und leben über Stunden. Die Wolken sind in der Regel sehr dünn und lassen das Sonnenlicht nahezu ungehindert zum Boden gelangen, vermindern aber schon bei kleinem Eisgehalt
die Abstrahlung von Erdwärme in den Weltraum (siehe Abbildung). Nachts
wirken Kondensstreifen demnach stets erwärmend, tags kann die solare
Abkühlung im Schatten der Wolken die Erwärmung im Infraroten überwiegen. Der Nettoeinfluß auf die Strahlungsbilanz ist aber bis heute, wie
selbst bei natürlichen Cirren, wegen der unsicheren Kenntnis der entscheidenden Parameter noch nicht vollständig geklärt. Man vermutet jedoch, daß Kondensstreifen wegen ihrer geringen optischen Dicke zum
zusätzlichen Treibhauseffekt beitragen.
Beobachtung
Kondensstreifen sind auf Satellitenbildern häufig - wie die natürlichen Eiswolken (Cirren) auch - durch ihre große Helligkeit und geringe Temperatur
erkennbar. Von den natürlichen Cirren unterscheiden sich die Kondensstreifen im Satellitenbild vor allem durch ihre meist lineare Ausrichtung
parallel zu Flugstraßen. Das Beispiel (siehe Abbildung) stammt von einem
Überflug des Satelliten NOAA-12 und zeigt durch den Luftverkehr erzeugte linienförmige Kondensstreifen über dem europäischen Raum. Für
einen möglichen Klimaeinfluß ist die Erhöhung des Bedeckungsgrades mit
Eiswolken durch Kondensstreifen besonders wichtig. Für die Ableitung klimatologisch relevanter Aussagen wurden NOAA-Satellitenbilder des europäisch-ostatlantischen Bereichs für die Jahre 1979-81 und 1989-92
ausgewertet. Die Abbildung auf der linken Seite zeigt den durch Kondensstreifen verursachten zusätzlichen Bedeckungsgrad in Prozent im Jahresverlauf. Gut erkennbar sind dabei der transatlantische Flugkorridor
(besonders im Frühjahr und Sommer) und der in Richtung Südamerika
führende (besonders im Winter). Im Mittel über die analysierte Region erhöhen langlebige Kondensstreifen den Bedeckungsgrad um etwa 0.5%,
was mit einem Wert von 20-40% für natürliche Eiswolken zu vergleichen
ist.
Kondensstreifen über Zentraleuropa in einer Aufnahme des NOAA-12 Satelliten vom 4. Mai 1999, 09:43
UTC (nach Mannstein, 1997).
Isokonzentrationslinien des Eisgehalts in
Ebenen senkrecht zur Flugrichtung sowie
die Vektoren des berechneten Geschwindigkeitsfelds zu verschiedenen Zeitpunkten
der Kondensstreifenentwicklung abgeleitet
aus einer Simulation mit einem dreidimensionalen hochauflösenden Modell (nach
Chlond, 1998).
Aus Satellitenbildern bestimmte Monatsmittel des
Bedeckungsgrads (in Prozent) von Kondensstreifen
über Europa und dem östlichen Atlantik im Jahresverlauf für den Analysezeitraum 1979-1982 und
1989-1992 (nach Bakan et al., 1993).
Berechnete globale Verteilung des Bedeckungsgrads (in Prozent der bedeckten Erdoberfläche) von Kondenstreifen für
das Luftverkehrsaufkommen im Jahre 1992 (nach Sausen et
al., 1998) und für ein Szenario des Luftverkehrs für das Jahr
2050 (nach Gierens et al., 1998).
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Modellierung
Hochauflösende, dreidimensionale Modelle erlauben es, die dynamischen,
wolkenphysikalischen und strahlungsbedingten Vorgänge im direkten
Nachlaufbereich eines Flugzeugs zu untersuchen. Die Abbildung (links)
zeigt Ergebnisse einer derartigen Simulationsrechnung. Dargestellt sind
Isokonzentrationslinien des Eisgehalts in Ebenen senkrecht zur Flugrichtung sowie die Vektoren des berechneten Geschwindigkeitsfelds.Man erkennt, daß der Kondensstreifen bereits nach 30-minütiger Entwicklungszeit eine Breite von 600 m erreicht. Das Ausbreitungsverhalten wird dabei entscheidend durch die Feuchte, Temperatur und die Dichteschichtung der umgebenen Atmosphäre beeinflußt. Regionale und globale
Modelle beschreiben die großräumige Dynamik der Atmosphäre und können daher die wolken- und mikrophysikalischen Prozesse nicht im Detail,
sondern nur mit Hilfe vereinfachter Darstellungen berücksichtigen. Die
Abbildungen auf der linken Seite zeigen die berechnete globale Verteilung
der Kondensstreifenbewölkung für die Jahre 1992 und 2050. Aufgrund
der Temperatur- und Feuchteverteilung in der oberen Troposphäre und
der globalen Verteilung des Flugverkehrs erwartet man, daß Kondensstreifen heute (Stand 1992) etwa 0.1 % der Erdoberfläche im Mittel bedecken. Dies führt zu einer sehr langsamen globalen Erwärmung der
Atmosphäre, die allerdings so gering ist, daß sie messtechnisch nicht
nachweisbar ist. Mit wachsendem Luftverkehr werden auch die Kondensstreifen häufiger. Nach einem Szenario für das Jahr 2050 ist im Vergleich zu 1992 mit einem 6-fachen des Verkehrsaufkommens (PersonenKilometer) und einem 3.2-fachen des Treibstoffverbrauchs zu rechnen.
Dies führt global zu einem 5.4-fach höheren Bedeckungsgrad und einer
circa 6-fachen Strahlungswirkung von Kondensstreifen.
Max-Planck-Institut für Meteorologie
DKRZ
Max Planck Institute for Meteorology