Die Entdeckung

Anfang der 1960er Jahre nahm der englische Wissenschaftler James Ephraim Lovelock an einem Projekt des Jet Proplsion Laboratory (Pasadena, California)der NASA zur Suche nach Leben auf dem Mars teil. Lovelock, ein begabter Erfinder hatte die Aufgabe Instrumente zum Nachweis von Leben für eine geplante unbemannte Marssonde zu entwickeln. Da Leben auf dem Mars sich durchaus vollkommen von irdischem Leben unterscheiden könnte, hielt es Lovelock für sinnvoll, nach möglichst allgeneinen Eigenschaften des Lebens bzw. deren Auswirkungen zu suchen: Leben nimmt unter Energieverbrauch notwendige Stoffe aus seiner Umgebung auf und scheidet Abfallstoffe wieder aus.  Dabei wird zwangsläufig auch die Atmosphäre des betreffenden Planeten verändert. Man müsste demzufolge, allein schon durch eine spektroskopische Untersuchung der Marsatmosphäre, Hinweise auf mögliches Leben finden können, auch ohne Raumschiff mit Instrumenten von der Erde aus.

James Ephraim Lovelock (geb.1919) Quelle: http://www.ecolo.org/

James Lovelock und seine Kollegin Diane Hitchcock begannen mit der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Marsatmosphäre und verglichen sie mit derjenigen der Erde, die ja nun ohne Zweifel ein belebter Planet ist. 

Dabei entdeckten sie einen interessanten Unterschied: Die Atmosphäre des Mars bestand, wie die des anderen, inneren Nachbarplaneten Venus hauptsächlich (zu 95%) aus Kohlendioxid (CO2).Daneben gab es noch etwas Stickstoff (N2, 2,7%), Spuren von Sauerstoff (O2, 0,13%) und das Edelgas Argon (Ar, 1,6%). Ganz anders als auf der Erde, deren Atmosphäre als Hauptbestandteil Stickstoff (N2, 78%), grosse Mengen Sauerstoff (O2, 21%); Argon (Ar, 1%) und in deutlichen Spuren Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) enthält. 

Mars ist ein Wüstenplanet, verfügt aber auch über grössere Wasser(eis)vorkommen. Auf der Nordhalbkugel sieht man einen Wirbelsturm, ähnlich den Hurrikanen auf der Erde. Quelle: Hubble, NASA

Während sich die Marsatmosphäre danach praktisch im chemischen Gleichgewicht  befand, gab es in der Erdatmosphäre Gase, die leicht miteinander chemisch reagieren können, wie etwa Sauerstoff und Methan und das auch noch in beachtlichen Mengen. Um eine gleichbleibende Konzentration dieser Gase in der Atmosphäre aufrecht zu erhalten, musste es eine aktive Quelle geben, welche ständig die durch chemische Reaktionen verbrauchten Gase nachlieferte. Diese Quelle ist eindeutig das Leben auf der Erde schloss Lovelock.

Gaia, der lebendige Planet

Das Leben auf der Erde hat vor mindestens 3,5 Milliarden begonnen, wie Mikrofossilien in den ältesten auffindbaren Gesteinen belegen und in dieser Zeit die Zusammensetzung der Atmosphäre tiefgreifend verändert.   

Die Erde, Natural Color RGB: Diese Bilder werden in 3 Wellenlänenbereichen aufgenommen:rot, gün und blau. Vegetation erscheint grün, da das Chlorophyll der Pflanzen grün deutlich besser reflektiert als rot und blau. Wolken aus kleinen Wassertröpfchen reflektieren alle Wellenlängen und sind daher hellweiss,  Eiswolken  jedoch cyanblau, weil  Eis rotes Licht stark absorbiert. Der unbewachsene Boden erscheint braun, denn rot wird besser reflektiert als blaues. Die Ozeane absorbieren alle Wellenlängen und sind daher beinahe schwarz. Quelle: MeteoSat, EUMETSAT

Algen und später auch Landpflanzen entfernten durch Photosynthese (Umwandlung von Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen unter Verwendung vonKohlendioxid und Wasser) Kohlendioxid (CO2) direkt aus der Atmosphäre und setzten Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt frei. Wie Lovelock gemeinsam mit der amerikanischen Mikrobiologin Lynn Margulis herausfand, beschleunigen Bakterien und Landpflanzen bei ihrer Atmung (s.u.) die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser mit gelöstem CO2, Kohlensäüre) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung (um das 1000 fache!), indem sie Säuren freisetzten und das Kohlendioxid (CO2) am Boden konzentrierten. Die dabei 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.Im Rahmen der Plattentektonik gelangen die Carbonate durch Subduktion (Untertauchen einer Erdkrustenplatte unter die andere) ins Erdinnere und werden aufgeschmolzen. Das dabei freigesetzte Kohlendioxid (CO2) löst sich im Magma. Über Vulkane und Sea-floor spreading(tektonischer Prozess bei dem durch aufsteigendes Magma Erdkrustenplatten auseinandergeschoben werden und gleichzeitig neuer Meeresboden entsteht) kehrt es später dann wieder in die Erdatmosphäre zurück. Der Kohlenstoffkreislauf ist damit geschlossen.

Es gibt auch Bakterien, die andere abgestorbene Organismen zerlegen und dabei aus den abgebauten organischen Verbindungen die Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) freisetzen. Bei diesem Fäulnisprozess wird aber nicht der gesamte  Kohlenstoffs in gasförmiger Form in die Atmosphäre entlassen, sondern ein kleiner Teil in fester oder flüssiger Form deponiert und so dem Kohlenstoffkreislauf (vorerst) entzogen. Auf diese Weise entstanden auch die fossilen Brennstoffe Kohle und Erdöl. Zuweilen werden Methan und andere flüchtige Kohlenwasserstoffe auch als Erdgas unterirdisch mit eingeschlossen.

Das Leben gestaltet also aktiv die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und bietet damit gleichzeitig die Voraussetzungen für mindestens drei Lebensweisen:

Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien, die unter Nutzung der Sonnenenergie aus Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) energiereiche organische Verbindungen herstellen und aus diesen durch Vergärung oder durch Atmung, also die kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2) die zum Leben notwendige Energie gewinnen;

Fäulnisbakterien (methanogene Bakterien), die unter Freisetzung von Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) durch Zersetzung organischer Verbindungen abgestorbenen Lebewesen Energie gewinnen und

Konsumenten (Tiere), die andere Lebewesen oder ihre Ausscheidungen fressen und die enthaltenen organischen Verbindungen durch Atmung verwerten (kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2)).

Gleichzeitig beeinflusst das Leben, indem es ganz wesentlich die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt, aber auch die Temperatur und sorgt dafür, dass sie im lebensfreundlichen Bereich bleibt.

Alles keine Selbstverstänlichkeit, denn es ist keinesfalls so, dass die Erde durch einen glücklichen Zufall von Anfang die Sonne in einem Abstand umrundete, so dass der Planet stets die richtige Strahlungsenergie bekam, um milde Temperaturen aufrecht zu erhalten, die dem Leben förderlich waren.

Ganz im Gegenteil, als das Leben vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren begann (s.o.), war die Leuchtkraft der Sonne um beinahe 1/3  geringer als heute. Unter diesen Bedingungen hätte der Planet eigentlich komplett zugefroren sein müssen. Stattdessen tummelte sich aber schon das erste Leben in Form von Bakterien und Algen in flüssigen Ozeanen. Seitdem hat die Leuchtkraft der Sonne kontinuierlich zugenommen. Das ist ganz normal im Lebenslauf eines durchschnittlichen Sterns wie der Sonne. Durch die energieliefernden Kernfusionsprozesse im Sonneninneren werden Wasserstoffatomkerne fortlaufend in die schwereren Heliumatomkerne umgewandelt. Die Dichte im Sonnenkern nimmt zu, der sich daraufhin unter dem Einfluss der Schwerkraft langsam immer weiter zusammenzieht. Dabei steigen Kerntemperatur, Kernfusionsrate und infolgedessen auch die Leuchtkraft der Sonne.

Das die Erde in der Anfangszeit des Lebens wegen der schwachen Sonne nicht zugefroren war lag am überreichlich vorhandenen Kohlendioxid (CO2), das als Treibhausgas die Erde so warm hielt, dass Wasser in flüssiger Form auf der Oberfläche des Planeten existieren konnte. Hinzu kam später noch Metzhan (CH4), ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid (CO2), das von den methanogenen Bakterien durch Zersetzung abgestorbenen Lebens freigesetzt wurde (s.o.). Methan (CH4) ersetzte bis zu einem gewissen Grade das Kohlendioxid ( CO2), welches durch die von Bakterien und Landpflanzen beschleunigte chemische Verwitterung aus der Atmosphäre entfernt wurde und verhinderte so eine zu starke Abkühlung der Erde durch den beschleunigten CO2-Schwund.

Bei der Photosynthese wurden grössere Mengen Sauerstoff (O2) frei, die jedoch zunächst (fast) vollständig durch reduzierende Substanzen (Wasserstoff (auch in organischen Verbindungen), Eisen u.a.m.) an der Erdoberfläche gebunden wurden. Später reicherte sich der Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre an, wo es für das meiste Leben tödlich wirkte. Erst das Aufkommen sauerstoffatmender Pflanzen und der Konsumenten brachte Erleichterung. Diese waren in der Lage den Sauerstoff zur Energiegewinnung aus organischen Substanzen zu nutzen, was wesentlich effektiver ist als diese einfach nur zu vergären. bei der Atmung findet im Gegensatz zur Gärung ein vollständiger Abbau (bis zu Kohlendioxid und Wasser) statt, wobei mehr Energie frei wird. Die methanbidenden Bakterien, die überhaupt keinen Sauerstoff ( O2) vertrugen, zogen sich in sauerstofffreie Nischen im Untergrund zurück (z.B. Sümpfe). Später besiedelten sie auch die Därme von Tieren.

Dem Leben auf der Erde gelang  jedenfalls das Kunststück, immer soviel von den Treibhausgasen Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) aus der Atmosphäre zu entfernen, wie notwendig war, eine Überhitzung des Planetens durch die zunehmende Leuchtkraft zu vermeiden. Eine mehr als bemerkenswerte Tatsache, die so zu erklären ist:

Wird es wärmer, so wachsen Algen, Bakterien und Landpflanzen besser. Durch gesteigerte Photosynthese der Algen und Landpflanzen wird mehr Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre „abgepumpt“. Wegen der erhöhten Wasserverdunstung fällt mehr (kohlensaurer)Regen, was zusammen mit der grösseren Aktivität von Bodenbakterien und Landpflanzen die chemische Verwitterung beschleunigt und so den CO2-Gehalt der Atmosphäre weiter verringert. Der Rückgang des Teibhausgases Kohlendioxid (CO2) bringt dann die Abkühlung. Dieser Mechanismus funktioniert natürlich auch umgekehrt.

Das Leben auf der Erde kontrolliert also die Atmosphäre, die Temperatur und damit auch das Klima. es sorgt dafür das der Planet trotz sich verändernder Sonneneinstrahlung bis heute lebensfreundlich blieb. Für James Lovelock bildet die Erde mit ihren Lebensformen eine Art Superorganismus, der sich selbst reguliert, um seine Weiterexistenz zu sichern. Lovelock  nannte diesen Superorganismus Erde „Gaia“, die lebendige Erde, so wie es ihm sein Nachbar und Freund, der Schriftsteller William Golding vorgeschlagen hatte, nach der griechischen Erdgöttin. Im Jahre 1979 machte Lovelock seine neue Gaia-Theorie mit dem Buch „Gaia: A New Look at Life on Earth“ einer breiten Öffentlichkeit bekannt.

Lovelock entdeckte später noch weitere Rückkopplungen, mit denen Gaia für lebensfreundliche Bedingungen sorgt.

Da wäre beispielsweise die Sache mit dem Salzgehalt der Ozeane.  Für Meeresorganismen ist das im Meereswasser gelöste Salz eine echte Herausforderung. Der Salzgehalt liegt bei knapp 3,5%. Damit kommen sie noch zurecht. Schon bei etwas über 4% würde allerdings die elektrische Ladung der gelöstenSalzionen den Zusammenhalt der Zellmembranen gefährden, welcher ebenfalls auf elektrischen Kräften beruht. Dasselbe gilt für die Funktionstüchtigkeit wichtiger Enzyme des Stoffwechsels. Bei einem noch höheren Salzgehalt würden (fast) alle Meereslebewesen absterben. Doch es hat zumindest während der letzten 500 Millionen Jahre niemals ein Massenaussterben wegen zuviel Salz gegeben. Stattdessen lag der Salzgehalt der Ozeane immer um die gut verträglichen 3,5%. Das ist schon erstaunlich, wenn man bedenkt das durch chemische Verwitterung und Sea-floor spreading ein ständiger Salzeintrag stattfindet. Auch hier ist wieder ein selbstregulierender Mechanismus am Werke.  Mikrorganismen des Meeres mit Schalen aus Kieselsäure nehmen über ihre Zelloberflächen in Wasser gelösten Salze auf, um nach ihrem Tode abzusinken und so die überschüssigen Salze so auf dem Meeresboden zu deponieren. Insgesamt stellen Mikroorganismen nur 10-40% der Biomasse in den Ozeanen, doch wegen ihrer grossen Oberfläche im Vergleich zum Volumen 70-90& der biologisch aktiven Oberflächen.

Um mit dem normalen Salzgehalt von 3,5% fertig zu werden, benutzen vor allem mehrzellige Meeresorganismen membranständige Pumpen mit denen sie eindingende Salzionen wieder aus ihren Zellen herausbefördern. Da dies energetisch sehr aufwendig ist, behelfen sich die einzelliegen Meeresalgen auf andere Weise.  Sie bilden Dimethylsulfonpropionat (DMSP), eine ionische Verbindung, deren Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, welche sich beide aber nach aussen hin neutralisieren. Daher ist DMSP für die Algen unschädlich. Indem sie  Salze durch DMSP ersetzen halten die Meeresalgen ihren Salzgehalt niedrig, denn DMSP verringert den osmotischen Druckgradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem. Sterben Meeresalgen ab, so wird DMSP freigesetzt und im Wasser bakteriell abgebaut. Dabei entsteht gasförmiges Dimethylsulfid (DMS). DMS gelangt an die Luft und wird durch den atmosphärischen Sauerstoff (O2) zu Sulfaten oxidiert. Diese ziehen als Sulfataerosole Wasser an und wirken dadurch  als Kondensationskeime für die Wolkenbildung . Dadurch bilden sich mehr Wolken mit kleineren Wassertröpfchen, die das Sonnenlicht verstärkt reflektieren und so direkt abkühlend wirken.

Meeresalgen fördern die Wolkenbildung. Quelle: Wikipedia

Die intensivierte Wolkenbildung begünstigt darüber hinaus durch Freisetzung von mehr latenter Wärme die Entstehung von Tiefdruckwirbeln. Deren Winde durchmischen die oberen und unteren Wasserschichten und verbessern so wiederum die Mineral- und Nährstoffzufuhr für die Meeresalgen und andere Meeresorganismen.  

Daisyworld

Die Gaia-Theorie erweckte grosses Aufsehen in der Öffentlichkeit und löste kontroverse Debatten unter den interessierten Wissenschaftlern aus. Kritiker wandten ein, eine Selbstregualtion der Erde erfordere eine Absprache aller beteiligten Lebewesen, also absichtsvolles Handeln. Das sei ein absurder Gedanke, ein absoluter Widerspruch zur Darwinschen Evolution durch zufällige (genetische) Variationen, Anpassung und Selektion.

Um dieser Kritik zu begegnen entwickelte Lovelock das Daisyworld-Modell, um zu zeigen wie die Selbstregulation eines Planeten auch ohne bewusste Absicht seiner Bewohner funktionieren kann.

Daisyworld ist ein durch mathematische Gleichungen beschriebener Modellplanet, der in seinen Eigenschafte der Erde ähnelt. Allerdings existieren auf ihm nur zwei Lebensformen, helle und dunkle Gänseblümchen (Daisies). Die Gänseblümchen können nur in einem Temperaturbereich zwischen +5°C und +40°C überleben. Optimal sind 22°C. Der Planet umrundet einen durchschnittlichen Stern, dessen Leuchtkraft wie bei der Sonne allmälich zunimmt.

Die hellen Daisies reflektieren das Sonnenlicht und kühlen sich damit ab, die dunklen Daisies absorbieren das Sonnenlicht und halten sich damit warm. Das Wachstum beider Arten hängt von den herrschenden Temperaturverhältnissen, der Populationsdichte, dem noch vorhandenen unbewachsenen Flächen und der natürlichen Lebensdauer der Pflanzen ab. Lovelock benutzte dafür Gleichungen, die das Leben wirklicher Gänseblümchen (Daisies) angemessen beschreiben. Die Wachstumsrate der beiden Arten passen sich den jeweils herrschenden Verhältnissen an.

Zunächst ist der Planet zu kalt und es gab kein Leben. Ist die Leuchtkraft der Sonne hoch genug, um auf Daisyworld +5°C zu erreichen entwickeln sich in der Äquatorregion die ersten dunklen Daisies, die es verstehen sich ausreichend warm zu halten. Ist ihre Anzahl gross genug, so erwärmen sie durch ihre den gesamten Planeten, dessen Albedo abnimmt. Die hellen Daisies haben allerdings noch keine Chance. Mit zunehmender Leuchtkraft der Sonne und fortschreitender Erwärmung breitet sich die dunkle Variante in Richtung der Pole aus und bald erscheinen am Äquator auch die ersten hellen Daisies, die hier nach und nach wegen ihrer kühlenden Eigenschaften einen Vorteil bekommen. In den gemässigten Breiten mit optimaler Temperatur koexistieren helle und dunkle Daisies. Wird der Planet noch wärmer, so ziehen sich die dunklen Daisies in die Polregionen zurück, während die helle Variante den übrigen Planeten beherrscht, seine Albedo erhöht und ihn deshalb abkühlt. Über die gesamte Zeit, in der die gesamte Planetenoberfläche bewohnt ist, halten sich auch die Temperaturen in einem lebensverträglichen Bereich. Mit noch weiter fortschreitender Erwärmung wird die Äquatorregion von Daisyworld zu heiss und unbewohnbar. Es verbleiben die hellen Daisies die sich immer weiter in die Polregionen zurückweichen müssen. Schliesslich wird die Population der hellen Daisies so gering, dass sie den Planeten nicht mehr ausreichend kühlen können. Der gesamte Planet wird zu heiss und stirbt.

Der Modellplanet Daisyworld mit Leben kann trotz zunehmender Leuchtkraft der Sonne über einen langen Zeitraum milde, lebensfreundliche Temperaturen aufrecht erhalten. Ohne Leben gelingt ihm das nicht.

Trotzdem gelingt es Daisyworld mit seinen hellen und dunklen Daisies über einen langen Zeitraum lebensfreundliche Temperaturen aufrecht zu erhalten, was ohne Leben niemals möglich wäre.

Das Daisyworld-Modell zeigte eindrücklich, dass prinzipiell ein lebendiger Planet selbst für lebensfreundliche Bedingungen sorgen kann, ganz ohne bewusste Absicht! Erst wenn die Leuchkraft der Sonne einen kritischen Wert überschreitet ist das System mit der Selbstregulation überfordert und bricht zusammen. Obwohl alle Lebewesen nur mit dem eigenen Überleben beschäftigt sind, dienen sie wie von einer Unsichtbaren Hand gelenkt dem Gesamtwohl des Planeten.

Auch realitätsnähere Varianten von Daisyworld in denen mehr Gänseblümchenarten vorkommen, aber auch Pflanzenfresser und Fleischfresser, welche sich wiederum von den Pflanzenfressern ernähren, funktionieren einwandfrei.

Gaia und Klimawandel

Die Gaia-Theorie ist auch für die laufende Diskussion über den menschengemachten Klimawandel durch die fortgesetzte Emission fossiler Brennstoffe von hohem Erkenntniswert.  Der Erde ist es vor allem durch das Abpumpen und des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre gelungen, einer Überhitzung infolge der immer weiter ansteigenden Leuchtkraft der Sonne zu entgehen. Und genau dieses Kohlendioxid (CO2) setzt die Menschheit nun wieder durch die Nutzung fossiler Brennstoffe im Rekordtempo frei. Das sollte eigentlich auch die Klimaskeptiker nachdenklich stimmen, die immer wieder behaupten, die Sonne bestimme (fast) allein das Klima und bei der Sache mit den Treibhausgasen handele es sich um ein Scheinproblem!

In den Abschätzungen des International Panel on Climate Change (IPCC,  http://www.ipcc.ch/) wird von einem allmälichen Temperaturanstieg bei zunehmender Treibhausgaskonzentration ausgegangen. Vergleicht man etwa die Projektionen des IPCC mit der seitdem tatsächlich stattgefundenen Entwicklung, so befinden wir uns derzeit nahe dem oberen Rand dieser Szenarien. das gilt nicht nur für die global gemittelte Temperatur, sondern auch für den globalen Meeresspiegelanstieg.

Mit einem Klimamodell, das auf den Prinzipien von Daisyworld basiert, aber auch den entscheidenden Einfluss der Meeresalgen (Beeinflussung der Wolkenbildung) und Landpflanzen (Abpumpen des CO2) auf das Klima  mit einbezieht, fand Lovelock schon im Jahre 1994 heraus, dass sich der Klimawandel zu einer wärmeren Welt nicht langsam und gemächlich, sondern sehr abrupt vollziehen könnte.

Überschreiten die Wassertemperaturen der Ozeane einen kritischen Wert so nimmt die Dichte der oberen Schichten derart ab, dass sich eine stabile Schichtung ausbildet (Stratifizierung). Ein Austausch mit den mineral- und nährstoffreichen Schichten ist dann kaum mehr möglich. Die Meeresalgenpopulationen, die ja nur in den oberen Schichten existieren können, wo es hell genug für ihre Photosynthese ist, sterben zu grossen Teilen ab.

In dem Klimamodell von Lovelock passierte nun folgendes: Bei einer atmosphärischen CO2-Konzentration von 500 ppm (parts per million) – heute sind es bereits 390 ppm(!)-  erreichten die Wassertemperaturen der Ozeane so hohe Werte, dass die meisten Meeresalgen starben und damit ihre klimaregulierenden, abkühlenden Fähigkeiten verloren. Die Wolkenbedeckung ging zurück, und es kam zu einem abrupten globalen Temperaturanstieg um 6°C ! Ein neues Gleichgewicht stellte sich ein, das auch bei einem weiteren CO2 Anstieg (vorerst) stabil blieb. Die Landpflanzen allein übernahmen nun die Hauptrolle bei der Regulation des Klimas. Ein globaler Temperaturanstieg von 6°C hätte natürlich katastrophale Folgen. Der Meeresspiegel würde vor allem durch das Abschmelzen des Festlandeises in Grönland und in der Westantarktis um mehrere Meter ansteigen und weltweit die meisten Hafenstädte früher oder später in den Fluten versinken.

 Doch Leben auf dem Mars?

