Klimawandel: Wasserdampf, Treibstoff für Wirbelstürme

In der Atmosphäre reichert sich Wasserdampf an. Das sorgt für verheerende Stürme und beschleunigt den Klimawandel. Eine Folge: starke Überschwemmungen wie 2022 in Australien.

Im Sommer 2021 hat sich schmerzhaft gezeigt, welche folgenschweren Wetterlagen wir auf Grund der fortschreitenden globalen Erwärmung künftig erwarten müssen. Mehr als 180 Menschen sind bei den schweren Unwettern mit ihren darauf folgenden Überschwemmungen in der Eifel und im Bergischen Land im Juli ums Leben gekommen. Stellenweise gingen dort innerhalb von zwei Tagen über 200 Millimeter Regen nieder.

Allein im Einzugsgebiet der Ahr rauschten am 14. Juli mehr als 90 Liter Wasser pro Quadratmeter auf die Erde, wie der Deutsche Wetterdienst gemessen hat – sonst fallen dort im ganzen Monat durchschnittlich 70 Liter. Und in anderen Teilen der Welt brachen die sommerlichen Niederschläge ebenfalls Rekorde: Ende Juli 2021 fiel in der chinesischen Provinz Henan die sonst in einem Jahr übliche Regenmenge von gut 600 Millimetern innerhalb von nur drei Tagen.

Mitte August löste im US-Bundesstaat Tennessee ein scharfer Knick im Jetstream Wolkenbrüche mit mehr als 400 Millimeter Regen in 24 Stunden aus, mindestens 20 Menschen starben in den Fluten. Und auch 2022 setzt sich diese Serie fort, etwa mit den verheerenden Dauerniederschlägen in Ostaustralien.

Dabei waren das noch nicht einmal Hurrikane oder andere tropische Wirbelstürme. Doch bald tobte Hurrikan »Ida« durch den Golf von Mexiko, der neunte Tropensturm der atlantischen Hurrikansaison 2021.

Am 28. August handelte es sich noch um einen Kategorie-1-Hurrikan mit anhaltenden Windgeschwindigkeiten von 130 Kilometern pro Stunde. Kaum 24 Stunden später schwoll »Ida« mit Wucht zu Kategorie 4 an, fast doppelt so schnell wie laut Definition des US-National Hurricane Center für einen sich rasch intensivierenden Sturm üblich. Sie traf mit Windgeschwindigkeiten von 240 Kilometern pro Stunde auf die Küste von Louisiana und hinterließ über eine Million Menschen tagelang ohne Strom, mehr als 600 000 ohne Wasser. »Ida« wütete weiter in nordöstlicher Richtung und lud in New York City rekordbrechende 80 Millimeter Regen in einer Stunde ab. Der Sturm forderte mindestens 80 Menschenleben.

Gemeinsam war allen diesen Katastrophen die Anwesenheit von reichlich Wasserdampf in der Luft. Wasser im gasförmigen Zustand trägt entscheidend dazu bei, dass Stürme verheerender werden und sich der Klimawandel beschleunigt. Denn wenn sich Ozeane und Atmosphäre aufheizen, steigt durch Verdunstung der Wasserdampfgehalt der Luft. Wärmere Luft wiederum kann mehr Dampf aufnehmen, bevor er sich durch Kondensation in Wolkentropfen verwandelt – ein Vorgang, der zuweilen sintflutartige Regenfälle zur Folge hat. Weltweit hat der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre allein seit Mitte der 1990er Jahre um vier Prozent zugenommen.

Dieser Anstieg erscheint zwar gering, ist jedoch für das Klimasystem von großer Bedeutung: Eine wasserdampfreichere Atmosphäre liefert zusätzliche Energie und Feuchtigkeit für die Entstehung von Sommergewittern, Nordoststürmen (»Nor’easters«) an der Ostküste der USA, Hurrikanen und selbst Schneestürmen. Tropische Stürme wie »Ida« gewinnen durch zusätzlichen Wasserdampf schneller an Intensität.

Fachleute erwarten schon seit Längerem eine Wasserdampfzunahme in der Atmosphäre durch den Klimawandel und dadurch ausgelöste »Dunststürme«, die mehr Regen und Schnee bringen könnten als die Stürme, die wir aus den vergangenen Jahrzehnten kennen. Messungen bestätigen, dass sich Starkregenereignisse weltweit zunehmend häufen und intensiver werden. Seit Ende der 1980er Jahre konnten in den USA etwa ein Drittel der durch Überschwemmungen verursachten Sachschäden – etwa 73 Milliarden Dollar – auf die Zunahme starker Niederschläge zurückgeführt werden.

