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Telegramm 53: Wetterlage am 12. August 2010 – Sommer der Wetterextreme

Seit Wochen haben wir nun schon eine blockierende Wetterlage mit einem Trog über West- und Mitteleuropa und einem Hochkeil über Osteuropa (incl. großen Teilen Rußlands).

Wetterlage am 12. August 2010 12:oo UTC: Die hellblau eingezeichneten 500HPa-Isohypsen zeigen (indirekt) den Verlauf der Höhenluftströmung (in ca. 5,5-6km Höhe). Der Trog mit den Tiefdruckwirbeln über West- und Mitteleuropa und der sich östlich anschließende wolkenfreie Hochkeil sind gut zu erkennen. Quelle: Naval Research Laboratory

Auf der Rückseite des Troges führt eine nordwestliche Strömung kühle und feuchte Meeresluft heran, auf der Vorderseite des Troges bzw. der Rückseite des Hochkeils gelangt aus Südwesten  (sub)tropische Warmluft nach  Osteuropa. Tiefdruckwirbel im Trog sorgen immer wieder für zum Teil heftige Niederschläge und Gewitter. Durch den Starkregen kam es in den vergangenen Tagen zu Überflutungen in Tschechien, Österreich und Sachsen. Neben millardenschweren Sachschäden gab es leider auch einige Todesopfer. Im Einflußbereich des Hochkeils herrscht extreme Hitze und Trockenheit.

 

Immer wieder brechen großflächig Torf- und Waldbrände aus. Die enorme Rauchentwicklung verpestet die Luft. Die Folgen sind katastrophal. Viele Menschen, vor allem Alte, Kranke und kleine Kinder leiden unter Kreislaufstörungen und Atembeschwerden. Allein in Moskau sterben zurzeit pro Tag fast doppelt so viel Menschen wie sonst. Anstatt 360-380 wie an einem normalen Tag, sind es jetzt über 700!

Rauchschwaden nehmen den Einwohnern Moskaus den Atem und die Sicht. Quelle: AP 

Auch Pakistan und China erleben derzeit Wetterkatastrophen. In Pakistan sorgt ein ungewöhnlich heftiger Monsunregen für Überschwemmungen bei denen bisher schon über 1500 Menschen zu Tode kamen und mehrere hundertausend obdachlos wurden. In China kam es nach Starkregen zu Sturzfluten und Erdrutschen. Einige hundert Menschen  ertranken oder wurden verschüttet.

Überschwemmungen nach extremem Monsunregen in Pakistan. Quelle Reuters

Die augenblickliche Häufung von extremen Wetterlagen ist  auffällig, war aber auch schon in den letzten Jahren immer wieder zu beobachten.

Hitzewellen einerseits, Starkregen andererseits, so hatten es die Klimamodelle schon lange als Folge der globalen Erwärmung vorhergesagt und so scheint es nun leider auch einzutreffen.

Der vermehrte Starkregen läßt sich so erklären: Die ansteigenden Temperaturen erhöhen die Wasserverdunstung – auch im Mittelmeer – und damit die Luftfeuchtigkeit. Dadurch kondensieren bei der Wolkenbildung mehr Wassertröpfchen aus, so daß entsprechend mehr Kondensationswärme frei wird. Diese zusätzliche Wärme verleiht der Luft in der Wolke mehr Auftrieb, was wiederum die Wolkenbildung und die Bildung von Regentropfen enorm verstärkt. Auch die Wassermenge, die insgesamt ausregnen kann, ist bei höherer Luftfeuchtigkeit natürlich größer. Das alles begünstigt heftige Unwetter mit Starkregen, so wie wir sie jetzt wieder erleben.

Der Trend zu blockierenden Wetterlagen im Sommer könnte vielleicht mit der überproportionalen Erwärmung der Arktis zusammenhängen, die eine Folge der globalen Erwärmung ist. Dadurch verringert sich das in dieser Jahreszeit sowieso schon relativ schwach ausgeprägte Temperaturgefälles an der Polarfront weiter. Die Höhenströmung wird dann derart langsam, daß sich blockierende Wetterlagen mit einer meridionalen Zirkulation besonders leicht einstellen können. Hitzesommer verbunden mit langanhaltender Trockenheit werden dadurch wahrscheinlicher. Die 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.

Einen anderen Mechanismus schlägt der britische Meteorologe Julian Hunt am University College London vor: Durch die zunehmende Erwärmung verstärken sich konvektive Prozesse, so daß die vertikale auf Kosten der horizontalen Luftzirkulation zunimmt. Dadurch wird die Höhenströmung ausgebremst, was dann wiederum eine meridionale Luftzirkulation begünstigt. Außerdem können bei einer nur verhältismäßig schwachen horizontalen Luftzirkulation blockierende Hochs länger überdauern. Hunt konnte diesen Mechanismus mit einem Modell erfolgreich demonstrieren.

Im Zusammenhang mit dem Extremwetter in Rußland, Pakistan, und China und Sachsen bleibt ein mulmiges Gefühl. Auch wenn einzelne Wettergeschehnisse die globale Erwärmung nicht „beweisen“, so erscheint doch ein Zusammenhang zumindest plausibel. Genau werden wir es erst in einigen Jahrzehnten wissen, wenn dieser Sommer in eine korrekte Wetterstatistik eingegangen ist, die allein einen Klimawandel wissenschaftlich bestätigen kann.

Doch schon heute ist das Vorsorgeprinzip zu beachten. Sinnvoll erscheinen die Förderung und Umsetzung technischer Innovationen auf dem Energiesektor (Somnne, Wind, Kernspaltung, Kernfusion anstatt fossiler Brennstoffe).

Mit fossilen Brennstoffen als Hauptenergiequelle gibt es kaum eine langfristige positive Zukunftsperspektive für die Menschheit. Man stelle sich einmal vor, Sommer mit Hitzewellen wie in Rußland und Überschwemmungen wie in Pakistan würden auch nur annähernd zum Regelfall!

