Regionale Klimaänderungen

Einleitung

Abb. 1: Schematische Darstellung von Hochgebirgsregionen, ihrer Beziehung zum Umland und den Einfluss des Klimawandels. M: Masse in Gt, F: Massenflüsse in Gigatonnen (Gt) pro Jahr^B1

Zahlreiche Untersuchungen lassen darauf schließen, dass Gebirge sich im Rahmen des Klimawandels stärker erwärmt haben als tiefer liegende Gebiete in derselben Breitenlage. Für die Zukunft zeigen auch die Projektionen von Klimamodellen in vielen Fällen eine verstärkte Erwärmung in Gebirgsregionen. Die Folgen könnten erheblich sein. So würde eine verstärkte Erwärmung die Schnee- und Gletscherbedeckung im Winter und Frühling verringern, was wiederum Folgen für die Wasserführung der aus Gebirgen kommenden Flüsse haben wird. Vor allem wäre mit geringeren Sommerabflüssen zu rechnen. Auch kleinere Veränderungen in den Niederschlagsmengen und in der Niederschlagsart in den Bergen können zu weitreichenden Folgen für die Wasserversorgung sowohl im Gebirge wie in den Tiefländern talabwärts führen, mit Konsequenzen für Ökosysteme und die menschliche Gesellschaft.¹

Allerdings sind die Nachweise über eine stärkere Erwärmung in den Hochgebirgen noch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die größte Schwierigkeit ist die geringe Anzahl langfristiger Messdaten.² Anders als in der ebenfalls durch Wetterstationen nur schlecht erfassten Arktis sind Hochgebirge jedoch alles andere als homogen und zeigen auf kleinstem Raum extreme klimatische Unterschiede. Da die meisten Stationen in Tälern liegen werden steile Hänge, Plateaus oder Gipfel kaum erfasst. Satellitendaten sind auch nur bedingt eine Lösung, da sie wegen häufiger Wolkenbedeckung lückenhaft sind und nur schlecht mit Beobachtungsdaten am Boden abgeglichen werden können. Auch Berechnungen mit Klimamodellen sind wenig befriedigend. Heutige Klimamodelle besitzen eine zu geringe räumliche Auflösung, die wegen der komplexen Topographie weniger als 5 km betragen müsste, wovon man noch weit entfernt ist.³

Globale Veränderungen

Es gibt nur sehr wenige Studien, die Klimaänderungen in den Gebirgsregionen global versuchen zu erfassen. Eine Untersuchung von 2367 Stationen rund um die Welt zeigte für das nördliche Hochland von Tibet, die südöstlichen Rocky Mountains und die Alpen eindeutig, dass die Erwärmung in Hochgebirgen stärker ausfällt als in niedrig liegenden Regionen gleicher Breite. Im Hochland von Tibet war die Erwärmung mit 1,87 °C über 50 Jahre am stärksten, jedoch weniger stark als in den hohen Breiten (nördlich von 60° N) mit 2,2 °C über 50 Jahre. Pro 1000 m Höhe nimmt der Trend über 50 Jahre um 0,19 °C zu. Nicht in allen Fällen müssen sich die höheren Lagen stärker erwärmen als die tieferen, z.B. wenn letztere durch den städtischen Wärmeeffekt beeinflusst sind. Allgemein gesehen scheint die stärkere Erwärmung in Hochgebirgen jedoch ein typisches Phänomen der globalen Erwärmung zu sein.³ Eine andere Untersuchung kam zu dem Ergebnis, dass zumindest zwischen 30 und 70 °N bei 100 untersuchten Wetterstationen die Erwärmungsraten zwischen 1951 und 1989 in höheren Lagen stärker waren als in tieferen. Dabei stiegen vor allem die Minimumtemperaturen stärker an, während sich an den Maximumtemperaturen wenig änderte. Andere Studien stellten fest, dass sich die Erwärmung an höher gelegenen Stationen stärker zeigte als in der freien Atmosphäre in derselben Höhe und dass die Erwärmung in größeren Höhen stärker in den Tropen ist als in den anderen Breiten.¹ Auch der Weltklimarat IPCC stellte in einem Bericht von 2019 fest, dass im Allgemeinen die Erwärmung stärker in höheren Regionen als in den tieferen Lagen der Hochgebirge ist.⁴