Zur allgemeinen Überraschung fanden vor wenigen Jahren der europäische Marssatellit „Mars Express“ und später auch erdgebundene Teleskope beachtliche Mengen an Methan (CH4) in der Marsatmosphäre. Methan (CH4) ist, worauf  Lovelock während seiner Zeit bei der NASA ja bereits hingewiesen hatte, ein sehr reaktives Gas, das mit dem vorhandenen Sauerstoff binnen kurzen zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) reagiert. Es muss also natürliche Quellen geben, welche ständig Methan (CH4) nachliefern. Das Gas ist interessanterweise nicht gleichmässig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern weist ein charakteristisches Muster erhöhter Konzentrationen auf: Genau dort wo es viel Methan(CH4) gibt, treten auch hohe Wasserdampfkonzentrationen und genau dort gibt es auch Wassereisvorkommen unter der Marsoberfläche (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Es liegt nahe auf die Existenz methanogener Bakterien zu schliessen, die unter dem Eis vielleicht recht erträgliche Lebensbedingungen vorfinden.

Und noch etwas wurde womöglich bisher übersehen. Der Sauerstoffgehalt der Marsatmosphäre ist zwar nur gering, aber immerhin 30.000 mal höher als bei allen anderen Planeten unseres Sonnensystems ausser der Erde. Gibt es auch hier natürliche Quellen? Könnten es Algen sein, die ebenfalls unter schützendem Eis ihr Dasein fristen?

 Algen in der Südpolarregionn des Mars? Quellen: NASA, ESA, Mars Astrobiology Group ( http://www.colbud.hu/esa/), verändert.

Wissenschaftler der ESA (European Space Agency) halten das für möglich. In den Dünenfeldern der Südpolarregion des Mars erscheinen und verschwinden mit dem Wechsel der Jahreszeiten dunkle Flecken, die so genannten “Dark Dune Spots”(DDS) Die Flecken tauchen zu Frühlingsbeginn auf, werden dann kräftiger (Maximum im späten Frühling), um mit dem beginnenden Sommer wieder zu verblassen. Die DDS werden vor allem auf der Südhalbkugel bis hinauf zu -60° SÜD angetroffen, genau dort, wo auch grössere Wassereisvorkommen gefunden wurden.

So könnte der Lebenszyklus möglicherweise algenähnlicher Marsorganismen (Mars Surface Organism, MSO) aussehen. Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Das gleichzeitige Vorhandensein nennenswerter Mengen an Sauerstoff (O2) und Methan (CH4), zwei sehr reaktiver Gase darf nach der Gaia-Theorie als Indiz für Leben auf dem Mars gewertet werden. Allerdings würde es nur ein Leben auf Sparflamme sein, zu schwach, um den Planeten in Richtung lebensfreundlicher Bedingungen zu regulieren, vielleicht die Überreste einer einstigen Gaia auf dem Mars, deren gute schon Zeit vorüber ist.

Jens Christian Heuer

Bücher von James E. Lovelock: 1) Gaia: A New Look at Life on Earth; TB Oxford University Press  2) Ages of Gaia: A Biography of Our Living Earth; TB Oxford University Press (dt. Das Gaia- Prinzip. Die Biographie unseres Planeten.; Insel TB)  3)The Revenge of Gaia: Earth’s Climate Crisis & the Fate of Humanity; Basic Books (dt. Gaias Rache: Warum die Erde sich wehrt; TB Ullstein) 4)The Vanishing Face of Gaia: A Final Warning; Basic Books

Ein plötzlicher Meeresspiegelanstieg entlang der gesamten  Ostküste der USA und eine deutliche Abkühlung im Nordatlantik deuten womöglich auf eine erhebliche Abschwächung des Golfstroms hin. Käme es tatsächlich soweit, dann hätte das einschneidende Konsequenzen für die klimatischen Bedingungen in ganz Europa und auch darüber hinaus.

Die Abkühlung im Nordatlantik begann Anfang Juni in der Region der Azoren, setzt sich bis heute fort und dehnte sich dabei allmälich über eine immer grössere Fläche aus, wobei sich die Wassertemperturen zeitweise sogar noch immer weiter zurückgingen.

Die negative Temperaturanomalie im Nordatlantik am 30. Juli 2009…

… und eine Woche später am 7.August 2009 Quelle: http://weather.unisys.com/surface/sst_anom.html

Zeitgleich kam es an der gesamten US-Ostküste vollkommen überraschend zu einem drastischen Meeresspiegelanstieg um teilweise bis zu 60cm. Im Juli halbierten sich die Pegelstände allerdings wieder. Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) veröffentlichte sogar eine Alarmmeldung.

Die Alarmmeldung der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Screenshot.  Quelle:(http://tidesandcurrents.noaa.gov/press/EastCoastWaterLevelAnomaly.shtml).

Die beiden Ereignisse, vor allem aber auch ihr zeitliches Zusammentreffen entsprechen beunruhigenderweise genau dem Szenario, das Klimamodelle für den Fall einer einer drastischen Abschwächung des Golfstroms bzw. seines nordatlantischen Armes (Nordatlantikstrom) gerechnet haben. Dabei hat der Meeresspiegelanstieg zunächst strömungsdynamisches Gründe. Für den Fall einer Verlangsamung des Nordatlantikstroms staut sich das Wasser in Richtung der US-amerikanischen Ostküste zurück. Zu dieser Interpretation der Ereignisse passt sehr gut, dass die Abkühlung im Nordatlantik genau dort stattfindet, wo auch der aus dem Golfstrom entspringende Nordatlantikstrom verläuft. Auch eine auffällige Erwärmung der Wassertemperaturen entlang der US-Ostküste passt gut ins Bild, da mit dem Rückstau der Meeresströmung natürlich auch ein Wärmerückstau einhergeht.

Tatsächlich bestätigte die NOAA inzwischen, dass tatsächlich eine Verlangsamung des Golfstroms stattgefunden hat (http://www.27east.com/story_detail.cfm?id=224470&town=East%20Hampton&n=The%20sea%20is%20rising ).

Niemand kann zurzeit sagen, wie es weitergeht. Sollte  sich der Golfstrom wieder erholen, so wäre das kein Anlass zur Entwarnung. Denn auch für diesen Fall müsste man leider davon ausgehen, dass die thermohaline Zirkulation sich bereits in einem Bereich gefährlicher Instabilität bewegt.

Wie alle Meeresströmungen wird auch der Golfstrom  durch Winde, aber auch durch Veränderungen von Temperatur und Salzgehalt des Meereswassers  angetrieben (thermohaline Zirkulation).

Golfstrom: Die warme und turbulente Meeresströmung bildet immer wieder Wirbel aus, insbesondere dort, wo der Nordatlanikstrom auf den kalten Labradorstrom aus dem Norden trifft. Quelle: http://idw-online.de/

Das vom Äquator zu den Polen strömende Warmwasser gibt seine Wärme vor allem durch Verdunstung (latente Wärme) nach und nach an die darüberliegenden Luftschichten ab. Damit einhergehend erhöht sich der Salzgehalt des Wassers stetig.  Die Dichte des Wassers nimmt so immer weiter zu bis es schliesslich weit im Norden in abwärtsgerichteten Wirbeln abzusinken beginnt (Absinkzonen). Begünstigend wirkt hier im Winter auch  die Neubildung von Meereis. Da das Eis nur wenig Salz aufnehmen kann, wird das überschüssige Salz beim Gefrieren abgepresst, wobei sich der Salzgehalt des umgebenden Meerwassers natürlich weiter zunimmt. Ausserdem kühlt das Wasser bei Kontakt mit dem Eis noch weiter an. Absinkzonen befinden sich zum Beispiel südlich von Grönland oder bei Island. Die Bildung von kaltem und salzhaltigem Tiefenwasser, welches wieder in Richtung Äquator strömt, wirkt wie eine Pumpe und verstärkt so die Meeresströmung.

Da Meeresströmungen sowohl durch Unterschiede in der Wassertemperatur als auch im Salzgehalt angetrieben werden spricht man auch von einer thermohalinen Zirkulation.

Die vom Golf- und Nordatlantikstrom erwärmte 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 in den Wintermonaten für ein deutlich milderes Klima als es sich ansonsten aus der geographischen Lage ergeben würde. Eine Abschwächung des Golfstroms bedeutet also automatisch eine mehr oder weniger drastische Abkühlung.

Zu einer Abschwächung der thermohalinen Zirkulation des Golf- und Nordatlantikstroms kann es dann kommen, wenn grosse Mengen Süsswasser in den Nordatlantik gelangen, vor allem auch im Bereich der Absinkzonen:

Die globale Erwärmung als Folge der Emission von Treibhausgasen verstärkt die Wasserverdunstung. Die wärmere und feuchtere Luft gelangt durch die atmosphärische Zirkulation in höhere Breiten, wo es dann häufiger und mehr Niederschläge gibt.

Auch das Abschmelzen grösserer Eismassen erhöht den Süsswassereintrag in den Nordatlantik. Im Jahre 2007 erreichte die Eischmelze in der Arktis einen absoluten Rekord. 2008 gab es zwar eine leichte Erholung, aber in 2009 könnte der Rekordwert von 2007 (nahezu) wieder erreicht werden. Was vor zwei Jahren noch vielfach als ein Ausrutscher aufgrund einer besonderen Wetterlage angesehen wurde, wird offenbar sehr schnell zur Normalität.

Die Eisschmelze in der Arktis hat sich in den letzten Jahren stark beschleunigt. Grosse Mengen Süsswasser gelangen dadurch in den Nordatlantik. Quelle: http://nsidc.org/

Mit der globalen Erwärmung nehmen mit der Zeit natürlich auch die Wassertemperaturen zu.

Durch alle drei Vorgänge nimmt die Dichte des Oberflächenwassers immer mehr ab, bis schliesslich die Tiefenwasserbildung ins Stocken gerät, wodurch die Meeresströmung insgesamt langsamer wird oder sogar ganz zusammenbricht.

Golfstrom und Thermohaline Zirkulation. Quelle: SPIEGEL Online

Die Folgen einer deutlichen Abschwächung des Golf- und Nordatlantikstroms  wären dramatisch. Die Winter in Europa würden deutlich kälter und länger anhaltend. Im gesamten Nordatlantik würde der Meeresspiegel um bis zu 1 Meter ansteigen, im Südatlantik dagegen abnehmen. Wegen der mangelnden Durchmischung mit tieferen Wasserschichten würde sich das Oberflächenwasser immer mehr erwärmen und eine stabile Schichtung ausbilden(durch thermische Ausdehnung   leichter als das kühlere Tiefenwasser).  Die sich immer weiter erwärmenden und ausdehnenden oberflächennahen Wasserschichten würden erheblich zum schon erwähnten Anstieg des Meersspiegels beitragen. Infoge mangelnder Durchmischung gäbe es in den obersten Wasserschichten bald kaum noch Mineral- und Nährstoffe. Die nur in den oberen Wasserschichten vorkommenden Meeresalgen (nur  hier ist es hell genug für die Photosynthese) würden grösstenteils absterben. Darüber hinaus würden auch alle sich von den Algen direkt oder indirekt ernährenden Meeresbewohner ihre Lebensgrundlage verlieren.

Nach dem Absterben der Meeresalgen (Phytoplankton) könnten die Ozeane deutlich weniger CO2 aufnehmen und ein sich selbst verstärkter Treibhauseffekt durch mehr CO2 wäre die Folge.  

Aber das wäre leider noch nicht alles, denn Meeresalgen fördern auch die Wolkenbildung. Wolken wirken direkt abkühlend, denn sie reflektieren das Sonnenlicht.

Meeresalgen haben es schwer mit dem Salzwasser zurecht zu kommen, denn zuviel Salz ist für sie ein Gift. Meereswasser hat einen Salzgehalt von 3,5%. !Ein Salzgehalt von 4% ist aber schon  kritisch, denn die elektrischen Ladungen der Salzionen stören die inneren Bindungen ihrer Zellstrukturen. Bei 6% lösen sich die Biomembranen auf, was unmittelbar den Tod der Meeresalgen zur Folge hat.  Die Meeresalgen haben aber ein Gegenmittel. Sie bilden DMSP (Dimethylsulfonpropionat), eine ionische Verbindung, deren Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, die sich beide aber nach aussen hin neutralisieren.  DMSP ist deshalb für die Algen ungiftig. Indem sie  Salzionen durch DMSP ersetzen halten die Meeresalgen ihren Salzgehalt niedrig, denn DMSP verringert den osmotischen Druckgradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem. Wenn Meeresalgen sterben wird DMSP freigesetzt und durch Bakterien im Wasser abgebaut. Dabei entsteht das gasförmige DMS (Dimethylsulfid). DMS wird sehr rasch durch den atmosphärischen Sauerstoff zu Sulfaten oxidiert. Diese Sulfataerosole ziehen Wasser an und wirken so  als Kondensationskeime für die Wolkenbildung . Zusätzliche Wolken wirken direkt abkühlend, da sie das Sonnenlicht abschirmen (s.o.).

Einfluss der Meeresalgen (Phytoplankton)auf die Wolkenbildung. Quelle: http://www.icm.csic.es/bio/projects/basics/Project_objectives/Fig2.jpg

Ein Absterben der Meeresalgen im grossen Stil würde also für einen verstärkten Treibhauseffekt sorgen und ausserdem auch für weniger abkühlend wirkende Wolken. Beides zusammen liefe auf eine deutlich beschleunigte globale Erwärmung hinaus mit all ihren Folgen z.B. für den Meeresspiegel.  Die  Abkühlung in Europa wäre dann längerfristig nur eine vorübergehende Episode.

Jens Christian Heuer

Von den Klimaforschern des IPCC wird allerorten verbreitet, dass in der Erdgeschichte bis zum Jahr 1980 Sonnenaktivität und Temperatur synchron laufen, seit 1980 dies nicht mehr der Fall wäre und die Ursache für die Temperaturänderung, also der Erwärmung, auf das vom Menschen zusätzlich ausgebrachte Kohlenstoffdioxid (CO2) zurückzuführen sei. Als Hauptbelege werden Sonnenkurve und Mauna-Loa-CO2-Kurve herangezogen. Ich möchte nun zeigen, dass diese Ableitung falsch ist und dass auch über das Jahr 1980, bis zum heutigen Tag, Temperatur- und Sonnenaktivität synchron laufen und es für die 1980 aufgetretenen Temperaturschwankungen keines anderen Mechanismus, als die variable Sonne bedarf.

Bei den Leistungsspektren der Sonne wird üblicherweise nur der Schwabe-Zyklus herangezogen. Entweder die Sonnenfleckenrelativzahl, oder die „Schwankung in der Solarkonstanten“. Hierfür wird der Begriff TSI (Total Solar Irradiance) verwendet. Die Solarkonstante ist wie folgt definiert:

Der Mittelwert der Strahlungsintensität, welcher an der Obergrenze der Atmosphäre senkrecht auf eine Fläche von 1 m2 einfällt, wird als Solarkonstante bezeichnet. Sie beträgt an der äußeren Grenze zur Erdatmosphäre pro Minute etwa 8 Joule/cm2 oder 1.368 W/m2.

Die linke Abbildung zeigt die Fleckenrelativzahl R und die rechte Abbildung den TSI. Die Sonnenfleckenrelativzahl R wurde vom Direktor des Züricher Observatoriums Rudolf Wolf eingeführt (1849). Sie wird daher auch als Wolf-Zahl bezeichnet und nach folgender Formel berechnet: R = (10 G + E). Alle auf der Sonne sichtbaren Sonnenfleckengruppen G werden gezählt, dabei ist ein isoliert sichtbarer Einzelfleck auch eine Gruppe. Dann werden nochmals alle einzelnen Flecken E gezählt, auch die bereits als Gruppe erfassten. In der rechten Abbildung ist sehr gut zu sehen, dass der derzeitige Schwabe-Zyklus ungewöhnlich lange anhält und die NASA bereits von einem Time-lack der Sonne spricht, da dass Minimum nicht enden will.

Schwabe-Zyklus

Der Aktivitätszyklus der Sonne wird Hale-Zyklus genannt und beträgt 22,1 Jahre. Dies ist der eigentliche Zyklus der Sonnenfleckenaktivität. Fleckengruppen setzen sich aus nordmagnetischen und südmagnetischen Flecken zusammen, die bipolar angeordnet sind (Abbildung ). Während eines 11-jährigen Zyklus (Schwabe-Zyklus: 8 – 15 Jahre, nach dem Astronom Samuel Heinrich Schwabe, der diesen Zyklus als erster entdeckte) laufen bei der Rotation der Sonne entweder die Nordpole oder die Südpole ständig voraus. Nach 11 Jahren kehrt sich diese Polarität um.

Sonnenflecken Quelle: http://www.dlr.de/

Es vergehen also zwei 11-jährige Zyklen, bis die gleiche Anordnung wieder erscheint. Wie aus Untersuchungen bekannt, zeichnet sich der Hale-Zyklus auf der Erde z.B. deutlich in der Lufttemperatur Mittelenglands und im Dürre-Index der U.S.A. ab.

Der Schwabe-Zyklus bestimmt die Sonnenfleckenaktivität, die zu einem Teil die Energieabgabe der Sonne schwächt, weil die Fleckentemperatur um ca. 2.000 °C niedriger liegt als die übliche Sonnentemperatur von 5.500 °C (knapp 5.800 Kelvin), die Flecken also die Sonne sozusagen abdunkeln und zum anderen Fall, aufgrund der magnetischen Aktivität und die dadurch auftretenden sog. Sonnenfackeln, die abgestrahlte Sonnenenergie erhöhen. Da die Temperatur und damit die enthaltene Energie in den Fackeln deutlich höher ist, als die Energieminderung durch die „Abdunkelung“ der Sonnenfläche durch die Sonnenflecken, ist die Energieabgabe der Sonne im Fleckenzeiten höher. Die folgenden Abbildungen zeigen die Auswirkungen von Flecken und Fackeln auf die Leuchtkraft der Sonne, bezogen auf einen normierten prozentualen Wert.

Quelle: Max-Planck-Institut für Aeronomie, Katlenburg-Lindau

Zur Handhabung der abgestrahlten Sonnenenergie wurde die Solarkonstante eingeführt.

Die Solarkonstante schwankt im Mittel zwischen ruhiger (Schwabeminimum) und aktiver Sonne (Schwabemaximum) zwischen 1-2%. Die Solarkonstante selbst, wird aus dem Stefan- Boltzmann-Gesetz abgeleitet und für eine Oberflächentemperatur der Sonne von 5.800 Kelvin ermittelt. Der eingangs erwähnte Mittelwert von 1.368 W/m2 ist rein statistisch zu betrachten, da die Erde keine Kreisbahn vollzieht, sondern davon um 5 Millionen km abweicht. Die Erde hat Anfang Januar den geringsten Abstand zur Sonne (die Solarkonstante liegt dann bei 1.416 W/m2) und Anfang Juli den größten Abstand zur Sonne (die Solarkonstante beträgt dann nur noch 1.320 W/m2). Ausgerechnet im Sommer, liegt die Solarkonstante niedriger als im Winter. Dies zeigt, dass es kritisch ist, mit einem gemittelten Wert, den es gar nicht gibt, zu rechnen.

Die folgende Abbildung, sie stammt von der University of East Anglia, zeigt am Beispiel der Starkregenfälle den Einfluss des Schwabe-Zyklus auf unser Wetter.

Die Abbildung zeigt die periodischen Schwankungen der Regenfälle im Zeitraum von 1961 bis 1995. Die Werte ab 1995 beruhen nicht auf Messwerten, sondern auf Vorhersagen. Deutlich ist die Schwingung des Schwabe-Zyklus erkennbar und der Anstieg des de Vries/Suess-Zyklus. Quelle: UEA Climatic Research Unit.

Der 208-jährige De Vries/Suess-Zyklus lässt sich hingegen nicht direkt beobachten, also auch nicht unmittelbar über Messkurven festmachen, bzw. berechnen. Er lässt sich jedoch indirekt, anhand der radioaktiven Isotope 10Be und 14C rekonstruieren.

Die Abbildung zeigt zum einen, die Schwingung in den C14-Daten aus Baumringen, Quelle: Journal of the Italian Astronomical Society (http://sait.oat.ts.astro.it/MSAIt760405/PDF/2005MmSAI..76..760V.pdf), die auf den de Vries/Suess-Zyklus zurückzuführen ist und zum anderen, recht deutlich, dass derzeit (um die Jahrtausendwende) die Sonnenaktivität im Vergleichzeitraum der letzten 1.000 Jahre, außerordentlich hoch ist. Sie deckt sich damit mit der Abbildung der British Geological Survey (unten) und der Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft vom 27. Oktober 2004: “Sonne seit über 8.000 Jahren nicht mehr so aktiv wie heute.“

Die Tabelle zeigt die Rekonstruktion des de Vries/Suess-Zyklus aus Baumring- und Eisbohrkern-Proxys, Quelle: Australian Institute of Physiks (http://www.aip.org.au/Congress2006/625.pdf).

Beim de Vries/Suess-Zyklus handelt es sich um einen überwiegend magnetischen Aktivitätszyklus der Sonne. Punktuell erkennt man dessen Aktivität an der Häufigkeit und Höhe von magnetischen Auswürfen der Sonne, also der magnetischen Sonnenstürme.

 Die Abbildung zeigt die Änderung der magnetischen Stürme auf der Sonne von 1867 bis 2007 (blau, die grüne Linie zeigt den Trend von 1900 – 2005) und den 11-jährigen Schwabe-Zyklus. Es ist deutlich erkennbar, dass der Schwabe-Zyklus und der Gleißberg-Zyklus (Maximum während des 19. Schwabe-Zykluses), der den Schwabe-Zyklus antreibt, zwar mit den relativen Maxima der magnetischen Stürme korreliert, nicht aber mit deren steigender Tendenz, diese steht in Relation zum de Vries/Suess-Zyklus. Ergänzt nach Quelle: British Geological Survey (http://www.geomag.bgs.ac.uk/earthmag.html)

Seine Auswirkungen auf unser Wetter/Klima sind vielschichtiger als die des Schwabe-Zyklus, weil beim Schwabe-Zyklus nur der geringe Teil betrachtet wird, der auf der Erdoberfläche, bzw. der Troposphäre ankommt, bzw. aus der nach Stefan/Boltzmann integrierten Oberflächentemperatur von 5.800 Kelvin stammt, beim de Vries/Suess-Zyklus jedoch das ganze Leistungsspektrum, weil dieser durch seine Wechselwirkungen mit der kosmischen Strahlung und seiner Auswirkungen in der oberen Atmosphäre das Wetter und somit das Klima auf der Erde indirekt stark beeinflusst. So liegen maßgebliche Energieinhalte der Sonnenstrahlung nicht im sichtbaren Licht (Solarkonstante bei 5.800 Kelvin)- oder Infraortbereich, sondern im Röntgen- bis Ultraviolettbereich. Die Temperatur der Sonnenatmosphäre liegt bei ca. 100.000 Kelvin und die der magnetischen Auswürfe bei mehreren Millionen Kelvin.

