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Wieder kalte Winter!Pause für die globale Erwärmung?

Nach dem bemerkenswert kalten Winter 2008/2009 beginnt auch der Winter 2009/2010 mit spektakulären Kaltlufteinbrüchen. Temperaturen im zweistelligen Minusbereich und beachtliche Schneemengen auch im Flachland. Betroffen sind vor allem Nordamerika und Europa. Man fühlt sich an die kalten Winter der 1960er und 1970er erinnert, Winter wie sie danach infolge der globalen Erwärmung selten geworden sind.

Schneeräumen in Mailand. Quelle: DPA

Eine Laune des Wetters, das schließlich immer für eine Überraschung gut ist. oder doch mehr? Immerhin sind ja auch die globalen Temperaturen in den letzten Jahren wieder leicht zurückgegangen.

Globale Durchschnittstemperatur 1850-2009 Quelle: Met Office Hadley Centre

Vor 1 1/2 Jahren, im Mai 2008 ließ eine Arbeit des bekannten Klimaforschers Mojib Latif aufhorchen, die er zusammen mit 3 Kollegen in Nature veröffentlichte.

Letter Nature 453, 84-88 (1 May 2008) | doi:10.1038/nature06921; Received 25 June 2007; Accepted 14 March 2008; Corrected 8 May 2008

Advancing decadal-scale climate prediction in the North Atlantic sector

N. S. Keenlyside1, M. Latif1, J. Jungclaus2, L. Kornblueh2 & E. Roeckner2

  1. Leibniz Institute of Marine Sciences, Düsternbrooker Weg 20, D-24105 Kiel, Germany
  2. Max Planck Institute for Meteorology, Bundesstrae 53, 20146 Hamburg, Germany

Correspondence to: N. S. Keenlyside1 Correspondence and requests for materials should be addressed to N.S.K. (Email: nkeenlyside@ifm-geomar.de.).

The climate of the North Atlantic region exhibits fluctuations on decadal timescales that have large societal consequences. Prominent examples include hurricane activity in the Atlantic1, and surface-temperature and rainfall variations over North America2, Europe3 and northern Africa4. Although these multidecadal variations are potentially predictable if the current state of the ocean is known5, 6, 7, the lack of subsurface ocean observations8 that constrain this state has been a limiting factor for realizing the full skill potential of such predictions9. Here we apply a simple approach—that uses only sea surface temperature (SST) observations—to partly overcome this difficulty and perform retrospective decadal predictions with a climate model. Skill is improved significantly relative to predictions made with incomplete knowledge of the ocean state10, particularly in the North Atlantic and tropical Pacific oceans. Thus these results point towards the possibility of routine decadal climate predictions. Using this method, and by considering both internal natural climate variations and projected future anthropogenic forcing, we make the following forecast: over the next decade, the current Atlantic meridional overturning circulation will weaken to its long-term mean; moreover, North Atlantic SST and European and North American surface temperatures will cool slightly, whereas tropical Pacific SST will remain almost unchanged. Our results suggest that global surface temperature may not increase over the next decade, as natural climate variations in the North Atlantic and tropical Pacific temporarily offset the projected anthropogenic warming.

1. Goldenberg, S. B., Landsea, C. W., Mestas-Nun˜ez, A. M. & Gray, W. M. The recent increase in Atlantic hurricane activity: Causes and implications. Science 293,474–479 (2001). 2. Enfield, D. B., Mestas-Nun˜ez, A. M. & Trimble, P. J. The Atlantic Multidecadal Oscillation and its relation to rainfall and river flows in the continental U. S. Geophys. Res. Lett. 28, 2077–2080 (2001). 3. Sutton, R. T. & Hodson, D. L. R. Atlantic Ocean forcing of North American and European summer climate. Science 309, 115–118 (2005). 4. Folland, C. K., Palmer, T. N. & Parker, D. E. Sahel rainfall and worldwide sea temperatures, 1901–85. Nature 320, 602–607 (1986). 5. Griffies, S. M. & Bryan, K. Predictability of North Atlantic multidecadal climate variability. Science 275, 181–184 (1997). 6. Boer, G. A study of atmosphere-ocean predictability on long time scales. Clim. Dyn. 16, 469–472 (2000). 7. Collins, M. et al. Interannual to decadal climate predictability in the North Atlantic: A multimodel-ensemble study. J. Clim. 19, 1195–1203 (2006). 8. Cunningham, S. A. et al. Temporal variability of the Atlantic meridional overturning circulation at 26.5uN. Science 317, 935–938 (2007). 9. Smith, D. M. et al. Improved surface temperature prediction for the coming decade from a global climate model. Science 317, 796–799 (2007). 10. Solomon, S. et al. Climate Change 2007.

