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Es scheint paradox: Das Treibhausgas Kohlendioxid heizt die Erde auf – aber macht ihre obere Atmosphäre kälter. Warum das so ist und welcher Mechanismus hinter dieser Stratosphären-Abkühlung steckt, haben nun Physiker entschlüsselt. Demnach vergrößert sich durch steigende CO2-Konzentrationen der Wellenlängenbereich, in dem die CO2-Moleküle wärmende Infrarotstrahlung effizient an den Weltraum abstrahlen – die Stratosphäre wird kälter. Das behindert die Wärmeabgabe an den Weltraum und verstärkt den Treibhauseffekt.
Wenn der CO2-Gehalt der Atmosphäre steigt, hat dies zwei auf den ersten Blick gegensätzliche Folgen: In der unteren, wetterbestimmenden Atmosphärenschicht, der Troposphäre, wird es wärmer. Das zusätzliche CO2 sorgt dafür, dass weniger langwellige Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche in den Weltraum zurückgestrahlt wird, und verursacht so den Treibhauseffekt. In der darüberliegenden Stratosphäre ist es hingegen genau umgekehrt: Steigende CO2-Gehalte machen diese in rund 15 Kilometer Höhe beginnende Atmosphärenschicht kälter.
Das Stratosphären-Paradoxon
„Diese Abkühlung der Stratosphäre ist eines der am besten beobachtbaren Symptome der steigenden CO2-Werte und ein Fingerabdruck des globalen Klimawandels“, erklären Sean Cohen und seine Kollegen vom Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University in New York. Schon in den 1960er-Jahren sagten japanische Klimaforscher diese auf den ersten Blick paradoxe Reaktion der Stratosphäre auf unsere Treibhausgas-Emissionen voraus.
Seither haben Satellitendaten und Modelle diesen Effekt eindeutig bestätigt. Sie zeigen unter anderem, dass die stratosphärischen CO-Konzentrationen und Temperaturen in einem festen Verhältnis zueinander stehen: Verdoppeln sich die CO2-Werte der Stratosphäre, kühlt sich ihr oberer Rand jeweils um weitere acht Grad ab. „Das hat bedeutende Folgen für die Energiebilanz der Erde“, so die Forscher. Denn die kältere Stratosphäre behindert die Wärmeabgabe der Erde an den Weltraum und heizt so den Treibhauseffekt weiter an.
Die spektrale „Goldilocks“-Zone ist entscheidend
Das Problem jedoch: Die bisherigen Theorien können diesen Effekt zwar qualitativ nachvollziehen und beschreiben. „Aber die Mechanismen, die das Ausmaß und die vertikale Verteilung dieser Stratosphären-Abkühlung bestimmen, waren bisher ungeklärt“, schreiben Cohen und sein Team. Das erschwerte es, die Wirkung des stratosphärischen CO2 auch quantitativ zu modellieren. Den Forschern ist es nun gelungen, diese Lücke zu schließen. Dafür analysierten sie genauer, wie die CO2-Moleküle unter verschiedenen Druckverhältnissen und Temperaturen mit Strahlung interagieren.
Es zeigte sich: Die CO2-Moleküle der Stratosphäre reagieren nicht auf alle Wellenlängen der Infrarotstrahlung gleich. Stattdessen gibt es eine spektrale Zone, in der sie Wärme besonders effizient in den Weltraum abstrahlen können. Nimmt nun das stratosphärische CO2 zu, verstärkt sich die Abstrahlung in dieser „Goldilocks“-Zone. Dies sorgt für eine besonders effiziente Abkühlung. “Auch die vertikale Struktur der Stratosphärenabkühlung wird primär dadurch bestimmt, wie sich die Goldilocks-Zone mit der CO2-Konzentration verändert“, erklären Cohen und sein Team.
Wichtige Bestätigung für die Klimaforschung
Die auf Basis dieser Erkenntnisse entwickelten Gleichungen beschreiben erstmals quantitativ und im Detail, warum und wie zunehmende CO2-Emissionen die irdische Stratosphäre abkühlen. „Unsere Resultate legen nahe, dass die stratosphärische Abkühlung nicht durch eine erhöhte optische Dichte des Treibhausgases verursacht wird, sondern dass sie stattdessen auf das einzigartige spektroskopische Verhalten dieses Gases zurückgeht“, schreiben die Forscher. Das ermöglicht es nun auch, noch genauer zu ermitteln, welche Auswirkung diese Abkühlung wiederum auf den Klimawandel hat.
Wichtig sind die neuen Erkenntnisse aber noch aus einem anderen Grund: „Die Arbeit stärkt die Grundlagen der Klimawissenschaft, indem sie zeigt, dass unser Verständnis nicht nur empirisch oder numerisch ist, sondern auf physikalischen Grundprinzipien basiert“, erklärt der nicht an der Studie beteiligte Geophysiker Nadir Jeevanjee vom Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der NOAA in Princeton. „Wenn einfache Gleichungen die Abkühlmuster reproduzieren können, belegt dies, dass hier physikalische Grundprinzipien am Werk sind – und nicht nur Eigenheiten komplexer Klimamodelle.“
Quelle: Sean Cohen et al. (Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, Palisades, New York), Nature Geoscience, 2026; doi: 10.1038/s41561-026-01965-8
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