Klimaänderungen in einzelnen Hochgebirgen

Das Hochland von Tibet

Aufgrund seiner ausgedehnten Schnee- und Eisflächen wird das Hochland von Tibet auch als dritter Pol der Erde bezeichnet. Seine mittlere Höhe liegt bei über 4000 m. Klimatische Änderungen besitzen eine große Bedeutung für die Wasserversorgung eines großen Teils der Bevölkerung im südlichen und südöstlichen Asien. Das Hochland von Tibet gilt als eine der empfindlichsten Regionen gegenüber dem Klimawandel. Die Erwärmung in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts setzte früher ein (in den frühen 1950er Jahren) als sonst auf der nördlichen Hemisphäre (1970er Jahre). Sie war im letzten halben Jahrhundert mit 0,32 °C/Jahrzehnt besonders stark im Winter. Für den Zeitraum 1991-2012 soll in Höhen um 2000 m die Erwärmung etwas unter 0,4 °C pro Jahrzehnt, bei 3500 m Höhe sogar ca. 0,7 °C/Jahrzehnt betragen haben.² Auch Satellitendaten legen eine Zunahme des Erwärmungstrends zwischen 3000 und 5000 m Höhe nahe, während über 5000 m offensichtlich keine stärkere Erwärmung stattgefunden hat. Regional wurden hohe Temperaturzunahmen vor allem im westlichen indischen Himalaya mit 0,46 °C/Jahrzehnt (im Winter sogar 0,82 °C/Jahrzehnt) festgestellt. Mögliche Ursachen für die Wintererwärmung sind eine geringere Schneebedeckung mit der Folge einer geringeren Albedo und ein höherer Anteil an Regenniederschlägen im Winter (s.u.).¹

Die Alpen

Das klimatisch am besten untersuchte Hochgebirge der Welt sind die Alpen. Sie haben sich seit dem späten 19. Jahrhundert doppelt so stark erwärmt wie die globale Mitteltemperatur. So ist auch die Erwärmung in den Schweizer Alpen im 20. Jahrhundert deutlich stärker als im globalen oder hemisphärischen Durchschnitt. Eine jüngere Untersuchung kommt zu dem Ergebnis, dass die Wintertemperaturen um 0,4 °C und die Sommertemperaturen um 0,46 °C pro Jahrzehnt angestiegen sind.¹ Allerdings zeigten sich in den Alpen nicht die erwartbaren Unterschiede zwischen den Höhenlagen. Teilweise stiegen die Temperaturen in den letzten Jahrzehnten in den tieferen Lagen sogar stärker an als in den höheren Regionen. Als Ursache wird die Aerosolbelastung angenommen, die bis in die 1980er Jahre hinein in den Tälern und umliegenden Tiefländern relativ hoch war und dann stark zurückging, die höheren Bergregionen aber kaum betroffen hat. Der deutliche Rückgang der Aerosolbelastung durch entsprechende Luftreinhaltungsmaßnahmen in Europa hat sich in den Tiefländern und Tälern in einem relativ starken Temperaturanstieg niedergeschlagen. Die Alpen werden außerdem durch natürliche Klimaschwankungen wie die Nordatlantische Oszillation beeinflusst.

