Wüstenparadoxon: Trockene Regionen trotzen den Vorhersagen des Klimawandels bezüglich Feuchtigkeit

Neue Forschungen haben ergeben, dass die atmosphärische Feuchtigkeit über trockenen und halbtrockenen Regionen nicht so stark zugenommen hat wie erwartet, was im Widerspruch zu den Vorhersagen der Klimamodelle steht. Credit: SciTechDaily.com

Eine aktuelle Studie zeigt, dass die atmosphärische Feuchtigkeit in trockenen und halbtrockenen Regionen nicht wie vorhergesagt mit der globalen Erwärmung steigt. Dies stellt neue Herausforderungen für die Klimaforschung dar und erhöht die Sorge um ein erhöhtes Risiko von Waldbränden und extremem Wetter.

Die Gesetze der Thermodynamik besagen, dass eine wärmere Atmosphäre mehr Wasserdampf halten kann, aber neue Forschungen haben ergeben, dass die atmosphärische Feuchtigkeit über den trockenen und halbtrockenen Regionen der Welt nicht wie erwartet zugenommen hat, während das Klima sich erwärmt hat.

Diese Ergebnisse sind besonders verwirrend, da die Klimamodelle vorausgesagt haben, dass die Atmosphäre auch über trockenen Regionen feuchter werden wird. Wenn die Atmosphäre trockener ist als erwartet, könnten trockene und halbtrockene Regionen noch anfälliger für zukünftige Waldbrände und extreme Hitze sein als prognostiziert.

Die Autoren der neuen Studie, geleitet vom U.S. National Science Foundation National Center for Atmospheric Research (NSF NCAR), sind unsicher, was die Diskrepanz verursacht.

"Die Auswirkungen könnten potenziell schwerwiegend sein", sagte die NSF-NCAR Wissenschaftlerin Isla Simpson, Hauptautorin der Studie. "Das ist ein globales Problem und etwas, das völlig unerwartet ist, angesichts unserer Klimamodellergebnisse."

Simpson und ihre Mitautoren geben an, dass weitere Forschung erforderlich ist, um herauszufinden, warum der Wasserdampf nicht zunimmt. Die Gründe könnten darin liegen, dass Feuchtigkeit nicht wie erwartet von der Erdoberfläche in die Atmosphäre gelangt oder auf unerwartete Weise in der Atmosphäre zirkuliert. Es ist auch möglich, dass ein vollständig anderer Mechanismus dafür verantwortlich sein könnte.

Zur Verwirrung trägt bei, dass die neue Studie gezeigt hat, dass Wasserdampf zwar über feuchten Regionen der Welt zunimmt, er aber während der trockensten Monate des Jahres nicht so stark steigt wie erwartet.

Die Studie erscheint in dieser Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Die Forschung wurde von der National Science Foundation, NOAA und dem U.S. Department of Energy finanziert. Die Mitautoren stammen von der University of California, Los Angeles; University of California, Santa Barbara; Cornell University; Polar Bears International; und Columbia University.

Eine grundlegende Regel der Klimaforschung besagt, dass die Atmosphäre mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann, wenn sie wärmer wird. Dies wird als Clausius-Clapeyron-Beziehung bezeichnet und ist der Grund dafür, dass Klimamodelle ständig prognostizieren, dass der atmosphärische Wasserdampf zunehmen wird, wenn sich der Planet erwärmt.

Aber als Simpson im Jahr 2020 an einem Bericht für NOAA über den Klimawandel im Südwesten der Vereinigten Staaten arbeitete, wurde ihr klar, dass die Atmosphäre dort viel stärker austrocknete als aufgrund von Klimamodellsimulationen zu erwarten wäre.

Intrigiert untersuchten Simpson und ihre Mitautoren die Atmosphäre weltweit, um festzustellen, ob der Wasserdampf mit den Klimaprojektionen zunimmt. Das Forschungsteam griff auf mehrere Beobachtungsquellen von 1980 bis 2020 zurück. Dazu gehörten Netzwerke von Wetterstationen sowie Datensätze, die die Feuchtigkeit auf der Grundlage von Beobachtungen von Quellen wie Wetterballons und Satelliten schätzen.

Zu ihrer Überraschung stellten die Wissenschaftler fest, dass der Wasserdampf über trockenen und halbtrockenen Regionen im Allgemeinen konstant blieb, anstatt um ca. 7% pro 1° Celsius (1,8° Fahrenheit) Erwärmung zuzunehmen, wie es aufgrund der Clausius-Clapeyron-Beziehung zu erwarten wäre. Tatsächlich nahm der Wasserdampf im Südwesten der Vereinigten Staaten ab, wo es eine langfristige Verringerung des Niederschlags gab.

"Dies steht im Widerspruch zu allen Klimamodellsimulationen, bei denen er in der Nähe der theoretischen Erwartungen sogar über trockenen Gebieten ansteigt", schrieben die Autoren in dem neuen Artikel. "Angesichts enger Verbindungen zwischen Wasserdampf und Waldbränden, Ökosystemfunktionen und Temperaturextremen muss dieses Problem gelöst werden, um glaubwürdige Klimaprojektionen für trockene und halbtrockene Regionen der Welt zu liefern."

Die Studie stellte fest, dass die Situation zu einem Anstieg des Dampfdruckdefizits führt, das der Unterschied zwischen der Menge an Feuchtigkeit ist, die die Atmosphäre aufnehmen kann, und der tatsächlich in der Luft vorhandenen Menge. Wenn das Defizit steigt, kann es ein entscheidender Treiber für Waldbrände und Belastungen des Ökosystems sein.

"Wir könnten einem noch höheren Risiko gegenüberstehen als dem, was für trockene und halbtrockene Regionen wie den Südwesten prognostiziert wurde, der bereits von beispiellosen Wasserknappheiten und extremen Waldbrandsaisonen betroffen war", sagte Simpson.

Sie und ihre Kollegen fanden eine komplexere Situation in feuchten Regionen, in denen der atmosphärische Wasserdampf während der feuchteren Jahreszeiten wie von Klimamodellen vorhergesagt zunahm. Dieser Anstieg nahm in den trockensten Monaten etwas ab, aber nicht so stark wie in trockenen und halbtrockenen Regionen.

As for the question of why the water vapor in the atmosphere is not increasing over dry regions as expected, the authors broadly suggest two possibilities: the amount of moisture that is being moved from the land surface to the air may be lower than in models, or the way that the atmosphere is transporting moisture into dry regions may differ from the models. 

Issues with atmospheric transport are less likely, they conclude, because that wouldn’t necessarily explain the common behavior among all arid and semi-arid regions worldwide, which receive moisture from differing locations. 

That leaves the land surface as the most likely culprit. The authors speculate several possible causes: the land may have less water available to the atmosphere in reality than in models, it may be drying out more than anticipated as the climate warms, or plants may be holding on to moisture more effectively and releasing less into the atmosphere.

The authors also considered the possibility that there is an error in the observations. But they concluded this was unlikely since the discrepancy is closely tied to the dryness of regions all over the world, and it is consistently found even when dividing up the record into shorter time segments to avoid errors due to instrumentation changes. 

Simpson emphasized that more research is needed to determine the cause.

“It is a really tricky problem to solve, because we don’t have global observations of all the processes that matter to tell us about how water is being transferred from the land surface to the atmosphere,” she said.  “But we absolutely need to figure out what’s going wrong because the situation is not what we expected and could have very serious implications for the future.”