Jens Christian Heuer

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

Kategorien:Debatte, Klimawandel

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

Sowohl beim vergangenen kalten Winter 2009/10 als auch beim derzeitigen heißen Sommer in Mitteleuropa handelt es sich um Ergebnisse normaler(!) meteorologischer Prozesse und Wetterlagen. Mit irgendeiner „Klima-Katastrophe“ hat weder der vergangene kalte Winter noch der jetzige heiße Sommer auch nur das Geringste zu tun, und mit CO2  schon ganz und gar nicht !

Die Atmosphären-Strömung „arbeitet“ in Wellen und Wirbeln. D i e s e  leisten in der Atmosphäre die Energie-Umsätze und Energie-Transporte.

In unseren gemäßigten Breiten haben wir es zu etwa 80% des Jahres mit einer mehr oder weniger mäandernden West-Wind-Strömung in den höheren Luftschichten zu tun, wobei als dynamisches Bezugs-Niveau häufig die 500-Hektopascal-Fläche (keine “Ebene“) in ca. 5000 m Höhe benutzt wird.

Das Wetter am Erdboden (also “in Augenhöhe“) mit seinen Tiefs, Fronten, Hochs …. ist „ein Abfall-Produkt“ dieser Höhenströmung. Die Druckgebilde und Wetter-Fronten entstehen als Folge von Konfluenzen (Konvergenzen) und Difluenzen (Divergenzen) in dieser Höhenströmung  – auch Jetstream genannt:

 

Abb. 1  Entstehung von dynamischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Quelle: Klaus Eckart Puls (2007)

Höhenströmung und „Boden-Wetter“ werden von den sogenannten Zirkulations-Modellen der weltweiten Wetterdienste mit guter Genauigkeit für ca. eine Woche prognostiziert. Dabei wird der sogenannte deterministische Anteil dieser physikalischen Prozesse für die Wetterprognosen herausgearbeitet, während mit zunehmender zeitlicher Rechen-Distanz zum Ausgangszustand der unbestimmbare (stochastische) Anteil mehr und mehr überwiegt !

D a h e r  geht man derzeit davon aus, daß aus physikalischen Gründen (Chaos-Theorie der Atmosphäre) auch in den nächsten Jahrzehnten (Jahrhunderten?) eine Vorhersagbarkeitsgrenze von ca. 10 Tagen kaum überschritten werden kann.

Schon aus diesen Gründen ist es eine ungeheuere Anmaßung der Klima-Institute, Klima (und damit letztlich Wetter) für 100 Jahre im voraus berechnen zu wollen !! (….selbst auch dann, wenn dieser Vergleich physikalisch etwas „hinkt“).

Zu eigentlichen Kernfrage, warum mal sehr kalt und mal sehr heiß : 

Wenn die Höhenwind-Strömung weitgehend West-Ost ausgerichtet ist, dann wird mit den Tiefs und ihren Fronten atlantisch temperierte Luft nach Europa gesteuert:

Abb. 2  Westlage mit einer von West nach Ost ausgerichteten Höhenströmung. Quelle: http://www.wetterzentrale.de/

Das hat zur Folge, daß die Winter in Mitteleuropa mild und die Sommer kühl und regnerisch sind.

Die mehr oder weniger ausgeprägten Mäander der („wetter-steuernden“!) Höhenströmung nennt man wegen ihres globalen/planetaren Auftretens in der meteorologischen Fachsprache „Planetarische Wellen“ (nach ihrem Entdecker auch: ROSSBY-Wellen). Dort, wo ein „Wellenbauch“ ist, entsteht ein Hochdruck-Keil ; dort, wo ein „Wellental“ ist, den die Meteorologen  TROG nennen, haben wir tiefen Luftdruck  –  b e i d e s  in „allen“ Höhenschichten bis zum Boden, mehr oder weniger.

Auf den Westseiten der Tröge, auch Rückseiten genannt (…und damit am Ostabhang der Keile) wird Kaltluft von höheren (nördlichen) Gefilden in niedere Breiten transportiert (am Boden: „Kaltfronten“) ; auf den Ostseiten der Tröge und folglich an den West-Flanken der Hochkeile wird Warmluft von niederen (südlicheren) Breiten nach Norden transportiert  – Warmluft-Advektion! 

In dieser Zirkulation überwiegen hemisphärisch/global „Wellen-Zahlen“ von 5…6…7, seltener 3 oder 4. Bei geringeren Wellen-Zahlen (also 3…4…5) neigt die atmosphärische Strömung aus physikalischen Gründen („stehende Wellen“) zu einer Verlangsamung des West-Ost-Weiterwanderns bis hin zum „Stillstand“  – in der Meteorologie BLOCKIERUNG  genannt.  

D a n n  verstärken sich Hochkeile und Tröge noch, w o m i t  sich die Zufuhr von kalter bzw. warmer Luft intensiviert, je nachdem, in welcher Region wir uns unter der Höhenströmung und der sich daraus ergebenden Bodenströmung befinden.

F o l g l i c h : Es gibt im globalen Maßstab gleichzeitig (!!) immer Regionen, in denen es   (im Vergleich zum meteorologischen Langzeit-Mittel) entweder „zu kalt“  o d e r  eben „zu warm“ ist !!

Genau dieses Strömungsmuster einer BLOCKIERUNGS-Wetterlage („Blockierung“ gegen die „normale“ Westdrift) hatte sowohl unseren Winter 2009/2010 bestimmt, …

Abb. 3  Blockierungswetterlage im Winter 2009/2010.  Quelle: http://www.wetterzentrale.de/

… als auch unseren Sommer 2010 in den ersten drei Juli-Wochen.  