Abstract Quelle: http://www.nature.com/

Mit einem neu entwickelten Ozean-Atmosphäre Modell, welches im Gegensatz zu den bisherigen Klimamodellen des IPCC die Veränderlichkeit der Meeresströmungen mit einbezieht und nicht nur einen Durchschnittswert für die Stärke der jeweiligen Meeresströmung einsetzt, wurden zunächst die globalen Temperaturen in der Vergangenheit von 1955-2005 gerechnet. Das neue Modell funktionierte, denn es konnte die Klimaveränderungen dieser Jahrzehnte gut nachvollziehen.

Prof. Mojib Latif, ein bekannter deutscher Klimaforscher, befasst sich vor allem mit den Wechselwirkungen zwischen Ozeanen und Atmosphäre im Klimasystem. Quelle: http://www.ifm-geomar.de/

Nachdem ihr Modell diese Bewährungsprobe bestanden hatte, wagten sich die Wissenschaftler auch an eine Vorhersage für die Zukunft. Im Unterschied zu anderen Klimamodellen sagte das neue Modell da zumindest für die nächsten 10 Jahre keine weitere globale Erwärmung, sondern eine vorübergehende Abkühlung voraus! 

Verantwortlich dafür ist die Atlantische Multidekaden Oszillation (AMO), eine Schwingung in der Stärke der Meeresströmungen im Nordatlantik. Diese werden nicht nur durch Winde angetrieben, sondern auch durch Unterschiede in der Temperatur- und Salzkonzentration (und damit auch in der Dichte des Wassers) zwischen den nördlichen und südlichen Regionen des Nordatlantik (thermohaline Zirkulation; von griechisch thermos für Wärme und halas für Salz).  

Das vom Äquator nach Norden strömende Warmwasser gibt seine Wärme vor allem durch Verdunstung (latente Wärme)ab, so daß die Dichte des immer kühleren und salzhaltigeren Wassers stetig zunimmt. Hoch im Norden beginnt das Wasser schließlich in abwärts gerichteten Wirbeln abzusinken. Im Winter wird die Entstehung dieser Absinkzonen noch durch die Neubildung von Meereis begünstigt. Das Eis kühlt neu heranströmendes Wasser weiter ab und erhöht zusätzlich auch dessen Salzgehalt. Denn das neugebildete Meereis kann nur wenig Salz aufnehmen und presst beim Gefrieren überschüssiges Salz ab. Absinkzonen gibt es z.B. südlich von Grönland und bei Island. Das absinkende kalte und salzhaltige Tiefenwasser wirkt wie eine Pumpe und treibt so die Meeresströmung an.Das Tiefenwasser bewegt sich wieder in Richtung Äquator und gelangt dort durch Mischungsvorgänge langsam wieder an die Oberfläche.

Häufig spricht man auch von einer „Meridional Overturning Circulation“  (MOC), da die Umwälzbewegung des Meerwassers meridional (entlang der Längengrade in Nord-Süd-Richtung) erfolgt. Die MOC im Nordatlantik ist weitgehend identisch mit dem Golf- und Nordatlantikstrom.