Die Südlichen Rocky Mountains

Auch in den Südlichen Rocky Mountains wurden hohe Temperaturzunahmen festgestellt. Sie liegen für die letzten drei Jahrzehnte bei 0,5-1,0 °C pro Jahrzehnt und sind besonders im Winter und Sommer ausgeprägt. Zwischen 1952 und 1980 wurde dagegen eine leichte Abkühlung beobachtet, die auf die starke Belastung durch anthropogene Aerosole zurückgeführt wird. Eine stärkere Temperatursteigerung mit zunehmender Höhe konnte nicht eindeutig nachgewiesen werden, weil Beobachtungsstationen über 2000 m kaum vorhanden sind und ab 3000 m nahezu ganz fehlen.¹

Ursachen

Der Albedo-Effekt

Worin liegen die wichtigsten Ursachen für den stärkeren Temperaturanstieg in Hochgebirgen? Als wichtigste Ursache wird der Schnee- und Eis-Albedo-Effekt angenommen. In Reaktion auf die Temperaturzunahme durch den Klimawandel schmilzt mehr Schnee, wodurch eine dunklere Bodenoberfläche frei wird, die die Albedo senkt. Dadurch wird mehr Solarstrahlung absorbiert und als Wärmestrahlung abgegeben, was die ursprüngliche Erwärmung verstärkt. Da dieser Rückkopplungseffekt die einfallende Sonnenstrahlung betrifft, verändert er primär die Maximumtemperatur am Tage. Ein anderer Feedback-Mechanismus betrifft die Minimumtemperatur während der Nächte: Eine Verringerung der Schneebedeckung erhöht die Bodenfeuchte, was eine längere Speicherung der Solarenergie im Boden zur Folge hat, die nachts als langwellige Wärmestrahlung abgegeben wird. Beide Feedbacks sind am stärksten in Höhen, wo sich die Schneegrenze bzw. die 0 °C-Isotherme befinden. Wie Untersuchungen auf dem Hochland von Tibet ergeben haben, hat sich die Dauer der Schneesaison in allen Höhenlagen verringert. Am stärksten war das der Fall in Höhen von 4000-6000 m.¹ Ein ähnlicher Prozess wie der Schnee- und Eis-Albedo-Effekt spielt sich durch die Anhebung der Baumgrenze ab. Eine mit Wald bedeckte Oberfläche ist dunkler als nackter Felsboden und besitzt eine geringere Albedo.²

Wolken

Auch Veränderungen in der Wolkenbedeckung haben über verschiedene Mechanismen Einfluss auf die Zunahme der Erwärmung mit der Höhe. Sie betreffen einerseits die Strahlungsverhältnisse, und zwar sowohl die kurzwellige Einstrahlung der Sonne als auch die vom Boden oder von Partikeln in der Atmosphäre ausgehende langwellige Strahlung. Eine Abnahme der Wolkenbedeckung am Tage würde z.B. die Maximumtemperaturen erhöhen, da mehr Sonnenstrahlen auf den Boden treffen würden, während die Nachttemperaturen niedriger würden, weil die langwellige Ausstrahlung stärker wäre. Umgekehrt würde eine Zunahme der Wolkendecke infolge des Treibhauseffekts von Wolken nachts die Minimumtemperaturen erhöhen. Über Veränderungen der Wolkenbedeckung in bestimmten Regionen liegen jedoch nur vereinzelt Messergebnisse vor. So wurde in den Schweizer Alpen über Hochebenen, über denen sich nachts häufiger Strato-Cumulus-Wolken gebildet haben, ein stärkerer Anstieg der Minimumtemperaturen als in der Umgebung festgestellt. Eine ebenfalls beobachtete stärkere Erhöhung der Tagestemperatur im Herbst wurde in der Abnahme von Nebel begründet, wodurch die einfallende Sonnenstrahlung zugenommen habe. Für das Hochland von Tibet konnte gezeigt werden, dass die Abnahme der Wolkenbedeckung eine stärkere Erwärmung am Tage bewirkt hat.¹

