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Archive for the ‘Meteorologie’ Category

Das Tief Daisy und der Schnee

Das Tief Daisy bildete sich am 7. Januar 2010 vor der Küste der Iberischen Halbinsel über dem westlichen Mittelmeer auf der Vorderseite eines Höhentroges, der sich über ganz Nord- und Westeuropa erstreckte. Initialzündung war eine Divergenz in der Höhenströmung.

Eine Divergenz in der Höhenströmung auf der Vorderseite eines bis in den Mittelmeerraum reichenden Troges löste die Bildung des Tiefs Daisy aus. Quelle: MeteoGroup

Begünstigt wurde die Entstehung des Tiefs durch die labile Luftschichtung – kalte Luft aus dem Trog strömte über die noch relativ warme Wasseroberfläche des Mittelmeeres – und die reichliche Zufuhr von latenter Wärme durch das verdunstende Mittelmeerwasser.

 

Wetterlage am 7.Januar 2010 09.00 UTC Quelle: EUMETSAT

Die Höhenströmung lenkte das Tief Daisy nach Nordosten in Richtung Mitteleuropa. Seine weiten Ausläufer erstreckten sich von West- über Mittel-bis nach Osteuropa.

Wetterlage am 8.Januar 2010 07:00 UTC Quelle: EUMETSAT

Auf seiner Westseite lenkte das Tief Daisy polare Kaltluft, auf seiner Ostseite feuchtwarme Mittelmeerluft nach Europa. Überall dort, wo das Tief auf seiner Zugbahn kalte und warme Luftmassen verwirbelte, entwickelte sich eine hochreichende Quellbewölkung und es kam zu teilweise sehr ergiebigen Schneefällen, so etwa in Spanien, Frankreich und Deutschland, ja sogar in Nordafrika. In Deutschland sorgten starke Winde vor allem an den Ostseeküsten für meterhohe Schneeverwehungen.

Schneeverwehungen auf der B96 nahe der Insel Rügen. Quelle. DPA

Hinzu kam noch ein Sturmflut die vor allem an der schleswig-holsteinischen Ostseeküste teilweise zu Überschwemmungen führte.

Über dem Atlantik entwickelte sich, im Gegenzug zu dem Höhentrog mit polarer Kaltluft, ein Hochkeil mit warmen subtropischen Luftmassen, die bis nach Grönland gelangten, wo deshalb auch überdurchschnittlich hohe Temperaturen herrschten. Das ist typisch für eine meridionale Luftzirkulation. 

Eine Wetterlage, bei der sich über dem westlichen Mittelmeer ein Tiefdruckgebiet bildet, das dann, mit viel Feuchtigkeit beladen, mit der übergeordneten Höhenströmung über die Alpen nach Europa driftet, nennen die Meteorologen Vb-Lage nach dem Meteorologen Wilhelm Jacob van Bebber, der Ende des 19.Jahrhunderts eine Übersicht der häufigsten Zugbahnen von Tiefdruckgebieten über Europa veröffentlichte.

Die wichtigsten Zugbahnen der Tiefdruckgebiete über Europa nach van Bebber. Quelle: Wikipedia

Das Tief Daisy ist inzwischen nach Osteuropa abgezogen und dabei sich aufzulösen. Ein Hochdruckkomplex über Frankreich und Nordeuropa blockiert die aus Westen herankommenden Tiefdruckgebiete und zwingt sie auf weit südliche Zugbahnen über den Mittelmeerraum.  Zwischen den Hochs über Nordeuropa und dem langsam nach Osten driftenden Tief über dem Balkan gelangt mit einer nordöstlichen Strömung kalte und durch die Ostsee angefeuchtete Luft in die nördliche Hälfte Deutschlands. Im Süden dagegen schwache Westwinde durch das Hoch über Frankreich.

Wetterlage am 10. Januar 2010 16:00 Uhr UTC Quelle: EUMETSAT

Die Nordhemispherische Luftzirkulation bleibt vorest weiter meridional, denn der Polarwirbelsplit vom Dezember 2009 hält auch Anfang Januar noch an. Die beiden Polarwirbel rücken allerdings langsam einander näher.

Der Polarwirbel ist in zwei Wirbel aufgespalten. Das begünstigt eine meridionale Luftzirkulation. Quelle: Wetterzentrale

Sollten sich die beiden Polarwirbel wieder vereinen, so könnte sich wieder eine mehr zonale Zirkulation einstellen, bei der aus Westen heranziehende Tiefdruckgebiete für eine Wettermilderung in West- und Mitteleuropa sorgen würden. Der troposphärische beinflusst den stratosphärischen Jetstream und damit auch den Polarwirbel, aber eben auch umgekehrt!

Zum bessern Verständnis noch ein paar ergänzende Erläuterungen: 

Über dem Nordpol der Erde bildet sich im Winter (während der Polarnacht) in der Stratosphäre ein abwärtsgerichteter, kalte Tiefdruckwirbel, der bis in die mittlere Troposphäre hinabreicht.

Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, der Atmosphärenschicht in der sich fast alle Wettervorgänge abspielen. Die Stratosphäre enthält im Gegensatz zur Troposphäre nur wenig Wasserdampf, dafür aber grössere Mengen Ozon, das die schädlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dabei erwärmt sich die Stratosphäre gegenüber der oberen Troposphäre (Temperaturinversion).

Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen ausreichend kalt ist. Das ist über dem Nordpol nur im Winter während der Polarnacht so. Dann kann sich ein stratosphärischer Temperaturgradient aufbauen. Dieser treibt den Stratosphärenjetstream an, die äußere Begrenzung des Polarwirbels. Der Stratosphärenjetstream ist wiederum ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream, der sich an der Polarfront infolge des Temperaturgradienten zwischen (sub)tropischen und polaren Luftmassen bildet. Aus Turbulenzen in dem mäandernden troposphärischen Jetstream entstehen die wetterbestimmenden dynamischen Hoch- und Tiefdruckwirbel der mittleren Breiten.  

Ein starker Polarwirbel begünstigt also eine zonale Luftzirkulation (entlang der Breitengrade) durch einen starken, nur wenig mäandernden troposphärischen Jetstream. Ein schwacher (oder gar gespaltener) Polarwirbel begünstigt dagegen über einen dann ebenfalls schwachen, stark mäandernden troposphärischen Jetstream eine meridionale Luftzirkulation (entlang der Längengrade).

Wie kommt es nun aber überhaupt zu einem Polarwirbelsplit?  Auslöser ist eine meridionale Luftzirkulation, bei der sich die Rossby-Wellen des stark mäandernden troposphärischen Jetstreams nach oben hin zur Stratosphäre fortpflanzen und an dem zum Polarwirbel gehörenden stratosphärischen Jetstream zerren. Dieser wird dadurch langsamer, instabiler und durchlässiger, so daß Warmluft in die Stratosphäre über der Polarregion vorstossen kann. Diese Stratosphärenerwärmung (major warming) spaltet den Polarwirbel in zwei selbstständige Wirbel (Polarwirbelsplit). Damit fällt aber ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream aus, was wiederum die meridionale Luftzirkulation begünstigt und weiter erhält.

Jens Christian Heuer

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Kategorien:Meteorologie, Wetter

Wieder kalte Winter!Pause für die globale Erwärmung?

22. Dezember 2009 1 Kommentar

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

Schneeräumen in Mailand. Quelle: DPA

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

Globale Durchschnittstemperatur 1850-2009 Quelle: Met Office Hadley Centre

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

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

Advancing decadal-scale climate prediction in the North Atlantic sector

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Jens Christian Heuer

Langfristige Vorhersage des Winterwetters?

Ein neues Wettervorhersagemodell ist offenbar in der Lage aus den Wetterbedingungen im Herbst vorherzusagen, ob der darauffolgende Winter kalt wird oder eher milde ausfällt.

Das neue Modell mit dem Namen sCast dient der saisonalen Langfristwettervorhersage  und wurde von dem US-amerikanischen Meteorologen Judah Cohen und seinen Kollegen bei dem privaten Wetterdienst und Klimaforschungsunternehmen Athmospheric Environmental Research Inc.(AER, http://www.aer.com/) in Lexington Massachusetts entwickelt. sCast nimmt als Ausgangspunkt ihrer Vorhersage die Schneebedeckung von Sibirien im Herbst.

Fällt im Oktober überdurchschnittlich viel Schnee, so sorgt die entsprechend ausgedehnte Schneedecke für besonders tiefe bodennahe Temperaturen. Das sich in dieser zeit aufbauende Kältehoch über Sibirien gewinnt dann überdurchschnittlich an Stärke. Das sibirische Kältehoch blockiert den von Westen nach Osten gerichteten troposphärischen Jetstream, der dann stark mäandert (Rossby-Wellen) und zwingt so die von ihm mitgeführten Tiefdruckwirbel zu grossen Umwegen. Die Zirkulation wird dadurch ausgesprochen meridional. Die Rossby-Wellen pflanzen sich nach oben hin zur Stratosphäre fort und versetzten den zum Polarwirbel gehörenden stratosphärischen Jetstream in Schwingungen. Die Windgeschwindigkeiten gehen immer weiter zurück bis rund 3 Monaten der Stratosphärenjet so instabil wird, dass Warmluft in die Stratosphäre über der Polarregion vorstossen kann. Diese Stratosphärenerwärmung (major warming) findet  also im Januar des Folgejahres statt und führt zum Zusammenbruch des Polarwirbels, der sich dann in zwei Wirbel aufspaltet (Polarwirbelsplit). Damit fällt ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream aus, so dass er zunehmend mäandert, seine Windgeschwindigkeiten sinken und er sich weiter nach Süden verlagert.

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Der dem Wettervorhersagemodell sCast zugrundeliegende Mechanismus. Erklärungen im Text. Quelle: http://www.nsf.gov/news/

Die somit vorherrschende meridionale Zirkulation begünstigt Kaltluftausbrüche (Tröge und Kaltlufttropfen) gen Süden. In den betroffenen Regionen (Europa, Asien, östliches Nordamerika) gibt es dann einen kalten Winter. In einigen Gegenden der nördlichen Breiten fallen die Winter aber durch die im Gegenzug nach Norden vorstossende Warmluft relativ mild aus.