 

Abb.4  Blockierungswetterlage im Sommer 2010. Quelle: http://www.wetterzentrale.de/

Der einzige Unterschied  – betreffend den vergangenen Winter und den Juli-Sommer 2010  – ist  d e r ,  daß der blockierende Hochkeil im letzten Winter 2009/2010 mehr oder weniger über dem Ostatlantik lag, mit einer  ständigen „vorderseitigen“ Kaltluft-Polarluft-Advektion nach Mittel- und Osteuropa (TROG),  w o g e g e n  der Hochkeil im Juli 2010 über dem mittleren bis östlichen Europa lag.

D a s  hatte zur Folge, daß an der Westflanke dieses Hochkeils und gleichermaßen auf der Ostflanke („Vorderseite“) des „stationären“ ostatlantischen Tiefdruck-Troges subtropische Warmluft nach West- und Mittel-Europa geführt wurde !

W a r u m  die Atmosphäre sich in machen Jahreszeiten für eine solche “Blockierung“ entscheidet, oder eben  –  wie z.B. in “normalen“ Sommern –  für eine Atlantische Westdrift mit Regen und kühler Luft (wie mehr oder weniger in den Sommern 2007-2009), das ist nicht bekannt.

So ist auch ein kausaler Zusammenhang nicht gesichert, wenn ein warmer  Sommer auf einen kalten Winter folgt, oder umgekehrt. In der überwiegenden Zahl der Fälle passiert das nämlich nicht.

Gleichermaßen gibt es für entsprechende Jahreszeiten-Prognosen weiterhin kein wissenschaftlich abgesichertes Verfahren.

Interessant ist jedoch, daß diese Zirkulations-Muster der Blockierungen bzw. der sommerlichen West-Wind-Regen-Drift tief in der Erfahrung unseren Vorfahren verankert ist, und in der Bauern-Regel vom “Siebenschläfer“ ihren Niederschlag gefunden hat. 

F a z i t : Dieses alles sind meteorologische Prozesse und Wetterlagen, mit irgendeiner „Klima-Katastrophe“ hat weder der vergangene kalte Winter noch der jetzige heiße Sommer auch nur das Geringste zu tun, und mit CO2  schon ganz und gar nicht !!!!!

Dipl.-Meteorologe Klaus-Eckart Puls

Alle Gastbeiträge geben nur die persönlichen Ansichten der Autoren wieder, nicht aber die des Wetter Journals!
 

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

Kategorien:Debatte, Klimawandel, Wetter

Arktisches Meereis 2010 auf neuem Rekordminimum!

Nach einem verspäteten, aber ungemein beschleunigten Wachstum bis März, begann das arktische Meereis – mit einem Monat Verspätung – im April zu schrumpfen. Im Mai nahm die Eisausdehnung mit einer Rate von mehr als 50% über dem Durchschnitt ab und erreichte am Monatsende ein absolutes Rekordminimum. Sogar die Kurve des bisherigen Rekordjahres 2007 wurde seitdem unterschritten (Stand 1.Juli 2010).

Arktische Meereisausdehnung vom 1.März bis 1. Juli 2010 Quelle: NSIDC

Die arktische Meereisausdehnung im Jahre 2007 war so gering gewesen, daß die Experten bisher von einem statistischen Ausreißer nach unten infolge besonderer Wetterbedingungen ausgingen, denn die in der Arktis infolge der Eis-Albedo-Rückkopplung überproportional ansteigenden Temperaturen reichten als alleinige Erklärung einfach nicht aus. (Zur näheren Erklärung: Beim Abschmelzen des Meereises der Arktis kommt die darunter liegende, wesentlich dunklere Wasseroberfläche mit einem deutlich geringeren Reflektionsvermögen (Albedo) zum Vorschein. Die Sonnenstrahlung wird nun in wesentlich größerem Umfang absorbiert. Wasser und daüberliegende Luftschichten erwärmen sich deutlich mehr als zuvor. Es liegt eine sich selbst verstärkende positive Rückkopplung vor. Je mehr Eis geschmolzen ist, umso stärker die Erwärmung, wodurch noch mehr Eis schmilzt usw.usf.)

Mit den besonderen Wetterbedingungen, die hinzu kamen, ist eine Anomalie in der Luftzirkulation über der Nordhalbkugel gemeint: Über Kanada etablierte sich im Sommer 2007 für längere Zeit ein Hoch und über Sibirien gleichzeitig ein beständiges Tief. Beide Druckgebilde lenkten von Süden sehr viel warme Luft in die Arktis, wodurch die Temperaturen stark anstiegen. Das Hoch sorgte außerdem für einen Wind, der das Meereis aus der Arktis nach Süden trieb.

Der Beaufort Meereswirbel im westlichen Arktischen Ozean wird durch ein beständiges polares Kältehoch angetrieben. Neugebildetes oder vom Wirbel eingefangenes Meereis kann hier mehrere Jashre zirkulieren und so eine beträchtliche Dicke erreichen. Eis in der Transpolardift des östlichen Arktischen Ozeans verläßt die Arktis dagegen binnen ein oder zwei Jahren. Im Falle einer  beständigen sommerlichen Zirkulationsanomalie mit einem Hoch über dem nordkanadischen Archipel und Tiefs über Sibirien, gelangt vermehrt warme Luft in die Arktis (rote Pfeile), und  der Abtransport des Meereises mit der Transpolardrift wird verstärkt (blauer Pfeil). Quelle: AMAP (verändert)

Im Jahre 2008 nahm die arktische Meereisausdehnung nur unwesentlich zu, und auch die Zirkulationsanomalie war wieder da. Auch 2009 gab es kaum Veränderungen. Dazu ein wichtiger Hinweis: Normalerweise folgt auf ein Jahr mit geringer eines mit deutlich höherer Eisbedeckung, denn der offene nicht mehr vom Eis isolierte Ozean kühlt im Winter besonders schnell aus. Umso bemerkenswerter die tatsächliche Entwicklung!