Die von der MOC erwärmte feuchte Meeresluft gelangt mit den in mittleren Breiten vorherrschenden Westwinden (und den sich in der Luftströmung von einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit an bildenden Tiefdruckwirbeln) nach Europa und sorgt dort vor allem in den Wintermonaten für ein deutlich milderes Klima als es sich nur aus der geographischen Lage ergeben würde. Eine Abschwächung (Verlangsamung) der MOC entspricht einer negativen Phase der Atlantischen Multidekaden Oszillation (AMO -) und läuft auf eine mehr oder weniger drastische Abkühlung hinaus. In einer positiven Phase (AMO +) verhält es sich genau umgekehrt.

Die vorübergehende Abkühlung in der Zeit zwischen den 1940er und 1970er Jahren wurde gemäß dem neuen Modell also durch eine verlangsamte MOC (AMO -) ausgelöst.

Die MOC wird wiederum durch die Nordatlantische Oszillation (NAO)beeinflusst, eine Druckschaukel über dem Nordatlantik, zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden.

Die zwei Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO): In der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (positiver Index, NAO +) verstärken ein kräftiges Islandtief und Azorenhoch den Jetstream, so daß dieser nur wenig mäandert. Es entstehen viele Sturmtiefs, die mit der westlichen Luftströmung (Westwindzone, Westdrift) Nord-, West- und Mitteleuropa erreichen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen (zonale Luftzirkulation). Die Winter sind milde. Nur wenige Sturmtiefs erreichen den Mittelmeerraum, wo es daher überwiegend trocken bleibt. Kalte Winter in Ostkanada und Grönland. Aus dem  Azorenhoch als Bestandteil des subtropischen Hochdruckgürtels wehen kräftige Nordostpassate, die an der westafrikanischen Küste eine ablandige Meeresströmung erzeugen. Durch hervorquellendes kaltes Tiefenwasser sinken die Temperaturen des Oberflächenwassers im Atlantik, so daß weniger latente Wärme für die Bildung tropischer Wirbelstürme zur Verfügung steht. Der starke, nur schwach mäandernde Jetstream schliesst die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so daß nur selten  Kaltluftvorstöße in den Süden vorkommen.

In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (negativer Index, NAO -) verhält sich alles genau umgekehrt: Schwaches Islandtief und Azorenhoch; ein geschwächter, deutlich stärker mäandernder Jetstream und nur wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs. Die Westdrift bricht immer wieder zusammen. Durch die dabei entstehenden blockierenden Hochs (Hochdruckblockade) werden immer wieder Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umgelenkt. Dort ist es nun deutlich feuchter, während es in West- und Mitteleuropa überwiegend trocken bleibt. Vermehrte Kaltluftausbrüche im Winter infolge des stärker mäandernden Jetstreams (meridionale Zirkulation). Kalte Winter in Europa, dagegen milde Winter in Ostkanada und Grönland durch Warmluftvorstösse nach Norden. Die Nordostpassate bleiben schwach und damit steigen auch die Wassertemperaturen vor der westafrikanischen Küste. Das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Quelle: http://airmap.unh.edu/

Die mit der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO+)einhergehenden niedrigen Wassertemperaturen an der ostkanadischen Küste (Labradorstrom) und bei Grönland begünstigen die Bildung von Tiefenwasser und verstärken damit die meridionalen Meeresströmungen (MOC) im Nordatlantik. Die negative Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -) geht hingegen mit einer langsameren MOC einher.

Die MOC im Nordatlantik wirkt ihrerseits auch wieder auf die NAO zurück. Eine starke MOC verstärkt das Islandtief und damit mittelbar auch den Jetstream (NAO +), denn über der warmen Meeresströmung verdunstet mehr Wasser. Dadurch wird dem Islandtief vermehrt Energie in Form von latenter Wärme zugeführt. Bei einer schwachen MOC bekommt das Islantief nur wenig latente Wärme und bleibt schwach (NAO -).

Diese Zusammenhänge scheint auch der augenblickliche Wintereinbruch  zu bestätigen, der mit einer negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation zusammenfällt.

Der aktuelle NAO-Index. Quelle: http://www.cnrfc.noaa.gov/

Die kälteren Winter 2008/2009 und so wie es aussieht wohl auch 2009/2010 könnten tatsächlich die Vorboten einer vorübergehenden Abkühlung sein, genauso wie von Latif und Kollegen vorhergesagt.

Es kommt aber noch etwas Wichtiges hinzu: Seit 2003 hat die Sonnenaktivität deutlich nachgelassen, ablesbar an der immer weiter abnehmenden Anzahl der Sonnenflecken. Trotz des Beginns eines neuen Sonnenfleckenzyklus hat sich nicht viel geändert. Nach wie vor nur vereinzelte Sonnenflecken. 

Schon bei einer solchen verminderten Sonnenaktivitätim Rahmen eines normalen etwa 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus (Schwabe-Zyklus) nimmt die Gesamtstrahlung der Sonne zwar nur wenig ab (deutlich unter 1%), die UV-Strahlung aber umso mehr (bis zu 10% und darüber). Bei einer schwächeren UV-Einstrahlung bildet sich in der Stratosphäre automatisch weniger Ozon. Durch die geringere Gesamtstrahlung wird zudem die Hadley- und damit auch die Brewer-Dobson-Zirkulation abgeschwächt. Damit gelangt auch weniger Ozon von den Tropen in die mittleren Breiten.

Beide Effekte zusammen bewirken im Winter einen verminderten stratosphärischen Temperaturgradienten. Der stratosphärische Jetstream und damit auch der Polarwirbel werden schwächer, da beide durch den  stratosphärischen Temperaturgradienten angetrieben werden.

ngeo_2007_38-f1

In den mittleren Breiten der beiden Erdhalbkugeln treffen tropische Warmluft und polare Kaltluft an der Polarfront direkt aufeinander. Wegen des großen Temperaur- und Druckgradienten (unterschiedliche vertikale Ausdehnung von Warm- und Kaltluft, mit der Höhe zunehmend) entstehen unter dem Einfluß der Erdrotation starke, von West nach Ost gerichtete Höhenwinde (Jetstream).  In der mehr oder weniger turbulenten Strömung des Jetstreams entwickeln sich aufwärtsgerichtete Tiefdruckwirbel(Divergenzen) und abwärtsgerichtete Hochdruckwirbel (Konvergenzen). Die Druckgebilde verwirbeln tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander. Hochdruckwirbel formen auch den subtropischen Hochdruckgürtel, wo die absinkenden und sich dabei erwärmenden  Luftmassen eine Wolkenbildung kaum zulassen (Wüstenklima der Subtropen, dry subsidence regions). Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) strömen die warmen Luftmassen aus den Subtropenhochs von Nord- und Südhalbkugel zusammen (Konvergenz). Die Luftmassen werden gehoben, kühlen ab und es kommt, begünstigt durch die hohe Luftfeuchtigkeit der Tropen zu einer verstärkten Wolkenbildung (moist cloudy regions). Wolken und Wasserdampf lassen hier nur relativ wenig Infrarotstrahlung des von der Sonne) erwärmten Erdboden in den Weltraum entweichen (low outgoing longwave radiation). Über den Tropen erwärmt sich die Troposphäre wesentlich mehr als über den gemäßigten Breiten oder gar den Polen. Daher liegt die Tropopause hier auch in einer deutlich größeren Höhe (high tropopause, low tropopause). Die von der Hadley-Zirkulation zwischen ITCZ und Subtropenhochs angetriebene Brewer-Dobson-Zirkulation befördert stratosphärisches Ozon von den Tropen (low ozone) in höhere Breiten (high ozone). Die Ozonkonzentration in der Stratosphäre über den Tropen ist daher gering und über den mittleren und höheren Breiten dagegen erhöht. Quelle: http://www.nature.com/

Der stratosphärische Jetstream ist aber wiederum mit dem troposphärischen Polarfrontjetstream gekoppelt, der daher ebenfalls schwächer wird und dann verstärkt mäandert. Die dadurch ausgeprägt meridionale Zirkulation begünstigt polare Kaltluftausbrüche nach Süden. Das ist aber gleichbedeutend mit der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -).