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Beispiel einer gelungenen Vorhersage durch sCast. Quelle: Judah Cohen, http://www.aer.com/

Das Modell sCast hat sich schon bei immerhin 7(!) langfristigen Winnterwettervorhersagen und auch bei der Auswertung von 33 (!) Simulationen von Wintern der Vergangenheit bewährt.

Anhang 1 : Dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete

In den mittleren Breiten der Nordhalbkugel (und der Südhalbkugel) treffen (sub)tropische Warmluft und polare Kaltluft  direkt aufeinander. Der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen erzeugt auch einen mit zunehmender Höhe immer mehr anwachsenden Druckgradienten, da warme Luft sich (vertikal) mehr ausdehnt als kalte Luft, Daraus resultiert ein polwärts gerichteter Höhenwind, der unter dem Einfluss der Erdrotation  zu einem Westwind abgelenkt wird und sich bis zum Boden hin durchsetzt. In der oberen Troposphäre bildet sich wegen des hier besonders hohen Druckgradienten ein Starkwindband, der  troposphärische Jetstream, der ab einer kritischen Geschwindigkeit zu mäandern beginnt (Rossby-Wellen). In den Wellentälern (Höhentrögen) wird polare Kaltluft äquatorwärts, in den Wellenbergen (Hochkeilen, Rücken) tropische Warmluft polwärts transportiert (meridionaler Transport).

Mit den bei wachsenden Windgeschwindigkeiten immer häufiger auftretenden Turbulenzen entwickeln sich (unter der Einwirkung der Erdrotation) aufwärtsgerichtete dynamische Tiefdruckwirbel (Cyclonen) und abwärtsgerichtete dynamische Hochdruckwirbel (Anticyclonen). Innerhalb der Cyclonen wird die Luft gehoben und kühlt dabei ab, so dass sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit viele Wolken bilden können (Schlechtwetter). Bei den Anticyclonen verhält es sich genau umgekehrt (Schönwetter).

Beide Druckgebilde verwirbeln tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander. Die Cyclonen bewegen sich mit der Höhenströmung in Richtung Osten und sorgen unter ihren Zugbahnen (zusammen mit Zwischenhochs) für ein mildes, aber auch wechselhaftes Wetter. 

Bei einem sehr stark mäandernden Jetstream bricht die Höhenströmung oft teilweise zusammen, so dass sich cyclonale und anticyclonale Wirbel abspalten können (Cut Off). Später erneuert sich die Höhenströmung aber polwärts wieder.

Es verhält sich bei dem Jetstream und seinen Wirbeln so ähnlich wie bei einem Fluss mit Stromschnellen, die immer dann auftreten, wenn das Gefälle zunimmt oder Felsblöcke  das Flussbett verengen. In den Stromschnellen (turbulente Strömung) bilden sich Wirbel, die mit der Strömung davongetragen werden. Was beidem Fluss das wechselnde Gefälle, ist beim Jetstream der ebenfalls wechselnde Temperaturgradient (und damit Druckgradient) zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft. Die Rolle der das Flussbett verengenden Felsblöcke übernehmen hohe Gebirge, welche die Höhenströmung ebenfalls spürbar einengen.

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Eine Strömung wird durch Wirbelbildung an einem Hindernis turbulent. Quelle: http://web.physik.rwth-aachen.de/

Cyclonen beziehen ihre Energie nicht nur aus ihrem Jetstream, sondern auch aus der latenten Wärme (Kondensationswärme), die bei der Wolkenbildung  frei wird. Die Cyclonen ihrerseits übertragen wieder einen Teil ihrer Energie  an ihren Jetstream.

Anhang 2: Polarwirbel

Über beiden Polen der Erde bilden sich in der Stratosphäre abwärtsgerichtete, kalte Tiefdruckwirbel, welche bis in die mittlere Troposphäre hinabreichen, die Polarwirbel.

Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, in welcher sich die meisten Wettervorgänge abspielen. 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. Dadurch ist die Stratosphäre immer deutlich wärmer als die obere Troposphäre.

Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen ausreichend kalt ist. Während der Polarnacht nehmen die jeweils betroffenen Polarwirbel an Stärke zu. Dann ist der stratosphärische Temperaturgradient auf der Nordhalbkugel besonders hoch. Dieser treibt den Stratosphärenjetstream am äusseren Rand des Polarwirbels an, welcher wiederum ein Antriebsmotor des troposphärischen Jetstreams ist.

Ein starker Polarwirbel begünstigt eine eher polnähere (nördlichere), zonale Zirkulation (entlang der Breitengrade), ein schwacher und erst recht ein gespaltener Polarwirbel dagegen eine polfernere (südlichere) meridionale Zirkulation (entlang der Längengrade).

Quellen: http://www.nsf.gov/, http://www.sciencedaily.com/

Jens Christian Heuer

Kategorien:Meteorologie

Sonnenflecken und tropische Wirbelstürme

Die Anzahl der Sonnenflecken hat einen deutlich nachweisbaren Einfluss auf die Häufigkeit und Intensität von tropischen Wirbelstürmen (Hurrikanen) im Atlantik. Das ergaben umfangreiche statistische Untersuchungen von Hurrikan-Daten der letzten 100 Jahre und des Sonnenfleckenzyklus durch den Klimaforscher James Brian Elsner an der Florida State University (http://mailer.fsu.edu/~jelsner/www/).

 

 

 

 

Anzahl der Sonnenflecken in den letzten 400 Jahren. Das Maunder-Minimum brachte die  „Kleine Eiszeit“, die für Europa sehr gut dokumentiert ist. Quelle: Robert A. Rohde

 

Dabei zeigten sich im West- und Ostatlantik vollkommen gegensätzliche Zusammenhänge:

 

Im Westatlantik führen mehr Sonnenflecken zu weniger (und schwächeren) tropischen Wirbelstürmen, im Ostatlantik nimmt ihre Anzahl (und Stärke) hingegen zu.

 

Für diese scheinbar widersprüchlichen Befunde, bietet Elsner eine einleuchtende Erklärung an:

 

Mehr Sonnenflecken zeigen eine erhöhte Sonnenaktivität an und damit gelangt auch mehr ultraviolette Strahlung (UV) zur Erde. In Abhängigkeit von den natürlichen Schwankungen der Sonnenaktivität kann sich die Stärke der UV-Strahlung um bis zu 10% ändern. Die UV-Strahlung erwärmt wiederum die Stratosphäre, denn diese enthält reichlich Ozon, das die für das irdische Leben gefährlichen Anteile dieser Strahlung absorbiert. Auch die direkt unter der Stratosphäre liegende obere Troposphäre wird mit erwärmt. Dadurch sinkt aber der für die Entwicklung tropischer Wirbelstürme entscheidende vertikale Temperaturgradient. 

 

 

Tropische Wirbelstürme entstehen normalerweise nur über offenem  und mindestens 26°C warmem  Wasser, wenn die Luft darüber kalt genug ist. Je wärmer das Meerwasser ist, umso stärker die Wasserverdunstung und umso mehr Energie in Form von latenter Wärme steht dem Wirbelsturm zur Verfügung: Die über dem Wasser erwärmte, feuchte Luft wird gehoben und kühlt dabei ab, wobei  eine Divergenz innerhalb der Höhenströmung das auslösende Moment ist. Die sich dabei abkühlende Luft kann immer weniger Feuchtigkeit aufnehmen, so dass Wolkenbildung einsetzt. Dabei wird fortlaufend die für die Verdunstung des Wassers zuvor verbrauchte Energie als Kondensationswärme (latente Wärme) wieder frei. Das wiederum verstärkt den Auftrieb der Luft, die solange weiter aufsteigt,wie sie  noch wärmer als die Umgebungsluft ist. Der vertikale Temperaturgradient ist also der Antrieb für den sich selbst verstärkenden Prozess  der Wolkenbildung und damit letztendlich auch für den tropischen Wirbelsturm. Wichtig ist, dass immer genug latente Wärme durch Wasserverdunstung nachgeliefert wird. Der tropische Wirbelsturm bildet gewaltige Wolkentürme, die bis in die obere Troposphäre reichen, ja sogar in die Stratosphäre durchbrechen können. Die aufsteigende Luft wird durch den Einfluss der Erdrotation abgelenkt, wodurch die Wirbelstruktur entsteht, welche ein sich verstärkendes Tiefdruckgebiet bildet, das immer mehr feuchtwarme Luft von allen Seiten ansaugt (bodennahe Konvergenz). Die Drehbewegung beschleunigt sich bei Zufuhr von immer mehr latenter Wärme. Tropische Wirbelstürme funktionieren wie gigantische Kühlmaschinen, die Wärme von der Wasseroberfläche in grosse Höhen transportieren, wo sie dann im Infraroten in den Weltraum abgestrahlt wird. Die Drehbewegung des tropischen Wirbelsturms nimmt in Richtung  Zentrum zu. Die Zentrifugalkräfte werden dort so gross, dass sich ein  beinahe windstilles, wolkenarmes Auge bildet, in dessen Aussenrand (Eyewall), der Auftrieb der feuchtwarmen Luftmassen besonders stark ist. Das Auge entsteht, weil aus der Höhe Luft angesaugt wird, die sich auf ihrem Weg nach unten immer mehr erwärmt, so dass sich die Wolken auflösen. Tropische Wirbelstürme bewegen sich immer mit der jeweils vorherrschenden Luftströmung. Quelle: NOAA

 

Im Ostatlantik sind die Temperaturen des Oberflächenwassers im Allgemeinen niedriger als im Westatlantik, weil die Passatwinde vor der afrikanischen Westküste kaltes Tiefenwasser emporquellen lassen. Die Wassertemperaturen reichen daher oft für die Entstehung eines tropischen Wirbelsturmes einfach nicht aus. Die Temperatur des Oberflächenwassers ist im Ostatlantik also ein limitierender (begrenzender) Faktor für tropische Wirbelstürme. Eine leichte Erhöhung der Sonneneinstrahlung genügt dann oft schon, und das Oberflächenwasser erfährt den entscheidenden Temperaturanstieg für mehr Wirbelstürme. Derselbe Effekt kann natürlich auch allein durch einen Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre erreicht werden, wodurch die Wassertemperaturen ja ebenfalls ansteigen.

 

Im Westatlantik sind die Temperaturen des Oberflächenwassers hingegen (fast) immer schon hoch genug. Der vertikale Temperaturgradient wird hier somit zum allein limitierenden Faktor für tropischen Wirbelstürme.

 

Die Untersuchung von Elsner eröffnet nicht nur neue Perspektiven für die Hurrikanvorhersage, sondern wirft auch ein völlig neues Licht auf die Debatte darüber, ob eine globale Erwärmung durch Treibhausgasen zu mehr tropischen Wirbelstürmen führt oder nicht. Im Regionen, wo die Wassertemperaturen für die Entstehung tropischer Wirbelstürme bereits optimal sind kann die globale Erwärmung kaum noch etwas ausrichten. Hier steuert vor allem die Sonne die Anzahl der tropischen Wirbelstürme. Sind die Wassertemperaturen hingegen suboptimal, so führt eine Erwärmung durch mehr Treibhausgase, aber auch durch eine höhere Sonnenaktivität zu mehr und auch stärkeren tropischen Wirbelstürmen. Ja mehr noch, es können sogar neue Entstehungsgebiete hinzukommen. So sind z.B. im Mittelmeer die Wassertemperaturen in den warmen Monaten derart angestiegen, dass sich immer häufiger Vorstufen tropischer Wirbelstürme herausbilden. 

 

Quelle: http://mailer.fsu.edu/~jelsner/PDF/Research/ElsnerJagger2008.pdf 

 

Jens Christian Heuer 

Warum wieder richtige Winter?

Der Winter in Europa kann sich im Gegensatz zu vielen vorhergehenden sehen lassen. Konstant tiefe Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, immer wieder polare Kaltluftvorstösse und beachtliche Schneemengen. Aber nicht nur in Europa! Auch Nordamerika und Nordchina erlebten rekordverdächtige Wintereinbrüche. Ebenso im Nahen Osten, ja sogar in Dubai, wo es bisher nicht einmal ein Wort für Schnee gab! Der Winter 2007/2008 verlief in Westeuropa zwar relativ milde, andernorts aber gab es rekordverdächtige Minustemperaturen und Schneefälle: Wiederum in den USA und China, aber auch in Ost- und Teilen Südeuropas, im Nahen Osten und Zentralasien (Afghanistan, Pakistan), ja sogar in Indien. So etwas hatte es  schon lange nicht mehr gegeben und jetzt gleich zweimal hintereinander!? Es könnte natürlich einfach nur eine Laune der Natur sein, das Wetter ist schliesslich immer für eine Überraschung gut. Es gibt meines Erachtens aber noch zwei andere Erklärungsmöglichkeiten:

1. Ein Nachlassen des Golfstroms (infolge der massiven Eisschmelze in der Arktis?) würde das Islandtief  schwächen, da dieses weniger latente Wärme durch verdunstendes Wasser zugeführt bekäme. Die Folgewäre ein veringerter Druckgradient zwischen Islandtief und Azorenhoch.

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Der Golfstrom: Das nach Norden strömende Wasser gibt seine in den Tropen aufgenommene Wärme allmählich an Luftmassen darüber ab. Mit den von der Westdrift nach Osten ziehenden Tiefdruckgebieten gelangt die Wärme nach Europa und sorgt dort für ein mildes Klima. Das Wasser wird unterdessen durch Verdunstung immer salzhaltiger. Mit abnehmender Temperatur und zunehmenden Salzgehalt nimmt die Dichte des Wassers zu, bis es südlich von Grönland und bei Island abzusinken beginnt. Als kalte Tiefenwasserströmung gelangt es dann wieder zurück in die Tropen. Dieser Wasserkreislauf ist also thermohalin (Temperatur- und Salzgehalt betreffend). Durch zunehmenden Eintrag von Schmelzwasser infolge der Eisschmelze in der Arktis nimmt dort der Salzgehalt des Golfstroms ab, und der Wasserkreislauf  kommt ins Stocken. Quelle: Spiegel Online