Es gibt übrigens noch einen weiteren Mechanismus, der den Abschmelzprozeß des arktischen Meereises beschleunigt. Infolge der verstärkten Eisschmelze in den letzten jahren hat der Anteil des mehrjährigen, stabilen  Meereises gegenüber dem jungen, einjährigen,wesentlich schmelzanfälligeren Meereises immer weiter abgenommen. Der Grund: Das einjährige ist wesentlich dunkler als das mehrjährige Meereis, weil es durch zahlreiche kleine offene Wasserflächen unterbrochen ist. Wasser hat eine deutlich niedrigere Albedo als Eis (oder gar Schnee) und absorbiert daher mehr Sonnenlicht.

Die folgende Grafik zeigt den längerfristigen Trend beim arktischen Meereis noch einmal sehr schön im Überblick, wobei hier nicht die Eisausdehnung, sondern das Eisvolumen dargestellt wird. Das ist noch aussagekräftiger, da der Abschmelzprozeß des arktischen Meereises ja nicht nur die Eisfläche, sondern ganz besonders auch die Eisdicke betrifft.

Anomalien der arktischen Meereisvolumina von 1980-2010. Quelle: NSIDC 

Es könnte durchaus sein, daß das Klimasystem in der Arktis schon einen Kipp-Punkt erreicht hat, wo selbstverstärkende Prozesse zum unaufhaltsamen und entgültigen Verlust des Meereises führen. Käme es dazu, so würde sich die globale Erwärmung wiederum beschleunigen, denn der Erde würde einer ihrer beiden größten reflektierenden Eisschilde fehlen, die Albedo  des Planeten also merklich abnehmen.

Auch das augenblickliche, schon länger anhaltende Aktivitätsminimum der Sonne hat es bisher nicht vermocht die arktische Meereisschmelze zu stoppen oder wenigstens zu verlangsamen. Im Gegenteil, vieles spricht sogar für eine Beschleunigung!

Der zusätzliche, menschengemachte Treibhauseffekt erweist sich hier, im Bündnis vereint mit positiven Rückkopplungseffekten, als unerwartet zäher Widersacher der schwachen Sonne.

Jens Christian Heuer 

Quellen: NSIDC, AMAP

Kategorien:Klimawandel

Telegramm 45: La Nina löst El Nino ab

Die Vermessung der Meeresspiegelhöhen im Pazifik durch den NASA/ESA-Ozeanographie-Satelliten Jason 2 (Ocean Surface Topography Mission)zeigt einen Übergang vom El Nino- zum La Nina-Modus innerhalb der letzten Monate an.

Erhöhte Meeresspiegel entsprechen warmem Wasser (rot und gelb), erniedrigte Meeresspiegel kaltem Wasser (blau); mittlere Meeresspiegel (grün). Quelle: NASA

In Bereichen warmen Wassers (rot und gelb), den Überbleibseln von El Nino, ist der Meeresspiegel erhöht, in Bereichen kalten Wassers (blau) dagegen erniedrigt. Letztere zeigen den beginnenden La Nina an. Quelle: JPL NASA (http://tinyurl.com/3y4gphq)

El Nino Southern Oscillation (ENSO)

La Nina-Phase: Sehr starke Passatwinde treiben das warme pazifische Oberflächenwasser westwärts, wodurch an den Westküsten Nord- und Südamerikas kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser hervorquillt und der Pazifik in weiten Bereichen kühler wird.

El Nino-Phase: Sinkt der Druckgradient zwischen Subtropenhochs und dem äquatorialen Wärmetief der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im Westpazifik, so werden die Passate schwächer. Dann strömt das im Westpazifik aufgestaute warme Oberflächenwasser nach Osten zurück, wodurch die Wasseroberfläche des Pazifik großflächig wärmer wird (El Nino). Quelle: http://www.soest.hawaii.edu/MET/Enso/

Ein La Nina hat global gesehen einen abkühlenden Effekt, bei einem El Nino wird es dagegen wärmer.

Jens Christian Heuer

Kalte Winter und El Nino

Der kalte Winter 2009/10 wird häufig als ein Indiz dafür wahrgenommen, daß die globale Erwärmung zu Ende geht.

Trotz fortdauernder Treibhausgasemissionen (CO2, CH4) werde es seit einigen Jahren wieder kälter (zumindest aber nicht mehr wärmer), so wird immer wieder behauptet, und der letzte Rekordwinter sei der vorläufige Höhepunkt dieser Entwicklung. Als Ursache wird die tatsächlich bemerkenswert geringe Sonnenaktivität der letzten Jahre genannt. Wenn es so weitergehe, dann drohe der Menschheit vielleicht sogar eine ungemütliche Kälteperiode.

Temperaturanomalien 

Betrachtet man allerdings die globalen Temperaturen während des letzten kalten Winters 2009/10 (auf der Nordhalbkugel), so ergibt sich ein überraschendes Bild.

Auf der Internetseite des Goddard Institute for Space Studies der NASA kann der Besucher ganz leicht aus den dort vorliegenden GISS-Daten eine Karte der globalen Temperaturanomalien oder -trends selbst erstellen. Dabei kann er zu vergleichende Zeiträume und die Auflösung der Karte frei wählen.

Vergleicht man die Wintermonate Dezember, Januar und Februar 2009/2010 mit der klimatischen Referenzperiode 1961-1990, so fällt auf, daß es in den meisten Regionen positive (!) Temperaturanomalien gab, und das trotz der schwachen Sonne! Auffällig sind aber Kälteinseln auf der Nordhalbkugel in Nordamerika, Asien und Westeuropa, genau dort wo es den langanhaltenden, kalten und schneereichen Winter ja auch tatsächlich gab.