Im August 2017 etwa brachte Hurrikan Harvey Teilen des Stadtgebiets von Houston (Texas) innerhalb von fünf Tagen unfassbare 1500 Millimeter Regen, was selbst erfahrene Meteorologen und Meteorologinnen staunen ließ. Zeit­weise fielen aus den Regenbändern des Wirbelsturms bis zu 150 Millimeter Niederschlag pro Stunde. Einer Ana­lyse der Initiative »World Weather Attribution« zufolge, eines Zusammenschlusses von Klimaforschern weltweit, hat der Klimawandel diesen Rekordregen um 15 Prozent intensiver oder dreimal so wahrscheinlich gemacht. Seine Antriebskraft zog Hurrikan Harvey aus der feuchtigkeits­beladenen Luft über dem außergewöhnlich warmen Golf von Mexiko.

Wasserdampf als Energiespeicher

In den feuchtheißen tropischen Regionen beiderseits des Äquators ist reichlich Wasserdampf in der Luft vorhanden. Von dort aus können die wasserreichen Luftmassen entlang von Sturmzugbahnen in die kühleren, trockeneren Regionen der mittleren bis höheren Breiten gelangen und diesen starke, anhaltende Niederschläge bringen. Die feuchtwarmen Strömungen verteilen die Energie in der Erdatmo­sphäre gleichmäßiger und entfesseln unterwegs heftige Dunststürme.

Wenn wir in der Sonne schwitzen oder Wasser in einem Topf zum Kochen bringen, verwandeln wir flüssiges Wasser in Wasserdampf. Voraussetzung dafür ist Hitze. Ein vergleichbarer Vorgang spielt sich im Klimasystem ab, wenn Wasser aus feuchten Böden, Pflanzen, Ozeanen, Seen und Flüssen durch Erwärmung verdunstet und als Dampf in die Luft gelangt. Die Verdunstung des Wassers benötigt Energie; sofern sich der Dampf später durch Kondensation, also Wolken- oder Taubildung, wieder in flüssiges Wasser verwandelt, wird diese Energie in Form von Wärme frei und erhöht die Temperatur der Atmosphäre. Die daraus resultierende Warmluftblase ist leichter als die Umgebungsluft und steigt daher auf. Da die Temperaturen in größeren Höhen in der Regel niedriger sind, kann die Blase immer weiter steigen und wachsen, so dass weiterer Wasserdampf kondensiert, Wolken bildet und noch mehr Wärme freisetzt. Wer schon einmal in einem Flugzeug durch eine große Quellwolke geflogen ist, hat die Turbulenzen gespürt, die solche aufsteigenden Luftmassen erzeugen.

Die im Wasserdampf gespeicherte Verdunstungsenergie – genannt »latente Wärme« – ist der bedeutendste Antriebsfaktor für Hurrikane, Gewitter und ganz gewöhn­liche Schlechtwetterperioden. Weil für die Verdampfung von Wasser viel Energie aufgewendet wird, enthält Wasserdampf ein beträchtliches Ausmaß an latenter Wärme. Ein typischer Hurrikan setzt an einem Tag so viel Wärmeenergie frei, wie in 200 Tagen weltweit an Stromenergie erzeugt wird. Alle 20 Minuten kann er die Explosionskraft einer zehn Megatonnen schweren Atombombe entfesseln.

Besonders bedrohlich kann die Wasserdampfzunahme in der Atmosphäre werden, weil sie tropische Stürme rasch anschwellen lässt. Meteorologinnen und Meteorologen sprechen von einem sich rasant intensivierenden Sturm, wenn innerhalb von 24 Stunden entweder die maximale Windgeschwindigkeit um mindestens 30 Knoten (etwa 56 Kilometer pro Stunde) zunimmt oder der Luftdruck im Zentrum des Sturms um mindestens 42 Millibar fällt. Heute treten solche Stürme etwa fünfmal so häufig auf wie vor 40 Jahren. Allein 2020 trafen diese Kriterien im Atlantik auf zehn Hurrikane zu. 2021 erfuhren fünf der sechs Hurrikane, die sich bis Mitte September im Atlantik bildeten, eine rasante Verstärkung, darunter »Ida« und »Nicholas«. Jüngere Studien liefern die Bestätigung: Eine rasche Intensivierung wird wahrscheinlicher, je stärker sich die Ozeane erwärmen. Durch die Aufheizung der Meere verdunstet mehr Wasser, so dass zusätzliche Verdunstungswärme in die Atmosphäre befördert wird. Ozeane nehmen etwa 90 Prozent der Wärme auf, die in den durch die Menschen aus­gestoßenen Treibhausgasen gespeichert ist. Daher steigen die Meerestemperaturen, sowohl an der Oberfläche als auch in größeren Tiefen. Das warme Wasser wirkt wie eine starke Batterie, aus der Stürme Energie ziehen.

