Erde im „Sintflutmodus“

Jenseits des heute Vorstellbaren: Unsere Erde hat in ihren Warmphasen sintflutartige Sturzregen durchlebt, gegen die heutige Starkregen ein bloßes Nieseln sind. Ursache für diese Megaschauer war ein komplettes „Umschalten“ der atmosphärischen Konvektion, durch die sich die Atmosphäre erst tagelang auflud, um dann ihre Energie abrupt als Sturzregen zu entladen. Dieser bisher unbekannte Regenmodus könnte das Wetter der fernen Zukunft, aber auch auf einigen Exoplaneten prägen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Starkregen sind ein typisches Phänomen der warmen Atmosphäre: Weil warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann, kommt es in den Tropen und vor allem bei Tropenstürmen oft zu sintflutartigen Regenfällen. Über bestimmte Luftströmungen wie die atmosphärischen Flüsse können mit Feuchtigkeit „vollgetankte“ Luftmassen aber auch bis in nördliche Breiten gelangen. Hinzu kommt, dass die globale Erwärmung inzwischen auch bei uns Starkregen häufiger und intensiver werden lässt.

Heiße Erde simuliert

Doch es geht noch viel schlimmer: Wie Starkregen in einem noch wärmeren Klima aussehen könnten, haben Jacob Seeley und Robin Wordsworth von der Harvard University genauer untersucht. Dafür simulierten sie in einem Klima-Atmosphären-Modell die Bedingungen, die in früheren, besonders warmen Erdzeitaltern geherrscht haben. „Damals könnten die Oberflächentemperaturen der Erde durch hohe Kohlendioxidwerte um Dutzende Grad höher gelegen haben als heute“, erklären sie.

In solches extremes Treibhausklima gab es wahrscheinlich bis vor rund 2,5 Milliarden Jahren, aber auch nach Ende der „Schneeball-Erde„-Phase vor rund 700 Millionen Jahren. Um diese Ära zu simulieren, erhöhten die Forscher in einigen Simulations-Durchgängen die CO2-Werte drastisch oder aber sie verstärkten die Sonneinstrahlung um rund zehn Prozent – ähnlich wie es unser Planet in rund einer Milliarde Jahren erleben wird.

Neuer Zustand der Atmosphäre

Es zeigte sich Überraschendes: Statt einer einfachen Verstärkung der Niederschläge kommt es auf einer so warmen Erde zu einem grundlegenden Wandel in der atmosphärischen Konvektion. Es beginnt ein oszillatorisches Regime, in dem auf mehrere Tage ohne Regen jeweils ein wenige Stunden dauernder, aber massiver Regensturm folgt. In diesen hunderte Kilometer überspannenden Megaschauern fallen innerhalb weniger Stunden mehrere hundert Millimeter Wasser – mehr als ein Hurrikan in mehreren Tagen von sich gibt.

Dieser Zyklus aus mehreren trockenen Tagen und abrupten Entladen der Niederschläge wiederholt sich immer dann immer wieder. „Ein solcher periodischer Zyklus von Sintflut-Regenfällen stellt einen neuen und völlig unerwarteten Zustand der Atmosphäre dar“, sagt Wordsworth. „Die Natur der Niederschläge verändert sich dadurch fundamental.“ Doch die Modelle legen nahe, dass ein solcher oszillatorischer Zustand ein typisches Merkmal sehr warmer, feuchter Atmosphären sein könnte.

Barriereschicht führt zur Aufladung

Nähere Analysen enthüllten, wie diese Zyklen extremer Regenfälle zustande kommen. Demnach bildet sich durch die starke Aufheizung der Erdoberfläche und vor allem der Meere eine Art Barriereschicht. Diese warme Luftschicht trennt die wasserdampfgeschwängerte, bodennahe Luft von den oberen Atmosphärenschichten ab. Die feuchtwarmen Luftmassen können dadurch nicht bis in die obere Troposphäre aufsteigen und dort normale Wolken bilden.

Stattdessen sammelt sich die warmfeuchte Luft unter der Barriere, kann aber nicht genug abkühlen, um den Wasserdampf auszukondensieren und Regentropfen zu bilden. In der oberen Atmosphäre bilden sich zwar Wolken und Regentropfen, diese verdunsten aber, bevor sie die Barriereschicht oder die Erdoberfläche erreichen kann. Obwohl die Atmosphäre immer mehr Wasserdampf aufnimmt, bleibt es daher niederschlagsfrei und trocken. „Das ist ähnlich dem Aufladen einer riesigen Batterie“, erklärt Seeley.

Abrupte Entladung in Megaschauern

Nach einigen Tagen des Aufladens kommt es dann zum Durchbruch: Die Kühlung von oben erodiert die Barriereschicht und erlaubt es nun den enormen Mengen an warmfeuchter Luft, weiter aufzusteigen. In einer Art Kettenreaktion erzeugt der Durchbruch einen Sog, der gewaltige Konvektionsströmungen in Gang setzt. Durch sie kühlen sich die aufgestauten warmfeuchten Luftmassen abrupt ab und der Wasserdampf kondensiert aus.

„Wenn die ganze Feuchtigkeit und Hitze von der Oberfläche in die kühle obere Atmosphäre durchbricht, verursacht dies einen enormen Regensturm“, erklärt Seeley. Ähnlich wie bei einem Kondensator entlädt sich die gesamte aufgestaute Energie dieses Systems innerhalb kurzer Zeit. Im Verlauf von etwa sechs Stunden fällt dabei mehr Regen als sonst über mehrere Tage bei einem Tropensturm.

Relevant für Erdzukunft und Exoplaneten

„Diese Ergebnisse zeigen, dass das irdische Klimasystem noch eine Menge Überraschungen bereithält“, sagt Seeley. Denn obwohl sich das im Modell simulierte Klima aus planetarer Sicht nicht grundlegend vom heutigen unterscheidet, löst es eine ganz Form der atmosphärischen Konvektion aus, das die Forscher als „Outburst“-Regime – Ausbruchs-Regime – bezeichnen.

Ein solches Regime von Megaschauern könnte das Erdklima über Jahrmillionen geprägt haben und beispielsweise Phasen extremer Erosion und Verwitterung erklären. „Das gibt uns erste Einblicke darin, wozu die Erde fähig ist“, sagt Seeley. Gleichzeitig könnte es solche oszillierenden Wettermuster auch auf anderen erdähnlichen Planeten geben. Wahrscheinlich wäre dies unter anderem bei Exoplaneten, die Rote Zwerge in gebundener Rotation umkreisen, wie die Forscher erklären. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03919-z)

Quelle: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences