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Heißer Sommer, kalter Winter … Warum? II. Jens Christian Heuer

Besser und anschaulicher kann man das Wetter kaum erklären, als es der Autor Herr Puls in seinem Gastbeitrag hier getan hat! Kompliment!!

Eine interessante und wichtige Frage läßt der Autor aber leider offen:

Wie und warum ändern sich eigentlich die relativen Häufigkeiten der Wetterlagen? Ist wirklich alles nur der reine Zufall im Wechselspiel des chaotischen Systems Atmosphäre, wie Herr Puls meint, oder  spielt bei den Entscheidungen für eine Wetterlage der Klimawandel vielleicht doch eine Rolle?

Um an diese Fragen mit einer gewissen Aussicht auf Erfolg heranzugehen, benötigen wir erst einmal ein paar wichtige meteorologische Grundlagen:

Die Meteorologen sprechen von einer meridionalen Luftzirkulation, wenn infolge einer stark mäandernden Höhenluftströmung (Jetstream) die  warmen und kalten Luftmassen vorwiegend entlang der Längengrade (Meridiane) transportiert werden. Kalte Luftmassen stoßen weit nach Süden  vor äquatorwärts; im Gegenzug aber auch warme Luftmassen weit nach Norden polwärts.

Bei einer zonalen Luftzirkulation mäandert der Jetstream dagegen nur schwach, und die Luftmassen bewegen sich von West nach Ost entlang der Breitengrade. Da die Höhenströmung die Zugbahnen der außertropischen dynamischen Tiefdruckgebiete bestimmt, gelangt eines nach dem anderen nach Europa, stets mit milder und feuchter  Atlantikluft „im Gepäck“.

Die gemischte Luftzirkulation hat meridionale und zonale Anteile.

Dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete entstehen als abwärts bzw. aufwärts gerichtete Wirbel unterschiedlicher Drehrichtung aus kleinen Unregelmäßigkeiten (Konvergenzen und Divergenzen) in der Höhenluftströmung (Jetstream), wenn deren Strömungsgeschwindigkeit einen kritischen Wert überschreitet.

Abb. 1  Ein kleiner Gebirgsbach als Modell für die Höhenströmung und für die Entstehung von Hoch- und Tiefdruckwirbeln. Quelle: Wikipedia

Wie das Ganze funktioniert kann man sich am Modell eines kleinen Gebirgsbaches klar machen: Zunächst, bei nur geringem Gefälle, fließt er ruhig und regelmäßig (laminare Strömung). Wenn das Gefälle größer wird, nimmt  die  Geschwindigkeit der Strömung entsprechend zu. Überschreitet die Strömungsgeschwindigkeit schließlich einen kritischen Wert, so entstehen plötzlich Wirbel bilden, welche mit der Strömung davongetragen werden und die Strömung wird zunehmend turbulent.Tiefdruckwirbel 1

Abb. 2  Struktur eines dynamischen Tiefdruckgebietes: Innerhalb der aufwärtsgerichteten Tiefdruckwirbel bilden sich Wolken, da die Luftmassen gehoben werden und dabei abkühlen bis die Luftfeuchtigkeit kondensiert. An der Warmfront, wo die warme Luft langsam über die kältere Luft nach oben gleitet, bildet sich eine Schichtbewölkung (Stratus) und häufig regnet es über längere Zeit (Landregen). In größeren Höhen, wo es kalt genug ist, bilden sich Eiswolken (Cirrus). Die Kaltfront und die dahinter befindliche Kaltluft holen die vorauseilende Warmluft ein, da letztere sich wegen ihrer Aufstiegstendenz langsamer vorwärts bewegt. Die Warmluft wird so nach und nach von der Kaltluft durchdrungen und erfährt dabei, da sie leichter ist, einen starken Auftrieb (labile Luftschichtung). Durch  Konvektion entwickelt sich eine ausgeprägte Quellbewölkung mit kräftigen Winden, starken Regenfällen und oft auch Gewittern. Hinter der Kaltfront bildet sich eine zelluläre Bewölkung, wenn die nachfolgende Kaltluft über eine wärmere Land- oder Meeresoberfläche strömt. Es entstehen zahlreiche Konvektionszellen, in denen sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit Quellwolken bilden. Quelle: Geo Special Nr. 2 Wetter 1982

Ebenso wie der kleine Gebirgsbach, wird auch der Jetstream durch ein Gefälle angetrieben. Allerdings handelt es sich nicht um ein geographisches Gefälle, sondern um ein Temperaturgefälle an der Grenze zwischen der polaren Kaltluft und der (sub)tropischen Warmluft, der sogenannten Polarfront. Da sich eine warme Luftsäule mehr nach oben ausdehnt als eine kalte Luftsäule entspricht dem Temperaturgefälle auch ein mit der Höhe zunehmendes Druckgefälle. Dieses auf ein Temperaturgefälle zurückgehende Druckgefälle erzeugt den Jetstream und treibt ihn an. Die Luftmassen würden normalerweise dem Druckgefälle von der warmen zur kalten Luftmasse folgen, doch die Erdrotation lenkt sie zu einer westlichen Strömung ab.

Das Temperatur- und Druckgefälle zwischen polarer Kaltluft und (sub)tropischer Warmluft ändert sich mit den Jahreszeiten. Im Winter ist das Gefälle sehr groß, da die Polarregion während der Polarnacht stark auskühlt. An der Polarfront entstehen zahlreiche Tiefdruckwirbel, darunter viele Sturmtiefs. Im Sommer ist das Gefälle dagegen eher niedrig, da sich die rund um die Uhr sonnenbeschiene Polarregion deutlich erwärmt. An der Polarfront bilden sich nur wenige, zumeist schwache Tiefdruckwirbel. Stürme gibt es praktisch keine.

Der Jetstream wird jedoch nicht nur durch das Temperatur- und Druckgefälle zwischen (sub)tropischer Warmluft und polarer Kaltluft in Gang gehalten, sondern bezieht einen gewissen Teil seiner Antriebsenergie auch aus den Tiefdruckwirbeln. Diese übertragen die bei der Wolkenbildung (s.u.) frei werdende Kondensationswärme  (latente Wärme) auf den Jetstream.

Der Zustand des Jetstreams ändert sich fortlaufend. Zunächst strömt er ruhig und gleichmäßig (laminare Strömung) und mäandert nur wenig. Bei dieser rein zonalen  Luftströmung werden warme und kalte Luftmassen kaum vermengt, so daß das  Temperatur- und Druckgefälle und folglich auch die Geschwindigkeit der Strömung immer weiter zunehmen. Überschreitet die Strömungsgeschwindigkeit einen kritischen Wert, so wird der Jetstream instabil und mäandert immer stärker. Der stark schwingende Jetstream bildet sogenannte Rossby-Wellen aus, deren Wellentäler (Höhentröge) polare Kaltluft und deren Wellenberge (Hochkeile, Höhenrücken) (sub)tropische  Warmluft enthalten.  Innerhalb der Höhentröge ist wegen des Tiefdruckeinflusses eher schlechtes Wetter zu erwarten; innerhalb der Hochkeile führt der Hochdruckeinfluß zu Wolkenauflösung und schönem Wetter. Bei einem stark mäandernden Jetstream ist die Luftströmung durch die Höhentröge und Hochkeile  meridional und sorgt für einen effektiven Temperaturausgleich.  Temperatur- und Druckgefälle und damit auch die Strömungsgeschwindigkeit des Jetstreams nehmen wieder ab. Desöfteren wird die Höhenströmung in bestimmten Abschnitten so langsam, daß sie ganz zusammenbricht. Dann lösen sich warme Hochdruckwirbel und  kalte Tiefdruckwirbel von der Höhenströmung ab („Cut Off“). Beide Druckgebilde sind dynamisch sehr stabil und können daher lange überdauern. Die warmen Hochdruckwirbel wirken wie riesige Gebirge aus Luft und blockieren alle von Westen herannahenden Tiefs, die so zu großen Umwegen gezwungen werden. In unserem Modell mit dem Gebirgsbach entspricht dem blockierenden Hoch ein Felsbrocken, den das Wasser umfließen muß, der also die Strömung mit den Wirbeln in zwei Arme teilt.

Die kalten  Tiefdruckwirbel bewegen sich als sogenannte Kaltlufttropfen (kalte Höhentiefs) unabhängig von der Höhenströmung, oft äquatorwärts bis weit in den Süden, wo sie dann oft für Unwetter sorgen.

Irgendwann regeneriert sich der Jetstream aber wieder, und der Schwingungszyklus beginnt von vorne.

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Abb. 3  Schwingungszyklus der Höhenluftströmung (Jetstream) a) zonal, b) meridional mit Hochkeilen und Höhentrogen, c) Zusammenbruch der Höhenströmung mit „Cut-off“ eines Kaltlufttropfens, d)Regeneration der Höhenströmung. Quelle: http://www.britannica.com/

Die Wetterlagen wechseln also einander ständig ab: Erst zonal, dann zunehmend meridional, später dann wieder zonal usw.usf.

Innerhalb eines solchen Zyklus können die Wetterlagen unterschiedlich lange andauern. Die Luftzirkulation kann dann auch insgesamt über längere Zeiträume hinweg eher zonal oder eher meridional geprägt sein.

Bei einer vorwiegend zonalen Luftzirkulation mit einem starken, nur schwach mäandernden Jetstream, sind die Winter milde und die Sommer eher kühl und niederschlagsreich.

Bei einer vorwiegend meridionalen Luftzirkulation mit einem stark mäandernden  Jetstream, sorgen Vorstöße polarer Kaltluft äquatorwärts in den betroffenen Regionen für ausgesprochen kalte und schneereiche Winter. Im Gegenzug bewegt sich (sub)tropische Warmluft weit polwärts, so daß in Teilen der Arktis die Winter erstaunlich milde verlaufen. Der letzte Winter 2009/2010 war in Europa, großen Teilen Asiens und an der Ostseite von Nordamerika bitterkalt und schneereich, in arktischen Regionen wie Grönland, Spitzbergen und Nordwestkanada aber ausgesprochen milde.

Die Sommer können ausgesprochen warm werden, insbesondere wenn sich durch den Zusammenbruch der Höhenströmung eine blockierende Wetterlage einstellt. Im Einflußbereich der nahezu wolkenfreien Hochkeile werden dann infolge der praktisch ungehinderten Sonneneinstrahlung oft Rekordtemperaturen erreicht (Hitzewelle). Das spektakulärste Beispiel der letzten Jahre war der langanhaltende Hitzesommer 2003, der sogenannte „Jahrtausendsommer“, als bei extrem hohen Temperauren (von bis zu 40°C !) allein in Westeuropa zehntausende von Menschen starben. Auch in diesem Sommer 2010 erleben wir in Europa wieder eine extreme Hitzewelle. In Rußland hat sie seit Anfang Juli  offenbar katastrophale Ausmaße angenommen. Die langanhaltende Trockenheit führt großflächig zu aberhunderten, immer wieder neu ausbrechenden  Torf- und Waldbränden. Die Rauchentwicklung ist gewaltig. Besonders schlimm ist es derzeit in Moskau, wo die Menschen inzwischen aufgefordert wurden, wegen der giftigen Rauchschwaden Fenster und Fenster und Türen zu schließen und ihre Wohnungen möglichst nicht mehr zu verlassen. Und das alles auch noch bei Temperaturen von  38°C und mehr. Viele Menschen leiden unter Kreislaufbeschwerden oder Atemnot. Nach vorliegenden Berichten soll die Sterblichkeit in Moskau schon 50% höher sein als normalerweise in diesen Monaten (NDR Info 07.08.2010). 

Wenn wir uns Gedanken über die unterschiedliche Häufigkeiten der Wetterlagen und die möglichen Ursachen machen, dann kommen wir vom Wetter zum Klima. 

Klima ist die Statistik des Wetters in einer bestimmten Region, oder wenn man will auch auf dem ganzen Planeten. Wenn sich diese Statistik nachhaltig verändert, dann haben wir es mit einem Klimawandel zu tun.

Wenn heute vom Klimawandel die Rede ist, so denken die meisten zu Recht an die globale Erwärmung, die aufgrund der vorliegenden Daten gut gesichert ist. Drei Kurven, die das belegen:

Abb. 4  Der sichtbare Klimawandel: a) globale Durchschnittstemperatur b) Meeresspiegel (schwarzer Teil: Pegelstandsmessungen, roter Teil: Satellitenmessungen) c) Schneebedeckung auf der Nordhalbkugel (März und April) Quelle: http://www.ipcc.ch/ (2007)

Das vor allem ein verstärkter Treibhauseffekt durch die fortlaufende Emission der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) für die globale Erwärmung verantwortlich ist, dafür spricht eine ganze Menge.