Außer durch den Albedo- und den Treibhauseffekt haben Wolken auch durch die Kondensation einen Einfluss auf die Erwärmung der Atmosphäre. Bei der Kondensation von Wasserdampf wird latente Wärme frei, die zuvor bei der Verdunstung bzw. Umwandlung von Wasser in Wasserdampf gespeichert wurde. Daher wird eine verstärkte Erwärmung in Höhe des Kondensationslevels bei einem höheren Wasserdampfgehalt der Atmosphäre erwartet. Durch die allgemeine Erwärmung wird das Kondensationsniveau angehoben, wodurch vor allem höhere Lagen von diesem Effekt profitieren.² Die allgemeine Erwärmung bewirkt außerdem, dass sich mehr Wasserdampf in der Atmosphäre befindet, der als Treibhausgas wirkt und damit die Atmosphäre erwärmt. Der Treibhauseffekt von Wasserdampf ist besonders groß, wenn der Wasserdampfgehalt ursprünglich sehr niedrig ist, wie das in höheren Lagen im Winter der Fall ist. Ein solcher Effekt wurde sowohl für die Schweizer Alpen als auch für das Hochland von Tibet nachgewiesen.¹

Aerosole

Auch Ruß-Aerosole können zur Erwärmung in Hochgebirgen beitragen. Sie wirken auf zweierlei Art: Solange sie in der Atmosphäre schweben, absorbieren sie kurzwellige Strahlung, emittieren sie als langwellige Wärmestrahlung und erwärmen auf diese Weise die Umgebung. Aerosole, die sich auf Schneeflächen ablagern, schaffen dunklere Flächen und senken die Albedo. Besonders im Frühling kann sich eine bis 5 km hoch reichende Aerosolschicht, die durch anthropogene Aktivitäten (aus der Verbrennung von fossiler Energie und anderen Quellen) entstanden ist, über Nord-Indien bis in den Himalaya hinein und bis zum Hochland von Tibet bilden, die möglicherweise für die Hälfte der Erwärmung in dieser Region verantwortlich ist. Da Rußpartikel in der Atmosphäre zunächst das unmittelbare Umfeld erwärmen, können sie auch dazu führen, dass sich Wolken auflösen, wodurch wiederum die Einstrahlung am Tage und die Ausstrahlung nachts erhöht wird. Eine ähnliche Wirkung wie Ruß haben Staub-Aerosole. In den nördlichen Rocky Mountains konnte gezeigt werden, dass bei starkem Wind im Frühling große Mengen an Staub von den trockenen Gebieten im Westen Richtung Rocky Mountains geweht werden. Dort lagert sich der Staub auf Schneeflächen ab und senkt deutlich die Albedo, wodurch die Absorption der Sonneneinstrahlung erhöht und die Schneeschmelze verstärkt wird. Ein Grund für den hohen Staubanfall ist in dieser Region die Bodenzerstörung durch die Landwirtschaft u.a. menschliche Aktivitäten.¹

Einzelnachweise
1. Rangwala, I., & J. R. Miller (2012): Climate change in mountains: a review of elevation-dependent warming and its possible causes, Climatic Change 114, 527–547
2. Pepin, N., et al. (2015): Elevation-dependent warming in mountain regions of the world, Nature Climate Change, DOI: 10.1038/NCLIMATE2563
3. Wang, Q., X. Fan, and M. Wang (2014): Recent warming amplification over high elevation regions across the globe, Climate Dynamics 43:87–101
4. IPCC (2019): IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, Chapter 2: High Mountain Areas, Box 2.1

Bildquellen
B1. Huss, M., B. Bookhagen, C. Huggel, D. Jacobsen, R.S. Bradley, J.J. Clague, M. Vuille, W. Buytaert, D.R. Cayan, G. Greenwood, B.G. Mark, A.M. Milner, R. Weingartner. M. Winder (2017): Toward mountains without permanent snow and ice; übersetzt. Earth’s Future 5:418–435. Lizenz: CC BY-NC-ND