Beide Druckgebilde verstärken aber normalerweise die Polarfront, indem sie polare Kaltluft und (sub)tropische Warmluft heranführen und treiben den Jetstream an. Mit einem Nachlassen des Golfstromes müsste also auch der Jetstream schwächer werden. Ein schwächerer Jetstream würde aber stärker mäandern und die polare Kaltluft nicht mehr so gut einschliessen, und die Nordatlantische Oszillation (NAO), eine Klimaschaukel über dem Atlantik, würde so ganz überwiegend in ihrer negativen Phase verharren. Die Folge: Spektakulären Wintereinbrüche, wie wir sie in letzter Zeit auch immer öfter erleben. Das diese Wintereinbrüche oft auch fernab des Golfstromes in Asien stattfanden muss nicht unbedingt gegen die Möglichkeit eines Nachlassens des Golfstromes sprechen, wenn man annimmt, dass sich das veränderte Schwingungsmuster des Jetstreams um die gesamte Nordhalbkugel herum fortpflanzt und ohnehin über den schneller auskühlenden Landmassen Kaltluftvorstösse sowieso leichter stattfinden. Tatsächlich wurde im Zusammenhang mit der jüngsten Reise des Forschungsschiffes  Maria S. Merian unter der Leitung von Monika Rhein, Bremen von einem 70%igen Rückgang der Tiefenwasserbildung im Nordatlantik seit 1997 berichtet (http://www.merian.de/Lounge/magazin/unsereerde.php). 

Die zwei Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO): In der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO +) treiben ein kräftiges Islandtief und Azorenhoch dementsprechend stark den Jetstream an, der deswegen auch nur wenig mäandert. Es bilden sich zahlreiche und kräftige Sturmtiefs, die mit einer starken Westdrift Nord-, West- und Mitteleuropa erreichen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen. Die Luftzirkulation ist also zonal. Nur einige wenige Sturmtiefs erreichen den Mittelmeerraum, wo es ansonsten trocken bleibt. Aus dem starken Azorenhoch als Bestandteil des subtropischen Hochdruckgürtels wehen kräftige Nordostpassate. Diese erzeugen im Atlantik eine Meeresströmung, die an der westafrikanischen Küste kaltes Tiefenwasser hervorquellen lässt. Dadurch sinken wiederum die Temperaturen des Oberflächenwassers im Atlantik und damit entstehen hier auch weniger tropische Wirbelstürme. Der starke, nur schwach mäandernde Jetstream schliesst die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so dass Kaltluftvorstöße in den Süden  selten vorkommen. In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -) sind Islandtief und Azorenhoch dagegen nur schwach ausgeprägt. Der Jetstream mäandert deutlich stärker und bringt daher nur relativ wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs hervor. Die Westdrift bricht immer wieder zusammen. Durch die dabei entstehenden blockierenden Hochs (Hochdruckblockade) werden immer wieder Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umgelenkt. Dort wird es nun deutlich feuchter, während es in West- und Mitteleuropa eher trocken bleibt. Besonders im Winter kommt es immer wieder zu Kaltluftausbrüchen, da der  schwache Jetstream die polare Kaltluft nicht mehr so gut einschliesst. Umgekehrt führen Warmluftvorstösse in den Norden aber auch immer wieder zu relativ milden Temperaturen, etwa in Grönland. Das Zirkulationsmuster ist meridional. 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/

2. Es gibt jedoch noch eine zweite Möglichkeit: Seit 2003 hat die Sonnenaktivität deutlich nachgelassen, ablesbar an der immer weiter abnehmenden Anzahl der Sonnenflecken. Seit einigen Monaten sind sogar praktisch überhaupt keine neuen Sonnenflecken mehr aufgetaucht, obwohl der Beginn des neuen Sonnenfleckenzyklus eigentlich schon überfällig ist. Eine verminderte Sonneneinstrahlung bedeutet einerseits eine verminderte Ozonbildung in der Stratosphäre, andererseits aber auch eine schwächere Hadley und Brewer-Dobson-Zirkulation. Beide Effekte führen zu weniger Ozon in der Stratosphäre in den mittleren Breiten führt. Das ergibt eine kühlere Stratosphäre, die ja durch das Ozon, welches die für das Leben schädliche UV-Strahlung der Sonne absorbiert erwärmt wird.

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

Die Folge: Der stratosphärische Temperaturgradient zwischen Polarregion und mittleren Breiten wird verringert und damit auch der Stratosphärenjetstream, der wiederum den Polarwirbel verstärkt. Da der Polarwirbel aber ein Antriebsmotor des troposphärischen Jetstreams ist wird dieser auch schwächer. (Der Polarwirbel ist ein kalter Tiefdruckwirbel über der Polarregion, der von der Stratosphäre bis hinab in die mittlere Troposphäre reicht, von dem Temperaturgradienten zwischen mittleren und höheren Breiten angetrieben wird und sich immer dann herausbildet, wenn die untere Stratosphäre über der Polarregion in der Polarnacht auskühlt.) Ein schwächerer und dann auch stärker mäandernder troposphärischer Jetstream lässt wiederum vermehrte Kaltluftausbrüche zu (meridionale Zirkulation, negativer NAO-Index, s.o.)!

Jens Christian Heuer

Klimawandel auf dem Jupiter

Auf dem größten Planeten unseres Sonnensystems, dem Gasriesen Jupiter ist ein Dritter Roter Fleck erschienen(http://www.astronews.com/news/artikel/2008/05/0805-029.shtml und http://www.space.com/scienceastronomy/080523-jupiter-new-spot.html).

