Die gefährliche Kraft von Wasserdampf

Von Jasmin Lörchner

Drei zentrale Fragen begleiten die Atmosphärenforscherin Jennifer Francis seit Beginn ihrer Karriere: Wie verändert sich die Arktis? Wie beeinflusst die schnelle Erwärmung der Polregion das globale Klimasystem? Und welche Rolle spielt dabei die Eisschmelze? Das Interesse für die Arktis hat vor mehr als 30 Jahren eine andere große Leidenschaft der Amerikanerin geweckt, das Segeln. 1984 fuhr sie mit ihrem heutigen Ehemann während einer fünfjährigen Weltumsegelung weit in den Nordatlantik, der Nordpol war nur noch 800 Kilometer entfernt. Nach der Reise entschied sich Francis, ihr Studienfach zu wechseln: Von Zahnmedizin sattelte sie auf Meteorologie mit einem Fokus auf arktisches Wetter um. „Ich hatte das Gefühl, die Region könnte Hilfe gebrauchen“, sagt Francis.

Aktuell leben die Wissenschaftlerin und ihr Ehemann auf einem Segelboot. Sie waren gerade im Begriff, in See zu stechen, als unsere Interviewanfrage in ihrem Posteingang landete. Ihre Antworten schickte Francis deshalb per E-Mail.

Ms. Francis, sehen Sie auf Ihren Segelreisen die Folgen des Klimawandels?
Jennifer Francis: Absolut. Die auffallendste Veränderung ist der Verfall der Korallenriffe in der Karibik und auf den Bahamas in nur einem Jahrzehnt, seit wir zuletzt dort waren. Dort leben viel weniger Meerestiere. Auf den San-Blas-Inseln an der Nordküste Panamas konnten wir auch schon deutliche Beweise für den Anstieg des Meeresspiegels sehen: Mehrere der kleinen Inseln sind mittlerweile Sandbänke, und die Erosion entlang der Küsten hat Palmen ins Meer stürzen lassen. Einige der einst so schönen Sandstrände sind zu felsigen Küsten erodiert.

Ihr Interesse für die Arktis wurde auf einem Segeltrip geweckt. Wie oft waren Sie seitdem dort?
Francis: Im Frühjahr 1992 war ich für ein wissenschaftliches Projekt dort und habe seitdem mehrere Konferenzen an arktischen Standorten besucht. Meine eigene Forschung erfordert keine Feldarbeit, ich bin also nicht regelmäßig vor Ort. Aber ich war auch zweimal in meiner Freizeit dort, unter anderem zum Segeln.

Nach ihrem Abschluss in Meteorologie 1988 promovierte Francis in Atmosphärenwissenschaften. 2018 war sie Co-Autorin einer Studie, die eine Verbindung zwischen der sich erwärmenden Arktis und extremem Winterwetter in den USA zog. Erst im Februar dieses Jahres bekam Texas ein solches Wetterextrem zu spüren: Eine arktische Kaltfront legte den Bundesstaat lahm und führte zu einem unerwartet hohen Energieverbrauch, der das Stromnetz zusammenbrechen ließ. Tagelang froren Millionen Texanerinnen und Texaner ohne Heizung und Licht in der Kälte; mehr als 200 Menschen starben.

Viele Menschen tun sich schwer damit, den arktischen Klimawandel mit den Klima- und Wetterveränderungen in niedrigeren Breitengraden in Verbindung zu bringen. Wie erklären Sie den Menschen, dass der arktische Klimawandel kein isoliertes Phänomen ist?
Francis: Die Erwärmung der Arktis schreitet beinahe viermal schneller voran als im globalen Durchschnitt. Das lässt Gletscher und Eisschichten schneller schmelzen, was wiederum einen Anstieg des Meeresspiegels zur Folge hat, den Küstenregionen weltweit spüren. Die Erwärmung taut außerdem den Permafrost auf, den gefrorenen arktischen Boden. Das erlaubt Bodenmikroben, einst gefrorenes organisches Material zu zersetzen – ein Prozess, der weitere Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan freisetzt und zur globalen Erwärmung beiträgt. Die disproportionale Erwärmung der Arktis reduziert außerdem die Temperaturdifferenz zwischen der Arktis und den Regionen weiter südlich. Dieser Temperaturunterschied zwischen Norden und Süden ist der zentrale Faktor, der den Jetstream antreibt …

… die starken West-Ost-Winde, die die nördliche Hemisphäre umrunden und das Wettergeschehen beeinflussen.
Francis: Genau. Mit abnehmendem Temperaturunterschied wird der Jetstream schwächer. Damit wird auch das Wettergeschehen träger in seiner Bewegung von Westen nach Osten. Das führt zu festhängenden Wetterstrukturen, die Extreme hervorrufen können: Dürren, Hitzewellen, Kälteeinbrüche oder lange regnerische und verschneite Perioden.