Gefährlich schwüle Sommernächte

Unter den vielen Folgen des Klimawandels hat jedoch nicht nur die Wasserdampfzunahme Einfluss auf tropische Stürme. Reduzierte vertikale Windscherungen, das sind scharfe Änderungen der Windgeschwindigkeit oder Windrichtung zwischen übereinanderliegenden Luftmassen, begünstigen ebenfalls die Entwicklung von Stürmen, da aufsteigende Wolkentürme seltener auseinandergerissen werden. Darüber hinaus untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler derzeit, wie es sich auswirkt, wenn sich die Anteile von Staub und Schmutzpartikeln in der Luft verändern und welche Rolle die unterschiedliche Erwärmung der unteren und oberen Luftschichten spielt, die die Aufstiegsgeschwindigkeit von Warmluftblasen regelt. In den vergangenen zwei Jahrzehnten waren große Bereiche des tropischen Nordatlantiks ungewöhnlich warm, wodurch übermäßig viel Wasser verdunstet ist. Die hohe Luftfeuchtigkeit fungierte als Motor für starke Hurrikane. Ebenso speisen sich außertropische Stürme aus dem zusätzlichen Wasserdampf und der hinzukommenden Energie, weshalb Starkregenereignisse und vielleicht sogar heftigere Schneefälle häufiger auftreten.

Die Wasserdampfzunahme bringt aber nicht nur eine erhöhte Sturmgefahr mit sich. Sie macht auch Sommernächte unangenehm schwülwarm. Über den Landflächen weltweit sind seit Mitte der 1990er Jahre die nächtlichen Tiefsttemperaturen im Sommer stärker gestiegen als die Tageshöchsttemperaturen. Das liegt ebenfalls am Treibhausgas Wasserdampf: Wärme, die normalerweise nachts in den Weltraum entweichen würde, bleibt in der Atmosphäre gefangen und verhindert, dass die Erdoberfläche abkühlt. Und im Gegensatz zu Kohlenstoffdioxid, das sich über den ganzen Globus verteilt, egal wo es freigesetzt wird, bleibt Wasserdampf zunächst dort, wo er entsteht.

Die erhöhte Luftfeuchtigkeit macht heiße Nächte zum Gesundheitsrisiko. Weil die Luft mehr Wasserdampf enthält, verdunstet Schweiß schlechter, was die natürliche Abkühlung des Körpers erschwert. Überhitzung und Schlafstörungen sind die Folge. Ein Maß für diese Beschwerden ist der Hitzeindex: Er beschreibt den kombinierten Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit und beziffert den Stress, dem der Körper tatsächlich ausgesetzt ist. 33 Grad Celsius bei 60 Prozent Luftfeuchtigkeit ergeben beispielsweise einen Hitzeindex von 40 Grad Celsius. Ein Hitzeindex von mehr als 38 Grad Celsius gilt als gefährlich. Längere Expo­sition kann tödlich sein, speziell für ältere Menschen und Kinder. Vieh und Haustiere leiden ebenfalls unter nächtlicher Hitze, während Wildtiere in höhere Breiten oder höher gelegene Gegenden ausweichen. Kühlt es nachts weniger ab, kann sich Hitze überdies in Böden anstauen, so dass manche Pflanzen und Insekten sterben, andere – wärme­liebendere Arten – vielleicht besser gedeihen. Gemäß der »Declaration on Climate Change and Health«, die 32 US-amerikanische Gesundheitsorganisationen im August 2021 veröffentlicht haben, steigt durch Nachthitze außerdem die Gefahr durch von Insekten übertragenen Krankheiten.

Rückkopplung verstärkt den Temperaturanstieg

Die Belastung durch hohe Nachttemperaturen nimmt nicht nur in den heißen tropischen Regionen zu, sondern ebenfalls in Gebieten deutlich nördlich oder südlich des Äquators. In Houston in den USA liegt die Durchschnittstemperatur heute um mehr als zwei Grad Celsius höher als 1970. Ursächlich sind zum einen die Nähe des wärmer gewordenen Golfs von Mexiko, zum anderen das rasche Wachstum der Stadt, das den urbanen Wärmeinseleffekt erhöht.

