Wie Mount Pinatubo, die australischen Waldbrände 2019–2020 und Hunga Tonga die Stratosphäre erwärmten oder abkühlten

Grosse Vulkanausbrüche und gewaltige Waldbrände können enorme Mengen an Partikeln und Gasen in die Atmosphäre schleudern – und damit mitunter Temperaturen rund um den Globus beeinflussen.

Schwierig ist dabei vor allem der Nachweis, was ein einzelnes Ereignis tatsächlich bewirkt hat, weil die Atmosphäre bereits von vielen überlagerten Signalen geprägt ist.

Eine neue Studie zeigt nun einen Ansatz, um dieses Hintergrundrauschen herauszufiltern und den „Fingerabdruck“ konkreter Katastrophen sichtbar zu machen – inklusive der Frage, wie sie verschiedene Atmosphärenschichten erwärmt oder abgekühlt haben.

Im Mittelpunkt stehen drei markante Ereignisse: der Ausbruch des Mount Pinatubo 1991, die australischen Waldbrände 2019–2020 sowie der Ausbruch des Unterwasservulkans Hunga Tonga im Jahr 2022.

Die Forschenden stellten fest, dass alle drei Fälle in der Stratosphäre statistisch signifikante Temperaturänderungen auslösten – auch wenn die Effekte näher am Boden nicht immer eindeutig zu erkennen waren.

Drei Ereignisse, unterschiedliche „Zutaten“

Alle drei Ereignisse waren extrem – allerdings aus unterschiedlichen Gründen: Entscheidend war, welche Stoffe in welche Höhen gelangten und wo sie sich in der Atmosphäre verteilten.

Der Pinatubo schleuderte eine enorme Menge an Sulfat-Aerosolen in die Stratosphäre. Die australischen Brände transportierten Rauch so hoch, dass er die obere Troposphäre und sogar die Stratosphäre erreichte.

Hunga Tonga wiederum brachte eine überwältigende Menge Wasserdampf in die Stratosphäre – und zwar bei dem, was die Forschenden als die grösste atmosphärische Explosion bezeichnen, die Satelliten je beobachtet haben.

„Diese Ereignisse sind aussergewöhnlich und sehr einzigartig – gemessen daran, welche unterschiedlichen Materialien sie in unterschiedliche Höhenlagen einbringen“, sagte der Hauptautor der Studie, Yaowei Li, Gastwissenschaftler am MIT.

„Also stellten wir uns die Frage: Stören diese Ereignisse die globale Temperatur tatsächlich in einem Ausmass, das sich vom natürlichen meteorologischen Rauschen unterscheiden lässt? Könnten sie zu einem Teil der aussergewöhnlichen globalen Oberflächenerwärmung beigetragen haben, die wir in den letzten Jahren gesehen haben?“

Die Antwort lautet in groben Zügen: Ja, in der Stratosphäre – aber überwiegend nein, wenn es darum geht, den jüngsten Sprung bei der globalen Oberflächenerwärmung zu erklären.

Klimaverschiebungen über der Erde

Die Analyse richtet den Blick besonders auf die Stratosphäre, also die Schicht oberhalb der Troposphäre. In der Troposphäre leben wir – und dort war die vom Menschen getriebene Erwärmung in den letzten Jahrzehnten am stärksten.

Die Stratosphäre folgt anderen Regeln und kann auf grosse Einträge von Aerosolen, Rauch oder Wasserdampf sehr abrupt reagieren.

In den Ergebnissen zeigte der Pinatubo das klassische Muster, das Forschende erwarten: Erwärmung in der Stratosphäre, gekoppelt mit Abkühlung in der Troposphäre.

Auch die australischen Brände und Hunga Tonga hinterliessen deutliche Signale in der Stratosphäre. Die Brände führten zu Erwärmung, Hunga Tonga hingegen zu Abkühlung. In den ersten zwei Jahren nach dem jeweiligen Ereignis liess sich jedoch bei keinem der beiden Fälle ein robustes, weltweit klar nachweisbares troposphärisches Temperatursignal feststellen.

„Das Verständnis der Klimaantworten auf natürliche Antriebe ist entscheidend, damit wir den menschengemachten Klimawandel richtig interpretieren können“, sagte Li.

„Anders als die globale Abkühlung der Troposphäre und der Oberfläche durch den Pinatubo deuten unsere Ergebnisse ausserdem darauf hin, dass die australischen Waldbrände und der Ausbruch von Hunga Tonga bei der Beschleunigung der globalen Oberflächenerwärmung in den letzten Jahren keine Rolle gespielt haben dürften. Es muss also andere Faktoren geben.“

Klima-Rauschen herausfiltern

Der Kern der Arbeit ist die Methode: Statt in unübersichtlichen Temperaturreihen nach Ursachen zu suchen, setzte das Team auf einen Signal-zu-Rauschen-Ansatz.

Ausgangspunkt waren satellitengestützte Temperaturmessungen in verschiedenen Höhenlagen seit 1979; daraus wurde ein umfangreicher Datensatz ab 1986 zusammengestellt.

Diese Messungen zeigen langfristig eine Erwärmung in der Troposphäre und eine Abkühlung in der Stratosphäre – Trends, die zu einem grossen Teil durch Treibhausgase getrieben sind. Um eine stabile Ausgangslinie zu erhalten, entfernten die Forschenden diese langfristigen Trends.