Bei einem Vergleich mit der Karte der Temperaturanomalien für den ausgesprochen milden Winter 2007/08 sieht man dann auch deutliche Unterschiede:

In Westeuropa, Asien, Afrika und dem Pazifik sind die Temperaturanomalien beinahe spiegelverkehrt zum letzten Winter.

Ein ähnliches Bild erhält man auch dann, wenn über einen längeren Zeitrum von 1991-2008 gemittelt wird. Der milde Winter 2007/2008 war also kein zufälliger positiver Ausreisser, sondern eher typisch für diese Jahre:

Umso bemerkenswerter die Wintermonate 2009/10. Auch global gesehen, war es da vergleichsweise kühl. Trotzdem war es aber eben doch noch überdurchschnittlich warm, wenn man die klimatische Referenzperiode 1961-1990 als Maßstab anlegt. Die schwache Sonne hat die Erwärmung zwar abschwächen, aber nicht verhindern können!

ENSO und NAO

Einen interessanten Erklärungsansatz für den kalten Winter ergaben die Untersuchungen von Prof. Brönnimann (ETH Zürich) über die meteorologischen Fernwirkungen von El Nino und la Nina (El Nino Southern Oscillation ENSO), einer Druckschaukel über dem tropischen Pazifik auf den europäischen Raum. Dabei befasste er sich u.a. mit einer spektakulären Folge von Extremwintern in den Jahren 1940-1942. Diese Kältewinter hatten bekanntlich historische Auswirkungen, denn sie trugen entscheidend zum Scheitern des Rußlandfeldzuges der deutschen Wehrmacht im 2.Weltkrieg bei. So brachte der extreme Kälteeinbruch im Winter 1941/42 die deutsche Offensive erstmals zum Stillstand, kurz vor Moskau. Die unzureichend ausgerüsteten Wehrmachtssoldaten erfroren zu Zehntausenden.

El Nino Southern Oscillation (ENSO)

La Nina-Phase: Sehr starke Passatwinde treiben das warme pazifische Oberflächenwasser westwärts, wodurch an den Westküsten Nord- und Südamerikas kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser hervorquillt und der Pazifik in weiten Bereichen kühler wird.

El Nino-Phase: Sinkt der Druckgradient zwischen Subtropenhochs und dem äquatorialen Wärmetief der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im Westpazifik, so werden die Passate schwächer. Dann strömt das im Westpazifik aufgestaute warme Oberflächenwasser nach Osten zurück, wodurch die Wasseroberfläche des Pazifik grossflächig wärmer wird (El Nino). Quelle: http://www.soest.hawaii.edu/MET/Enso/

Brönnimann fand eine sehr plausible Erklärung für diese außergewöhnlich kalten Winter über einen Zusammenhang zwischen ENSO (El Nino Southern Oscillation) und NAO (North Atlantic Oscillation); vgl. Nature 431, 21.Oktober 2004.

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/

Ein ausgeprägtes El Nino Ereignis mit deutlich erhöhten Wassertemperaturen im äquatorialen Pazifik sorgte über eine gesteigerte Wasserverdunstung (vermehrte Zufuhr latenter Wärme) für eine Intensivierung der konvektive Prozesse der tropischen Hadley-Zirkulation.

Die latente Wärme wird bei der Wolkenbildung als Kondensationswärme freigesetzt und durch die intensivierte Hadley-Zirkulation in der oberen Troposphäre vermehrt polwärts transportiert. Ein erhöhter meridionaler Wärmetransport bewirkt eine deutlich äquatornähere Frontalzone (Polarfront) mit einem ebenfalls deutlich stärkeren Temperatur- und Druckgradienten. Das bedeutet einen verstärkten Antrieb für den Jetstream, aus dessen turbulenter Strömung die außertropischen Tiefdruckwirbel hervorgehen. Es bildet sich ein deutlich ausgeprägteres Aleutentief, welches wiederum vermehrt feuchtwarme Meeresluft in das nordwestliche und arktische Amerika befördert. Das schwächt den ansonsten im Winter starken Temperaturgegensatz zwischen Festland (Nordamerika, Kanada) und nordwestlichem Atlantik deutlich ab. Das Aufeinandertreffen von kontinentaler Kaltluft und der vom Golfstrom angewärmten Meeresluft ist aber für den Aufbau der nordatlantischen Frontalzone (Polarfront) ganz entscheidend, so daß sich über dem Nordatlantik weniger und schwächere Tiefdruckwirbel bilden, wovon auch das Island-Tief betroffen ist.

Die Nordatlantische Oszillation (NAO), eine Druckschaukel über dem Nordatlantik, kippt in die negative Phase, was gleichbedeutend ist mit einer ausgeprägt meridionalen Zirkulation. Blockierende Hochdruckgebiete über Europa zwingen die nordatlantischen Tiefdruckwirbel auf deutlich südlichere Zugbahnen. Sie erreichen nun den Mittelmeerraum oder sogar Nordafrika. In den ausgedehnten nahezu wolkenfreien Hochdruckzonen kühlt die Luft immer weiter ab. Das meridionale Zirkulationsmuster begünstigt Vorstösse polarer Kaltluft aus nördlichen und östlichen Richtungen bis weit in den Süden. Im Gegenzug gelangt aber auch (sub)tropische Warmluft hoch in den Norden. Aus diesem Grund wechseln kalte und warme Zonen entlang der Breitengrade einander ab.

Die ausgeprägt meridionale Zirkulation betrifft aber nicht nur den troposphärischen Jetstream, sondern beeinflusst auch den darüber befindlichen stratosphärischen Jetstream. Infolgedessen schwächt sich der Polarwirbel deutlich, was wiederum die meridionale Zirkulation (negative Phase der Nordatlantischen Oszillation NAO – ) verstärkt und verstetigt („Gedächtnis der Stratosphäre“). Deshalb ist der Winter nicht nur kalt sondern auch langandauernd.