Francis glaubt, dass Extremwetterereignisse wie der Kälteeinbruch in Texas künftig häufiger auftreten. Denn der Polarwirbel (Polar Vortex), wie die kalte Luft direkt über der Arktis genannt wird, kann durch einen trägeren und von seinem normalen Kurs abweichenden Jetstream in andere Breitengrade vordringen. Mit zunehmender Erderwärmung kommt der Jetstream häufiger vom Kurs ab, damit werden auch häufiger auftretende extreme Kältewellen wahrscheinlicher.

Aktuell untersucht Francis die Auswirkungen von zunehmendem Wasserdampf auf das Wettergeschehen. Denn wenn sich Ozeane und die Atmosphäre erwärmen, verdampft mehr Wasser. Wärmere Luft kann zudem mehr Feuchtigkeit halten – und eine insgesamt feuchtere Atmosphäre enthält mehr Energie, die sich in Gewittern, Hurrikanen und Schneestürmen entladen kann. Der zusätzliche Wasserdampf trägt beispielsweise zum schnelleren Anschwellen tropischer Stürme bei und lässt Behörden im Ernstfall weniger Zeit, um die Bevölkerung zu warnen.

Solche Stürme können mehr Regen und Schnee mit sich führen als noch vor einigen Jahrzehnten. Erste Messungen ergeben, dass Wetterereignisse mit schweren Niederschlägen in den USA häufiger auftreten und schwerere Schäden anrichten. In einer ihrer jüngsten Veröffentlichungen im US-Wissenschaftsjournal „Scientific American“ bezeichnete Francis Wasserdampf als „wichtigstes Treibhausgas in der Atmosphäre“.

Was macht Wasserdampf so gefährlich?
Francis: Ein Treibhausgas absorbiert Energie im Langwellen- oder Infrarot-Bereich des Strahlungsspektrums. Jedes Gas nimmt auf bestimmten Wellenlängen Energie auf. Wasserdampf absorbiert Energie allerdings auf viel mehr Wellenlängen-Bändern als Kohlendioxid. Ein Wasserdampfmolekül saugt also viel mehr Energie auf als ein Kohlendioxidmolekül.

Aber wie kann die Forschung bestimmen, ob ein Hurrikan oder eine Hitzewelle tatsächlich von Wasserdampf verstärkt wurde?
Francis: Es ist immer schwer zu sagen, dass ein bestimmter Sturm oder ein bestimmtes Wetterereignis von einem einzelnen Aspekt des Klimawandels beeinflusst wurde. Aber generell wissen wir, dass die gestiegene Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre mehr Hitze im klimatischen System einschließt, was die Luft und die Ozeane erwärmt. Hurrikane brauchen warmes Wasser und viel Wasserdampf, um sich zu entwickeln und stärker zu werden. Ein Anstieg dieser Zutaten trägt also seinen Teil zu intensiveren tropischen Stürmen bei. Hitzewellen sind intensiver, dauern länger und betreffen größere Gebiete, weil die Atmosphäre wärmer ist und der Boden dadurch schneller austrocknet. Trockener Boden kann sich viel schneller erhitzen als feuchter Boden, das trägt also auch zu stärkeren Hitzewellen bei. Wasserdampf wird überall auf dem Globus mehrmals am Tag durch Satelliten und Wetterballons gemessen. Deshalb können wir sagen, dass er in den vergangenen Jahrzehnten zugenommen hat.

Müssen wir befürchten, dass der Wasserdampf-Zyklus noch schlimmer wird?
Francis: Solange wir die Atmosphäre als Müllcontainer für die Verbrennungsgase von fossilen Brennstoffen nutzen und solange wir weiterhin Wälder abholzen, werden sich die Atmosphäre und die Ozeane weiter erwärmen. Und das wird auch die Verdampfung und damit die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre weiter antreiben. Das können wir nur beeinflussen, indem wir aufhören, fossile Brennstoffe zu nutzen und Wälder abzuholzen. Wenn wir die Erderwärmung verlangsamen, verlangsamen wir auch die Zunahme von Wasserdampf in der Atmosphäre.