All diese Energie, die in der Solarkonstanten nicht beinhaltet ist, erreicht aber die Erde und moderiert direkt oder indirekt deren Klima. Zum Vergleich, die Sonnenaktivität schwankt im Röntgenbereich zwischen Minimum und Maximum um bis das 100-fache. Diese Wellenlängen erreichen wegen der Erdatmosphäre und dem Strahlungsgürtel der Erde zwar nicht die Erdoberfläche oder die Troposphäre, moderieren aber über die Stratosphäre (UV-Anteil), Troposphäre (UVA) und die Abschirmung der Erde vor kosmischer Strahlung das Wetter/Klima.

Die Abbildung links zeigt den atmosphärischen 14C-Gehalt anhand von Baumringen (Pearson et al. 1986) und von Flachwasserkorallen (Bard et al. 1993). Die Datenreihe zeigt deutlich einen 200-Jahres-Zyklus, was nur auf die Sonne zurückzuführen ist. Quelle: (http://www.science.uottawa.ca/~eih/ch8/ch8.htm). Die Abbildung rechts zeigt die 30-jährig gleitende Temperaturkurve von 1701 – 2005. In der Temperaturkurve ist exakt der 208- jährige de Vries/Suess-Zyklus abgebildet. Der de Vries/Suess-Zyklus hatte um 2002/2003 sein Maximum, als die Temperaturen ihren Höchststand erreichten. Das letzte Temperaturmaximum war in den 90er-Jahren des 18. Jahrhunderts, genau im Maximum des de Vries/Suess-Zyklus! Auch gleichen sich beide Maxima in ihrer Doppelspitze frappierend.

Wie der Gleißberg-Zyklus den Schwabe-Zyklus moderiert, so wird der de Vries/Suess-Zyklus von einem „übergeordneten“ Zyklus, dem Hallstatt-Zyklus moderiert, folgende Abbildung.

Die Abbildung zeigt den Hallstatt-Zyklus von 10.000 BP bis heute.  Er korreliert mit größeren Eisvorstößen in Europa um 7.100, 5.500, 2.800 BP und der Kleinen Eiszeit! Quelle: United States Geological Survey.

Der de Vries/Suess-Zyklus hatte sein letztes Maximum um 2002/2003, genau zu dem Zeitpunkt, als die globalen Temperaturen auf der Erde (und den anderen Planeten des Sonnensystems) ihr Maximum erreichten. Die starke magn. Aktivität der Sonne, die sich in Sonneneruptionen auswirkt und mit dem Anstieg und dem Maxima des de Vries/Suess-Zyklus synchron läuft, veranlasste den Sonnenforscher der NASA, David Hathaway in 2005 (als z.B. in der Presse viel über die Hitzetoten des Sommers zu hören war) zu der Aussage: “Das Solare Minimum explodiert – Das Solare Minimum sieht seltsamerweise aus wie ein solares Maximum“  (http://science.nasa.gov/headlines/y2005/15sep_solarminexplodes.htm), folgende Abbildung rechts. Wenn die erwähnten Hitzetoten im Sommer 2005 auf das Klima zurückzuführen sind, dann auf die Sonne (de Vries/Suess-Zyklus).

Die Abbildung links zeigt die Mega-Eruption am 05. Nov. 2003 um 09:22, Quelle: NASA/ESA und die rechte Abbildung die Verteilung der Flares im Schwabe-Zyklus, Quelle: David Hathaway, NASA. So kann es nicht verwundern, dass die stärksten je gemessenen Sonneneruptionen zu Beginn dieses Jahrtausends auftraten (04. April 2001, Anfang November 2003, mit einem Wert von größer X20). Mega-Flares werden mit einem “X“ bezeichnet und die Stärke der Eruption mit einer Zahl angegeben.

Wie stark der de Vries/Suess-Zyklus mit dem Klima in Relation steht, zeigen die drei folgenden Abbildungen.

Die Abbildung zeigt über die letzten 1.200 Jahre den de Vries/Suess-Zyklus und die mittelalterliche Warmperiode, sowie die Kleine Eiszeit mit dem Wolf- Spörer- und Maunder-Minimum, Quelle: (http://www.co2science.org/articles/V11/N23/EDIT.php). Bereits in dieser Abbildung wird deutlich, dass diese Epochen mit dem de Vries/Suess-Zyklus in direkter Korrelation stehen.

Die Abbildung zeigt neben den Sonnengruppen (Schwabe-Zyklus), die Schwankung (Schwingung) des Atmosphären- 10Be und 14C-Gehalts aus Baumring- und Eisbohrkern-Proxys und dazu die Klimaschwankungen der letzten 1.000 Jahre, Quelle: (http://www.freerepublic.com/focus/f-news/2038883/posts). Sie bestätigt die vorherige Abbildung. 

Die Abbildung zeigt die Kälteperioden der letzten 1.000 Jahre (ergänzt nach Quelle: United States Geological Survey). Anmerkung: Der Temperaturanstieg (dessen Form und Steigung) unserer Zeit zeigt frappierende Ähnlichkeit mit Rückgang des 14C-Gehalts der vorherigen Abbildung unter www.co2science.org! Da dieser Rückgang einzig auf den de Vries/Suess-Zyklus zurückzuführen ist, ist der gemessene Temperaturanstieg zum Ausgang des 20. Jahrhunderts und zu Beginn des Jahrtausends auf den de Vries/Suess-Zyklus und damit auf die Sonne zurückzuführen.

Die vorherigen Abbildungen zeigen ganz deutlich, dass, sowohl die aktuelle Klimaperiode, als auch die Klimaperioden der letzten 1.200 Jahre auf die Sonne zurückzuführen sind und explizit mit dem de Vries/Suess-Zyklus synchron laufen. Sie zeigen auch, dass nach jedem Maximum des de Vries/Suess-Zyklus die Temperaturen deutlich fallen, so wie wir dies jetzt wieder erleben, folgende Abbildung.

Die Abbildung zeigt die Temperaturentwicklung von 1979 – 2008, Quelle: University of Alabama, Huntsville.

Quo vadis Temperatur?

Entgegen den Prognosen des IPCC, ist anhand der aktuellen Temperaturentwicklung und dem aufgezeigten Klimazusammenhang mit dem de Vries/Suess-Zyklus, mit deutlich fallenden Temperaturen für die nächste Jahrzehnte zu rechnen. Die NASA geht z.B. davon aus (wenn sich dort auch nicht auf einen so langen Zeitraum festgelegt wird) und das Space and Science Research Center (SSRC) in Orlando (http://www.spaceandscience.net/id16.html), Pressemitteilung vom 02.01.2008. Betrachten wir uns daher die Sonnenbeobachtungen während der letzten Maxima im de Vries/Suess-Zyklus genauer.

Das Muster in der Sonnenzyklenlänge gleicht derzeit sehr stark dem im letzten Maximum des de Vries/Suess-Zyklus. Anschließend begann damals mit dem Dalton-Minimum eine Kälteperiode, in der die Mitteltemperaturen um 1 – 2°C fielen.

Was hat nun auf einmal die Sonnenzyklenlänge (Schwabe-Zyklus) mit der Temperatur auf der Erde zu tun, ganz einfach, je länger ein Zyklus dauert, umso weniger Zyklen gibt es pro Jahrhundert und umso geringer ist deren integrierte Intensität der Sonneneinstrahlung auf die Erde. Des Weiteren gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen Zykluslänge und Höhe des nächsten Maximums im Schwabe-Zyklus – je länger der Zyklus, um so geringer die nächste Sonnenaktivität. Der Zusammenhang zwischen Zykluslänge und Temperatur zeigt die folgende Abbildung:

Die Abbildung zeigt deutlich, dass die Länge der Sonnenzyklen umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Je kürzer die Länge, desto höher die Temperatur, Quelle: ( http://www.intellicast.com/Community/ Content.aspx?ref=rss&a=130). Zur Ermittlung der Relation wurden die Temperaturdaten des Armagh-Observatoriums (Irland) verwendet, weil dieses mit die längsten Temperaturaufzeichnungen hat und somit besonders gut geeignet ist.

Die nächste Betrachtung bezieht sich auf Maximum des de Vries/Suess-Zyklus zu Beginn des 17. Jahrhunderts.

Die Abbildung gibt die Sonnenbeobachtung seit 1610 (Erfindung des Fernrohrs) wider. Es ist schon frappierend, wie sich das Muster der Sonnenaktivität zu Beginn der Kleinen Eiszeit (Zwischen 1672 und 1704 wurde kein einziger Sonnenfleck beobachtet. Die Zeit wurde nach dem britischen Astronom Edward Maunder das Maunder-Minimum genannt.), mit dem des ausgehenden 20. Jahrhunderts gleicht. Die grüne Kurve zeigt die seit 1749 kontinuierlich gemessenen Monatswerte, die rote Kurve zeigt sporadische Beobachtungen. (1) hohes  Maximum.  (2) Zwischenminimum,  (3) erneutes Maximum.

Mögliche physikalische Erklärung – wie hängen die unterschiedlichen Sonnenzyklen zusammen?

Die Sonnenflecken und mit ihnen, die magnetische Aktivität der Sonne lassen sich aus der sog. Babcock-Theorie erklären, folgende Abbildung.

• Zu Beginn des Zyklus vertikale Feldlinien in großer Tiefe.

• Die differentielle Rotation „wickelt“ die Feldlinien um die Sonne.

• Die Feldstärke wird dadurch verstärkt.

• Starke Flussröhren steigen auf und bilden dadurch die Sonnenflecken.

• Am Ende des Zyklus neutralisieren sich die am Äquator entgegen gesetzten Felder.

Die Dynamotheorie nach Babcock besagt, dass sich am Ende des Zyklus, die am Äquator entgegen gesetzten Felder neutralisieren. Diese Neutralisierung läuft umso länger, je stärker der vorherige Zyklus war, da dessen erzeugte Energie zuerst abgebaut werden muss, bevor sich Felder mit entgegen gesetzter magnetischer Polarität bilden können. Der Dynamo läuft sozusagen nach, vergleichbar mit einem realen Dynamo oder einer schnell laufenden Maschine, die umso länger ihre Drehrichtung beibehält, bzw. sich einer Änderung widersetzt, je höher ihre Geschwindigkeit, oder allgemein, je höher ihr erreichtes potentielles Energieniveau ist.

Bei einem Dynamo ist das abgegebene Magnetfeld äquivalent zum Drehimpuls, d.h. je höher die Drehgeschwindigkeit, umso höher die magnetische Energie. Folgt nach einem Maximum eine Verringerung und anschließend eine Polumkehr, so verhindert die sog. Lenzsche Regel (siehe unten) die Flussänderung umso mehr, je höher das vorherige Maximum war.

Weiter ist zu berücksichtigen, dass bei einem neuen Schwabe-Zyklus, die magnetische Polarität der Sonnenflecken gedreht ist. Damit es zu einer Drehung der magn. Polarität kommt, muss eine Umkehrung der Fließrichtung der magnetischen Massen, die letztendlich die Polarität bestimmen, stattfinden. Es setzt im Sonnenmantel eine Veränderung der Fließrichtung in den dortigen Schichten untereinander ein. In der Gesamtheit wirken also zwei Kräfte gegeneinander, die eine, die das bisherige System angetrieben hat und die andere, die das System umstellen möchte. Ist die vorherige Kraft besonders groß gewesen, so hat es die „neue“ Kraft schwer, dieses Moment aufzuheben. Vorher kann keine Änderung des Gesamtsystems erfolgen. Bildhaft kann man sich zwei Walzen vorstellen, die im Sonnenmantel wirken. Die untere (massereichere und trägere) verkörpert den de Vries/Suess-Zyklus und die obere(n) kleinere(n) den Schwabe-Zyklus. Die oberen Drehwalzen werden immer wieder von der unteren (die wegen ihrer hohen Intensität noch läuft und zwar in entgegen gesetzter Richtung) abgebremst, wobei sich gesamt die Kräfte aufheben, bzw. abschwächen.

Auf die Sonnenaktivität und den ausbleibenden 24. Sonnenzyklus heißt dies konkret, dass der 24. Zyklus so gut wie „ausfällt“ – extrem flach, mit einem geringen Wert der Sonnenfleckenrelativzahl von deutlich unter 100. Dies sind Werte, wie sie letztmalig im 17.- und 19. Jahrhundert, während des Maunder-Minimums, bzw. des Dalton-Minimums auftraten. So zeigen z.B. die Messdaten des NASA-Satelliten “Ulysses“, dass der Sonnenwind, der als Folge magnetischer Aktivität variiert, so schwach ist wie seit 50 Jahren nicht mehr. Es ist daher davon auszugehen, dass auf der Erde bald wieder ähnliche Temperaturen herrschen, wie im Dalton Minimum.

Lenzsche Regel http://www.physics.sjsu.edu/ 

Nach der Lenzschen Regel wird durch eine Änderung des magnetischen Flusses durch eine Leiterschleife (Abbildung) eine Spannung induziert, so dass der dadurch fließende Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches der Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt. Die Regel basiert auf dem russischen Physiker Heinrich Lenz.

Die Lenzsche Regel sagt also aus, dass der induzierte Strom eine Änderung des magnetischen Flusses zu verhindern sucht. Allgemein versucht ein elektro-magnetisches System, seinen momentanen Zustand beizubehalten.

Raimund Leistenschneider

Gastbeiträge geben nur die persönlichen Ansichten des Autors wieder und  nicht diejenigen des Blogs Weltenwetter!

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.

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.

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.

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

Die Klimaskeptiker

In letzter Zeit werden in der Öffentlichkeit zunehmend Stimmen laut, die einen menschengemachten Klimawandel, in Richtung einer globalen Erwärmung mit möglicherweise katastrophalen Folgen für unsere Lebensbedingungen auf der Erde, grundsätzlich bestreiten. Nicht der Mensch, sondern die Natur bestimme das Klima, so lässt sich die Kernthese der sogenannten Klimaskeptiker zusammenfassen. Alle Klimaschutzmassnahmen sind reine Geldverschwendung, behindern lediglich den wirtschaftlichen Fortschritt und gefährden darüber hinaus auch noch die persönliche Freiheit der Menschen, heisst es. Mit dieser Ansicht stehen die Klimaskeptiker allerdings gegen die Mehrheit der Wissenschaftler, insbesondere der hauptberuflichen Klimaforscher. Von Politik und veröffentlichter Meinung werden die klimaskeptischen Argumente daher oft ignoriert oder einfach nicht ernst genommen. Das muss aber noch lange nicht heissen, dass die Klimaskeptiker Unrecht haben, denn auch die Mehrheit kann schliesslich irren. In letzter Zeit gewannen die Klimaskeptiker in der Öffentlichkeit sogar an Boden. Eine Gruppe von Wissenschaftlern, darunter auch einige Meteorologen und Klimaforscher bekannte sich offen zu klimaskeptischen Ansichten und gründete, unter der Führung  des anerkannten amerikanischen Atmosphärenphysikers Prof. Fred. Singer, einen Nongovernmental International Panel on Climate Change (Internationale Nichtregierungskommission zum Klimawandel, NIPCC). Diese Organisationveröffentlichte  im März 2008 einen Klimareport, der dem offiziellen Bericht des von der UNO eingesetzten Weltklimarates, des International Panel on Climate Change (Internationale Regierungskomission zum Klimawandel, IPCC) aus dem Jahre 2007 direkt widersprach. Das IPCC hatte darin zum wiederholten Male vor den verhängnisvollen Folgen eines menschengemachten Klimawandels eindringlich gewarnt.

Schauen wir uns nun die wichtigsten Argumente der Klimaskeptiker einmal näher an.

Die Argumente

1. Kritik des Treibhauseffekts

Einige Klimaskeptiker bestreiten rundweg, dass es einen atmosphärischen Treibhauseffekt durch Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O), Ozon (O3) überhaupt gibt. Eine Erwärmung der Erdoberfläche durch die in den meisten Fällen kälteren Treibhausgase widerspreche dem 2.Hauptsatz der Thermodynamik. Dieser  beschreibt die auch aus dem Alltag bekannte Tatsache, dass Wärme stets von der wärmeren auf die kältere Substanz übergeht, aber niemals umgekehrt. 

Kann der Treibhauseffekt also überhaupt funktionieren? Sehen wir genauer hin:  Die Strahlung der Sonne wird vom Erdboden absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Erdboden heizt einerseits von unten die Atmosphäre, gibt andererseits aber auch einen Teil der Wärme direkt als Infrarotstrahlung wieder in Richtung Weltraum ab. Davon absorbieren aber die infrarotaktiven Treibhausgase wiederum bestimmte ausgewählte Wellenlängen, welche ihren jeweils möglichen Eigenschwingungen entsprechen. Einen Grossteil der so empfangenen Energie geben sie durch Zusammenstösse an Nachbarmoleküle ab, und die Atmosphäre erwärmt sich. Die Treibhausgase strahlen aber auch im Infraroten, einen Teil  die Erde in Richtung Weltraum, den anderen Teil als Gegenstrahlung  in Richtung Erdboden. Insbesondere die infrarote Gegenstrahlung aus höheren Luftschichten erreicht aber nicht direkt den Erdboden, sondern wird unterwegs durch noch nicht angeregte Treibhausgasmoleküle absorbiert. Diese geben anschliessend ihrerseits wieder Infrarotstrahlung mit den gleichen Wellenlängen ab, die zuvor absorbiert wurden. Nach und nach arbeitet sich die Gegenstrahlung nach unten durch, um dann aus maximal einigen hundert Metern Höhe direkt den Erdboden zu erreichen. In dieser Höhe ist der Temperaturunterschied zum Erdboden oft nicht mehr sehr gross.

Energiebilanz der Erde Quelle: NOAA

Und was passiert dort? Die Energie der Moleküle des Erdbodens ist entsprechend der Bodentemperatur statistisch verteilt, wobei Wechselwirkungen der Moleküle untereinander auch eine wichtige Rolle spielen. Die durchschnittliche Energieverteilung der Moleküle definiert also  die Temperatur des Erdbodens. Dasselbe gilt analog für die Moleküle der Treibhausgase, aber mit einer Energieverteilung hin zu niedrigeren Werten, da die Treibhausgase kühler sind als der Erdboden. Die Infrarotphotonen der Gegenstrahlung sind dementsprechend im Durchschnitt energieärmer. Treffen sie nun auf den Erdboden, so können sie dort nur Moleküle mit noch niedrigerer Energie anregen, was aber für eine Erwärmung ausreicht, verschiebt sich dadurch doch die statistische  Energieverteilung aller Moleküle des Erdbodens zu höheren Werten.

Die Wärme fliesst so im Endeffekt eindeutig vom wärmeren Erdboden zur kühleren Atmosphäre mit den Treibhausgasen und dann weiter in Richtung Weltraum. Demnach funktioniert der Treibhauseffekt sehr gut, denn der 2. Hauptsatz der Thermodynamik wird nicht verletzt! 

Die infrarote Gegenstrahlung durc die Treibhausgase läaast sich messen. Die Abbildung zeigt sehr schön die Übereinstimmung von Computermodell und Wirklichkeit. Bei bedecktem Himmel ist die Gegenstrahlung deutlich stärker, weil Wolken ebenfalls die infrarote Abstrahlung des Erdbodens absorbieren. Im Gegensatz zu den nur bei bestimmten Wellenlängen infrarotaktiven Treibhausgasen sind Wolken aber kontinuierlich infrarotaktiv und erzielen aher auch einen deutlich stärkeren Treibhauseffekt. Quelle: Wikipedia

Der durch die infrarote Gegenstrahlung der Treibhausgase zusätzlich erwärmte Erdboden gibt dann dem Temperaturanstieg entsprechend mehr Wärme ab; als Infrarotstrahlung   in den Weltraum, mit Wellenlängen bei denen die Treibhausgase nicht absorbieren können (Infrarotfenster), aber auch direkt an die unteren Luftschichten, wodurch wiederum die Konvektion (Luftumwälzung) zunimmt. Letztendlich stellt sich  ein neues Gleichgewicht von Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe auf einem höherem Temperaturniveau ein.

Die Wirkungen der Treibhausgase addieren sich, können sich aber auch gegenseitig (überproportional) verstärken. Nimmt beispielsweise die Konzentration von CO2 in der Luft zu, so wird es zunächst nur ein wenig wärmer. Die wärmere Luft kann jedoch mehr Feuchtigkeit (H2O) aufnehmen. H2O ist aber ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als CO2 und verstärkt so den anfangs relativ geringen Treibhauseffekt des CO2. Ohne Treibhausgase würde auf der Erde eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von nur -18°C herrschen, zu kalt für höheres Leben. Mit Treibhausgasen sind es jedoch lebensfreundliche +15°C.

Diese sogenannte Wasserdampfverstärkung sorgt dafür, dass bei einer Verdopplung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre gegenüber dem vorindustriellen Niveau (280 ppm, parts per million), die globale Durchschnittstemperatur nicht nur um 1°C, sondern um mindestens das Doppelte ansteigt. Die Wirksamkeit dieser Wasserdampfverstärkung wird durch den amerikanischen Klimaforscher Prof. Richard Lindzen, der übrigens den Treibhauseffekt ausdrücklich bejaht, mit seiner Iris-Hypothese infrage gestellt.

2. Wolken bremsen die globale Erwärmung

Richard Lindzen, Professor der Meteorologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) befasste sich mit der Wasserdampfverstärkung und wählte für seine Untersuchungen die pazifische Region der Tropen, wo die Wassertemperaturen des Ozeans im Durchschnitt besonders hoch sind.

Prof. Richard Lindzen Quelle: http://www.flickr.com/

Dabei konnte er zeigen, dass die Luftfeuchtigkeit in der Troposphäre -der untersten Atmosphärenschicht, in der sich das meiste Wettergeschehen abspielt- dort am höchsten ist, wo sich auch die meisten Wolken bilden. Wolken sind demnach also die Hauptquellen für Luftfeuchtigkeit.

Wolken bilden sich, wenn erwärmte, durch Wasserverdunstung feuchte Luft aufsteigt und abkühlt bis bei Erreichen des Kondensationsniveaus winzige Wassertröpfchen entstehen, die zusammen die Wolke bilden. Die dabei  freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme) entspricht der Wärmeenergie, die zuvor notwendig war, um das Wasser zu verdunsten. Diese latente Wärme gibt der aufsteigenden Luft zusätzlichen Auftrieb und verstärkt so noch die Wolkenbildung. Diese funktioniert aber nur dann richtig, wenn kleine Partikel als Kondensationskeime für die Wolkentröpfchen vorhanden sind.  Je mehr Kondensationskeime vorhanden sind, umso kleiner sind die Wassertröpfchen und umso heller daher die Wolke. Bei den Kondensationskeimen kann es sich um Minerale,  Staub- und Russteilchen,  Sulfataerosole, aber auch um biologische Materialien handeln. Über den Tropen bilden sich in hochreichenden Konvektionszellen mächtige Cumuluswolken (Gewitterquellwolken) mit einem  „Amboss“ aus Cirruswolken (Cirrenschirm). Immer wieder gibt es heftige Niederschläge, oft auch mit Hagel. Die unterhalb des Amboss absinkende und sich dabei erwärmende Luft bremst das Wachstum darunter befindlicher kleinerer Cumuluswolken. Die absinkenden Luftmassen unter dem Amboss wirken so als Sperrschicht (Inversion). Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/

Lindzen fand durch die Auswertung von Satellitendaten und -bildern heraus, dass mit zunehmenden Wassertemperaturen der Anteil der hohen Eiswolken (Cirrus) im Verhältnis zu den dazugehörenden niedrigeren Quellwolken (Cumulus)zurückgeht.