Das deckt sich mit den Entwicklungen in Deutschland: Die Zahl der »Tropennächte«, in denen die Temperatur nicht unter 20 Grad Celsius sinkt, hat seit den 1990er Jahren immer mehr zugenommen. In Hessen wurde beispielsweise zwischen 1961 und 1990 etwa alle fünf Jahre eine solch warme Nacht registriert. In Frankfurt am Main zählte der Deutsche Wetterdienst im Jahr 2015 acht, im Jahr 2018 sechs und im Jahr 2019 vier Tropennächte. Künftig werden diese Zustände vermutlich zur Normalität.

Am meisten werden allerdings einige tropische Länder leiden – oder tun es schon jetzt. Im Mai 2015 wurden Indien und Pakistan von einer starken Hitzewelle erfasst. Die Tageshöchsttemperaturen lagen dort tagelang über 46 Grad Celsius, durch die hohe Luftfeuchtigkeit konnte es nachts kaum abkühlen. An den Folgen dieser Belastung starben nach Angaben der Vereinten Nationen rund 3500 Menschen. Wenn die globale Erwärmung um ein weiteres halbes Grad zulegt, wird sich die Zahl der durch Extremhitze gefährdeten Menschen weltweit auf 500 Millionen erhöhen, schätzten Klimawissenschaftler der Rutgers University in den USA im Jahr 2020.

Im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung erfährt Kohlenstoffdioxid zwar die meiste Beachtung, doch Wasserdampf ist das bei Weitem wichtigste Treibhausgas in der Atmosphäre. Er absorbiert viel größere Anteile der von der Erdoberfläche emittierten Infrarotstrahlung als andere Treibhausgase und fängt dadurch mehr Wärme ab. Das ist aber noch nicht alles, denn da wärmere Luft mehr Wasser aufnehmen kann – der Wasserdampfgehalt also mit steigender Temperatur zunimmt –, verstärkt er jede durch Kohlenstoffdioxid oder andere Treib­hausgase verursachte Erwärmung zusätzlich. Um die Größenordnung zu veranschaulichen: Eine Verdopplung der atmosphärischen Konzentration von Kohlenstoffdioxid würde für sich betrachtet die Erde um etwa ein Grad Celsius aufheizen. Durch Rückkopplungen ist der Temperaturanstieg aber doppelt so hoch. Allerdings erhalten andere Feedbacks wie etwa schwindendes Meereis den Großteil der Aufmerksamkeit. Dabei ist die Wasserdampfrückkopplung – Erwärmung führt zu Verdunstung, wodurch Wärme eingefangen wird, die weitere Erwärmung verursacht – die stärkste im Klimasystem.

Entgegen dem, was man zunächst vermuten würde, ist die Wasserdampfrückkopplung dort am schwächsten, wo besonders viel Wasserdampf vorhanden ist. In feuchten Regionen ist die vom Wasserdampf absorbierte Infrarotstrahlung bereits nahe an ihrem physikalischen Limit, weshalb es sich nur noch minimal auswirkt, wenn noch weitere Feuchtigkeit hinzukommt. An trockenen Orten jedoch, etwa in Polargebieten und Wüsten, liegt die Menge an absorbierter Infrarotstrahlung deutlich unter ihrem potenziellen Maximum. Daher wird jeglicher hinzukommender Wasserdampf zusätzliche Wärme abfangen und die untere Atmosphäre aufheizen.

Die zunehmende Zahl und Dauer arktischer Hitzewellen ist ein eindeutiges Symptom für häufigeren und anhaltenderen Eintrag warmer, feuchter Luftmassen, die von den Tropen kommend nordwärts ziehen. Im Januar 2021 etwa stiegen die Temperaturen dort sprunghaft an. In weiten Teilen des Nordpolarmeers war es rund 20 Grad Celsius wärmer als üblicherweise. Die immer häufiger selbst im Winter in der Arktis auftretenden Wärmeperioden verzögern die Meereisbildung und tragen dazu bei, dass die Eisdecke rasch schrumpft.

Verstärkte Wolkenbildung könnte die Erwärmung, die durch mehr Wasserdampf in der Atmosphäre zu Stande kommt, kompensieren. Wolken reflektieren die Sonneneinstrahlung und sorgen dadurch für Abkühlung, andererseits fangen sie Infrarotstrahlung ein und halten so Wärme fest. Über Ozeanen herrscht eher der kühlende Einfluss vor, während in höheren Breiten der wärmende Effekt überwiegt. Wie jüngste Untersuchungen nahelegen, hat im weltweiten Durchschnitt die Erwärmung größere Bedeutung, wodurch sich ein weiterer Teufelskreis ergeben würde, an dem Wasserdampf beteiligt  ist.