Ein Beispiel ist die Erwärmung der Troposphäre bei gleichzeitiger Abkühlung der Stratosphäre: Die von der Sonne eintreffende Strahlung geht, abgesehen von den Wolken, nahezu ungehindert durch die Atmosphäre, wird vom Erdboden absorbiert und in Wärme umgewandelt. Ein Teil dieser Wärme wird als Infrarotstrahlung wieder direkt in Richtung Weltraum abgestrahlt. Die infrarotaktiven Treibhausgase absorbieren jedoch ausgewählte Wellenlängen im Infraroten, entsprechend ihren Eigenschwingungen. Den einen Teil der so empfangenen Energie geben sie durch Zusammenstöße an andere Gasmoleküle ab und erwärmen so die Troposphäre, die untere Atmosphärenschicht in der sich das Wetter abspielt. Doch den anderen Teil geben sie als Infrarotstrahlung wieder ab, in Richtung Weltraum und als erwärmende Gegenstrahlung in Richtung Erdboden. Mehr Treibhausgase lassen also die Temperaturen am Boden und in der Troposphäre global ansteigen. Doch in der nächsthöheren Atmosphärenschicht, der Stratosphäre, da wirken die Treibhausgase abkühlend! Der Grund für diese Abkühlung ist nicht schwer zu verstehen: Die Infrarotstrahlung vom Erdboden wird von den Treibhausgasen in der Troposphäre schon (nahezu) vollständig absorbiert und kann daher die Stratosphäre nicht mehr erreichen, um sie zu erwärmen. Die Treibhausgase in der Stratosphäre werden aber durch Zusammenstöße mit benachbarten Molekülen anderer Atmosphärengase angeregt. Da die Luft in dieser großen Höhe schon sehr dünn ist, strahlen sie einen Großteil der so gewonnnenen Energie in den Weltraum ab, bevor sie durch erneute Zusammenstöße wieder an die Stratosphäre  zurückgegeben werden kann. Da diese Energie unwiderruflich verloren ist, wird die Stratosphäre kühler. Die Meßwerte der letzten Jahrzehnte zeigen nun tatsächlich im Gleichschritt mit der globalen Erwärmung der Troposphäre eine globale Abkühlung der Stratosphäre. Ein eindeutiger Beweis für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase!

Abb.5  Satellitenmessungen zeigen: Die Troposphäre wird immer wärmer, die Stratosphäre aber immer kühler. Ein überzeugender Beweis für die Klimawirksamkeit der Treibhausgase! Quelle: http://hadobs.metoffice.com/ 

Ein weiteres Beispiel sind die Versuche, den  beobachteten globalen Temperaturanstieg mit unterschiedlich gestrickten Klimamodellen nachzuvollziehen. Wenn man allein die natürlichen äußeren Einflüsse (veränderliche Sonnenaktivität) und die internen Rückkopplungen im Klimasystem berücksichtigt, dann schaffen es die Klimamodelle einfach nicht, die tatsächlich gemessenen Veränderungen der globalen Durchschnittstemperatur realistisch abzubilden. Erst bei Einbeziehung des zusätzlichen menschengemachten Treibhauseffektes rechnen die Klimamodelle richtig. Klimamodell und Klimawirklichkeit stimmen dann erstaunlich gut überein, wie die folgende Grafik eindrucksvoll zeigt:

Abb. 6  Klimamodelle, die lediglich die natürlichen Einflüsse auf das Klima berücksichtigen, können die tatsächlich gemessenen globalen Temperaturen nicht rechnerisch nachvollziehen. Doch bei Einbeziehung der Treibhausgasemissionen durch den Menschen funktionieren die Modelle. Quelle: http://www.ipcc.ch/ (2007)

Herr Puls hält ja nicht allzu viel von Klimamodellen: Wenn schon die Wettervorhersage nur für maxiumal 10 Tage möglich ist, so fragt er, wie will man dann, wie es die Klimainstitute tun, Vorhersagen für einen Zeitraum von bis zu 100 Jahren (oder mehr) machen?

Doch Wettervorhersage und Klimamodelle sind nicht dasselbe!

Die Wettervorhersage ist ein Anfangswertproblem. Bevor man mit der Berechnung der weiteren Wetterentwicklung beginnt muß man den Ist-Zustand der Atmosphäre genau ermitteln. Dafür werden Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit usw. möglichst engmaschig gemessen. Kleinste Ungenauigkeiten, die allein schon durch die begrenzte Anzahl der Meßstationen zustande kommen, schaukeln sich in einem komplexen, stark gekoppelten, chaotischen System wie der Atmosphäre im Laufe der Zeit gewaltig auf bis der Fehler für eine sinnvolle Vorhersage einfach zu groß ist. Die möglichen Entwicklungspfade für das Wetter der Zukunft laufen selbst bei gering voneinander abweichenden Anfangsmeßwerten schon nach relativ kurzer Zeit weit auseinander. Daraus ergibt sich die Vorhersagegrenze für das Wetter.