Da Cumuluswolken abkühlend, Cirruswolken aber erwärmend wirken, ist das gleichbedeutend mit einer negativen Rückkopplung, welche der auslösenden Erwärmung der Wasseroberfläche entgegenwirkt. Das ist so ähnlich wie bei einer Irisblende, die sich bei zunehmendem Lichteinfall immer weiter schliesst und so eine Überbelichtung verhindert.

Wirkung der Wolken: Bei den verschiedenen Wolkenarten überwiegt entweder die abkühlende oder die erwärmende Wirkung: Die Wassertröpfchen in der Konvektionszone einer Quellwolke reflektieren die Sonnenstrahlen fast vollständig und wirken daher abkühlend. Die Eiswolken des Amboss (Cirrenschirm) lassen zwar das meiste Sonnenlicht hindurch, absorbieren aber sehr effektiv die Infrarotstrahlung vom Boden und erwärmen sich dabei. Ein erheblicher Teil der Wärme erreicht als infrarote Gegenstrahlung wieder den Erdboden, nur ein verhältnismäsig kleiner  Rest wird in den Weltraum abgestrahlt, da die Wolkenoberseite sehr kalt ist. Cirruswolken wirken daher insgesamt gesehen erwärmend. Die tiefen geschichteten Quellwolken unterhalb des Amboss reflektieren genauso wie die hohen Quellwolken der Konvektionszone das Sonnenlicht sehr gut, absorbieren aber auch die Infrarotstrahlung vom Erdboden. Da diese tiefen Wolken aber wegen ihrer warmen Oberseite davon praktisch genau soviel in den Weltraum abstrahlen, wie sie als Gegenstrahlung zum Erdboden zurückschicken, überwiegt eindeutig die abkühlende Wirkung dieser tiefen Wolken. In den wolkenfreien und trockenen Regionen wird das meiste Sonnenlicht von der Erdoberfläche absorbiert, andererseits erreicht die folgende Infrarotabstrahlung aber auch nahezu ungehindert den Weltraum. Quelle:  http://earthobservatory.nasa.gov/

Lindzen erklärt den Rückgang der Cirruswolken bei zunehmenden Wassertemperaturen mit einer beschleunigten Bildung von Regentropfen in den Konvektionszellen der dazugehörigen Quellwolken. Die Regentropfen wachsen natürlich umso schneller, je mehr Luftfeuchtigkeit zur Verfügung steht. Überschreiten die Tropfen jedoch ein kritisches Gewicht, so können sie nicht mehr von den Aufwinden innerhalb der Konvektionszone der Wolke in grössere Höhen getragen werden, um zu gefrieren und als Material für die hohen Cirruswolken zu dienen.

Lindzen geht davon aus, dass der von ihm gefundene Iris-Effekt den Effekt der Wasserdampfverstärkung in etwa aufhebt, so dass nur noch ein 1°C Temperturanstieg bei CO2-Verdopplung übrigbleibt.

Eine im Jahre 2007 veröffentlichte Studie von Klimaforschern an der University of Alabama in Huntsville bestätigt eindrucksvoll den Iris-Effekt nach Lindzen. Das Wissenschaftlerteam untersuchte das Auftreten regelmässiger 30-60 Tage währender Temperaturschwankungen in den Tropen („intraseasonal oscillations“)anhand von Wettersatellitenaufzeichnungen über 6 Jahre. Immer wenn die Wasser-und Lufttemperaturen anstiegen und die Niederschläge zunahmen, ging der Anteil der Cirruswolken relativ zu den Cumuluswolken zurück. Anschliessend kam es dann jeweils zu einer Abkühlung.

Temperaturveränderungen während 9 besonders ausgeprägter „intraseasonal oscillations“ in den Tropen:  Nach dem Temperaturanstieg geht die Anzahl der hohen Eiswolken (Cirren, blau) zurück, die Anzahl der tieferen Wasserwolken (Cumulus, grün) nimmt dagegen zu.Eine eindrucksvolle Bestätigung des Iris-Effekts nach Lindzen! Quelle: Geophysical Research Letters on-line edition: Cirrus disappearance: Warming might thin heat-trapping cloudsr Roy Spencer, Dr. John R. Christy, Dr. W. Danny Braswell, and Dr. Justin Hnilo (2007).

Nach Schätzungen der Wissenschaftler könnte der Iris-Effekt bis zu 75% der globalen Erwärmung durch vermehrte Treibhausgase in der Atmosphäre (wie sie die Zukunftsszenarien der gängigen Klimamodelle voraussagen) rückgängig machen, vor allem dann, wenn dieser Effekt auch bei den Wolken außertropischer Tiefdruckgebiete auftreten sollte (http://www.uah.edu/News/newsread.php?newsID=875 und http://www.sciencedaily.com/releases/2007/11/071102152636.htm).

Der Iris-Effekt ist also Realität und muss daher unbedingt in einem funktionierenden Klimamodell Berücksichtigung finden. Doch wie stark er wirklich ist bleibt trotzdem eine offene Frage. Denn ohne Zweifel hat es in der Vergangenheit der Erde immer wieder Temperaturanstiege von deutlich mehr als 1°C gegeben. Das spricht dafür, dass die Wasserdampfverstärkung doch überwiegt. Ein möglicher Grund ist die wesentlich geringere flächenmässige Ausdehnung der hohen Cumuluswolken im Vergleich zu ihren Cirrenschirmen. Das bedeutet dann automatisch auch, dass die  Abkühlung durch die Cumuluswolken geringer ausfällt als die Erwärmung durch die dazugehörigen Cirrenschirme.

Ein weiterer Grund ist die Zunahme der Luftfeuchtigkeit  bei ansteigenden Wassertemperaturen auch in den wolkenfreien Regionen, auch wenn diese nicht so deutlich ausfällt wie im Bereich der Quellwolken (s.o.), denn kein Iris-Effekt kann hier die Wasserdampfverstärkung kompensieren.

Trotzdem hat der Iris-Effekt die Wasserdampfverstärkung stets soweit gebremst, dass bei global ansteigenden Temperaturen ein galoppierender Treibhauseffekt („run away greenhouse effect“), bei dem die Erde und ihr Leben zwangsläufig den Hitzetod gestorben wären, glücklicherweise bis heute ausgeblieben ist.

3. Die Hockey-Stick-Kurve, lange als schlagender Beweis der menschengemachten globalen Erwärmung gehandelt, beruht auf  einer fehlerhaften Auswertung von Klimadaten und ist damit hinfällig.

Für die Erstellung der Hockey-Stick-Kurve, die in ihrer Form an einen Hockeyschläger erinnert (daher der Name)wurden Klimadaten der letzten Jahrhunderte aus vielen Quellen herangezogen, darunter Messdaten von Wetterstationen, aber vor allem auch indirekte Daten aus Sedimenten, Eisbohrkernuntersuchungen oder Baumringen. Es ergab sich eine globale Temperaturkurve,die über lange Zeit einen relativ gleichmässigen Verlauf zeigte, um dann ab dem 20. Jahrhundert plötzlich stark anzusteigen. Damit unterstützte die Kurve natürlich eindeutig die These von der menschengemachten globalen Erwärmung,vor allem dann, wenn man die gleichzeitig ansteigende Konzentration von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre hinzunahm.

Die umstrittene Hockey – Stick-Kurve.  Quelle: IPCC

Die Hockey-Stick Kurve geriet aber wegen der verwendeten statistischen Methoden in die Kritik. Es wurden systematische Fehler bei der computergestützten Auswertung der Klimadaten und der Mittelwertbildung nachgewiesen, ja sogar ein Programmfehler in der verwendeten Software (Wikipedia). Dadurch wurden die Temperaturen im mittelalterlichen Klimaoptimum im Vergleich zu den aktuellen Werten unterschätzt. Andere Temperaturrekonstruktionen der letzten 1000 Jahre, die zumindest nach bisheriger Kenntnis derartige statistischen Fehler nicht enthalten, zeigen aber trotz höherer Temperaturen während des mittelalterlichen Klimaoptimums, ähnlich wie die Hockey-Stick-Kurve einen beispiellosen globalen Temperaturanstieg in den letzten Jahrzehnten.

Neuere Temperaturrekonstruktion der letzten 1000 Jahre für die Nordhalbkugel Quelle: IPCC

Die Grundaussage der Hockey-Stick-Kurve scheint am Ende doch zu stimmen!

4. Eisbohrkernuntersuchungen aus der Antarktis zeigen, dass die Temperaturkurve stets der CO2-Kurve vorauseilt. Da das Treibhausgas CO2 also offensichtlich nicht die Temperaturen steuert, sondern eher umgekehrt, sind Zweifel an der Klimawirksamkeit des CO2 angebracht.

Die Eisbohrkerne zeigen genau das, was die meisten Klimaforscher vorher schon länger erwartet hatten: In der Vergangenheit waren die Treibhausgase nicht das auslösende Moment des Klimawandels, sondern die Milankovich-Zyklen. Diese bewirken geringe Änderungen bei der Stärke und der Verteilung der Sonneneinstrahlung, welche dann durch Treibhausgase, aber auch andere Rückkopplungsmechanismen verstärkt werden. 

Die Auswertung von Eisbohrkernen aus der Antarktis zeigt. Bei Eis- und Warmzeiten gehen die Temperaturveränderungen der Veränderung bei den Treibhausgasen CO2 und CH4 um jeweils  500 bis 1500 Jahre voraus und nicht etwa umgekehrt!  Die Treibhausgase sind also ist nicht Auslöser, sondern Verstärker globaler Temperaturänderungen. Quelle:  http://www.mpimet.mpg.de/ (Marotzke)

Wird etwa die Sommersonne  auf der Nordhalbkugel zu schwach, um auf den Kontinenten den Schnee und das Eis des vorangegangenen Winters abzuschmelzen, so wächst die Polkappe bis in mittlere Breiten. Dadurch wird mehr Sonnenlicht reflektiert und es wird kälter (Eis-Albedo-Rückkopplung).  Auf der Südhalbkugel gibt es in mittleren Breiten aber nur wenig Landmassen, auf denen sich Schnee halten und mit der Zeit zu Gletschern werden kann. Die Polkappe können sich daher nicht wie auf der Nordhalbkugel bis in mittlere Breiten ausdehnen, so dass sie bei mehr Sonneneinstrahlung auch nur wenig schrumpfen kann.  Die Nordhalbkugel kühlt infolgedessen mehr ab, als sich die Südhalbkugel erwärmt. Das führt insgesamt gesehen zu einer veringerten Freisetzung der Treibhausgase CO2 und CH4 aus den Ozeanen (und aus Sümpfen).  Der dadurch verringerte Treibhauseffekt globalisiert und verstärkt die Abkühlung. So wird es am Ende überall auf der Erde deutlich kälter. 

Das Beispiel zeigt: Nur durch die verstärkende Wirkung der  Treibhausgase lässt sich das tatsächlich feststellbare  Ausmass der Temperaturschwankungen zwischen Eis- und Warmzeiten erklären. 

Milankovich-Zyklen sind periodische Veränderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne, welche durch die Schwerkrafteinwirkung anderer Planeten unseres  Sonnensystems verursacht werden. Dadurch ändert sich erstens die Bahn der Erde selbst. Sie ist einmal mehr elliptisch und dann wieder beinahe kreisförmig (hohe und niedrige Exzentrizität). Das hat natürlich Auswirkungen auf die Sonneneinstrahlung. Zweitens ändert sich der Neigungswinkel der Rotationsachse zur Senkrechten auf der Bahnebene, d.h. die Erde neigt sich mal mehr und mal weniger zur Sonne hin. Die Jahreszeiten sind dann mal mehr und mal weniger ausgeprägt. Und drittens taumelt die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne wie ein sich drehender Kreisel (Präzession). Dadurch herrscht auf der Nordhalbkugel (Südhalbkugel) einmal Sommer (Winter), wenn die Erde den sonnennächsten Punkt ihrer Bahn erreicht und das andere Mal sind die Rollen von Nord- und Südhalbkugel vertauscht. Die Winter und Sommer auf den Erdhalbkugeln fallen dann jeweils wärmer oder kälter aus. Quelle: http://www.hamburger-bildungsserver.de 

Die Milankovich-Zyklen sind also der Taktgeber, und die Treibhausgase gehören zu den Verstärkern des Klimawandels! Durch die vom Menschen zusätzlich in die Atmosphäre entlassenen Treibhausgase wird dieser natürliche Klimawandel  höchstwahrscheinlich übersteuert. 

Während der gesamten Erdgeschichte war insbesondere das Treibhausgas CO2 an der Aufrechterhaltung lebensfreundlicher Bedingungen entscheidend beteiligt. Vor 3-4 Milliarden Jahren schien die Sonne um fast 30% schwächer als heute. Noch vor 1 Milliarde Jahren waren es immerhin noch 10%. Das hat mit der Art und Weise zu tun, wie die Sonne ihre Energie erzeugt. Im Sonneninneren finden bei ungeheuren Temperaturen und Druckverhältnissen Kernverschmelzungsreaktionen statt, bei denen Masse direkt in Energie umgewandelt wird (Massendefekt). Dabei verschmelzen zunächst nur Wasserstoffkerne zu Heliumkernen (Kernfusion), später entstehen auch schwerere Elemente. Mit der Zeit wird der Kern der Sonne so immer schwerer und verdichtet sich. Das verstärkt wiederum die Kernverschmelzungsprozesse, wodurch die Energieerzeugung und Strahlkraft der Sonne zunehmen.

Trotz der früher deutlich schwächer strahlenden Sonne erstarrte die Erde niemals entgültig zu einem Eisball, sondern bot mit durchschnittlichen Temperaturen stets über dem Gefrierpunkt immer ein lebensfreundliches Klima. Ja teilweise war es sogar deutlich wärmer als heute, wie etwa in der Zeit der Dinosaurier, obwohl auch damals die Sonne noch immer ein paar Prozentpunkte schwächer war. Die Erklärung dafür hat vor allem mit dem Treibhausgas CO2 zu tun, wovon es früher in der Erdatmosphäre deutlich mehr gab als heute. Mit zunehmender Strahlkraft der Sonne nahm gleichzeitig die CO2- Konzentration ab und zwar genau so, dass die Temperaturen immer lebensfreundlich blieben. Dies beruht nun aber nicht auf einem unwahrscheinlichen Zufall, sondern findet in der Funktionsweise des langfristigen geologischen Kohlenstoffkreislaufes eine plausible Erklärung: CO2 ist in Form von Kohlensäure wasserlöslich und wird deshalb durch Regen aus der Atmosphäre ausgewaschen. Kohlensäure reagiert mit Silikatgesteinen zu wasserlöslichen Hydrogencarbonaten und bewirkt so eine chemische Gesteinverwitterung. Die Hydrogencarbonate gelangen über den Wasserkreislauf auch in die Ozeane, wo sich nach ausreichender Konzentrierung bei Anwesenheit von Calcium-Ionen unlösliche Calciumcarbonat-Sedimente bilden. Dieser Prozess wird durch kalkschalenbildende Meeresorganismen beschleunigt. Durch diese Verwitterungs- und Ablagerungsvorgänge sinkt natürlich die CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Das Calciumcarbonat gelangt durch Subduktion (Unterschiebung) im Rahmen der kontinentalen Plattentektonik ins Erdinnere. Bei den dort herrschenden hohen Temperaturen und Drücken wird das Calciumcarbonat zu Calciumsilikat umgesetzt. Dabei wird wieder gasförmiges CO2 frei, das sich zunächst im flüssigen Magma löst, um dann später durch Vulkanausbrüche wieder in die Atmosphäre freigesetzt zu werden. Mit zunehmenden Temperaturen, infolge der stärker strahlenden Sonne, regnete es mehr, da die Wasserverdunstung zunahm. Dadurch intensivierte sich die chemische Gesteinverwitterung und die CO2-Konzentration nahm ab und damit auch der Treibhauseffekt. Deshalb blieben die globalen Temperaturen trotz der allmälich stärker strahlenden Sonne im lebensfreundlichen Bereich.

5. Die CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre nimmt zu, und trotzdem sinkt seit einigen Jahren die globale Durchschnittstemperatur wieder. Das spricht gegen einen nennenswerten Einfluss von CO2 auf das Weltklima.

Kein Klimaforscher, der an den Berichten des IPCC beteiligt war, hat jemals behauptet, dass CO2  oder die anderen Treibhausgase das Weltklima allein steuern, weder in der Vergangenheit noch der Gegenwart. Stattdessen wird von einem Zusammenspiel externer Faktoren wie der Sonne und interner Rückkopplungen des Klimasystems ausgegangen, bei denen neben den Treibhausgasen auch viele andere Faktoren eine wichtige Rolle spielen.

Globale Durchschnittstemperatur 1850-2008 Quelle: Met Office Hadley Centre

Von daher darf es nicht überraschen, wenn es vorübergehend zu einer Entkopplung zwischen CO2  und globaler Durchschnittstemperatur kommt. So war es in den Jahren 1940-1975 und so ist es anscheinend auch wieder seit 1998. Diese vorübergehenden Abkühlungsphasen sind auf natürliche Schwankungen im Klimasystem zurückzuführen.

Die wichtigsten natürlichen Einflussfaktoren auf das Klima in Stichworten:

A. Die Atlantische Multidekaden Oszillation (AMO) beruht auf einer alle 20-30 Jahre auftretenden Veränderung in der thermohalinen Zirkulation des Golfstroms, wodurch sich die Temperaturen des Nordatlantik deutlich verändern.  Wie alle Meeresströmungen wird auch der Golfstrom  durch Winde, aber auch durch Veränderungen von Temperatur und Salzgehalt des Meereswassers  angetrieben (thermohaline Zirkulation).

Golfstrom: Die warme und turbulente Meeresströmung bildet immer wieder Wirbel aus, insbesondere da, wo mit kalten Meeresströmungen aus dem Norden zusammentrifft. Quelle: http://idw-online.de/

Das vom Äquator zu den Polen strömende Warmwasser gibt seine Wärme nach und nach an die darüberliegenden Luftschichten ab. Infolge der Verdunstung erhöht sich darüber hinaus der Salzgehalt des Wassers stetig.  Durch beide Vorgänge nimmt die Dichte des Wassers solange zu, bis es in abwärtsgerichteten Wirbeln abzusinken beginnt. Solche Absinkzonen befinden sich beispielweise südlich von Grönland und bei Island. Die Bildung von kaltem und salzhaltigem Tiefenwasser, welches wieder in Richtung Äquator strömt, verstärkt ihrerseits wie eine Pumpe die Meeresströmung.  Die vom Golfstrom erwärmte feuchte Meeresluft gelangt mit den in mittleren Breiten vorherrschenden Westwinden (und ihren nach Osten ziehenden Tiefdruckwirbeln) nach Europa und sorgt dort für ein mildes Klima. Eine Abschwächung des Golfstroms (negative AMO) bedeutet also eine deutliche Abkühlung. Eine Verstärkung des Golfstroms (positive AMO) wirkt dagegen erwärmend.

B. Die Nordatlantische Oszillation (NAO )ist eine Druckschaukel zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden des Nordatlantik mit grossem Einfluss auf das Klima in vielen Regionen auf der Nordhalbkugel.

Positive Phase: Islandtief und Azorenhoch sind stark und treiben gemeinsam den Jetstream sosehr an, dass dieser stabil bleibt und nur wenig mäandert. Es bilden sich zahlreiche und kräftige Sturmtiefs, die mit den Westwinden nach  Nord-, West- und Mitteleuropa gelangen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes und wechselhaftes Wetter sorgen (zonale Luftzirkulation). Nur einige wenige Sturmtiefs erreichen den ansonsten trockenen Mittelmeerraum. Das starke Azorenhoch als Bestandteil des subtropischen Hochdruckgürtels bringt Nordostpassate, die an der westafrikanischen Küste kaltes Tiefenwasser hervorquellen lassen. Die Temperaturen des Oberflächenwassers im Nordatlantik sinken, so dass sich hier weniger weniger tropische Wirbelstürme bilden können. Der stabile, nur schwach mäandernde Jetstream schliesst die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so dass nur selten Kaltluft in den Süden vorstossen kann.

Negative Phase: Islandtief und Azorenhoch sind schwach. Der Jetstream ist instabil, mäandert deutlich stärker und bringt nur relativ wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs hervor. Die Westwinde kommen immer wieder teilweise zum Erliegen. Ausgedehnte blockierende Hochs lenken die Sturmtiefs in den Mittelmeerraum um, wo es deutlich feuchter wird. In West- und Mitteleuropa bleibt es häufig trocken, da delich weniger Sturmtiefs dorthin gelangen. Insbesondere im Winter kommt es wegen des instabilen Jetstreams immer wieder zu Kaltluftausbrüchen. Umgekehrt gelangt aber auch immer wieder Warmluft bis weit in den Norden (meridionale Zirkulation). Die Nordostpassate sind relativ schwach, die Wassertemperaturen im Nordatlantik steigen, und das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Quelle: http://airmap.unh.edu/

C. Die Pazifische Dekadische Oszillation (PDO) geht mit alle 20-30 Jahre abrupt wechselnden   Wassertemperaturen sowohl im zentralen Nordpazifik als auch vor der nordamerikanischen Pazifikküste einher. Ein positiver PDO-Index wirkt erwärmend, ein negativer PDO-Index abkühlend.

Positive Phase: Der zentralen Nordpazifik ist kalt, die Westküste Nordamerikas und der östliche Südpazifik dagegen warm. Über dem kalten Oberflächenwasser des zentralen Nordpazifik bildet der Jetstream relativ leicht einen Höhentrog aus, in dem sich ein kräftiges Aleutentief (bei der Inselgruppe der Aleuten zwischen Nordamerika und Asien) entwickelt , welches tropische Warmluft in den Nordwestpazifik bis hoch in den Norden lenkt. Über den Regionen der nordamerikanischen Westküste liegt dann ein Hochkeil, der für warmes und trockenes Wetter sorgt. Im Osten Nordamerikas liegt dann wieder ein Trog mit Tiefs, die Schlechtwetter bringen.