Der Dritte Rote Fleck Quelle: NASA

Wie bei dem seit über 300 Jahren bekannten Großen Roten Fleck (GRF) und dem vor 2 Jahren erschienenen Zweiten Roten Fleck (Roter Fleck Junior) handelt es sich auch bei dem jetzt neu aufgetauchten Dritten Roten Fleck um einen Hochdruckwirbel auf der Südhalbkugel des Planeten. Die jetzt beobachteten Veränderungen werden mit einem auf internen Prozessen beruhenden periodischen Klimawandel auf Jupiter in Zusammenhang gebracht (http://www.space.com/scienceastronomy/jupiter_spots_040421.html). Ein Zyklus dauert ca. 70 Jahre. Vereinfachend zusammengefasst läuft dieser folgendermaßen ab:

Am Anfang besteht ein großer Temperaturunterschied (Gradient) zwischen den Polen und der Äquatorregion. Dadurch nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der 12 abwechselnd west- und ostwärts orientierten Jetstreams der Jupiteratmosphäre so zu, daß sie zu mäandern beginnen (Rossby-Wellen). Die Jetstreams bilden sich aus walzenförmigen Konvektionszellen, die den ganzen Planeten umspannen und durch die starke Eigenrotation (Corioliskraft) des Jupiter zu breitenkreisparallelen Windbändern verformt werden. Aus kleinen Störungen im Jetstream (Konvergenzen und Divergenzen) entstehen Turbulenzen, aus denen sich wiederum Hoch- und Tiefdruckwirbel (Stürme) entstwickeln, die alle miteinander einen Ausgleich des Temperaturgradienten zwischen Polen und Äquatorregion herbeiführen. Unter der Vorbedingung, daß sie in “Wirbelstraßen” angeordnet sind, wo sich Hoch- und Tiefdruckwirbel untereinander abwechseln, was die Hochdruckwirbel davon abhält miteinander zu verschmelzen, sind beide Druckgebilde verglichen mit irdischen Verhältnissen äußerst langlebig, weil es auf dem Jupiter keine feste und raue Oberfläche und damit auch keine Bodenreibung gibt. Durch turbulente Erosion werden die Hochdruckwirbel allerdings zunehmend kleiner bis sie schließlich klein genug sind (eine kritische Größe unterschreiten), um zusammen mit den unauffälligeren, unregelmäßig geformten Tiefdruckwirbeln durch Tröge der Rossby-Wellen benachbarter, in entgegengesetzte Richtung orientierter Jetstreams eingefangen zu werden. In dieser “Falle” erodieren die Hochdruckstürme noch schneller als zuvor, bis sie schließlich die zwischen ihnen befindlichen Tiefdruckwirbel passieren können, um miteinander zu verschmelzen. Die Tiefdruckwirbel lösen sich dann auch bald auf. Das “Sterben der Stürme” wurde in den letzten Jahren immer wieder beobachtet. Besonders spektakulär war die Verschmelzung der so genannten großen weißen Ovale. Dabei handelte es sich um drei Hochdruckwirbel, die um 1940, zu Beginn des laufenden Klimazyklus, auf der Südhalbkugel südlich des Großen Roten Flecks auftauchten. Innerhalb von nur 3 Jahren (1997-2000) vereinigten sie sich schrittweise miteinander bis nur noch ein Hochdruckwirbelsturm übrig blieb (http://www.space.com/scienceastronomy/astronomy/jupiter_spots_001024.html).  

 

Jupiters Weiße Ovale verschmelzen. Quelle: NASA

Aus diesem ging dann im Jahre 2006 der Zweite Rote Fleck (Roter Fleck Junior) hervor. Die Rotfärbung des Hochdruckwirbels steht anscheinend mit einer Intensivierung des Sturms in Zusammenhang, wodurch im Zentrum des Wirbels rotes (organisches?) Material aus größeren Tiefen nach oben gelangt. 

Die Zeitspanne der turbulenten Erosion der Hochdruckwirbel (ca. 60 Jahre) bis zur kritischen Größe, ab der sie von Trögen eines benachbarten mäandernden Jetstreams eingefangen werden können, bestimmt ganz wesentlich die Länge eines Klimazyklus, der ca. 70 Jahre dauert.

Der Große Rote Fleck (GRF) hat zumindest in den letzten Jahrhunderten alle Klimaveränderungen unbeschadet überstanden und steht ganz allein in seinem Wolkenband. Tauchen doch einmal kleinere Wirbelstürme in seinem Wolkenband auf, so werden sie absorbiert, wodurch der Energieinhalt des GRF steigt. Dabei wird er röter (s.o.). Tiefdruckwirbel die eine Koexistenz des GRF mit anderen Hochdruckwirbeln ermöglichen könnten, existieren in dem äquatornahen Wolkenband des GRF nicht. da sie bei ihrer Entstehung nordwärts (noch näher am Äquator!) aus dem sie hervorbringenden westwärts orientierten Jetstream ausscheren würden. Dort, ganz nahe am Äquator, ist die Corioliskraft aber einfach zu gering für eine Wirbelbildung. Daher befindet sich der GRF nicht in einer “Wirbelstraße”, sondern steht mutterseelenallein. Eine sehr lange Lebensdauer ist damit praktisch garantiert.