Klima ist die Statistik des Wetters, definitionsgemäß meist über 30 Jahre. Klimamodelle können und wollen auch gar nicht das Wetter selbst vorhersagen, sondern lediglich die Häufigkeitsverteilung des Wetters und ihre Veränderung über die Zeit (Klimawandel).

Abb. 7  Bei einem Klimawandel verändert sich die statistische Wahrscheinlichkeitsverteilung des Wetters. Die Fläche unter jeder Kurve entspricht der Wahrscheinlichkeit 100% (=1). Quelle http://www.ipcc.ch/ (2001)

Klimamodelle benötigen daher nicht die genauen Anfangsbedingungen wie eine Wettervorhersage, stattdessen aber die Randbedingungen, welche das Klimasystem bestimmen. Dazu zählen die Stärke der Sonneneinstrahlung (welche vor allem von der Entfernung des Planeten zu seiner Sonne, der Bahnform und der veränderlichen Sonnenaktivität abhängig ist), die Eigenschaften des Planeten selbst (Größe (tektonische Aktivität), Neigung der Rotationsachse (entscheided mit über die Verteilung der Sonneneinstrahlung), Land-Meer-Verteilung, Eisflächen, Zusammensetzung der Atmosphäre (Treibhausgase) und die internen Rückkopplungen im Klimasystem (z.B. Eis-Albedo-Rückkopplung, Kohlenstoff- und Wasserkreislauf, Wechselwirkungen zwischen globaler Luftzirkulation und Ozeanen). So komplex und stark gekoppelt das Klimasystem auch ist, die Randbedingungen bestimmen letztendlich seine  Entwicklungsmöglichkeiten und damit auch die jeweils mögliche Statistik des Wetters. Ein Klimamodell erlaubt zwar keine Vorhersage wie die Wetterlage in einer bestimmten Region in 50 oder 100 Jahren sein wird, aber es kann die Eintrittswahrscheinlichkeiten verschiedener Wetterlagen bei sich verändernden Randbedingungen berechnen. Klimamodelle berechnen also das Klima und seinen Veränderung. Und das können sie erstaunlich gut!

Die globale Erwärmung verläuft in den verschiedenen Regionen der Erde höchst ungleichmäßig. In den Tropen, nahe am Äquator, sind die Temperaturen meist nur verhältnismäßig geringfügig angestiegen, weit überdurchschnittlich dagegen fast überall in der Arktis.

Abb. 8  Temperaturabweichungen des Jahres 2009 im Vergleich zur Referenzperiode 1951-1980. Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/

Diese überproportionale Erwärmung der Arktis hat vor allem mit der sogenannten Eis-Albedo-Rückkopplung zu tun:  Wenn das stark  reflektierende Meereises schmilzt, wird die Sonnenstrahlung durch die dann freiliegende dunkle Wasseroberfläche verstärkt absorbiert. Eine anfangs nur geringe Erwärmung wird so positiv verstärkt. Und das hat Folgen, denn durch die überproportionale Erwärmung der Arktis vermindert sich das Temperatur- und Druckgefälle an der Polarfront und damit auch die Strömungsgeschwindigkeit des Jetstreams.

Im Winter begünstigt das eher eine zonale Luftzirkulation, denn die wegen des starken Temperaturgefälles in dieser Jahreszeit sehr schnelle Höhenströmung wird soweit abgebremst, daß sie nur selten die kritische Geschwindigkeit erreicht, ab der die Strömung instabil wird (und dann oft so langsam, daß sie zusammenbricht). Bei einer vorwiegend zonalen Luftzirkulation verlaufen die Winter in Europa ausgesprochen milde. Hinzu kommt noch ein weiterer wichtiger Effekt: Über den im Winter mit Schnee und Eis bedeckten Flächen kühlt die Luft besonders stark aus, so daß sich ein thermisches Kältehoch ausbildet. Dieses blockiert, wenn es stark genug ist,  die von Westen herannahenden Tiefdruckwirbel und zwingt sie dazu, auf nördlichere oder südlichere Zugbahnen auszuweichen. Durch den Rückgang der Gletscher und schneebedeckten Flächen infolge der globalen Erwärmung werden die blockierenden Kältehochs abgeschwächt, was dann wiederum zonale Wetterlagen begünstigt. Im Falle Europas wäre das winterliche Osteuropahoch betroffen. Solange es die von Westen herannahenden Tiefdruckwirbel blockiert und umlenkt, ist der Winter in Europa bitterkalt. Ist es aber zu schwach dazu, dann erlebt Europa einen sehr milden Winter.