Negative Phase: In der negativen Phase sind die Verhältnisse genau umgekehrt: Der zentrale Nordpazifik ist warm, der östliche Südpazifik und die nordamerikanische Westküste eher kühl. Über dem warmen Oberflächenwasser des zentralen Nordpazifik bildet der Jetstream nun häufig einen Hochkeil. Das Aleutentief bleibt daher schwach oder fehlt ganz. So gelangt kaum Warmluft in den Norden. Über der Westküste Nordamerikas liegt ein Trog mit Tiefs, die für mildes und feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen. Über dem östlichen Nordamerika folgt dann meistens wieder ein Hochkeil mit schönem Wetter. Quelle: http://jisao.washington.edu/

D. Das ENSO – Phänomen scheint mit der PDO zusammenzuhängen, ist aber deutlich kurzfristiger. Die El Nino – Phase führt über eine Erwärmung des Oberflächenwassers im tropischen Pazifik zu einem vorübergehenden globalen Temperaturanstieg. In der La Nina – Phase läuft alles genau umgekehrt. El Nino ähnelt einer positiven, La Nina einer negativen PDO.

La Nina: 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: Sinkt aufgrund  veränderter Meeresströmungen 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.

Es scheint so, als ob während einer positiven PDO die El Ninos, während einer negativen PDO hingegen die La Ninas häufiger vorkommen und auch deutlich ausgeprägter verlaufen.

All diese natürlichen Klimaschwankungen überlagern jedoch lediglich einen stetigen Aufwärtstrend bei den globalen Temperaturen. Auch bei der derzeitigen Abkühlung liegen die globalen Jahresdurchschnittstemperaturen noch immer deutlich über dem langjährigen Mittel (1961-1990)! Das Ende der globalen Erwärmung auszurufen, wie es viele Klimaskeptiker es derzeit tun, erscheint also reichlig voreilig!

Tonumfang eines Klaviers: Die kleine Oktave enthält die tiefsten, die dreigestrichene Oktave die höchsten Töne. Quelle: http://www.hhc-ditzingen.de/

Es verhält sich mit den globalen Durchschnittstemperaturen so ähnlich wie bei einer Melodie, die mit ihren hohen und tiefen Tönen auf dem Klavier  gespielt und dann in immer höheren Oktaven (Tonlagen) wiederholt wird.

Bleibt noch nachzutragen, dass wahrscheinlich auch industrielle Sulfataerosole bei der zwischenzeitlichen Abkühlung in der Mitte des 20.Jahrhunderts mitwirkten und vielleicht auch heute wieder. In den fünfziger und sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts erlebten Europa, die USA und Japan spektakuläre Wirtschaftaufschwünge, die mit einer starken Luftverschmutzung einhergingen. Dadurch stieg die Konzentration der Sulfataerosole in der Atmosphäre. Sulfataerosole reflektieren direkt das Sonnenlicht und unterstützen als Kondensationskeime die Bildung von Wolken, welche ebenfalls das Sonnenlicht reflektieren. Eine erhöhte Anzahl an Kondensationskeimen lässt zudem bei der Kondensation mehr kleine Wassertröpfchen entstehen, wodurch die Wolken heller erscheinen und das Sonnenlicht noch mehr reflektieren. Die Sulfataerosole wirken dadurch stark abkühlend. In den siebziger Jahren brachten Umweltschutzmaßnahmen in den betreffenden Staaten einen deutlichen Rückgang der Luftverschmutzung und damit auch der Sulfataerosole. Der menschengemachte zusätzliche Treibhauseffekt konnte sich nun weitgehend durchsetzen, und die globaleDurchschnittstemperatur kletterte wieder. In den Achtzigern, vor allem aber in den neunziger Jahren begann in den asiatischen Tigerstaaten (China, Taiwan, Südkorea, Malaysia, Singapur, Vietnam und Indien) ein  gewaltiger Wirtschaftsaufschwung mit einer beispiellos schnellen, nachholenden Industrialisierung, die bis heute anhält, aber leider fast ohnef begleitende Umweltschutzmaßnahmen. Dadurch gelangten wieder mehr abkühlend wirkende Sulfataerosole in die Atmosphäre. Diese könnten durchaus bei der derzeitigen leichten Abkühlung eine Rolle spielen.

Immer mehr der hier genannten Faktoren sind natürlich auch den Klimaforschern des IPCC bekannt und werden gerade in den neueren Klimamodellen, soweit irgend möglich, miteinbezogen. Die Klimamodelle nähern sich dadurch immer mehr der komplizierten Wirklichkeit. So ist es immerhin schon möglich, viele Einzelheiten aus der Klimageschichte der Erde verblüffend genau zu simulieren. Eiszeiten und Warmzeiten werden in neuen Klimamodellen nahezu exakt so abgebildet, wie sie aus den Eisbohrkernuntersuchungen rekonstruiert wurden. Grund genug, denke ich, Klimamodellen ein gewisses, wenn auch nicht grenzenloses Vertrauen entgegenzubringen. Es erscheint kein hoffnungsloses Unterfangen mehr zu sein, glaubwürdige Zukunftsszenarien eines Klimawandels zu entwerfen.   

6. Die Sonne steuert über eine Änderung der Wolkenbedeckung das Klima. 

Die veränderliche Sonnenaktivität ist für das Klima natürlich entscheidend,  die direkten Auswirkungen sind aber trotzdem gering. Erst über die verstärkende Wirkung interner Rückkopplungsmechanismen des Klimasystems, darunter auch die Wirkungen der Treibhausgase, kommt ein erkennbarer Einfluss auf das globale Klima zustande, der aber immer nur vorübergehend ist. Deshalb gilt auch bei der Sonne das zu den anderen natürlichen Einflüssen auf das Klima schon Gesagte.

Nach Ansicht vieler, wenn nicht der meisten Klimaskeptiker, steuert die veränderliche Sonne aber doch (fast) ganz allein das Klima. Eine erhöhte Sonnenaktivität führt zur Erwärmung und umgekehrt. Ausschlaggebend soll ein indirekter Effekt sein: Die mit zunehmender Sonnenaktivität verstärkte, aus elektromagnetischen Wellen und geladenen Partikeln bestehende Sonnenstrahlung, verändert das Magnetfeld der Erde. Dadurch wird die kosmische Partikelstrahlung besser abgeschirmt, welche in beachtlichem Umfang Kondensationskeime für Wolken erzeugt. Daher gibt es weniger Wolken, die das Sonnenlicht reflektieren. Die Wolken, die sich bilden sind zudem dunkler, wodurch ihr Reflektionsvermögen noch weiter zurückgeht (s.o.). Das bewirkt eine Erwärmung des Bodens und letztlich dann der darüber befindlichen Luftschichten der Troposphäre (Svensmark, H.; Friis-Christensen,E.: Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage, a missing link in solar-terrestrial Physics; J.Atm.Sol.Terr.Phys., 59 (11), 1997, S.1225-1232). Die Treibhausgase spielen nach Ansicht der Klimaskeptiker allerhöchsten eine Nebenrolle. Diese indirekte Wirkung der Sonne auf die Wolkenbedeckung  der Erde erscheint plausibel. Allerdings gelang es bisher nicht, einen direkten Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung und Wolkenbedeckung überzeugend nachzuweisen.

Satellitenmessungen der Wolkenbedeckung (ISCCP, International Satellite Cloud Climatology Project) zeigten nur von 1983-1993 einen Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung und Wolkenbedeckung, danach dann aber nicht mehr. Quelle: http://www.pik-potsdam.de/~stefan/

Auch das Muster der heutzutage stattfindenden globalen Erwärmung spricht eindeutig dagegen, denn nach derzeitigem Erkenntnisstand sind die Nachttemperaturen deutlich stärker angestiegen als die Tagestemperaturen (http://www.env.gov.bc.ca/air/climate/indicat/maxmin_id1.html und  http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=454199).

Wäre eine geringere Wolkenbedeckung für die globale Erwärmung verantwortlich, so müssten die Temperaturen am Tage stärker ansteigen als in der Nacht, denn am Tage scheint ja die Sonne, die dann weniger abgeschirmt  würde. In der Nacht hingegen kühlt es bei einer geringeren Wolkenbedeckung schneller ab, denn Wolken absorbieren die Infrarotabstrahlung des Bodens und schicken sie teilweise als Gegenstrahlung wieder zurück. 

Sind die Treibhausgase jedoch für die verstärkte Erwärmung verantwortlich, so bilden auch mehr tiefe Wolken, die das Sonnenlicht abschirmen und weniger hohe Wolken, die erwärmend wirken (Iris-Effekt, vgl. Die Argumente der Klimaskeptiker I), . Das mindert die zusätzliche Erwärmung durch mehr Treibhausgase deutlich ab. In der Nacht scheint keine Sonne, aber die Treibhausgase wirken nach wie vor und bekommen nun sogar noch Schützenhilfe auch durch die tiefen Wolken.

Eine globale Erwärmung vorwiegend durch Treibhausgase sollte sich also in erster Linie bei den Nachtemperaturen bemerkbar machen und genau so wurde es ja auch gefunden!

Anhang: Globale Zirkulation

Infrarotbild der Erde (Meteosat):

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.  Quelle:  http://www.metoffice.gov.uk/

Auf der Nord- und der Südhalbkugel treffen tropische Warmluft und polare Kaltluft  jeweils in den mittleren Breiten aufeinander. Da warme Luft sich (vertikal) mehr ausdehnt als kalte Luft, erzeugt der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen auch einem Druckgradienten, der mit wachsender Höhe immer mehr zunimmt. Daraus resultieren über beiden Erdhalbkugeln polwärts gerichtete Winde, die unter dem Einfluss der Erdrotation  zu Westwinden abgelenkt werden. In grösserer Höhe (obere Troposphäre) bilden sich wegen des hohen Druckgradienten Starkwindbänder, die  Jetstreams. Aus mit 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 wechselhaftes Wetter. Cyclonen beziehen ihre Energie nicht nur aus den Jetstreams, sondern auch aus der latenten Wärme, die bei der Wolkenbildung  frei wird. Die Cyclonen ihrerseits treiben damit wiederum die Jetstreams an.

Über den 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 der sich die meisten Wettervorgänge abspielen. Die Stratosphäre enthält grössere Mengen Ozon, das die für das Leben gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dadurch ist die Stratosphäre 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.

Cyclonen und Anticyclonen erzeugen Schwingungen innerhalb der Jetstreams. Bei Überschreiten einer kritischen Windgeschwindigkeit beginnen die Jetstreams zu mäandern und bilden Rossby-Wellen aus. In den cyclonalen Wellentälern (Höhentrögen) wird polare Kaltluft äquatorwärts, in den anticyclonalen Wellenbergen (Hochkeilen, Rücken) tropische Warmluft polwärts transportiert (meridionaler Transport). Bei einem stark mäandernden Jetstream bricht die Höhenströmung teilweise zusammen, so cyclonale und anticyclonale Wirbel abspalten können. Anschliessend erneuert sich die Höhenströmung polwärts wieder. 

Die cyclonalen Wirbel (Kaltlufttropfen, kalte Höhentiefs) bewegen sich (langsam) mit den jeweils vorherrschenden Winden und bringen schlechtes Wetter. Die anticyclonalen Wirbel bleiben oft stationär und zwingen als blockierende Hochdruckgebiete die von Westen herannahenden dynamischen Tiefdruckgebiete zu oft grossen Umwegen. In ihrem Einflussbereich herrscht sonniges Wetter bei zumeist wolkenfreiem Himmel. Nachts kann es  wegen der fehlenden Wolken allerdings auch empfindlich kalt werden. Bei ausreichender Luftfeuchtigkeit bilden sich dann bodennahe Nebel.

Auf beiden Erdhalbkugeln bildet eine Reihe dynamischer Hochdruckwirbel (Anticyclonen) jeweils einen subtropischen Hochdruckgürtel, welche wegen der zumeist fehlenden Wolken auf Satellitenbildern gut auszumachen sind  (Wüstenklima der Subtropen). Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) strömen die warmen Luftmassen aus den Subtropenhochs von Nord- und Südhalbkugel zusammen (Konvergenz) und werden gehoben. Wegen der hohen Luftfeuchtigkeit in den Tropen bilden sich hier auffällig viele Wolken (tropisch feuchtes Klima mit häufigen und heftigen Gewittern). Die über der ITCZ gehobenen Luftmassen erreichen die Subtropenhochs, um dort wieder abzusinken. ITCZ und Subtropenhochs sind somit (auf beiden Erdhalbkugeln) über eine Reihe von Konvektionszellen miteinander verbunden, die Hadley-Zellen.

7. Es gibt keine eindeutigen Anzeichen einen tiefgreifenden Klimawandel und erst recht nicht für eine drohende Klimakatastrophe.

Von fehlenden Anzeichen für einen Klimawandel kann nun wirklich keine Rede sein. Ganz im Gegenteil, die Hinweise mehren sich und stimmen auch recht gut mit den Vorhersagen der Klimamodelle überein. Ein paar Beispiele:

A. Abschmelzen des Arktischen Meereises: 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..Diese von einem bestimmten Punkt an nicht mehr aufzuhaltende Eis-Albedo-Rückkopplung sorgte in den letzten Jahrzehnten für überproportional zunehmende Temperaturen in der Arktis, zieht man den Vergleich mit den anderen Regionen auf der Nordhalbkugel.

Rückgang des Meereises am Nordpol Quelle: http://nsidc.org/

B.Eisschmelze in Grönland: Auch das grönländische Festlandeis geht zurück, wenn auch vorerst noch relativ langsam. In Höhenlagen von unter 1500m geht das Eis zwar deutlich zurück, in noch höher gelegenen Regionen jedoch, nimmt die Dicke des Eisschildes zu.Dafür gibt es eine einfache Erklärung: Durch ansteigenden Wassertemperaturen verdunstet über den Ozeanen mehr Wasser. Das Landesinnere von Grönland wirkt als Kältefalle, denn in den dort vorherrschenden Höhenlagen von über 1500 m bleiben die Temperaturen stets unter Null. Der erhöhte Wasserdampfgehalt der Luft führt dann im Landesinneren von Grönlanf zu vermehrtem Schneefall. Dadurch nimmt das Inlandeis zu. Ganz anders in den Randzonen von Grönland, in Höhenlagen von unter 1500 m: Hier schmelzen die Gletscher mit wachsendem Tempo. Das Schmelzwasser auf den Gletschern sickert durch die Eisschicht hindurch und ruft dabei tiefe spiralförmige Löcher hervor, durch die weiteres Wasser, aber auch Gesteinstrümmer leicht eindringen können. Die Gesteinstrümmer geraten dabei in eine kreisförmige Bewegung und sorgen so für eine deutliche Erweiterung der Löcher, wobei sie selbst rund geschliffen werden. Da die Steine ähnlich wie das Mahlwerk einer Mühle das Gletschereis zermahlen, spricht man auch von Gletschermühlen. Durch die stark erweiterten Löcher können nun noch viel größere Mengen an Schmelzwasser vordringen und bis an die Unterseite der Gletscher gelangen, wo sie wie ein Schmiermittel wirken. Die Fließssgeschwindigkeit der Gletscher nimmt dadurch drastisch zu. Immer mehr Festlandsgletscher rutschen so immer schneller ins Meer (Rahmstorf).

Schmelzwasser gelangt durch Gletschermühlen (moulins), aber auch durch sich erweiterndeGletscherspalten (crevasses) unter den Gletscher und wirkt auf dem felsigen Untergrund wie einSchmiermittel. Quelle: http://www.pnas.org/cgi/reprint/0705414105v1

Die Eismassen Grönlands werden so nach und nach instabil und geraten ins Rutschen. Dadurch gelangt Eis aus größeren in geringere Höhenlagen und beginnt ebenfalls zu schmelzen. Bei einem vollständigen Abschmelzen des grönländischen Eisschildes würde der Meeresspiegel um über 7m ansteigen. Aber auch wenn nur Teile des Eisschildes, etwa in Südgrönland, betroffen wären, kämen noch immer noch einige Meter dabei heraus!

D. Heissere und trockenere Sommer, aber auch mehr Starkregen

Durch die globale Erwärmung sind auf der Nordhalbkugel in West- und Mitteleuropa heissere Sommer mit länger anhaltenden Trockenzeiten häufiger geworden. Das könnte zum einen mit einer Verlagerung des Polarfrontjetstreams in Richtung Nordpol zusammen, wodurch Mitteleuropa häufiger unter Hochdruckeinfluss gerät. Ursache für diese Verlagerung ist ein „Vordringen“ der tropischen Warmluft und ein „Rückzug“ der polaren Kaltluft.

Ausserdem ist der Jetstream auch schwächer geworden, denn der ihn antreibende Temperaturgradient auf der Nordhalbkugel hat sich infolge der überproportionalen Erwärmung der Arktis deutlich verringert. Dadurch sinkt auf der Nordhalbkugel der Temperaturgradient, der den Jetstream antreibt. Der schwacher Jetstream ist instabil und mäandert sehr. Das begünstigt einerseits blockierende Hochdruckgebiete mit der Abschnürung von Kaltlufttropfen (Cut Off – Tiefs), anderseits aber auch die Herausbildung grosser Tröge.

Auch auf der Südhalbkugel hat sich der Polarfrontjetstream zwar ebenfalls polwärts verlagert, ist aber nicht schwächer geworden. Im Gegensatz zur Arktis hat sich die Antarktis insgesamt gesehen nicht erwärmt, so dass der Temperaturgradient auf der Südhalbkugel nicht abgenommen hat.

Bildung von Höhentrögen und eines Kaltlufttropfen (Cold Outbreak) im mäandernden Jetstream L= Low Pressure Systeme (Tief), H=High Pressure Systeme (Hoch) Quelle: http://www.britannica.com/

Innerhalb der Hochdruckgebiete ist das Wetter heiss und trocken, während Tröge und Kaltlufttropfen Niederschläge bringen. Diese fallen in Form von Starkregen, denn eine erhöhte Wasserverdunstung infolge ansteigender Temperaturen erhöht direkt die Wassermenge, die abregnen kann. Eine erhöhte Wasserverdunstung stellt aber auch mehr latente Wärme zur Verfügung, welche wiederum die Wolkenbildung antreibt. Auch das bringt heftigere Niederschläge.

E. Verlängerung der Vegetationsperioden: Die durchschnittliche Vegetationsperiode der Pflanzen in den gemäßigten Breiten ist in den letzten Jahrzehnten um ca. 14 Tage länger geworden. Ein Beispiel aus Deutschland:

Links: Laubentfaltung der Hängebirke (Betula pendula) zwischen 1951 und 2000:

Rote Quadrate: Stationen mit Verspätungen (positiver Trend), Kreise: Stationen mit Verfrühungen, wobei gelb = schwach negativer, blau = stark negativer Trend , große Symbole: Stationen mit signifikanten Trends.

Rechts: Laubverfärbung zwischen 1951 und 2000:

Blaue Quadrate: Stationen mit Verspätungen (positiver Trend); Rote Kreise: Stationen mit Verfrühungen, große Symbole: Stationen mit signifikanten Trends.

Das eindeutige Überwiegen der blauen (und der gelben) Kreise und Quadrate zeigt die Verlängerung der Vegetationsperiode innerhalb von 30 Jahren.

Quelle: http://www.waldwissen.net/

F.Veränderungen in der Tierwelt:

Viele Vogelarten in Europa und Nordamerika brüten im Mittel 6 bis 14 Tage früher als noch vor 30 Jahren. Bei den Zugvögeln in den mittleren Breiten wird in den letzten Jahrzehnten ein zunehmend späterer Wegzug, ein früherer Heimzug, eine Verkürzung der Zugstrecken oder häufigeres Überwintern im Brutgebiet beobachtet. So kommen Zugvögel nun um 1,3 bis 4,4 Tage pro Jahrzehnt früher an (http://www.waldwissen.net/).

Tiere die früher nur in tropischen oder subtropischen Regionen zuhause waren, wandern zunehmend in höhere Breiten ein. Kälteliebende Arten ziehen sich immer mehr in die engere Umgebung der Pole zurück. Das gilt für Land- und Meeresbewohner gleichermaßen (Tim Flannery, Wir Wettermacher http://www.wir-wettermacher.de/home).

G. Gletscherschmelze: Weltweit schrumpfen die Gletscher. Es gibt nur ganz wenige Ausnahmen (ganze 1% aller Gletscher), wie beispielsweise die Gebirgsgletscher in Norwegen. Diese liegen noch innerhalb des Bereichs, den die Zugbahnen der Tiefdruckgebiete der Westwindzone erreichen. Die Tiefs bringen Niederschläge, die in den Höhenlagen der norwegischen Gebirge häufig als Schnee fallen und dadurch wiederum die örtlichen Gletscher wachsen lassen. Die wachsenden Gletscher in Norwegen widersprechen also keinesfalls dem Befund einer globalen Erwärmung, sondern sind als eindrucksvolle Bestätigung aufzufassen!

H. Meersspiegelanstieg

Seit dem Beginn der Industrialisierung bis heute hat sich der Anstieg des Meeresspiegels deutlich beschleunigt. Im gesamten 18. Jahrhundert erhöhte er sich nur um 2 cm, im 19. Jahrhundert bereits um 6 cm, und im 20. Jahrhundert bereits um 19 cm.

Der durchschnittlich gemessene Anstieg des Meeresspiegels betrug im 20. Jahrhundert 1,7 ± 0,5 mm pro Jahr, zwischen 1961 und 2003 jährlich 1,8 ± 0,5 mm. Die Anstiegsraten beschleunigten sich also zuletzt. Zwischen 1993 und 2003 stellten Satelliten dem gegenüber einen durchschnittlichen jährlichen Anstieg um 3,1 ± 0,7 mm fest. Gegenüber den Jahrzehnten zuvor ist dies ein beinahe doppelt so hoher Wert (IPCC). 

Der Anstieg des Meeresspiegels Quelle: Wikipedia, IPCC

Eine Destabilisierung des grönländischen Eisschildes (s.o.) könnte diesen Anstieg zudem dramatisch beschleunigen.

I. Mehr Stürme

Bis Anfang der neunziger Jahre des 20.Jahrhunderts gab es auf der Nordhalbkugel, wie von den meisten Klimamodellen voraussgesagt, mehr und auch stärkere Stürme. Danach kehrte sich der Trend allerdings um.

Um diese zunächst widersprüchlich erscheinende Entwicklung  zu erklären, müssen wir noch einmal auf die Nordatlantischen Oszillation (NAO) zurückkommen, eine Druckschaukel zwischen Azorenhoch und Islandtief,  denn sie vor allem bestimmt Stärke und Anzahl der Stürme in den mittleren Breiten. Daneben ist auch noch die durch Wasserverdunstung zugeführte latente Wärme wichtig.

Ein positiver NAO – Index steht für einen hohen Druckgradienten zwischen Azorenhoch und Islandtief mit starker Sturmaktivität, ein negativer NAO – Index für einen niedrigen Druckgradienten mit schwacher Sturmaktivität.