Das Wetter auf dem Jupiter wird nicht nur durch die Sonne angetrieben, die Äquator- und Polarregionen unterschiedlich stark erwärmt, sondern vor allem auch durch eine interne Wärmequelle, die auf dem so genannten Kelvin-Helmholtz-Effekt beruht. Wenn ein vorwiegend aus Gasen bestehender Planet durch die Abgabe von Wärme in den Weltraum abkühlt, so sinkt der innere Druck und durch die Schwerkraft zieht sich der ganze Planet ein wenig zusammen. Diese Kompression erzeugt dann wiederum innere Wärme, wodurch die ganze Planetenatmosphäre von unten aufgeheizt wird.

Gewitter am Tage und in der Nacht Quelle: NASA

Dadurch bilden sich trotz der Sonnenferne des Planeten mächtige Konvektionszellen, und darin hochreichende Quellwolken und immer wieder auch  Gewitter, Hagel, Schnee und Regen (http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter_storms_010102-1.html und http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter_weather_000209.html !!).

Gewitterwolke im Querschnitt Quelle NASA

Die schnelle Eigenrotation des Jupiter ermöglicht -wie schon erwähnt- die Bildung der Jetstreams, in denen kleine Turbulenzen auftreten, woraus sich dann die gewaltigen, für den Planeten charakteristischen Sturmsysteme (Hoch- und  Tiefdruckwirbel) entwickeln können.

Jens Christian Heuer

Interpretation von Wetterkarten und Satellitenbildern

500 hPa Bodendruck, ReTop

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Auf der Höhenkarte sieht man die 500 hPa-Fläche (Geopotential, schwarze Linien mit Zahlen) und erkennt indirekt auch die Lufttemperaturen anhand der sogenannten Relativen Topographie (RETOP). Die 500 hPa-Fläche  entspricht in jedem Flächenstück der Höhe über dem Boden in welcher der Luftdruck auf 500 hPa gefallen ist (Höhenangaben in Dekametern!). Der Luftdruck nimmt mit zunehmender allmählich ab und zwar in warmer Luft deutlich langsamer als in kalter Luft, da sich erstere auch deutlich mehr  in der Vertikalen ausdehnt als letztere. Das 500 hPa – Niveau in einer Warmluftsäule wird also erst in relativ grösserer Höhe erreicht. Die 500 hPa – Fläche bildet  eine Art “Landschaft” mit “Bergen” (Warmluft) und “Tälern”(Kaltluft). Die schwarzen Linien (Isohypsen) der 500 hPa – Fläche verbinden demzufolge Orte miteinander, die jeweils in derselben Höhe liegen. Die Isohypsen zeigen auch den Verlauf der Höhenwinde und die Lage der Polarfront.

Die Farben dienen der Darstellung der Relativen Topographie. Darunter versteht man den Höhenunterschied (Schichtdicke) zwischen zwei isobaren Flächen, also Flächen von jeweils gleichem Luftdruck. Hier sind es die 500 hPa Isobarenfläche (in etwa 5 km Höhe) und die bodennahe 1000 hPa Isobarenfläche (in etwa 50m Höhe). Gebiete mit geringer Schichtdicke entsprechen einer relativ niedrigen Lufttemperatur, Gebiete mit hoher Schichtdicke, also einem großen Abstand zwischen den beiden Isobarenflächen, dagegen einer relativ hohen Lufttemperatur. Die Temperaturen innerhalb der Schichten nehmen von violett, über blau, grün, gelb nach rot immer mehr zu.

Schliesslich ist auf der Karte auch noch der jeweils herrschende Bodenluftdruck eingezeichnet. Man erkennt ihn an den weissen geschlossenen Linien, den Isobaren, die Orte gleichen Luftdrucks miteinander verbinden. Ein geringer Abstand zwischen den Isobaren entspricht einem hohen Luftdruckgradienten und umgekehrt. Der Luftdruckwert ist jeweils bei den Isobaren eingetragen. Hoch- und Tiefdruckgebiete sind so auf einen Blick auszumachen. Quelle: http://www.wetter3.de/

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Infrarotaufnahmen bilden die unsichtbare Wärmestrahlung ab, die vom Land, den Wasserflächen und den Wolken ausgeht. Warme Objekte erscheinen dunkel, kalte Objekte dagegen hell. Aus den Helligkeiten der Objekte ist somit ein direkter Rückschluss auf deren Temperatur möglich. Infrarotbilder gelingen auch in der Dunkelheit der Nacht, denn im Gegensatz zum sichtbaren Licht ist die Wärmestrahlung immer vorhanden. Quellwolken, die sich bis in große Höhen auftürmen sind wegen der mit der Höhe abnehmenden Lufttemperatur an ihrer Oberseite relativ kalt und erscheinen daher hell. Dasselbe gilt für die nur in großer Höhe entstehenden Eiswolken. Niedrige Wolken sind dagegen schon fast genauso warm wie die Erdoberfläche darunter und erscheinen somit ähnlich dunkel.

Jens Christian Heuer

wird fortgesetzt!

Kategorien:Meteorologie