Im Sommer dagegen, begünstigt eine weitere Verringerung des in dieser Jahreszeit sowieso schon relativ schwach ausgeprägten Temperaturgefälles an der Polarfront  eine meridionale Zirkulation. Die Höhenströmung wird dann derart langsam, daß sich blockierende Wetterlagen mit einer meridionalen Zirkulation besonders leicht einstellen können. Hitzesommer verbunden mit langanhaltender Trockenheit werden in Europa also häufiger vorkommen. 

Mildere Winter infolge einer größeren Häufigkeit zonaler Luftzirkulationsmuster und heißere Sommer durch immer mehr blockierende Wetterlagen bei meridionaler Luftzirkulation als Folge des Klimawandels. Soweit die Theorie. Und genauso waren auch die Vorhersagen der Klimamodelle, mit denen ab Anfang der 1980er Jahre versucht wurde die Folgen der globalen Erwärmung abzuschätzen. Schauen wir uns nun an, ob und falls ja, wie sich die Häufigkeit der Wetterlagen tatsächlich verändert hat. Für Mitteleuropa gibt es darüber ausreichend Daten:

Abb. 9  Relative Häufigkeit der Luftzirkulationsformen in Mitteleuropa von 1902-2000 im Winter- und Sommerhalbjahr. Quelle: http://sundoc.bibliothek.uni-halle.de/diss-online/

Im Winter sind die Wetterlagen im Laufe der Jahre danach tatsächlich zonaler geworden. Zonale und gemischte Wetterlagen (mit meridionalen und zonalen Anteilen) haben auf Kosten meridionaler Wetterlagen deutlich zugenommen. Das sind die milden Winter in den meisten der letzten Jahre.

Im Sommer hat es dagegen, wie zu erwarten, eine Zunahme meridional geprägter Wetterlagen gegeben. Das entspricht auch unserer subjektiven Erfahrung von immer mehr heißen Sommern. Hinzu kommt natürlich noch die Tatsache, daß die heißen Sommer mit zunehmendem Treibhauseffekt immer extremer ausfallen.

Als Folge der globalen Erwärmung nimmt aber auch die Wasserverdunstung zu. Durch die höhere Luftfeuchtigkeit wächst die Gefahr schwerer Unwetter mit Gewitterstürmen, Starkregen und schwerem Hagelschlag. Auch das wurde von den Klimamodellen schon lange vorhergesagt.

Abb. 10  Der 10 Jahres – Trend der spezifischen Feuchte (g/kg) von 1973-2003 zeigt fast überall eine Zunahme. Die global ansteigenden Temperaturen erhöhen die Verdunstung und damit auch die Luftfeuchtigkeit. Quelle: http://hadobs.metoffice.com/hadcruh/

Der Grund: Die höhere Luftfeuchtigkeit verstärkt die Bildung hochreichender Quellwolken, die sich zu Gewitterzellen entwickeln können. Quellwolken bilden sich immer dann, wenn warme Luftblasen in einer Umgebung aus kühler Luft aufzusteigen beginnen (warme Luft ist leichter als kalte). Da der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt, dehnen sich die warmen Luftblasen bei ihrem Aufstieg aus und kühlen dadurch ab bis schließlich winzige Wassertröpfchen auskondensieren und eine Wolke bilden. In großen Höhen bestehen Wolken nicht mehr aus Wassertröpfchen sondern aus Eiskristallen. Bei der Bildung der Wassertröpfchen wird Kondensationswärme frei, entsprechend der Wärmeenergie, die notwendig war, um durch Verdunstung von Wasser die Luft anzufeuchten. Diese sogenannte latente Wärme verleiht der aufsteigenden Luft zusätzlichen Auftrieb (Aufwinde) und verstärkt auf diese Weise die Wolkenbildung (positive Rückkopplung). Da die Wolken mehr Luftfeuchtigkeit enthalten bilden sie auch mehr Regen. 