Positiver NAO-Index: Ein hoher Temperaturgradient mit ausgeprägtem Islandtief und Azorenhoch und ein starker Polarwirbel treiben den Jetstream an, der stabil bleibt und nur wenig mäandert. Zahlreiche starke Sturmtiefs bringen milde und feuchte Luft nach West- Mittel- und sogar Nordeuropa und sorgen unter ihren Zugbahnen für ein mildes, aber wechselhaftes Wetter mit häufigen Niederschlägen. Im Mittelmeerraum, den nur wenige Sturmtiefs erreichen, ist es überwiegend trocken.Starke Passatwinde lassen kaltes Tiefenwasser an der westafrikanischen Küste hervorquellen. Wegen des dadurch kühleren Oberflächenwassers im Nordatlantik gibt es weniger tropische Wirbelstürme.

Negativer NAO – Index: Ein niedriger Temperaturgradient auf der Norhalkugel und ein nur schwach ausgeprägter Polarwirbel gehen mit einem instabilen, stark mäandernden Jetstream einher. Immer wieder gibt es Kaltluftausbrüche und blockierende Hochdrucklagen. Bei schwachen, immer wieder stockenden Westwinden erreichen nur wenige Sturmtiefs West-, Mittel- oder gar Nordeuropa, wo es dadurch deutlich trockener wird. Stattdessen werden die Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umgelenkt. Dort gibt es nun bei wechselhafterem Wetter deutlich mehr Regen. Schwächere Passatwinde begünstigen tropische Wirbelstürme, weil die Wasseroberfläche des Nordatlantik nicht mehr durch aufquellendes, kaltes Tiefenwasser gekühlt wird. Quelle: http://www.washington.edu/

Die Zunahme von Treibhausgasen wirkt zwar durch den Treibhauseffekt in der Troposphäre erwärmend, in der Stratosphäre jedoch abkühlend. Der Grund für diese Abkühlung: Die Infrarotabstrahlung vom Erdboden erreicht kaum noch die Treibhausgase in der Stratosphäre, da die Treibhausgase in der Troposphäre schon fast alles absorbiert haben. Die Treibhausgase in der Stratosphäre werden aber durch Zusammenstöße mit Nachbarmolekülen anderer Atmosphärengase angeregt. Da die Luft in dieser grossen Höhe aber schon sehr dünn ist, strahlen sie einen erheblichen Teil der so gewonnnenen Energie in den Weltraum ab, bevor sie durch erneute Zusammenstöße mit Nachbarmolekülen wieder zurückgegeben werden kann. Diese Energoe geht der Stratosphäre somit unwiderruflich verloren. Und genau aus diesem Grunde wirkt eine Zunahme von Treibhausgasenin in der Stratosphäre abkühlend. Das macht sich ganz besonders in der Polarnacht bemerkbar, wo es praktisch keine Wärmezufuhr durch die Sonne mehr gibt. Der Polarwirbel wird dann durch den höheren Temperaturgradienten in der Stratosphäre stärker. Der Polarwirbel treibt aber wiederum den Jetstream an, und die Sturmaktivität nimmt zu (positiver NAO-Index). Die Klimamodelle bewerteten den Einfluss des Polarwirbels auf die Sturmaktivität sehr hoch. Eine Zunahme der Treibhausgase in der Stratosphäre sollte also zu mehr und auch stärkeren Stürmen führen. Man unterschätzte dabei allerdings die Auswirkungen eines durch die überproportionale Erwärmung der Arktis verringerten Temperaturgradienten in der Troposphäre. Durch die überproportionale Erwärmung in der Arktis wurde der troposphärische Temperaturgradient immer geringer bis er den Einfluss des Polarwirbels  allmälich überkompensierte und die Stürme wieder nachliessen.

NAO – Index: Nach einer deutlichen Tendenz zu positiven Werten, ging es zuletzt wieder etwas abwärts. Quelle: http://www.cru.uea.ac.uk/

Diese teilweise Fehleinschätzung, was die Stürme in den mittleren Breiten  betrifft, spricht nun aber keinesfalls grundsätzlich gegen Klimamodelle, denn diese werden natürlich mit jedem erkannten Fehler  ein Stück besser.

Und die tropischen Wirbelstürme? Auch hier ergibt sich ein differenziertes Bild:

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.

Hurrikan Rita Quelle: NOAA 

Mit zunehmender globaler Erwärmung steigen auch die Wassertemperaturen und damit auch die Zufuhr latenter Wärme, so dass die tropischen Wirbelstürme an Kraft gewinnen. Darüber hinaus können auch mehr tropische Wirbelstürme entstehen, wenn immer mehr Wasserflächen der Ozeane die ktitische Temperatur von 26°C erreichen oder sogar überschreiten.

Nach einer neueren Studie von Greg Holland (NCAR) nimmt im Nordatlantik die Anzahl tropischer Wirbelstürme (Hurrikans) infolge ansteigender Wassertemperaturen allmälich zu. Quelle: http://www.ucar.edu/

So bildete sich im März 2004 erstmals seit Beginn der Aufzeichnungen ein tropischer Wirbelsturm (Hurrikan) auf dem Südatlantik vor der Küste von Brasilien. Auch der Hurrikan Delta liess aufhorchen,. Er enstand ungewöhnlich weit östlich im Nordatlantik und erreichte die Kanarischen Inseln. Ja sogar im Mittelmeer tauchen mit den zunehmenden Wassertemperaturen immer öfter wirbelsturmähnliche Druckgebilde auf.

Wirbelsturmartige Struktur über dem westlichen Mittelmeer. Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/

In allen diesen Fällen bildete sich der tropische Wirbelsturm aus einem verirrten aussertropischen Tiefdruckgebiet (Kaltlufttropfen). 

Allerdings hat auch die Sonne einen erheblichen Einfluss auf die Häufigkeit tropischer Wirbelstürme. 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/). Im West- und Ostatlantik zeigte die Studie auf den ersten Blick vollkommen widersprüchliche Ergebnisse: 

Im Westatlantik führen mehr Sonnenflecken zu weniger (und schwächeren) tropischen Wirbelstürmen, im Ostatlantik nimmt ihre Anzahl (und Stärke) dagegen zu. Elsner hat jedoch eine einleuchtende Erklärung:

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. 

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 sind daher oft zu niedrig für die Entstehung eines tropischen Wirbelsturmes. 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 erhöhten Treibhauseffekt  in der Atmosphäre erreicht werden (s.o.).

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 wirft  ein neues Licht auf die Debatte darüber, ob die globale Erwärmung durch Treibhausgase zu mehr tropischen Wirbelstürmen führt oder nicht.

In 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 allerdings suboptimal, so begünstigen ansteigende Wassertemperaturen (egal ob durch mehr Treibhausgase, die Sonne oder beides) eindeutig die Entstehung von mehr tropischen Wirbelstürmen.

8.  Die vom IPCC verwendeten Daten zum Nachweis eines Anstiegs der durchschnittlichen globalen Oberflächentemperatur der Erde sind sehr unsicher. Die Probleme entstehen bei der Bewertung der städtischen Wärme-Insel-Effekte, durch die ungleichmässige, geographische Verteilung der Mess-Stationen, die Veränderungen bei der Anzahl und der Orte der Stationen usw.  Die Methode für die Messung der Temperatur der Meeresoberfläche hat sich verändert; früher überwiegend von Schiffen aus,  heute überwiegend mit Bojen. Damit hat sich auch die Wassertiefe für die Temperaturmessungen geändert, was die Ergebnisse verfälscht.

Bei den Temperaturmessungen gibt es tatsächlich die hier angesprochenen Probleme. Durch Korrekturfaktoren und die hohe Anzahl von Messstationen werden die Fehler teilweise herausgemittelt. Trotzdem bleibt eine gewisse Unsicherheit bei den Messungen bestehen. Benutzt man allerdings die Natur als Thermometer (Veränderungen in der Tier- und Pflanzenwelt, s.o.), so bestätigt sie eindrucksvoll den globalen  Temperaturanstieg. wie ihn auch die angeblich so unsicheren direkten Temperaturmessungen zeigen.  

9. Eine zunehmende CO₂  Konzentration hat auch eindeutig positive Auswirkungen, denn mehr CO2 verbessert die Produktivität  und Trockenresistenz in der Landwirtschaft und in den Wäldern. Letzteres senkt  wiederum den Wasserverbrauch. Ein wärmeres Klima ist günstig für Mensch und Wirtschaft. Die Geschichte zeigt: Elend und Hungersnöte gab es vor allem, wenn es zu kalt war.

Mehr CO2 in der Luft lässt tatsächlich viele Pflanzen besser wachsen. Allerdings wird es im Zuge der globalen Erwärmung auchmehr Hitzewellen mit extremer Trockenheit geben, auf der anderen Seite aber auch mehr  Starkregenereignisse. Extreme Trockenheit und sintflutartige Regenfälle treten oft sogar gleichzeitig auf (zweigeteilte Wetterlage mit blockierendem Hochs und umgelenkten Tiefs, s.o.). Das setzt Pflanzen und Tiere erheblichenm Stress aus, der ihr Gedeihen sehr beeinträchtigen kann. Den Hitzewellen fallen meistens auch viele Menschen zum Opfer. So starben in Europa während des Rekordsommers 2003 (http://www.imk.uni-karlsruhe.de/1145.php) mindestens 35.000 Menschen, neueste Schätzungen gehen sogar von bis zu 70.000 Toten aus (http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,473614,00.html)!

Durch Unwetter mit Starkregen gibt es oft Überschwemmungen, die grosse Schäden anrichten und auch immer wieder Menschenleben kosten.

10. Klimaschutz gefährdet die Freiheit

Nicht nur Klimaskeptiker befürchten, dass sich der Staat bei der Durchführung von Massnahmen zum Klimaschutz immer mehr in die persönlichen Angelegenheit der Bürger einmischt und so die Freiheit in Gefahr gerät. Ja mehr noch, es erscheint sogar denkbar, dass eine herrschende Klasse unter dem Vorwand des Klimaschutzes zu ihrem eigenen (vermeintlichen) Vorteil breite Bevölkerungskreise von der Teilhabe an den Errungenschaften des Fortschritts ausschliesst. Diee dazu unbedingt notwendige Einschränkung (oder gar Abschaffung) der Demokratie liesse sich mit dem Argument begründen, zur Rettung des Planeten Erde (und damit auch der Menschheit) müsse eine uneinsichtige Bevölkerung  notfalls  zu Klimaschutzmassnahmen gezwungen werden.

Das derartige Befürchtungen nicht völlig aus der Luft gegriffen sind, zeigt beispielsweise der Blick in das Programmheft eines internationalen Kongresses, der sich vor allem mit den gesellschaftlichen Auswirkungen des Klimawandels auseinandersetzen soll und vom Kulturwissenschaftlichen Institut Essen (KWI), der Mercator Stiftung, dem Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und dem Wuppertaler Institut für Klima, Umwelt, Energie veranstaltet wird. Dort kann man unter dem Programmpunkt interSESSION IV: HOW CAN DEMOCRACY COPE WITH THIS CLIMATE STRESS? (frei übersetzt: Wie kann die Demokratie den negativen Auswirkungen des Klimawandel begegnen?) die folgenden Erläuterungen finden: „Technological innovation and political regulation can only be effective if „the people“ participate in their various roles as polluters, producers and consumers of goods, citizens and voters. Democratic regimes are not well prepared for the level of participation that is required: Can free democratic societies cope with the effects of grave changes in the global climate, or might authoritarian regimes possibly be better placed to enforce the necessary measures?“ (Quelle: http://www.greattransformation.eu/index.php/program). Nach Meinung der Veranstalter sind also Diktaturen (authoritarian regimes) womöglich besser in der Lage dem menschengemachten Klimawandel entgegenzuwirken bzw. mit den heute schon unvermeidlichen Folgen desselben fertig zu werden. Liebäugelt hier eine selbsternannte Elite der Diktatur? Haben derartige Gedankengänge vielleicht sogar einen gewissen Rückhalt in der politischen und wirtschaftlichen Führungsschicht? Immerhin ist diese ja der hauptsächliche „Brötchengeber“ der veranstaltenden Organisationen.

Selbstverständlich müssen wir alle den Gefahren eines möglicherweise äusserst gefährlichen menschengemachten Klimawandels rechtzeitig  begegnen. Doch das geht auch ohne die Aufgabe vpn Freiheit und Demokratie! Es spricht sogar eine Menge dafür, dass eine demokratische Entscheidungsfindung dafür besser geeignet ist, als wenn eine Runde aus Experten und Politikern das alleine übernimmt. Neuere Untersuchungen zeigen, für so manchen sicher überraschend, dass eine beliebig zusammengewürfelte grössere Gruppe von Menschen im Vergleich zu einzelnen Experten oft die klügeren oder zumindest genauso gute  Entscheidungen trifft. Voraussetzung ist allerdings eine möglichst grosse Meinungsvielfalt in der Gruppe und eine unabhängige Entscheidung des einzelnen Gruppenmitglieds. Günstig sind auch dezentrale Entscheidungsstrukturen (James Surowiecki: „Die Weisheit der Vielen“, Rezension des Buches im SPIEGEL). Immerhin wurden die wirkungsvollsten Umweltschutzmassnahmen ja nicht in autoritär regierten Staaten, sonden (fast) ausschliesslich in westlichen Demokratien getroffen, wo sie zumeist durch Bürgerinitiativen von unten erzwungen wurden.

Ein vorläufiges Fazit

Die Debatte um den Klimawandel wird weitergehen, auch wenn der aktuelle  Wissenstand in den Klimawissenschaften eindeutig für einen hautptsächlich menschengemachten Klimawandel spricht. Das ist auch gut so, denn auch  wissenschaftlichen Forschungsansätze, die sich deutlich vom „Mainstream“  unterscheiden haben schon oft zu wichtigen neuen Erkenntnissen geführt. Das gilt beispielsweise für die Iris-Hypothese des Klimaskeptikers Richard Lindzen, die wetvolle Einsichten in die Funktionsweise des Klimasystems brachte. Ohne eine freie und unbehinderte Diskussion in der Wissenschaft (und anderswo) erstarrt das Denken und endet der Fortschritt, denn die Weisheit der Vielen bleibt ungenutzt.

Angesichts der möglicherweise katastrophalen Folgen einer fortgesetzten,  globalen Erwärmung durch Treibhausgase stellt sich natürlich die Frage nach dem politischen Handeln. Meines Erachtens sollte hier das Vorsorgeprinzip zur Anwendung kommen. Eine Redukion von Treibhausgasemissionen, insbesondere CO2, erscheint mir auch allein schon deshalb notwendig, weil fossile Brennstoffe endliche Ressourcen sind und eigentlich viel zu wertvoll, um sie durch den Schornstein oder Auspuff zu jagen!

Eine Entwicklung alternativer Energien (Sonne, Wind, Geothermik, Kernfusion (!) usw.) ist daher unbedingt (mit staatlicher Unterstützung)voranzutreiben. Auch die Kernspaltungsenergie, allerdings nur in Form der Hochtemperatur/Thorium Technologie, die besonders sicher zu sein scheint, könnte zumindest für eine Übergangszeit genutzt werden.

Auf eine solche Energiewende zu verzichten hiesse wahrscheinlich, den Weg in ein neues finsteres Mittelalter zu ebnen, weil ansonsten bei schwindenden Ressourcen ein immer grösserer Teil der Menschheit von der Teilhabe an Fortschritt und Wohlstand ausgeschlossen bliebe. Das wäre nicht nur in den Industrieländern so, hier vor allem durch immer weiter ansteigende Energiepreise, sondern erst recht in der sogenannten Dritten Welt, wo alle Hoffnungen auf eine bessere Zukunft, von dem Aufbau eigener Industrien, dem freien Handel und als Voraussetzung dafür auch von einer verbesserten Energieversorgung abhängen.

Um für alle Menschen die Freiheit von existenzieller Not zu erreichen, wären Schritte in Richtung einer Gesellschaft hilfreich, welche unter Wahrung der persönlichen Freiheit(!) allzu krasse Unterschiede in der Verteilung der Reichtümer vermeidet! Der zur Erreichung menschenwürdiger Verhältnisse notwendige Warenproduktion wird dadurch erheblich verringert.

Interessante Links:

1. Intergovernal Panel on Climate Change (IPCC)  http://www.ipcc.ch/ 2. Das Institut der Klimaskeptiker in Deutschland http://www.eike-klima-energie.eu/ 3. Potsdam Institut für Klimafolgenforschung http://www.pik-potsdam.de/ 4. Real Climate http://www.realclimate.org/ 5.WBGU http://www.wbgu.de/ 6. SEPP (amerikanische Klimaskeptiker) http://www.sepp.org/

Jens Christian Heuer

Pluto galt bis vor kurzem als Neunter Planet unseres Sonnensystems, wurde dann aber von der Internationalen Astronomischen Union (IAU) zu einem Zwegplaneten herabgestuft. Er umrundet die Sonne in knapp 248 Jahren auf einer, verglichen mit den 8 grossen Planeten unseres Sonnensystems, deutlich elliptischeren Bahn. Die Entfernung zur Sonne schwankt dabei zwischen knapp 30 und etwas über 40 AE (AE=Astronomischen Einheit, entspricht dem mittleren Abstand Erde-Sonne, also rund 150 Millionen km). entsprechend ). Pluto hat einen Durchmesser von etwa 1/5 der Erde, dreht sich in 6 Tagen einmal um die eigene Achse und verfügt über eine ausserordentlich dünne Atmosphäre, hauptsächöich Stickstoff, daneben geringe Mengen Methan, Kohlenmonoxid und weitere Spurengase. Der Planet selbst besteht vorwiegend aus Gestein und Wassereis. An der Oberfläche gibt es noch eine Schicht ausgefrorenener Gasen der Atmosphäre.

So etwa könnte es auf der Oberfläche von Pluto aussehen. Über dem Horizont ist Charon, der grösste der 3 Monde von Pluto. Er ist mit einem Durchmesser von 1200 km immerhin fast halb so gross wie der Planet. Die beiden anderen Monde Nix und Hydra sind dagegen deutlich kleiner (Durchmesser 40 bzw. 160 km). Wegen der grossen Entfernung erscheint die Sonne nur noch als besonders heller Stern. Quelle: http://www.eso.org/public/

Ein Wissenschaftlerteam um Emmanuel Lellouch an der Europäischen Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO) in Chile fand kürzlich mit einem Spektrografen (Cryogenic InfraRed Echelle Spectrograph (CRIRES)), der an eines der vier Grossteleskope (Very Large Telescope,VLT) angeschlossenen war einen unerwartet hohen Methananteil von 0,5% in der Plutoatmosphäre. Ausserdem zeigten Temperaturmessungen anhand der Spektren, dass die Atmosphäre des Pluto bis in die unteren Schichten um immerhin 40-50°C wärmer ist als die  mit -220°C äusserst kalte Planetenoberfläche (Temperaturzunahme 3-15°C pro Höhenkilometer). Für diese Temperaturinversion (also die Umkehr des normalen Temperaturrückgangs mit zunehmender Höhe, auf der Erde z.B. durchschnittlich 6°C pro Höhenkilometer) ist vor allem das  Methan verantwortlich, das einen starken Treibhauseffekt in der Atmosphäre erzeugt.

Die Planetenoberfläche absorbiert zunächst erst einmal die recht spärlich eintreffende Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärme um. Dadurch wird  die Atmosphäre von unten direkt erwärmt, aber die Planetenoberfläche gibt auch einen erheblichen Teil der empfangenen Wärme als Infrarotstrahlung ab (Bodenstrahlung). Aus dieser Infrarotstrahlung absorbiert das Treibhausgas Methan bestimmte Wellenlängen, welche bestimmten, Schwingungsmöglichkeiten des infrarotaktiven Methanmoleküls entsprechen. Das Molekül funktioniert damit so ähnlich wie eine Radioantenne, die mit ihrem Schwingkreis aus einem Wellensalat die richtigen,  jeweils eingestellten Radiosender herausfiltert. Die  empfangene Energie wird durch durch Stösse an noch nicht angeregte Nachbarmoleküle weitergegeben, so dass die  Atmosphäre insgesamt wärmer wird. Die angeregten Methanmoleküle entwickeln eine infrarote Eigenstrahlung mit den den entsprechenden Wellenlängen. Ein Teil davon erwärmt als infrarote Gegenstrahlung die Planetenoberfläche, die somit etwas von ihrer verlorenen Wärme zurückerhält.

Das 5-atomige tetraederförmige Methan hat zahlreiche Eigenschwingungsmöglichkeiten und absorbiert daher auch bei vielen Wellenlängen im Infraroten. Das mit CRIRES aufgenommene Spektrum von Pluto (schwarze Kurve) stimmt mit den Modellannahmen (rote Kurve) gut überein. Quellen: http://osulibrary.oregonstate.edu/ und http://www.planetary.org/blog/ (verändert)

Doch warum ist dann die Planetenoberfläche trotzdem so kalt? Auch das hängt mit dem Methan zusammen, das an der Planetenoberfläche zunächst in gefrorener Form vorliegt. Durch die Sonne und die infrarote Gegenstrahlung wird es dann aber soweit erwärmt, dass es sublimiert, also direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dabei wird der Planetenoberfläche viel Energie entzogen (Sublimationskälte).

Den Wissenschaftlern um Lellouch bestimmten ausserdem Plutos Durchmesser und die Mächtigkeit seiner Atmosphäre. Wegen seiner grossen Entfernung zur Erde ist das Abbild Plutos in Teleskopen viel zu klein, um damit genau seine Grösse direkt  zu vermessen. Es ist jedoch auf indirektem Wege möglich, indem man sich Sternbedeckungen zunutze macht, wo der Planet,  von der Erde aus gesehen, vor einem Hintergrundstern vorbeizieht und ihn vorübergehend verdeckt. Wurde zuvor die Bahngeschwindigkeit des Planeten bestimmt,  kann anhand der gemessenen Sternbedeckungszeit auch leicht der Planetendurchmesser berechnet werden. Verfügt  der  Planet jedoch über eine Atmosphäre, so wird die Angelegenheit ein wenig komplizierter, denn das Sternenlicht wird schon abgeschwächt bevor der Planet selbst sich vor den Stern schiebt. Ja mehr noch, die Atmosphäre lenkt das Sternenlicht durch Lichtbrechung  ab, wodurch die Zeitmessung der Sternbedeckung noch zusätzlich verfälscht wird. All das erschwert natürlich die Bestimmung des Planetendurchmessers, erlaubt aber andererseits auch eine Abschätzung der Mächtigkeit der Atmosphäre, wenn es gelingt bei der Messung der Sternbedeckung die Effekte des Planeten selbst von den Effekten  seiner Atmosphäre zu trennen. Genau das scheint den Wissenschaftlern an der Europäischen Südsternwarte gelungen zu sein. Nach ihren neuesten Messungen soll der Durchmesser Plutos zwischen
2338 to 2,344 km liegen und seine Atmosphäre eine Mächtigkeit zwischen 17 und 24 km haben. Eine bisher noch nicht gekannte Genauigkeit!

Im Jahre 2015 wird die amerikanische Raumsonde New Horizon den Pluto erreichen, um erstmals den Zwergplaneten aus der Nähe zu fotografieren und direkte Messungen vor Ort durchzuführen.