Doch selbst danach bleibt natürliche Variabilität ein Störfaktor. Die Erde schwankt von Natur aus zwischen wärmeren und kühleren Phasen – etwa durch Zyklen wie El Niño und La Niña. Zudem wirkt die Sonne mit einem wiederkehrenden Einfluss in einem ungefähr 11-jährigen Zyklus. Auch diese Muster berücksichtigte das Team und subtrahierte ihre Effekte.

Nachdem diese grossen „Hintergrund“-Treiber minimiert waren, liessen sich die verbleibenden Ausschläge in der Atmosphäre deutlich leichter einzelnen, seltenen Ereignissen zuordnen – etwa einem Vulkanausbruch oder einer extremen Brandsaison.

Pinatubo: Der klassische Abkühlungsfall

Nach Anwendung der Methode verhielt sich der Pinatubo genau so, wie es Klimaforschende seit Langem beschreiben – ein hilfreicher Realitätscheck für das Vorgehen.

Das Team ermittelte, dass der Ausbruch die globalen troposphärischen Temperaturen in der unteren Atmosphäre um bis zu etwa 0,7 °C (1,3 °F) senkte; die Abkühlung hielt länger als zwei Jahre an.

Die Ursache ist direkt nachvollziehbar: Sulfat-Aerosole in der Stratosphäre reflektieren einfallendes Sonnenlicht, sodass weniger Sonnenenergie die untere Atmosphäre und die Erdoberfläche erreicht.

Gleichzeitig erwärmten diese Aerosole die Stratosphäre, weil sie Wärme absorbierten, die aus den unteren Schichten nach oben abgestrahlt wird.

Weil dieses Ergebnis mit vielen früheren Studien übereinstimmt, sahen sich die Forschenden darin bestätigt, dieselbe Filtertechnik auch auf die beiden stärker diskutierten Fälle anzuwenden.

Waldbrandrauch heizt in grosser Höhe

Für die australischen Waldbrände 2019–2020 fand das Team ein auffälliges Signal der stratosphärischen Erwärmung: weltweit bis zu etwa 0,77 °C (1,4 °F), und zwar über rund fünf Monate. Eine klare globale Temperaturänderung in der Troposphäre, die sich den Bränden zuordnen liesse, wurde hingegen nicht nachgewiesen.

„Am Ende stellten wir fest, dass der Waldbrandrauch in der Stratosphäre eine sehr starke Erwärmung verursacht hat, weil diese Materialien chemisch ganz anders sind als Sulfat“, erklärte Li.

„Es sind dunkel gefärbte Partikel – das bedeutet, sie absorbieren Sonnenstrahlung besonders effizient. Deshalb kann schon eine relativ kleine Rauchmenge eine dramatische Erwärmung auslösen.“

Obwohl die Brände „nur“ etwa eine Million Tonnen Rauchpartikel in die obere Atmosphäre einbrachten – deutlich weniger Masse als die Aerosole des Pinatubo –, machte gerade die Fähigkeit zur Sonnenlichtabsorption den Rauch zu einem starken „Heizer“ der Stratosphäre.

Wasserdampf veränderte den Himmel

Der „Fingerabdruck“ von Hunga Tonga sah erneut anders aus. Der Ausbruch brachte eine enorme Menge Wasserdampf – fast 150 Millionen Tonnen – in die Stratosphäre.

Nach Berechnungen des Teams führte dies zu einer Abkühlung in der mittleren bis oberen Stratosphäre von bis zu etwa 0,5 °C (0,9 °F), die mehrere Jahre anhielt.

Das ist besonders bemerkenswert, weil Wasserdampf in vielen Zusammenhängen oft mit Erwärmung verknüpft wird. Seine Wirkung hängt jedoch von Höhe, Chemie sowie davon ab, wie er Strahlung und Zirkulation in der Stratosphäre verändert.

Oberflächenerwärmung bleibt ungeklärt

Ein Grund, warum diese Studie relevant ist, liegt auch darin, was sie ausschliesst. Die vergangenen Jahre waren weltweit aussergewöhnlich warm – und es liegt nahe zu fragen, ob riesige Waldbrände oder ein massiver Vulkanausbruch die Atmosphäre so verändert haben könnten, dass sie teilweise dafür verantwortlich sind.

Die Ergebnisse sprechen dafür, dass diese beiden jüngeren natürlichen Ereignisse die anhaltende Wärme in den unteren Luftschichten nicht erklären.

„Die australischen Brände und der Ausbruch von Hunga Tonga hatten in stratosphärischen Höhen wirklich Wucht – und diese Studie zeigt zum ersten Mal, wie sich diese Wucht quantifizieren lässt“, sagte Li.

„Ich finde ihren Einfluss weiter oben ziemlich bemerkenswert, aber das anhaltende Problem ist, warum die letzten Jahre weiter unten in der Troposphäre so warm waren – wenn man diese natürlichen Ereignisse ausschliesst, deutet das noch stärker auf menschliche Einflüsse hin.“

Damit gilt: Die dramatischen Phänomene, die wir sehen können – Rauchfahnen, Eruptionswolken –, rütteln tatsächlich an der oberen Atmosphäre. Doch die unaufhörliche Erwärmung dort, wo Menschen leben, verweist weiterhin auf den langsamen, stetigen Treiber, den wir längst nur allzu gut kennen.