Schauen wir nun noch auf die Karte der Temperaturanomalien für die Extremwinter 1940-1942 und vergleichen noch einmal mit dem letzten Winter 2009/2010:

Globale Temperaturanomalien während der Extremwinter von 1940-42 (links) und während des ebenfalls recht kalten Winters 2009/10 (rechts).

Beide Muster ähnelt einander schon bemerkenswert, wenn man bedenkt, daß es sich bei der Atmosphäre und ihrem Wetter um ein ausgesprochen chaotisches System handelt.

Sowohl in den Wintern 1940-1942 als auch im Winter 2009/10 gab es deutliche „Kälteinseln“ über Europa und Asien, deren Fläche allerdings 1940-42 noch größer war. So gehörte damals das gesamte komplette China und Japan dazu und auch Osteuropa, wo es im letzten Winter dagegen überdurchschnittlich warm war.

In beiden Fällen gab es ein womöglich auslösendes El Nino – Ereignis.

Bleibt dann noch die Frage, warum nicht auf  jedes El Nino ein kalter Winter mit negativem NAO-Index folgte.

Brönnimann erklärt dies mit vorangehenden Vulkanausbrüchen, deren Auswirkungen den Effekt von EL Nino auf  die Nordatlantische Oszillation (NAO) maskierten:

Bei Vulkanausbrüchen gelangen nämlich winzige Ascheteilchen bis in die Stratosphäre, wo sie das Sonnenlicht absorbieren. Dadurch erwärmen sich die im Winter sonnenbeschienene Bereiche der Stratosphäre, wodurch der im Winter ausgeprägte stratosphärische Temperaturgradient zwischen dunkler Polarregion (Polarnacht) und den hellen mittleren Breiten zunimmt. Das verstärkt den stratosphärischen Jet und den Polarwirbel, welche ihrerseits verstärkend auf den troposphärischen Jetstream wirken. Die Folge ist eine eher zonale Zirkulation mit verstärkter Bildung von ostwärts ziehenden Tiefdruckwirbeln, die milde und feuchte Luft nach Europa bringen. Die Nordatlantische Oszillation (NAO) verharrt (überwiegend im positiven Modus und verstetigt den milden Winter in Europa.

Fazit

Es spricht also sehr viel dafür, daß der langanhaltend kalte Winter 2009/10, ebenso wie die extremen Winter von 1940-42, auf ein El Nino -Ereignis zurückgehen.

Das muss aber nicht heissen, daß die Sonne aus vollkommen aus dem Spiel ist, denn es gibt Hinweise dafür, daß ENSO von der Sonnenaktivität beeinflusst wird (Science Daily und Malberg). Eine geringere Sonnenaktivität könnte über eine abgeschwächte Hadley-Zirkulation die Passatwinde abflauen lassen, was dann wiederum einen El Nino auslöst.

Bemerkenswert bleibt aber die trotz der noch andauernden Schwächeperiode der Sonnenaktivität nach wie vor, global gesehen, positive  Temperaturanomalie. Man vergesse auch nicht, daß bei allen Ähnlichkeiten der kalte Winter 2009/10 verglichen mit den Extremwintern 1940-42 ausgesprochen moderat war. Außerhalb der Kälteinseln des Winters 2009/10 auf der Nordhalbkugel gab es andernorts sogar vereinzelt neue Wärmerekorde.  Für all das kann eigentlich nur die fortdauernde Zunahme der Treibhausgase (CO2, CH4) verantwortlich sein.

Jens Christian Heuer

Kategorien:Klimawandel

Globale Abkühlung durch weniger Wasserdampf?

Seit einigen Jahren stagnieren die globalen Durchschnittstemperaturen oder gehen sogar leicht zurück trotz steigender industrieller Treibhausgasemissionen, darunter vor allem CO2. Immer häufiger ist von einer Pause bei der globalen Erwärmung die Rede. Die Klimaskeptiker sehen in der derzeitigen Abkühlung bei gleichzeitig zunehmendem CO2-Gehalt der Atmosphäre den Beweis für ihre Behauptung, daß die Sonne der alles entscheidende Motor für den Klimawandel ist. Den Einfluss der Treibhausgase auf das Klima halten sie dagegen für relativ unbedeutend.

Globale Durchschnittstemperatur und CO2. Trotz weiter ansteigendem CO2 sinken die globalen Temperaturen in den letzten Jahren anscheinend wieder etwas. Quelle: http://www.climate4you.com/

Tatsächlich ist die Sonnenaktivität seit 2003 deutlich zurückgegangen und verharrt seitdem auf einem ungewöhnlich niedrigem Niveau. Im letzten Jahr erschienen über Monate hinweg praktisch überhaupt keine Sonnenflecken mehr. Auch danach haben sich bis heute nur einige wenige gebildet. Hinter vorgehaltener Hand wird bereits über ein neues Maunder-Minimum spekuliert. Diese Periode stark verringerter Sonnenfleckenaktivität in den Jahren zwischen 1645 und 1715 war für die bis zum Ende des 18.Jahrhunderts währende „Kleine Eiszeit“ verantwortlich in der sich ausgesprochen kalte Winter und kühle Sommer einander abwechselten. Immer wieder gab es Mißernten und Hungersnöte. Das Maunder Sonnenflecken-Minimum ist nach dem englischen Astronom Edward Walter Maunder benannt, dem als Erster im Nachhinein die geringe Anzahl der Sonnenflecken in jenem Zeitraum auffiel.