Jens Christian Heuer

Quellen:  http://www.planetary.org/blog/article/00001860/
und http://fr.arxiv.org/abs/0901.4882 (Originalarbeit von E. Lellouch, B. Sicardy, C. de Bergh, H.-U. Käufl, S. Kassi und A. Campargue)

In der Seestadt Bremerhaven hat am 19. Februar 2009 der 4.Extremwetterkongress begonnen. Veranstaltungsort ist das noch im Bau befindliche Klimahaus nahe dem Stadtzentrum am Alten Hafen. Auf dem Extremwetterkongress informieren Wissenschaftler die Öffentlichkeit über die neuesten Forschungsergebnisse aus dem Bereich Wetter und Klima. Daneben gibt es noch eine Ausstellung mit zahlreichen Messeständen, wo sich Wetterdienste, Firmen und andere mit dem Thema Wetter und Klima befasste Organisationen präsentieren können. Dort bieten sich auch viele Gelegenheiten zu netten Begegnungen und anregenden Gedankenaustausch unter den zahlreichen Wetter- und Klimainteressierten.

Vortragsraum im Forum des Klimahauses Quelle: WetterJournal

Alle 3 Veranstaltungstage bieten ein umfangreiches Vortragsprogramm. Über eine kleine Auswahl der aus meiner Sicht interessantesten Vorträge, (soweit ich Gelegenheit hatte sie zu besuchen) möchte ich hier zusammenfassend berichten:  

Die Bedeutung der Ozeane für das Klima und bei der Enstehung extremer Wetterphänomene Referent: Prof. Dr. Mojib Latif

Die globale Erwärmung schreitet voran. Innerhalb der letzten 100 Jahre ist es weltweit gesehen um 0,7°C wärmer geworden. Doch die Kurve der globalen Durchschnittstemperatur zeigt über die Jahre gesehen keine konstante Zunahme, sondern deutliche Schwankungen, die auf natürliche Ursachen zurückgehen.

Vorübergehend wird es  sogar immer wieder einmal zwischendurch kälter, doch auf längere Sicht weist der Trend eindeutig nach oben. Dabei ist die Erwärmung in höheren Breiten eindeutig ausgeprägter als in niedrigen Breiten. Denn mit dem Abschmelzen des arktischen Meereises wird die darunter liegende dunkle Wasseroberfläche frei, welche die Sonnenstrahlung wesentlich besser absorbiert, wodurch sich die weitere Erwärmung beschleunigt und noch mehr Eis schmilzt usw. (positive Eis-Albedo-Rückkopplung).

Die globale Durchschnittstemperatur nimmt nicht überall gleichmässig zu. Auf kurze Sicht gesehen kann es global gesehen sogar vorübergehend kälter werden. Auf lange Sicht gesehen steigt die globale Durchschnittstemperatur jedoch trotz einiger natürlicher Schwankungen immer weiter an. Quelle: http://data.giss.nasa.gov/gistemp/2008/

Die natürlichen Schwankungen der globalen Durchschnittstemperatur gehen vor allem auf Veränderungen bei den Meeresströmungen zurück. Neben dem ENSO Phänomen (Zeitskala einige Jahre), das auf einer Instabilität der Passatwinde im Pazifik beruht, ist es die veränderliche Stärke des Golfstromes (Zeitskala einige Jahrzehnte!), die einen erheblichen Einfluss auf die globale Durchschnittstemperatur ausübt. Dabei wird der Nordatlantik wärmer und der Südatlantik kälter oder genau umgekehrt.

ENSO: 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 (La Nina). Sinkt aufgrund  veränderter Meeresströmungen 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/

Insgesamt gesehen schwankt die Globaltemperatur um bis zu 0,24°C (auf der Nordhalbkugel allein sogar um 0,39°C!). Ein verstärkter Golfstrom ist für etwa 1/5 der beobachteten globalen Erwärmung verantwortlich. Der Hauptanteil geht also eindeutig auf die Treibhausgasemissionen des Menschen zurück.

Latif beschrieb dann noch einmal kurz die langfristig schwerwiegenden Folgen des globalen Klimawandels: Meeresspiegelanstieg durch (teilweises)Abschmelzen des Grönlandeises (bei vollständigem Abschmelzen ca. 7 m Meeresspiegelanstieg), Zunahme von Extremwetterereignissen (Dürre, Starkregen usw.), Destabilisierung der Methanhydrate an den Kontinentalabhängen mit massiver Freisetzung von Methangas (und dementsprechend verstärktem Treibhauseffekt), aber auch Erwärmung und Versauerung der Ozeane, wodurch diese irgendwann als Kohlenstoffsenke ausfallen werden (geringere Löslichkeit von CO2 in warmem Wasser, Zerstörung der Kalkskelette zahlreicher Algenarten, die Photosynthese betreiben und dafür CO2 binden).

Eine Reduktion von Treibhausgasen  kann nur durch internationale Zusammenarbeit gelingen, genauso wie es sie zurzeit bei der Bekämpfung der Weltwirtschaftskrise schon gibt. Bei der Frage, was zu tun sei, dürfe es keine Denktabus geben meinte Latif. Er sei recht optimistisch, das der Menschheit eine Lösung des Klimaproblems gelingen werde.

Zum Schluss wurde noch kurz diskutiert. Auf meine Frage , ob nicht auch die Sonne ein massgeblicher Einflussfaktor auf das globale Klima sei und somit vielleicht auch mitverantwortlich für die leichte Abkühlung der letzten Jahre (seit 2003 ist die Zahl der Sonnenflecken, ein Mass für die Sonnenaktivität deutlich zurückgegangen und seit ein paar Monaten erscheinen praktisch keine mehr!) antwortete Latif, die veränderliche Sonne habe im Vergleich zu den Treibhausgasen nur eine äusserst geringe Wirkung auf das globale Klima.

Eine erstaunliche Aussage, brachte doch z.B. das Maunder-Minimum (mit einer äusserst geringen Sonnenfleckenzahl!) in den Jahren 1645-1715 immerhin eine „Kleine Eiszeit“ zustande, wodurch sich damals die allgemeinen Lebensbedingungen dramatisch verschlechterten!

Klimaforschung und Öffentlichkeit   Referent: Prof. Dr. Hans von Storch

Klimawandel ist ein gesellschaftliches Konstrukt, da niemand den Klimawandel, welcher sich im Laufe von Jahrzehnten und Jahrhunderten abspielt, direkt erfahren kann. Dieses Konstrukt hat 2 Seiten:

Eine wissenschaftliche Seite mit einer objektiven Analyse von Beobachtungen (und Daten) und ihrer Interpretation durch Theorien, aber auch eine kulturelle Seite, welche durch öffentlichen Medien (Presse, Rundfunkt, Fernsehen, Internet) beherrscht und vermittelt wird.

Dabei ist die kulturelle Seite oft wirkmächtiger: Wo die Wissenschaft von einem menschengemachten Klimawandel spricht, der durch eigene Anstrengungen (Reduktion der Treibhausgasemissionen) in einem gewissen Ausmass abgemildert werden, aber nicht vermieden werden kann, ist in den Medien einfach nur von der Klimakatastrophe die Rede. Wo die Wissenschaft schlicht und einfach feststellt, dass der Klimawandel uns bisher, entgegen der ursprünglichen Annahme,  keine stärkeren Stürme beschert hat, wird genau dies in der Öffentlichkeit immer wieder verbreitet und auch geglaubt!

Das Problem ist nicht die Uninformiertheit der Öffentlichkeit, sondern die Tatsache, dass die Wissenschaft auf dem „Markt der Erklärungen“ immer wieder mit vorwissenschaftlichen und tradierten Interpretationsmustern konfrontiert wird. So erscheint vielen die Klimakatastrophe als Bestrafung für einen zu anspruchsvollen („sündhaften“) Lebenswandel! Wissenschaftliche Fakten haben da oft keine Chance.

Das gegenwärtige Klima ändert sich eindeutig aufgrund des vermehrten Eintrages von Treibhausgasen in die Atmosphäre durch den Menschen. Der Klimawandel ist zuerst anhand der weltweit ansteigenden Temperaturen feststellbar, wird sich in diesem Jahrhundert aber verstärkt durch Veränderungen im Wasserkreislauf (verstärkte Dürreperioden einerseits,vermehrter Starkregen andererseits) bemerkbar machen. Der Klimawandel beeinflusst tiefgreifend die Gesellschaft und die Ökosysteme.

Der Mensch hat grundsätzlich 2 Möglichkeiten zu reagieren:

1. Vermeidungsstrategie; also alle nur denkbaren Anstrengungen (Reduktion der Treibhausgasemissionen durch effizientere Energienutzung, Nutzung nichtfossiler Energiequellen usw.) unternehmen, um den Klimawandel zu abzumildern oder im günstigsten Falle ganz zu stoppen.

2. Anpassungsstrategie; also Anstrengungen unternehmen, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels zu begrenzen (z.B. Deichausbau bei drohendem Meeresspiegelanstieg).

Am Besten erscheint ein Mix beider Strategien: Eine Vermeidungsstrategie, soweit wirtschaftlich und politisch vertretbar; darüber hinaus aber Anpassung an den an sich unvermeidbaren Klimawandel! Ansonsten drohen wesentlich akutere Probleme (Armut, Hunger), als der zukünftige Klimawandel aus dem Blick zu geraten. Während man sich z.B. um die Sturmflutopfer (Meeresspiegelanstieg) von morgen sorgt, werden die von heute aber vergessen (Überschwemmungen in Bangladesh)!

All diese Fragen gehören auch in den Aufgabenbereich der sogenannten Klimabüros, auf die von Storch dann noch zum Ende seines Vortrages näher einging. Sie sollen die Kommunikation zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit in Sachen Klimawandel verbessern und die politische Entscheidungsfindung auch und gerade auf regionaler Ebene erleichtern.

Grünland? Referent: Dr.-Ing.Hans Oerter

Grönland gehört zur Arktis und ist die grösste Insel der Erde. Der heutige offizielle Name der Insel ist „Kalaallit Nunaat“, was soviel heisst wie „Land der Menschen“. Ein trügerischer Name, sind doch rund  4/5  der Insel mit Eis bedeckt und daher praktisch unbewohnt. Trotzdem ist die Fläche der eisfreien Regionen (ausschliesslich an den Küsten) immer noch deutlich grösser als die Fläche der Bundesrepublik Deutschland.

Grönland, die „grüne“ Insel  Quelle: Vortrag Dr. Hans Oerter, AWI

Das Inlandeis bildet sich durch Schneefall, der sich unter dem zunehmenden Druck neu hinzu komender Schichten in Gletscher verwandelt. Die mittlere Mächtigkeit des Eises liegt bei 1680 m, erreicht im Landesinneren aber bis zu 3080 m. Würde das Grönlandeis komplett abschmelzen, so würde das auf einen globalen Meeresspiegelanstieg von 7,3 m hinauslaufen!

Das Inlandeis wird in den sogenannten Akkumulationszonen durch die jährlichen Schneefälle laufend ergänzt. In den Ablationszonen hingegen geht ständig Eis entweder durch Kalben der Gletscher (Eisabbbruch ins Meer) oder durch Abschmelzprozesse an der Eisoberfläche verloren (blaue Schmelzwasserseen im Sommer, die das Sonnenlicht gut absorbieren und dadurch den Abschmelzprozess wiederum beschleunigen).

Vorgänge am grönlandischen Eisschild. Quelle: Vortrag Dr. Hans Oerter, AWI

Aus diesen beiden Vorgängen ergibt sich die Massenbilanz des grönländischen Eisschildes. Die heutige Massenbilanz ist negativ, obwohl die Akkumulation infolge verstärkter Niederschläge (Schnee) aufgrund höherer Lufttemperaturen und damit auch höherer Luftfeuchtigkeit zugenommen hat. Die Ablation hat jedoch infolge der höheren Temperaturen und der dadurch verstärkten Abschmelzprozesse noch weitaus mehr zugenommen. Ausserdem wurde eine Zunahme der Fliessgeschwindigkeit (Schmierfilm aus Schmelzwasser unterhalb der Gletscher!) bei einigen Gletschern festgestellt, so dass auch mehr Eis zum Meer hin abbricht. Mit Hilfe von Satelliten kann die Eisoberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten genau vermessen und so die Massenbilanz des Grönlandeises bestimmt werden.

Der extreme Eisrückgang 2007 und 2008 Referent: Prof.Dr.Rüdiger Gerdes

Die vom arktischen Meereis bedeckte Fläche (aber auch die Dicke des noch vorhandenen Meereises!) ist seit Ende der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts bis Mitte des ersten  Jahrzehnts im 21. Jahrhundert kontinuierlich zurückgegangen.

Kontinuierlicher Rückgang des arktischen Meereises über mehr als 25 Jahre infolge der globalen Erwärmung. Quelle: NASA

Doch im Sommer 2007 schwand das arktische Meereis abrupt in nie gekanntem Ausmass.  Während in das Meereis zuvor um durchschnittlich 11% pro Jahrzehnt zurückgewichen war, waren es nun 30%(!) im Vergleich zum September (stets der Monat mit der geringsten Eisbedeckung)des Vorjahres! Normaler weise 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. Aber diesmal hatte die Eisfläche im September des Folgejahres 2008 nur unwesentlich zugenommen.

Abnorm wenig arktisches Meereis in zwei aufeinanderfolgenden Jahren! Quelle: Prof. Dr. Rüdiger Gerdes, AWI und http://nsidc.org/

Dieser dramatische Rückgang ist mit den in der Arktis infolge der Eis-Albedo-Rückkopplung überproportional ansteigenden Temperaturen allein nicht zu erklären. Hauptverantwortlich ist vielmehr eine in beiden Jahren auftretende Anomalie in der Luftzirkulation über der Nordhalbkugel:

Über Kanada etablierte sich im Sommer für längere Zeit ein Hoch, während sich gleichzeitig über Sibirien ein beständiges Tief herausbildete. Beide Druckgebilde lenkten 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. Erst durch diese Zirkulationsanomalie konnte sich der Temperaturanstieg in der Arktis in diesen beiden Jahren so dramatisch auswirken.

Die entscheidende Frage ist, ob das Klimasystem in der Arktis schon einen Kipp-Punkt erreicht hat, wo ein sich selbst verstärkender Prozess (Eis-Albedo-Rückkopplung) zum unaufhaltsamen und entgültigen Verlust des Meereises führt, oder ob das System sich das System „erholt“, so dass der Meereisschwund und noch einmal zur alten Trendlinie zurückkehrt.

In der anschliessenden Diskussion äusserte ich den Verdacht das die anormale Luftdruckverteilung (Zirkulationsanomalie) in zwei aufeinander folgenden Jahren vielleicht selbst eine Folge des Klimawandels sein könne und möglicherweise auf eine grundlegende Veränderung im arktischenKlimasystem hinweisen könne. Der Referent meinte, dies sei durchaus möglich, genauere Untersuchungen dazu gäbe es aber bisher nicht.

Wetterlagen im Klimawandel Referent Dr.Wolfgang Fricke, Meteorologisches Observatorium Hohenpeissenberg

Ändert sich das Klima, so sollte sich eigentlich auch die relative Häufigkeit der Grosswetterlagen verändern. Jede Grosswetterlage entspricht einem bestimmten vorherrschenden Muster der Luftdruckverteilung und Luftzirkulation in einer grösseren Region.

Um die Frage nach einer Veränderung bei den Grosswetterlagen zu beantworten, wurde eine Auswertung der Wetterdaten von 1881 bis 2001 vorgenommen, um zu sehen, wie oft in diesem Zeitraum 30 bestimmte, wohldefinierte Grosswetterlagen in Mitteleuropa auftraten.

Die Analyse ergab eine deutliche Zunahme von Westlagen im Winter. Bei dieser zonalen (entlang der Breitengrade)Luftzirkulation verlaufen die Höhenströmung und damit auch die Zugbahnen der wetterbestimmenden dynamischen Tiefdruckgebiete von West nach Ost. Mit diesen gelangt milde und feuchte Atlantikluft nach Mitteleuropa. Dagegen sind meridionale (entlang der Längengrade) Hochdrucklagen und Nordlagen im Winter seltener geworden. Bei den Hochdrucklagen liegt ein Hochkeil oder eine Hochdruckbrücke über Mitteleuropa. Der sich im Gegenuhrzeigersinn (auf der Nordhalbkugel!) drehende dynamische Hochdruckwirbel führt kalte Schneeluft aus Osteuropa heran. Bei den Nordlagen lenken ein Hochdruckwirbel über dem östlichen Nordatlantik oder Westeuropa und ein sich im Gegenuhrzeigersinn (auf der Nordhalbkugel!) drehender Tiefdruckwirbel gemeinsam polare Kaltluft nach Mitteleuropa. Hochdruck- und Nordlagen sind die idealen Wetterlagen für ein frostiges und trockenes Winterwetter.

Im Sommer kommen dagegen meridionale Zirkulationsmuster häufiger vor. Einen besonders deutlichen Trend gibt es bei Hochdrucklagen und Troglagen über Mitteleuropa. Ein ausgeprägtes Hochdruckgebiet über Mitteleuropa führt durch die im Hochdruckwirbel absinkenden und sich dabei erwärmenden Luftmassen zur Auflösung der meisten Wolken. Ausserdem  blockiert  das Hoch die westöstliche Höhenströmung mit ihren wandernden dynamischen Tiefdruckgebieten. In Einflussbereich des Hochs  ist das Wetter deshalb heiss und trocken. Bei den Troglagen liegt ein Höhentrog über Mittel-  oder Westeuropa. Mit der Höhenströmung ziehen die Tiefdruckgebiete über das Mittelmeer, um dann wieder nach Mittel- oder Osteuropa zu einzuschwenken. Da die Tiefs über dem Mittelmeer viel Feuchtigkeit und kraftspendende latente Wärme aufnehmen konnten bringen sie  Unwetter und Starkregen.

Die das Wetter in Mitteleuropa bestimmenden Großwetterlagen verändern sich immer schneller. Im Vergleich der Daten aus den vergangenen 120 Jahren ist die Veränderung im jetzigen Jahrzehnt besonders stark ausgeprägt. 

Auch die Eigenschaften der einzelnen Grosswetterlagen haben sich verändert. Im Einflussbereich der Hochdruckgebiete haben die durchschnittlichen Temperaturen deutlich zugenommen, während Tiefdruckgebiete heutzutage für deutlich niedrigere Temperaturen sorgen als früher.

Die wahrscheinlichste Ursache für all diese Veränderungen ist der vom Menschen durch vermehrte Treibhausgasemissionen verursachte Klimawandel. Allerdings besteht die entfernte Möglichkeit, dass es einen natürlichen, Jahrhunderte währenden Zyklus gibt, von dem die gewonnenen  Wetterdaten nur einen kleinen Teil erfassen. Konkrete Hinweise auf einen solchen Zyklus  gibt es aber keine.

Nach Ende des Vortrages unterbreitete ich dem Referenten noch eine eigene Erklärung für den Trend zu niedrigeren Temperaturen in Tiefdruckgebieten: Durch die globale Erwärmung erhöht sich die Wachstumsrate der Wassertropfen in den (Quell)Wolken der Tiefdruckgebiete, so dass mehr Regen fällt. Dadurch gelangt aber auch weniger Feuchigkeit in (grosse) Höhen, wo sich Eiswolken (Cirren) bilden können. Infolgedessen nimmt der relative Abteil der  tiefen Wasserwolken zu den hohen Eiswolken zu. Beide Wolkenarten unterscheiden sich in ihrer Wirkung auf die Temperatur. Die relativ niedrigen Wasserwolken reflektieren das Sonnenlicht fast vollständig und wirken daher abkühlend. Hohe Eiswolken lassen jedoch einerseits das meiste Sonnenlicht hindurch, absorbieren aber andererseits sehr effektiv die vom Erdboden ausgehende Infrarotstrahlung, um dann einen beachtlichen Anteil als infrarote Gegenstrahlung wieder zurückzuschicken. Sie wirken daher insgesamt erwärmend. 

Die Erklärungen zu den Grosswetterlagen stammen nicht vom Referenten, sondern wurden von mir zum besseren Verständnis hinzugefügt!

Wenn Sonnenstürme unsere Stromversorgung lahmlegen (Wie anfällig sind wir gegenüber Weltraumwetter?) Referent Prof.Dr.Rainer Hippler

Die Sonne, ein durchschnittlicher gelber Zwergstern unserer Milchstrasse hat einen Durchmesser von 1,39 Millionen km. Sie besteht aus einem hochkomprimierten, elektrisch leitenden Plasma (ionisierte Materie), das sich zu 73,5 % aus Wasserstoff, zu 25% aus Helium und zu 1,5% aus anderen chemischen Elementen („Metalle“) zusammensetzt. Im Kern der Sonne (Durchmesser etwa 300.000 km) herrschen bei extremen Druckverhältnissen (der Kern macht 50% der Sonnenmasse aus!)Temperaturen von über 15 Millionen Grad Kelvin. Hier wird durch die Fusion von Wasserstoff- zu  Heliumkernen (Kernfusion) die Energie der Sonne erzeugt. Durch Strahlungtransport gelangt die Energie durch weiter aussen liegende Schichten der Sonne (Strahlungszone), um dann schliesslich die etwa 70.000 km unter der Sonnenoberfläche beginnende sogenannte Konvektionszone von unten aufzuheizen, innerhalb  der hochgradig erhitzte Gasblasen an die Oberfläche steigen. Das Brodeln dieser „aufkochenden“ Konvektionsschicht ist als Granulation der Sonnenoberfläche mit einem Teleskop (Sonnenfilter!) gut erkennbar. So gelangt die Energie an die Sonnenoberfläche, die extrem hell leuchtende Photosphäre, welche die gesamte Sonnenenergie im sichtbaren und unsichtvbaren Wellenspektrum abstrahlt. Über der Photosphäre liegt als weitere, allerdings schon weitaus weniger dichte Schicht noch die Chromosphäre, die „Atmosphäre der Sonne. Die Chromosphäre wird durch die Photosphäre vollkommem überstrahlt, macht sich aber bei Sonnenfinsternissen als rote Leuchterscheinung bemerkbar. 

Aufbau der Sonne: 1= Sonnenkern mit Fusionsreaktor, 2=Strahlungszone, 3=Konvektionszone, 4=Photosphäre, 5=Chromosphäre, 6=Sonnenkorona, 7=Sonnenflecken, 8=Granulen, 9=Protuberanz (entlang einer magnetischen Feldlinienschleife) Quelle: Wikipedia

Die Sonne verfügt über ein starkes Magnetfeld (Dynamo-Effekt. Die magnetischen Feldlinien und das elektrisch leitende Sonnenplasma sind eng aneinander gekoppelt. Einerseits bestimmen die magnetischen Feldlinien die Bewegung  des Plasmas, andererseits nimmt dieses auch die Feldlinien bei seiner Bewegung mit. Infolge der differentiellen Eigenrotation der Sonne (vom Äquator zu den Polen abnehmende Rotationsgeschwindigkeit) werden die anfangs senkrecht verlaufenden Magnetfeldlinien unterschiedlich schnell mitgenommen und wickeln sich dadurch spiralförmig um die Sonne. Hinzu kommt noch eine Extra-Verdrillung durch die Konvektion des Sonnenplasmas. Geraten die magnetischen Feldlinien eng aneinander, so stossen sie sich  heftig voneinander ab und können die Sonnenoberfläche schleifenförmig durchbrechen. Der Energienachschub durch die von unten aufsteigenden Gasblasen wird blockiert, die betroffene Region kühlt ab und wird als dunkler Sonnenfleck sichtbar. Entlang der Feldlinienschleifen über den Sonnenflecken sammeln sich heisse, ionisierte Gasmassen (ruhende Protuberanzen). Schliesslich reissen die Schleifen und die Gasmassen werden als eruptive Protuberanzen von der Sonne weggeschleudert (Coronal Mass Ejection CME, Sonnensturm).