Trotz der Abkühlung, die wir derzeit erleben, liegen die globalen Durchschnittstemperaturen aber immer noch deutlich über dem langjährigen Mittel (1961-1990). Die Kurve der globalen Durchschnittstemperaturen, wo auch die jährlichen positiven oder negativen Temperaturanomalien eingezeichnet sind, macht das sehr schön deutlich (s.o.).

Die natürlichen Klimaschwankungen überlagern also lediglich einen in der globalen Durchschnittstemperaturkurve schon über längere Zeit deutlich erkennbaren stetigen Aufwärtstrend. Die Behauptung der Klimaskeptiker, der Zusammenhang zwischen der fortgesetzten Emission von Treibhausgasen (insbesondere CO2) und dem Anstieg der  globalen Durchschnittstemperaturen werde durch die derzeitige Abkühlung widerlegt, erscheint vor diesem Hintergrund mehr als fraglich!

Das CO2 und die anderen Treibhausgase sind wichtige Mitspieler im globalen Klimasystem. Obwohl die Strahlungsenergie der Sonne im Laufe der bisherigen Erdgeschichte um 30% (!) zunahm (Gaia-Theorie), sorgte das Klimasystem stets für relativ lebensfreundliche Bedingungen. Es „gelang“ der Erde mit ihrem langfristigen(geologischen) Kohlenstoffkreislauf immer genau die richtige Menge an CO2 abzupumpen und zu deponieren, um einer Überhitzung zu entgehen und wenn eine Vereisung drohte auch wieder freizusetzen. Dabei spielte das Leben eine entscheidende Rolle. Algen und später auch Landpflanzen entfernten durch Photosynthese (Umwandlung von Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen unter Verwendung vonKohlendioxid und Wasser) Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre und setzten Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt frei. Bakterien und Landpflanzen beschleunigen mit ihrer Atmung die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser mit Kohlensäure, also gelöstem CO2) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung um das 1000 fache (!), indem sie Säuren freisetzten und das CO2 am Boden konzentrierten. Die bei der Verwitterung gebildeten Carbonate (und Silikate) gelangten in Wasser gelöst in die Ozeane, wo sie in Kalkschalen von ein- und mehrzelligen Meeresorganismen eingebaut wurden, um nach deren Tode bis auf weiteres am Meeresgrund abgelagert zu werden(natürliche CO2-Depots). Im Rahmen der Plattentektonik  werden die Carbonate aufgeschmolzen und das CO2 über vulkanische Ausgasungenspäter wieder freigesetzt.

Durch die menschengemachte Freisetzung des CO2 innerhalb allerkürzester Zeiträume übersteuern wir zurzeit womöglich dieses überlebenswichtige selbstregulierende System!

Und was die mögliche vorübergehende Abkühlung angeht: Vielleicht gibt es ja einen planetaren Schutzmechanismus zur Stabilisierung des Klimasystems im Sinne der Gaia-Theorie. Der Planet Erde bevorzugt in seinem nun schon höheren Alter ein kaltes Klima, um die inzwischen schon beinahe zu starke Leuchtkraft der Sonne auszugleichen. Die dann global relativ niedrigen Wassertemperaturen in den Ozeanen lassen infolge der besseren Durchmischung der oberen und unteren Wasserschichten das Phytoplankton (einzellige Meeresalgen) prächtig gedeihen, so daß sie mehr CO2 abpumpen und außerdem durch ihre Sulfat-Emissionen die Wolkenbildung fördern können. Beides wirkt abkühlend auf den Planeten und damit der zunehmenden Sonnenwärme entgegen.

Jens Christian Heuer

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  1. Tom
    23. Dezember 2009 um 08:55

    Toll! Vielen Dank für eine weitere ausführliche Analyse!

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