Da unsere menschlichen Aktivitäten weiterhin Treibhausgase freisetzen, wird die Erwärmung von Ozeanen und Atmosphäre voranschreiten. Durch Verdunstung wird also zusätzlicher Wasserdampf entstehen, wodurch Dunststürme, belastende Schwüleperioden, Hurrikane der stärksten Kategorien sowie sich rasch intensivierende Stürme häufiger auftreten. Solche Extremwetterereignisse vorauszusagen wird zur Herausforderung für die Meteorologie: Wenn sich Stürme erst kurz vor ihrem Landfall verstärken, wie etwa Hurrikan »Ida«, bleibt wenig Zeit, um Katastrophenalarm auszurufen. Eventuelle Evakuierungen müssten dann innerhalb weniger Stunden erfolgen.

Vor allem fehlen für die Vorhersage solcher Extrem­stürme Temperaturmessungen unter der Meeresoberfläche. Eine in größere Tiefen reichende Warmwasserschicht liefert wesentlich mehr Treibstoff für Stürme als eine flache, doch Satelliten messen nur die Oberflächentemperaturen der Ozeane. Demgegenüber versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herauszufinden, wie viel Energie in den oberen etwa 100 Metern des Meerwassers gespeichert ist, denn aus diesen Tiefen speisen sich die Stürme. Autonome Ozeangleiter – segelflugzeugartige Roboter – zeichnen in den oberen Wasserschichten der Ozeane in unterschiedlichen Tiefen Temperatur und Salzgehalt auf. Die Forschung arbeitet außerdem mit Satellitendaten, um Schwankungen des Meeresspiegels zu ermitteln: Eine tief reichende Warmwasserschicht dehnt sich relativ zur Umgebung aus, wodurch sich die Ozeanoberfläche wölbt. Dieser »Hügel« ist vom Weltraum aus sichtbar.

Satellitendaten sind außerordentlich wertvoll, aber wir benötigen zusätzlich über die Ozeane verteilte Instrumente, die Temperatur, Wasserdampf und Wind messen. Wir werden uns weiterhin auf Hurrikanjäger verlassen – auf Flugzeuge, die in Stürme hineinfliegen, um darin Messungen vorzunehmen. Die dabei gewonnenen Daten fließen in Computer­modelle ein. Diese liefern genauere Informationen über den Zustand der Atmosphäre und die Stärke eines Sturms. Mehr Datenabdeckung, schnellere Computer und ein tiefer gehendes Verständnis der Entstehung von Stürmen helfen Vorhersagen zu verbessern.

Wasserdampf entstammt zahllosen Quellen und beeinflusst viele Vorgänge in der Atmosphäre. Einige der Wechselwirkungen versteht die Wissenschaft noch nicht vollständig. Es wird eine anspruchsvolle Aufgabe sein, mit Hilfe von Computermodellen vorherzusagen, welche Rolle Wasserdampf in einem sich wandelnden Klimasystem spielt. Selbst bei der scheinbar unkomplizierten Ermittlung der Verdunstungsgeschwindigkeit von Wasser aus einem Ozean oder See sind viele Faktoren zu berücksichtigen, etwa die Differenz zwischen Wasser- und Lufttemperatur, die bereits in der Luft vorhandene Wasserdampfmenge und die Windgeschwindigkeit.

Über Landflächen wird die Berechnung noch kniffliger, denn dabei kommen zusätzliche Variablen wie die Feuchtigkeitsmenge im Boden und die Vegetation ins Spiel. Schwierig wird auch die Prognose, wie sich der Wasserdampf nach seinem Eintritt in die Atmosphäre verhält. So könnte er etwa Wolken bilden, einen Sturm auslösen oder als Regen und Schnee fallen. Oder wird er an Oberflächen als Tau oder Frost kondensieren? Wird er über hunderte oder gar tausende Kilometer von den Tropen in höhere Breiten strömen? Fehler bei jeder dieser Berechnungen erschweren die Vorhersagen künftiger Temperaturveränderungen und Wettermuster.

Die Wasserdampfzunahme in unserer Atmosphäre verdient mehr Beachtung. Leider können wir seinen Gehalt nicht direkt beeinflussen. Wir können ihn jedoch indirekt reduzieren, indem wir die Erwärmung zügeln. Sollte uns das gelingen, dürften sich Dampfstürme künftig weniger intensivieren – und ebenso die durch sie verursachten Probleme.