Das Auftauchen der Sonnenflecken unterliegt einem 11- jährigen Zyklus (Schwabe-Zyklus). Mit zunehmender Aufwickelung der magnetischen Feldlinien um die Sonne erscheinen immer mehr Sonnenflecken bis ein Fleckenmaximum erreicht ist. Durch die immer stärkere Wechselwirkung der Feldlinien untereinander nimmt schwächt sich das Magnetfeld der Sonne jedoch ab, so dass die Anzahl der Sonnenflecken wieder zurückgeht. Im Minimum polt sich das Magnetfeld der Sonne um und wird dann wieder stärker. Der nächste Sonnenfleckenzyklus beginnt, allerdings mit entgegengesetzter Polarität der Sonnenflecken. Dem 11jährigen Schwabe-Zyklus liegt also ein doppelt so langer Magnetfeldzyklus zugrunde.

Sonnenfleckenzyklen: Das obere Schmetterlingsdiagramm zeigt die räumliche Verteilung und Ausdehnung der Sonnenflecken. Diese erscheinen zu Beginn eines Zyklus in Höhe der 40. Breitengrade. Später verlagern sich die Sonnenflecken-Entstehungsgebiete in Richtung Äquator. Die untere Abbildung zeigt die Anzahl der Sonnenflecken über die Zeit. Quelle: NASA

Obwohl die Sonnenflecken im Vergleich zur übrigen Sonnenoberfläche kühler sind, geht ein Sonnenfleckenmaximum mit einem Aktivitäts- und Strahlungsmaximum der Sonne einher und nicht umgekehrt, wie man auf den ersten Blick erwarten könnte. Der Grund: Bei einem Aktivitätsmaximum ist die Konvektion entsprechend stark und damit auch die Verdrillung der Magnetfeldschleifen, was automatisch auch zu mehr Sonnenflecken führt. Das Strahlungsdefizit innerhalb der dunklen Sonnenflecken (Umbra) wird dann durch erhöhte Abstrahlung von der umgebenden Sonnenoberfläche (Periumbra) überkompensiert.

Im Rahmen der Sonnenfleckenzyklen schwankt die Gesamtstrahlung der Sonne nur wenig, der kurzwellige Anteil (UV-Strahlung) und der elektrisch geladenene Teilchenstrom schwanken dagegen umso mehr.

Im Sonnenmaximum kommt es besonders häufig zu heftigen Eruptionen in Form von Coronal Mass Ejections (CME, s.o.) bzw. Solar Flares. Wenn der dabei abgegebene intensive, elektrisch geladene  Teilchenstrom als Sonnensturm auf die Erde prallt, so kommt es zu erheblichen Störungen in den satellitengestützten Kommunikations- und Navigationssystemen, auch wenn das irdische Magnetfeld den Aufprall deutlich abmildert. Dieser geht mit dem vermehrten Auftauchen von Polarlichtern einher. In der Erdatmosphäre entstehen geomagnetische Stürme, die über elektromagnetische Induktion (von elektrischen Strömen)  oft zu Stromausfällen und zu einer erhöhten Korrosion von Öl- und Gas-Pipelines führen können.

Klimawandel: Was gibt es Neues seit dem Weltklimabericht 2007? Referent:Prof.Dr. Stefan Rahmstorf 

Der Anstieg der Treibhausgase in der Erdatmosphäre beschleunigt sich und liegt schon jetzt im oberen Bereich der Prognosen des IPCC. Lag die Zunahme von CO2 in den Jahren 1970-1979 noch bei 1,3 ppm (parts per million) pro Jahr, so waren es von 1980-1989 bereits 1,6 ppm, von 1990-1999 1,8 ppm und von 2000 – 2006 schon 2,0 ppm. Dann ging es noch steiler bergauf. Im Jahre 2007 waren es 2,2 ppm und 2008 2,3 ppm!

Mit einem Anteil von 385 ppm  liegt die CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre heute um 38% über dem vorindustriellen Wert. Aus der Untersuchung von Eisbohrkernen im Rahmen des EPICA-Projekts (European Project for Ice Coring in Antarctica) in der Antarktis wissen wir, dass es seit mindestens 850.000 Jahren nicht so viel CO2 in der Erdatmosphäre gab wie heute.

Dasselbe gilt auch für die globale Durchschnittstemperatur. Auch hier liegt der beobachtete globale Temperaturanstieg der vergangenen Jahre im oberen Bereich der IPCC-Prognosen. Besonders betroffen ist die Arktis. wo die Temperaturen bedingt durch die Eis-Albedo-Rückkopplung  weit überdurchschnittlich zunehmen. Immerhin ist es hier schon um 6°C wärmer geworden, in manchen Regionen sind es sogar 12°C!

Im Jahr 2007 schmolz das arktische Eis auf ein absolutes und so nicht vorhergesehenes Rekordminimum und erholte sich auch im Folgejahr kaum. Bei einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um mehr als 2°C, könnte der gesamte grönländische Eisschild verschwinden, denn von einem bestimmten kritischen Punkt an ist die Eisschmelze nicht mehr zu stoppen, weil Eis durch beschleunigtes Abrutschen in Richtung Meer in immer tiefere und wärmere Luftschichten gelangt. Damit könnte der Meeresspiegel innerhalb von Jahrhunderten um 7m ansteigen.

Der Meeresspiegel steigt aber auch so schon seit Jahrzehnten (um 50%!) schneller als von den Modellen des Weltklimarates (IPCC) vorhergesagt. Hauptsächlich verantwortlich dafür ist die thermische Ausdehnung des Ozeanwassers, daneben aber auch das Abschmelzen des Inlandeises (Gletscher, Eisschilde).

Die  Delta-Kommission der hölländischen Regierung rechnet in ihrem Report mit einen Meeresspiegelanstieg von bis zu 1,10 m bis zum Jahr 2100 und auf einen Anstieg von 3,50 m bis 2200. Die Deltawerke (niederländisch: Deltawerken) sind ein Schutzsystem gegen Hochwasser und Sturmfluten in den Niederlanden.

Auch extreme Wetterereignisse wie Dürreperioden, Hitzewellen oder tropische Wirbelstürme treten heute häufiger und mit grösseren Folgeschäden auf als früher. Die Zahl und Schwere der tropischen Wirbelstürme hängt von der Oberfächentemperatur der Ozeane ab.

Kippelemente („tipping points“) im Klimasystem Quelle: http://www.pnas.org/

Es besteht die grosse Gefahr das die Belastung des Klimasystems eine kritische Grenze überschreitet, wodurch bestimmte wichtige Prozesse im Gesamtgefüge „kippen“ könnten. Beispiele sind der Verlust des arktischen meereises, das Abschmelzen des grönländischen Eisschildes, eine Unstetigkeit der Monsune, eine grossflächige Versteppung des Amazonas-Regenwaldes, das Auftauen des Permafrostbodens mit Freisetzung grosser mengen an Treibhausgasen (CO2, CH4) oder die Schwächung des Nordatlantikstromes.

Unterschiedliche Regionen, Länder und Bevölkerungsgruppen sind unterschiedlich schwer von den negativen Folgen des menschengemachten Klimawandels betroffen. Gerade die ärmsten Länder, die am wenigsten zum Klimawandel beigetragen haben, leiden häufig überdurchschnittlich stark an den Folgen und sind gleichzeitig am wenigsten in der Lage, sich davor zu schützen.

Die Folgen des Klimawandels werden noch lange anhalten. Selbst wenn der Anstieg der Treibhausgase binnen kürzester Frist gestoppt werden könnte, würde der Anstieg der globalen Duchschnittstemperatur und vor allem der Meeresspiegelanstieg wegen der Trägheit des Klimasystems noch über Jahrhunderte bis Jahrtausende weitergehen, um sich dann auf einem hohen Niveau zu stabilisieren.

Jens Christian Heuer

Im Juni 2008 entdeckte ein internationales Astronomenteam unter Leitung von David Bennett mit der Microlensing - Methode einen 3000 Lichtjahre entfernten Planeten von nur 3,3 Erdmassen, eine felsige, sogenannte „Supererde“, die einen Braunen Zwerg umkreist, also einen mangels Masse (nur 6-8% der Masse unserer Sonne)gescheiterten Stern, welcher das Kernfusionsfeuer nicht entfachen konnte (http://www.newscientist.com/article/dn14038-smallest-planet-weighs-just-three-earths.html). Die Beobachtung gelang gleichzeitig mit dem Astrophysics (MOA) II Telescope in Neuseeland und unabhängig davon mit dem Very Large Telescope (VLT) in Chile (Microlensing-Ereignis MOA‐2007‐BLG‐192).  

Die Microlensing – Methode basiert auf der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins, nach der eine Masse in Abhängigkeit von ihrer größe die umgebende Raumzeit krümmt und daher auch Lichtteilchen (Photonen) ablenken kann, obwohl sie masselos sind.

Das Licht eines weit entfernten kann also durch einen näher gelegenen Stern abgelenkt werden. Befinden sich beide Sterne in einer Sichtlinie, so wirkt der Vordergrundstern als Sammellinse für das Licht des Hintergrundsterns. Durch diesen Gravitationslinseneffekt wird der sichtbare, weiter entfernte Hintergrundstern vorübergehend heller.

Handelt es sich bei dem Vordergrundstern um einen Einzelstern ohne Planeten, dann erhält man eine symmetrische Lichtkurve, weil die Helligkeit des Hintergrundsterns gleichmässig zu- und wieder abnimmt.

Wird der Vordergrundstern aber von einem Exoplaneten begleitet, so zeigt die Lichtkurve noch ein weiteres „aufgesetztes“ kleines Helligkeitsmaximum, das vor oder nach dem Hauptmaximum liegt, je nachdem auf welcher Seite des Sterns sich der Planet gerade befindet. Mit dieser Methode lassen sich auch sehr kleine Exoplaneten aufspüren. Allerdings müssen sehr viele Sterne beobachtet werden, um fündi zu werden, da Microlensing-Eregnisse mit zwei genau in einer Sichtlinie zur Erde liegenden Sternen relativ selten sind.  

Durch Microlensing lassen sich im Gegensatz zu anderen Methoden auch kleine Exoplaneten in der Grössenordnung der Erde aufspüren. Quelle:   http://bustard.phys.nd.edu/MPS/index.html

Der Exoplanet erzeugt ein weiteres kleines Helligkeitsmaximum neben dem grossen Helligkeitsmaximum des Linsensterns im Vordergrund. Quelle: https://www.llnl.gov/str/

Eine neue Analyse des Microlensing-Ereignisses MOA‐2007‐BLG‐192 deuten nun aber auf eine größere Masse des Vordergrundsterns hin (http://www.newscientist.com/article/dn16439-smallest-known-exoplanet-may-actually-be-earthmass.html). Statt um einen Braunen Zwerg handelt es sich wohl doch eher um einen Roten Zwergstern, also um einen echten Stern mit funktionierender Kernfusion! Um die gemessene Lichtkurve zu erklären, muss die Masse des Exiolaneten aber deutlich heruntergerechnet werden und man erhält einen Planeten von nur noch sage und schreibe 1,4 Erdmassen!!! Könnte es die lang gesuchte ZWEITE ERDE sein? Von der Größe her auf jeden Fall, da wäre er äußerlich von der Erde kaum zu unterscheiden. Die Umlaufbahn ist ebenfalls recht günstig, denn der Exoplanet umrundet seinen allerdings vergleichsweise nur sehr schwach leuchtenden Zentralstern in etwa der Ebtfernung wie die Venus unsere Sonne. Dieser Abstand ist groß genug, daß es nicht zu einer gebundenen Rotation des Exoplaneten kommt, der ansonsten seinem Stern immer dieselbe Seite zuwenden würde, was nicht gerade günstig für das dann dort herrschende Klima wäre. Der Planet empfängt allerdings deutlich weniger Wärme als die Erde und könnte daher tiefgefroren sein. Aber der Planet ist als „kleine Supererde“ auch um immerhin 40% schwerer. Das führt höchstwahrscheinlich zu einer stärkeren Plattentektonik und damit auch zu einer dichteren Atmosphäre, die besser die Wärme halten kann. Zudem ist der Planet groß genug, um viele Kometen einzufangen, wodurch sich wahrscheinlich Ozeane bilden konnten. Also vielleicht doch die erste ZWEITE ERDE!?

Stichwort Exoplaneten: Exoplaneten sind Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems, denn sie umkreisen  nicht unsere, sondern eine andere Sonne. Sie gehören also zu einem fremden Planetensystem um einen fremden Stern. Die Bildung von Planeten ist eine normale Begleiterscheinung bei der Sternentstehung und läuft in etwa so ab: 

Eine interstellare Wolke (Durchmesser ca. 1Lichtjahr) aus Gas (99%) und Staub (1%) kollabiert unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft, zieht sich zusammen, beginnt zu rotieren, wird dabei immer schneller (wegen der Erhaltung des Drehimpulses) und im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich schliesslich ein Stern bildet. Durch die Rotation formt sich eine Scheibe, die sich langsam abkühlt, so dass es zu Kondensationsvorgängen kommt, wobei die vielen Staubteilchen  als Kondensationskerne wirken. Die schwerer werdenden Staubteilchen sinken durch die Schwerkraft und die Bremswirkung des Gases zur Scheibenebene, wo sie sich zunehmend anreichern. Dadurch beschleunigt sich wiederum das Wachstum der Staubteilchen, weil sie sich immer häufiger begegnen und aneinander haften bleiben. Es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.

Planetenentstehung Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml

In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach aussen abnimmt, kondensieren im inneren, heissen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate. Bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auftreten 1 Astronomische Einheit (AE) entspricht der Entfernung der Erde zur Sonne (150 Millionen km). Die Planetesimale sind bald gross genug um weitere Materie anzusammeln. Die Grösseren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stossen aufeinander und zerfallen, oder werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äusseren Ring, den Kuiper-Gürtel. Manche stürzen auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen dementsprechend grössere Planetesimale, die wiederum auch mehr Material einsammeln können. Diese sehr grossen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen nun auch grössere Mengen Gas an, wodurch die sogenannten Gasriesen (z.B. Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem) entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas das hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensiert. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die so heiss werden, dass sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate den Mantel und die Kruste (erdähnliche Planeten). Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder auch mehrere Asteroidengürtel.

Die meisten Exoplaneten wurden bisher auf indirektem Wege gefunden, davon der ganz überwiegende Teil mit der Doppler-Methode: In einem Planetensystem zieht nicht nur der Stern den ihn umlaufenden Planeten an, sondern auch der Planet übt umgekehrt eine Kraft aus. Diese Anziehungskraft zwingt den Stern auf eine kreisförmige oder elliptische Bahn um den gemeinsamen Schwerpunkt, welche wiederum im Kleinen die Umlaufbahn des Planeten widerspiegelt. Da der Stern viel schwerer ist als der Planet, liegt der gemeinsame Schwerpunkt immer innerhalb des Sterns. Die Schwierigkeit liegt nun darin, aus einer so grossen Entfernung die außerordentlich geringe Bewegung des Sterns zu messen. Eine Möglichkeit ist die spektroskopische Untersuchung des Sternenlichtes unter Zuhilfenahme des Doppler-Effekts. Wenn sich der Stern auf seiner kleinen Bahn einmal in Richtung Erde und dann wieder von ihr weg bewegt, werden die von ihm ausgesandten Lichtwellen abwechselnd etwas zusammen oder auseinander gezogen. Dabei werden die Lichtwellen erst zum blauen (kurzwelligen) und dann zum roten (langwelligen) Ende des Spektrums hin verschoben. Aus dieser periodischen Dopplerverschiebung des Lichts können die Astronomen die Bahn des Sterns ermitteln und daraus mit den Newtonschen Gesetzen die Masse, Umlaufzeit, den Abstand des Planeten von seinem Stern und sogar die Form der Umlaufbahn (kreisförmig oder elliptisch) bestimmen.

Mit der Doppler-Methode wurden bisher die meisten Exoplaneten gefunden. Quelle: ESO

Die ermittelte Masse des Exoplaneten stimmt aber nur, wenn die Beobachtung des fremden Planetensystems genau von der Seite geschieht. Ist die Bahn des Explaneten jedoch gegen die Beobachtungsrichtung geneigt, so wird seine Masse unterschätzt, weil die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von der Erde aus betrachtet geringer erscheint als sie ist. Die gemessene Doppler-Verschiebung täuscht einen zu leichten Planeten vor. Der Neigungswinkel der Bahnebene des fremden Planetensystems lässt sich nur ermitteln, wenn außerdem noch eine Staubscheibe oder aber ein Vorübergang des Planeten vor dem Stern (Planetentransit) beobachtbar ist. Der Planetentransit führt zu einer winzigen Helligkeitsabnahme des Sterns und ist deshalb eine eigenständige Methode zur Entdeckung von Exoplaneten.

 Jens Christian Heuer

Tori Amos: „Winter“

Ich wünsche allen Leserinnen und Lesern von Weltenwetter ein schönes Weihnachtsfest und einen guten Start ins neue Jahr!

Nun steht es entgültig fest. Auf  Weisse Weihnachten müssen wir in Deutschland auch in diesem Jahr (überwiegend) verzichten. Ein Blick auf die augenblickliche Wetterlage, die sich in etwa so entwickelt hat, wie seit dem 18. Dezember vorhergesagt, macht sofort klar warum:

Meridionale Wetterlage am 24.Dezember.  Quelle: http://www.wetter3.de/

Deutschland liegt noch gerade innerhalb eines Hochkeils mit anticyclonaler Strömung (anticylonal = Luftströmung auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn, typisch für Hochdruckgebiete), in dem die Luftmassen grossflächig absinken  und sich dabei erwärmen, so dass sich  Wolken tendenziell auflösen und Niederschläge eher unwahrscheinlich sind. Über Ostdeutschland gibt es allerdings eine kleine Störung in der Höhenströmung, eine kleine cyclonale Ausbuchtung (cyclonal = Luftströmung auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn, typisch für Tiefdruckgebiete), also eine Art kleiner Höhentrog! Und hier wird die Luft gehoben, dehnt sich aus und kühlt dabei ab, so dass Wolkenbildung einsetzt und es auch zu Niederschlägen komen kann. Diese gehen aber wegen der zu hohen Lufttemperaturen nicht als Schnee, sondern nur als Regen nieder. Das bestätigt auch die Niederschlagskarte:

Niederschläge am  24.Dezember.  Quelle: http://www.wetter3.de/

Weiter östlich im Einfluss des grossen Höhentroges über Osteuropa kommt es aber vielerorts zu Schneefällen. So darf man sich etwa in Teilen Polens oder auch in den höheren Lagen von Österreichs am Ende doch noch an einer weissen Winterlandschaft erfreuen.

Lassen wir zum Schluss unseren Blick noch ein wenig in die Ferne schweifen. Nordamerika und Nordchina erleben derzeit rekordverdächtige Wintereinbrüche durch ein Vordringen polarer Kaltluft innerhalb ausgedehnter Höhentröge. Ein Tief nach dem anderen lädt gewaltige Schneemengen ab. Ähnliche Winterbrpüche erlebten wir auch schon im vergangenen Winter, ebenfalls 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 das Ganze schon wieder? 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 eine andere Möglichkeit: Ein Nachlassen des Golfstroms infolge der massiven Eisschmelze in der Arktis!

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

Ein schwächerer Golfstrom würde nämlich den Temperaturgradienten an der Polarfront (wo warme Luft aus dem Süden und polare Kaltluft aufeinandertreffen) verringern, denn die Temperaturen auf der Warmluftseite würden ja zurückgehen, der Temperaturunterschied zur polaren Kaltluft also geringer.  Islandtief und Azorenhoch, die mit dem Heranführen polarer Kaltluft und (sub)tropischer Warmluft die Polarfront verstärken und so indirekt auch den Jetstream antreiben, werden dadurch geschwächt. Ein schwächerer Jetstream würde aber stärker mäandern und dann die polare Kaltluft nicht mehr so gut einschliessen. Die Folge wären vermehrte Kaltluftausbrüche gen Süden. Das die spektakulären Wintereinbrüche der letzten beiden Winter oft auch fernab des Golfstromes in Asien stattfanden muss nicht unbedingt gegen die Möglichkeit einer Abschwächung des Golfstromes sprechen, wenn man annimmt, dass sich das veränderte Schwingungsmuster des Jetstreams um die gesamte Nordhalbkugel herum fortpflanzt und über den schneller auskühlenden Landmassen Kaltluftvorstösse ohnehin leichter stattfinden.

Übrigens: Im Zusammenhang mit der jüngsten Forschungsreise der Maria S. Merian unter der Leitung von Monika Rhein, Bremen wurde kürzlich 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 +) besteht wegen eines hohen Temperaturgradienten an der Polarfront auch ein hoher Druckgradient (aufgrund der unterschiedlich hohen vertikalen Ausdehnung von Warm- und Kaltluft!) zwischen Islandtief und Azorenhoch und damit ein starker Antrieb für den Jetstream, der deshalb 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 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 dementsprechende Meeresströmung, die an der westafrikanischen Küste kaltes Tiefenwasser hervorquellen lässt. Dadurch sinken wiederum die Temperaturen des Oberflächenwassers im Atlantik und damit entstehen hier weniger tropische Wirbelstürme. Der kräftige Jetstream schliesst die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so dass Kaltluftvorstöße in den Süden  selten bleiben. In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -) bleiben Islandtief und Azorenhoch schwach. Der Jetstream mäandert deutlich mehr und bringt nur relativ wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs hervor. Die Westdrift bricht immer wieder zusammen. Durch die dabei häufig entstehenden blockierenden Hochs 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 gen Süden, 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, z.B. in Grönland. Das Zirkulationsmuster ist also meridional. Die Nordostpassate bleiben schwach und damit steigen die Wassertemperaturen vor der westafrikanischen Küste. Das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Quelle: http://airmap.unh.edu/

Jens Christian Heuer

Verwande Beiträge:

Weisse Weihnachten? http://weltenwetter.wordpress.com/2008/12/16/weisse-weihnachten/

Weisse Weihnachten? Update http://weltenwetter.wordpress.com/2008/12/18/weisse-weihnachten-update/