Die dem  IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change,Weltklimarat) nahestehenden Klimaforscher bestreiten zumeist , daß es derzeit  überhaupt eine Abkühlung gibt  und sprechen von Zufallsschwankungen bei einem nach wie vor nach oben weisenden Trend bei den globalen Durchschnittstemperaturen. Stellvertretend für diese Ansicht sei Prof. Stefan Rahmsdorf  genannt, Ozeanograph am Potsdamer Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und einer der Leitautoren des letzten, 2007 veröffentlichten Sachstandsberichtes des Weltklimarates (IPCC). Es gibt aber auch Klimaforscher, die eine vorübergehende Abkühlung anerkennen. Dazu zählt Prof. Mojib Latif, Meteorologe und Ozeanograph am Institut für Meereskunde in Kiel (IFM Geomar). Latif geht von einer vorübergehenden Abschwächung der Abschwächung der “Meridional Overturning Circulation” (MOC)im Nordatlantik aus (vgl. http://www.nature.com/). Meridional Overturning Circulation steht für meridionale Umwälzbewegung des Meerwassers (entlang der Längengrade in Nord-Süd-Richtung, also meridional) erfolgt. Die MOC im Nordatlantik entspricht weitestgehend dem Golf- bzw. Nordatlantikstrom und wird durch Winde, aber 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)angetrieben. Die von der MOC erwärmte milde und feuchte Meeresluft gelangt mit den in mittleren Breiten vorherrschenden Westwinden und den sich in der Luftströmung ab einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit bildenden Tiefdruckwirbeln nach Europa und sorgt dort vor allem im Winter für deutlich höhere Temperaturen als sie sich normalerweise aus der geographischen Lage ergeben würden. Bei einer Abschwächung der MOC wird es dann natürlich dementsprechend kälter.

Eine Gruppe von Klimaforschern  der  US-amerikanischen National Atmospheric and Oceanic Administration (NOAA) unter der Leitung der renomierten Atmosphärenchemikerin Susan Salomon ist nun auf eine weitere mögliche Ursache für die derzeitige Abkühlung gestossen. Die Wissenschaftler fanden bei der Auswertung von Datenmatrial aus Messungen durch Satelliten und Wetterballons heraus, daß der Wasserdampfgehalt der Stratosphäre seit dem Jahre 2000 um immerhin 10% abgenommen hat.

Dr. Susan Salomon, Klimaforscherin am Earth System Research Laboratory (http://www.esrl.noaa.gov/ ). Quelle: NOAA

Wasserdampf ist ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als CO2 und für einen Großteil des natürlichen Treibhauseffektes der Erde verantwortlich. Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre in welcher sich das Wetter hauptsächlich abspielt. Die Stratosphäre enthält erhebliche Mengen Ozon, das die für das Leben auf der Erde gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung (UV) absorbiert. Dadurch erwärmt sich die Stratosphäre deutlich gegenüber der oberen Troposphäre, so daß es an der Grenze zwischen den beiden Atmosphärenschichten (Tropopause) zu einer Temperaturinversion kommt.

Die Stratosphäre ist im Gegensatz zur Tropsphäre sehr trocken, da die Temperaturinversion eine Wolkenbildung bis in die Stratosphäre unterbindet. Wolken bilden ja nur, wenn erwärmte, feuchte Luft aufsteigt und abkühlt. Bei Erreichen des Kondensationsniveaus entstehen an Kondensationskeimen (Minerale, Staub- und Rußteilchen, Sulfataerosole) winzige Wassertröpfchen, die zusammen die Wolke bilden. Die dabei freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme)gibt der aufsteigenden Luft zusätzlichen Auftrieb und verstärkt wiederum die Wolkenbildung. In größeren Höhen besteht die Wolke nicht mehr aus Wassertröpfchen sondern aus Eiskristallen (Cirren). Trifft die aufsteigende Luft auf eine Temperaturinversion, so wirkt diese als Sperrschicht, da der Temperaturunterschied zwischen aufsteigender Luft und Umgebungsluft verschwindet oder sich sogar umkehrt. Nur die allerstärksten Quellwolken, wie sie sich vor allem in der Innertropischen Konvergenzone  (ITCZ) oder in tropischen Wirbelstürmen  bilden (manchmal aber auch in außertropischen Tiefdruckwirbeln) können, sind mitunter in der Lage mit ihrer eisigen Oberseite (Cloud-Top) die Tropopause zu durchbrechen (Overshooting Cloud-Tops) und die Stratosphäre ein wenig anzufeuchten. 

Je mehr Wasserdampf in die Stratosphäre gelangt, umso stärker der Treibhauseffekt, desto mehr erwärmt sich also die darunter liegende Troposphäre und umgekehrt.

Der gemessene Rückgang des Wasserdampfs in der Stratosphäre seit dem Jahre 2000 wirkt demzufolge tendenziell abkühlend auf die Troposphäre und hat nach den Berechnungen der Wissenschaftler die globale Erwärmung um etwa 1/4 gebremst. In den 1980er und 1990er Jahren hatte der Wasserdampfgehalt der Stratosphäre dagegen deutlich zugenommen und die globale Erwärmung erheblich (um bis zu 30%) beschleunigt.

Die Ursache für den Anstieg und anschließenden Rückgang des Wasserdampfs in der Stratosphäre sei noch nicht bekannt, so die Wissenschaftler. Vermutet wird aber ein verringerter Wasserdampfeintrag im Zusammenhang mit der tropischen Hadley- und Brewer-Dobson-Zirkulation. Das könnte in etwas so funktionieren: Eine verstärkte Sonneneinstrahlung führt beispielsweise zu einer erhöhten Wasserverdunstung, vor allem in den wolkenarmen Subtropen.Die zusätzlich angefeuchtete Luft gelangt mit den Passatwinden in die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) und sorgt dort über eine vermehrte Zufuhr latenter Wärme für eine verstärkte tropische Konvektion und Wolkenbildung. Die gesamte Hadley-Zirkulation wird angekurbelt und damit auch die Passatwinde und die Absinkbewegung der Luftmassen in den Subtropen. Dadurch entstehen noch weniger Wolken in den Subtropen usw. usf.. Eine schöne positive Rückkopplung also! Infolge der verstärkten Konvektion über den Tropen gelangt automatisch auch mehr Wasserdampf in die Stratosphäre. Bei einer abgeschwächten Sonneneinstrahlung läuft alles genau umgekehrt.

Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) kommt es im Rahmen der Hadley-Zirkulation, begünstigt durch die hohe Luftfeuchtigkeit in den Tropen, zu einer verstärkten Wolkenbildung. Die aus Eiskristallen bestehenden Cloud-Tops (Cirrenschirme) der stärksten Quellwolken können zuweilen in die Stratosphäre durchbrechen Overshooting Cloud-Tops). Die Eiskristalle verdampfen und befeuchten die Stratosphäre. Die Cirrenschirme reflektieren das Sonnenlicht und wirken dadurch tagsüber abkühlend. Andererseits lässt die starke Bewölkung über der ITCZ (zusammen mit dem Wasserdampf) auch nur relativ wenig Infrarotstrahlung des von der Sonne erwärmten Erdboden in den Weltraum entweichen, so daß in der Nacht die Temperaturen kaum absinken. Die Hadley-Zirkulation treibt ihrerseits die Brewer-Dobson-Zirkulation an, welche den stratosphärischen Wasserdampf (und das Ozon!) von den Tropen in höhere Breiten transportiert. Wasserdampf ist ein starkes Treibhausgas und erwärmt mit seiner infraroten Gegenstrahlung die Troposphäre. Quelle: NOAA

Denkbar erscheint eine natürliche Variabilität im Wassergehalt der Stratosphäre, aber vielleicht auch ein negativer Feedback-Mechanismus:

Eine natürliche Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Stratosphäre könnte meines Erachtens direkt auf der schwankenden Sonnenaktivität  beruhen. Eine geringere Sonneneinstrahlung geht mit einer verminderten Wasserverdunstung und weil dadurch weniger latente Wärme zur Verfügung steht, auch mit einer schwächeren Hadley-Zirkulation einher. Die Wasserdampfzufuhr in die Stratosphäre nimmt ab und damit auch der erwärmende Treibhauseffekt. Bei einer stärkeren Sonneneinstrahlung verhält es sich natürlich genau umgekehrt. Tatsächlich war die  Sonnenaktivität in den 1980ern und 1990ern auf einem recht hohen Niveau und ging danach erst allmählich, seit 2003 aber sehr deutlich zurück. Die Sonne könnte also auch über den Wasserdampf in der Stratosphäre das Klima erheblich beeinflussen, eine natürliche Variabilität, die den anhaltenden treibhausgasbedingten Aufwärtstrend der globalen Durchschnittstemperaturen nicht aufhebt, sondern lediglich überlagert.

Denkbar erscheint aber auch ein negativer Feedback-Mechanismus. Die globale Erwärmung durch die andauernden Treibhausgasemissionen ging mit einer allgemein erhöhten Verdunstungsrate einher. Der zusätzliche Wasserdampf in der Troposphäre, so berechnen es die Klimamodelle und so wurde es auch durch Messungen bestätigt (http://www.sciencedaily.com/releases/2005/11/051109091359.htm), verstärkt den relativ geringen Treibhauseffekt durch das zusätzliche CO2 ganz erheblich (Wasserdampfverstärkung).

Richard Lindzen, Professor der Meteorologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) verweist nun aber zu Recht auf die Tatsache, daß die Luftfeuchtigkeit in der Troposphäre genau dort am höchsten ist, wo sich auch die meisten Wolken bilden. Wolken sind also die Hauptquellen der Luftfeuchtigkeit. Das hat nach Lindzen einschneidende Konsequenzen, denn Regentropfen in einer aufquellenden Wolke wachsen umso schneller, je mehr Luftfeuchtigkeit zur Verfügung steht. Überschreiten die Tropfen jedoch ein kritisches Gewicht, so können sie nicht mehr von den konvektiven Aufwinden innerhalb der Quellwolke in grössere Höhen getragen werden, um zu Eiskristallen zu gefrieren und als Material für die hohen Cirrenschirme zu dienen.

Riesige Quellwolke (Cumulonimbus) über Afrika mit Cirrenschirm und Overshooting-Cloudtop. Quelle: ISS, NASA

Weniger Cirruswolken wirken aber abkühlend, da sie im Gegensatz zu tiefen Wolken einen geringeren Anteil des Sonnenlichtes reflektieren, aber die Infrarotabstrahlung des Erdbodens sehr effektiv abblocken, somit insgesamt also eine erwärmende Wirkung haben. Diesen Effekt konnte Lindzen anhand von Satellitenbildern der Tropen tatsächlich nachweisen. Nahmen die Wassertemperaturen und damit auch die Luftfeuchtigkeit etwa infolge verstärkter Sonneneinstrahlung zu, so nahm der Anteil der hohen Eiswolken (Cirrenschirme) im Verhältnis zu den sie hervorbringenden tieferen Wolken ab. Dadurch gingen die hohen Wassertemperaturen wieder zurück. Lindzen verglich den Effekt mit dem Verhalten einer Irisblende, die sich bei zunehmendem Lichteinfall immer weiter schliesst und so eine Überbelichtung verhindert (Iris-Effekt).

Der Iris-Effekt nach Lindzen hat aber womöglich auch Auswirkungen auf den Treibhauseffekt der Stratosphäre, denn eine verminderte Bildung von Cirrenschirmen bei den hohen Quellwolken der Tropen läuft auf einen verringerten Wasserdampfeintrag in die Stratosphäre hinaus (s.o.).

Das wäre dann aber ein zusätzlicher, sehr effektiver negativer Feedback-Mechanismus, der die globale Erwärmung bis zu einem gewissen Grade abmildern könnte.

Jens Christian Heuer

Quellen: http://www.noaanews.noaa.gov/, http://physicsworld.com/cws/article/news/

Kategorien:Klimawandel