Die Rolle der Schwankungen des Albedos der Erde und des Energieungleichgewichts an der Obergrenze der Atmosphäre bei der jüngsten Erwärmung: Neue Erkenntnisse aus Satelliten- und Bodenbeobachtungen
Past studies have reported a decreasing planetary albedo and an increasing absorption of solar radiation by Earth since the early 1980s, and especially since 2000. This should have contributed to the observed surface warming. However, the magnitude of such solar contribution is presently unknown, and the question of whether or not an enhanced uptake of shortwave energy by the planet represents positive feedback to an initial warming induced by rising greenhouse-gas concentrations has not conclusively been answered. The IPCC 6th Assessment Report also did not properly assess this issue. Here, we quantify the effect of the observed albedo decrease on Earth’s Global Surface Air Temperature (GSAT) since 2000 using measurements by the Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) project and a novel climate-sensitivity model derived from independent NASA planetary data by employing objective rules of calculus. Our analysis revealed that the observed decrease of planetary albedo along with reported variations of the Total Solar Irradiance (TSI) explain 100% of the global warming trend and 83% of the GSAT interannual variability as documented by six satellite- and ground-based monitoring systems over the past 24 years.
Changes in Earth’s cloud albedo emerged as the dominant driver of GSAT, while TSI only played a marginal role. The new climate sensitivity model also helped us analyze the physical nature of the Earth’s Energy Imbalance (EEI) calculated as a difference between absorbed shortwave and outgoing longwave radiation at the top of the atmosphere. Observations and model calculations revealed that EEI results from a quasi-adiabatic attenuation of surface energy fluxes traveling through a field of decreasing air pressure with altitude. In other words, the adiabatic dissipation of thermal kinetic energy in ascending air parcels gives rise to an apparent EEI, which does not represent “heat trapping” by increasing atmospheric greenhouse gases as currently assumed. We provide numerical evidence that the observed EEI has been misinterpreted as a source of energy gain by the Earth system on multidecadal time scales.
Frühere Studien haben seit den frühen 1980er Jahren und insbesondere seit dem Jahr 2000 von einer abnehmenden Albedo der Erde und einer zunehmenden Absorption von Sonnenstrahlung durch die Erde berichtet. Dies dürfte zur beobachteten Erwärmung der Erdoberfläche beigetragen haben. Das Ausmaß dieses solaren Beitrags ist jedoch derzeit unbekannt, und die Frage, ob eine verstärkte Aufnahme von kurzwelliger Energie durch den Planeten eine positive Rückkopplung auf eine anfängliche Erwärmung darstellt, die durch steigende Treibhausgaskonzentrationen ausgelöst wurde, ist noch nicht abschließend geklärt. Auch der 6. Sachstandsbericht des IPCC hat diese Frage nicht angemessen bewertet. Hier quantifizieren wir den Einfluss des beobachteten Albedo-Rückgangs auf die globale Oberflächenlufttemperatur (GSAT) der Erde seit 2000 unter Verwendung von Messungen des CERES-Projekts (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) und eines neuartigen Klimasensitivitätsmodells, das aus unabhängigen planetarischen Daten der NASA unter Anwendung objektiver Berechnungsregeln abgeleitet wurde. Unsere Analyse ergab, dass der beobachtete Rückgang des planetarischen Albedos zusammen mit den gemeldeten Schwankungen der gesamten Sonneneinstrahlung (TSI) 100 % des globalen Erwärmungstrends und 83 % der interannuellen Variabilität der GSAT erklärt, wie sie von sechs satelliten- und bodengestützten Überwachungssystemen in den letzten 24 Jahren dokumentiert wurde.
Veränderungen im Albedo der Erdwolken erwiesen sich als der dominierende Treiber des GSAT, während die TSI nur eine untergeordnete Rolle spielte. Das neue Klimasensitivitätsmodell half uns zudem dabei, die physikalische Natur des Energieungleichgewichts der Erde (EEI) zu analysieren, das als Differenz zwischen der absorbierten kurzwelligen und der ausgehenden langwelligen Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre berechnet wird. Beobachtungen und Modellberechnungen zeigten, dass die EEI aus einer quasi-adiabatischen Abschwächung der Oberflächenenergieflüsse resultiert, die durch ein Feld mit mit der Höhe abnehmendem Luftdruck wandern. Mit anderen Worten: Die adiabatische Dissipation thermischer kinetischer Energie in aufsteigenden Luftpaketen führt zu einer scheinbaren EEI, die nicht, wie derzeit angenommen, eine „Wärmefalle“ durch zunehmende Treibhausgase in der Atmosphäre darstellt. Wir liefern numerische Belege dafür, dass der beobachtete EEI fälschlicherweise als Quelle eines Energiegewinns des Erdsystems auf multidekadischen Zeitskalen interpretiert wurde.