Abb. 11  Hagelbildung in einer Gewitterwolke: Die wachsenden Hagelkörner werden durch den Aufwind in der Schwebe gehalten, solange sie nicht zu schwer sind. Quelle: http://www.physicalgeography.net/

Wenn sich aus Eiskristallen und unterkühlten Wassertröpfchen Hagelkörner bilden, dann erreichen diese ein größeres Gewicht, da sie von den kräftigeren Aufwinden in der Wolke länger in der Schwebe gehalten werden.

Doch warum gab es in den letzten Jahren nun doch wieder mehr kältere Winter? Daran ist vielleicht die Sonne schuld, deren Aktivität seit 2003 drastisch zurückgegeangen ist.

Abb. 12  Die Anzahl der Sonnenflecken ist ein gutes Maß für die Sonnenaktivität. Seit 2003 ist diese auf ein Minimum zurückgegangen. Anscheinend ist die Sonne gerade dabei, wieder zu erwachen. Quelle: http://www.swpc.noaa.gov/

Der Verdacht liegt nahe, da die Stärke der Sonnenaktivität einen direkten Einfluß auf das vorherrschende Muster der Luftzirkulation ausübt. Das funktioniert vor allem über die Stratosphäre, der wir uns deshalb noch einmal zuwenden wollen:

Die Stratosphäre enthält nur wenig Wasserdampf, dafür aber größere Mengen Ozon, das die für das Leben gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung absorbiert und so herausfiltert. Daher ist die Stratosphäre deutlich wärmer als die obere Troposphäre. 

Im Winter, während der Polarnacht, kühlt die Stratosphäre über der Polarregion aber sehr deutlich ab. Dadurch entsteht im Winter auch in der Stratosphäre ein Temperaturgefälle, das einen stratosphärischen Jetstream erzeugt. Dieser beeinflusst den darunter befindlichen troposphärischen Jetstream an der Polarfront. Ein starker stratosphärischer Jetstream stabilisiert den troposphärischen Jetstream und begünstigt so eine zonale Luftzirkulation. Ein schwacher stratosphärischer Jetstream macht dagegen  eine meridionale Luftzirkulation wahrscheinlich.

Bei einer verminderten Sonnenaktivität, wie wir sie derzeit erleben,  nimmt  die Gesamtstrahlung der Sonne nur wenig ab (deutlich unter 1%), die UV-Strahlung aber dafür umso mehr (bis zu 10% und darüber). Bei einer schwächeren UV-Einstrahlung bildet sich aber in der Stratosphäre auch weniger Ozon. Dadurch vermindert sich  das stratosphärische Temperaturgefälle, die Luftzirkulation wird eher meridional, und es gibt kältere Winter. 

Trotz der paar kühleren Winter in den letzten Jahren lagen und liegen die globalen Durchschnittstemperaturen aber noch immer deutlich über dem langjährigen Mittel (1961-1990). 

Der Einfluß der Sonne überlagert also bestenfalls ein wenig den ansonsten ungebrochen ansteigenden Trend der globalen Durchschnittstemperaturen. Trotz schwacher Sonne könnte der Sommer 2010 durchaus ein „Jahrtausendhitzesommer“werden. Das wäre dann nach 2003 schon der Zweite innerhalb von 7 Jahren! Und es ist ja nur eine Frage der Zeit, wann die Sonne wieder aktiver wird!

F a z i t : Einzelne Wetterlagen haben wirklich nichts mit dem Klimawandel zu tun. Doch wenn sich die Statistik der Wetterlagen verändert, dann sieht das schon ganz anders aus. Insbesondere der Trend zu Hitzesommern mit blockierenden Wetterlagen ist ein klares Signal für einen Klimawandel hin zu einer wärmeren Erde. Es ist leider zu befürchten, daß schon in absehbarer Zeit „Jahrtausendsommer“ wie 2003 (und vielleicht auch 2010) mehr die Regel als die Ausnahme sein werden. Und dabei ist auch das CO2 im Spiel!

