Wie Räuber und Beute: Neues Modell der Wolkendynamik

Was haben eine Gazellenherde und flauschige Wolken gemeinsam? Eine mathematische Formel, die die Populationsdynamik von Beutetieren wie Gazellen und die ihrer natürlichen Feinde beschreibt, ist angewandt worden, um die Beziehungen zwischen Wolkensystemen, Regen und winzigen Schwebeteilchen in der Luft, so genannten Aerosolen, zu modellieren. Das Modell könnte Klimaforschern helfen, zu verstehen, wie sich durch Menschen gemachte Aerosole auf die Niederschlagscharakteristik auswirken. Die Untersuchung ist erschienen in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

 Wolken tragen wesentlich zum Klima bei. Besonders die flachen Stratocumulus-Wolken über den Meeren kühlen die untere Atmosphäre, indem sie einen Teil der einfallenden Sonnenenergie reflektieren. Drs. Ilan Koren vom Environmental and Energy Research Department des Weizmann Instituts und Graham Feingold vom NOAA Earth System Research Laboratory, Colorado, haben herausgefunden, dass die Gleichungen für Räuber-Beute-Zyklen in der Tierwelt ein Analogon zu den Wolke-Regen-Zyklen darstellen. Genauso wie die Populationen von Räuber und Beute auf Kosten des jeweils anderen expandieren oder kontrahieren, so vermindert der Regen die Wolken, die dann erneut wachsen, wenn es aufgehört hat, zu regnen. Und so wie das Verfügbarkeit von Gras die Herdengröße beeinflusst, so wirkt sich auch das Vorhandensein von Aerosolen, die als Kondensationskeime für den umgebenden Wasserdampf wirken, der sich in kleinen Tröpfchen anlagert, auf die Gestalt der Wolken aus. Eine größere Anzahl von Partikeln in der Luft ermöglicht somit mehr Tröpfchen, aber diese sind kleiner und bleiben so eher in der Wolke, als dass sie als Regen ausfallen.

In früheren Forschungen hatten Feingold und Koren Schwankungen in konvektiven Zellen der Stratocumulus-Bewölkung entdeckt. Nun haben sie wieder auf die diese Daten zurückgegriffen, um zu prüfen, ob eine generalisierte Formel das beobachtete Verhalten erklären kann. Mit nur drei einfachen Gleichungen entwickelten sie ein Modell, das zeigt, dass die Wolken-Regen-Dynamik die drei bekannten Räuber-Beute-Modi imitiert. Wie Gazellen und Löwen können Wolke und Regen im Tandem oszillieren, der „räuberische“ Regen-Zyklus folgt dem Höhepunkt der Wolkenformation auf dem Fuß. Die beiden können aber auch eine Art Gleichgewicht erreichen, in dem sich die Wolken in dem gleichen Maße wieder auffüllen, wie sie durch den Regen entleert werden (wie bei einem leichten, stetigen Nieselregen). Die dritte Möglichkeit ist Chaos, der Zusammenbruch, wenn die Räuberpopulation überschießt oder entsprechend ein starker Regen das Wolkensystem zerstört.

Wie das Modell zeigt, kann das System abrupt von einem Zustand in den anderen wechseln, wenn sich die Konzentration der Aerosole ändert. Es zeigt außerdem eine Bifurkation, also zwei Szenarien an unterschiedlichen Enden der Aerosol-Skala, die sich anbieten, die Muster zu stabilisieren. Im ersten Fall führen relativ geringe Aerosolkonzentrationen zu Wolken, deren Entwicklung stark von der Aerosolkonzentration abhängt. Im zweiten Fall führen hohe Konzentrationen zur Sättigung; diese Wolken hängen einzig und allein von den initialen Umweltbedingungen ab. Dieser Ansatz, sagt Koren, könne dazu beitragen, das emergente Verhalten und die komplexen Beziehungen von Wolken, Regen und Aerosolen zu verstehen, und damit die Art und Weise, wie unterschiedliche Aerosolkonzentrationen in unterschiedlichen klimatischen Mustern resultieren.