Jens Christian Heuer

Verwandter Artikel: Heißer Sommer, kalter Winter … w a r u m ? I. Klaus Eckart Puls

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Kategorien:Debatte, Klimawandel
  1. 8. August 2010 um 16:32

    Klimawandeldiskussion ohne Berücksichtigung von Meerwasser-Temperaturänderungen ist das möglich?
    Wie war das mit der von Prof. Rahmstorf angebotenen Wette 2008 wegen: „Forscher wetten 5000 Euro gegen pausierende Erderwärmung“, Von Holger Dambeck im SPIEGEL, 14 Mai 2008; nachdem eine Dekade niedrigerer Temperaturen aufgrund kälteren Nordatlantik angekündigt wurde von:

    N. S. Keenlyside, M. Latif, J. , u.a. (2008) ; “Advancing decadal-scale climate prediction in the North Atlantic sector”; NATURE, Vol 453, 1 May 2008.
    ____(Auszug):
    —-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,….
    —-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.

    M.E. können wärmere, kontinentale Sommer damit durchaus in Zusammenhang stehen. Nun soll auch wegen eines anderen maritimen Ereignisses im Pazifik schon Ende diesen Jahres kältere Zeiten kommen. Siehe den Beitrag vom 6.Aug.2010 bei:
    http://joannenova.com.au/2010/08/is-the-cold-weather-coming/, Guest Post by Bryan Leyland, El Nino/La Nina effect (SOI) predicts global cooling by the end of 2010

  2. Jochen Ebel
    8. August 2010 um 17:20

    Ein paar Ergänzungen. Es steht zwar nicht explizit im Paper, aber implizit ist anzunehmen, das Troposphäre und Stratosphäre unabhängig von der CO2-KOnzentration wären.

    Zur weiteren Erklärung der Zusammenhang zwischen Druckhöhe und Temperatur: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Atmosphaere.png

    Diese Darstellung hat gegenüber dem Temperatur-Höhen-Diagramm den Vorteil, daß gleicher Druckdifferenz gleiche Molekülmengen entsprechen, beim Höhendiagramm sind nach oben bei gleichen Höhendifferenzen immer weniger Moleküle, weil die Dichte sinkt.

    Die Ozonspitze bei sehr niedrigen Drücken modifiziert zwar etwas den Treibhauseffekt – ist aber wegen geringer Molekülzahlen nicht wesentlich.

    Übrig bleibt die Zweiteilung: bei hohen Drücken die Troposphäre mit dem Adiabatenexponenten, wobei der Verlauf kaum von Strahlung beeinflußt wird, sondern von der Vertikalzirkulation bestimmt wird. Oben die Stratosphäre, wo die Temperatur fast konstant ist, kaum Vertikalzirkulation und wo der Temperaturverlauf von der Strahlungsbilanz bestimmt wird.

    Bei Zunahme der CO2-Konzentration erfolgt der Übergang von Stratosphäre zur Troposphäre schneller, d.h. die Grenze steigt nach oben. Der Säulendruck des CO2 bleibt an der Grenze etwa konstant und hat etwa den Wert, wie auch die Venus- und Mars-Tropopause.

    MfG

  3. Simon
    17. August 2010 um 20:38

    Vielen Dank für diese Erläuterungen – ich bin auf der Suche nach Erklärungen, die das übliche Erklärschema des Wetterberichts nach den Nachrichten überschreiten und die grundlegenden Prinzipien der Wetterbildung erklären, auf Ihr Blog gestoßen. Großes Kompliment, Sie schaffen es, selbst einem Laien wie mir Dinge wie den Jet Stream, seine Mäander und ihre grundlegende Funktion für das, was dann tatsächlich im Wetterbericht erzählt wird, begreiflich zu machen!

    Ein paar Fragen sind mir trotz Ihrer Ausführungen und diverser Wikipedia-Artikel noch geblieben.

    – Wie ist denn das Wetter „genau unter“ dem Jet Stream, gibt es dort bestimmte Boden-Druckverhältnisse?

    – Die Tröge führen, wie Herr Puls schreibt ja auch zu Bodentiefs, und die Keile zu Bodenhochs, aber andererseits scheint es auch so sein zu können, dass unter einem Höhen-Tief ein Bodenhoch herrscht und umgekehrt (stand irgendwo bei Wikipedia). Hab ich das richtig verstanden? Ist dass dann der Unterschied zwischen einen dynamischen und einem thermischen Tief (Hoch)?

    – In einem Bodentief-Wirbel steigt die Luft immer auf,und in einem Bodenhoch „fällt“ sie immer, ist das denn richtig?

    So viele Fragen. Vielleicht kann der eine oder andere der hier mitlesenden Experten mir bei der einen oder anderen weiterhelfen. Mitlesen werde ich hier jedenfalls auch, und zwar regelmäßig.

    beste Grüße

    Simon

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