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Der Klimawandel und die Tropen (überarbeitet am 18.Sept.2008)

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Als Folge der globalen Erwärmung hat in den vergangenen Jahrzehnten die Ausdehnung der Tropen zugenommen. Das haben mehrere Wissenschaftler-Teams unter der Leitung der Meteorologin Dian Seidel an der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in einer gemeinsamen Untersuchung bewiesen.

Prognosen des IPCC Nach Aussage des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), dessen beteiligte Wissenschaftler mit Hilfe von Klimamodellen versuchen, die Auswirkungen der globalen Erwärmung abzuschätzen könnten sich durch die Anreicherung von „Treibhausgasen“ in der Troposphäre u.a. die folgenden Veränderungen ergeben:

Erwärmung der Troposphäre, Abkühlung der Stratosphäre
Der Boden kühlt besonders in der Nacht durch Abgabe von Wärmestrahlung (Infrarot) recht schnell ab. Infrarote Gegenstrahlung der Treibhausgase (Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas u.a.), die einen (kleinen) Teil der infraroten Bodenstrahlung absorbieren, wodurch sich die Atmosphäre erwärmt verzögert aber die nächtliche Auskühlung des Bodens, der sich dann durch die Sonnenstrahlung am Tage dementsprechend stärker erwärmt bis sich schließlich ein Strahlungsgleichgewicht auf höherem Temperaturniveau einstellt. Der Boden erwärmt wiederum dann wiederum von unten die Luftschichten der Troposphäre. Die Troposphäre dehnt sich dadurch weiter aus, und damit beginnt auch die Tropopause erst in einer größeren Höhe. Da die Treibhausgase weniger Infrarotstrahlung des Bodens in die Stratosphäre „durchlassen“, wird es dort kälter.

Ausdehnung der Hadley-Zellen in Richtung der Pole (Ausdehnung der Tropen!)
Dadurch würden sich der subtropische Hochdruckgürtel und damit auch die Wüstengebiete entsprechend nach Norden und nach Süden verlagern.

Verlagerung der Subtropenjets in höhere Breiten auf beiden Erdhalbkugeln
Dies wäre eine direkte Folge der Ausdehnung der Hadley-Zellen.

Verlagerung der Polarfronten in Richtung der Pole
Ursache wäre ein „Vordringen“ der Warmluft und ein „Rückzug“ der Kaltluft in die engeren Polregionen. Außerdem würde die Abkühlung der Stratosphäre die Polarwirbel verstärken, wodurch es stärkere Westwinde geben könnte. In Mitteleuropa gäbe es beispielsweise dann im Durchschnitt heißere und trockenere Sommer durch häufigere Hochdrucklagen, denn die Zugbahnen der dynamischen Tiefs in der Westwindzone würden weiter nördlich verlaufen. Im Winter würde es bei häufigeren Hochdrucklagen aber eher kälter.

Häufigere und stärkere Niederschläge (Starkregen)
In der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) und im Bereich der Zugbahnen der dynamischen Tiefs würden die Niederschläge an Anzahl und Heftigkeit zunehmen, da durch die zunehmenden Temperaturen mehr Wasser verdunsten könnte. Bei der Wolkenbildung würde dann auch mehr Wasserdampf kondensieren, wodurch mehr latente Wärme (Kondensationswärme) frei würde, die wiederum die Wolkenbildung antreibt. Mehr Wolken bedeutet aber wiederum noch mehr Niederschläge.


In den mittleren Breiten treffen tropische Warmluft und polare Kaltluft an den Polarfronten direkt aufeinander. Wegen des großen Temperaur- und Druckgradienten (Warmluft hat eine größere Ausdehnung als Kaltluft, so daß in einer Luftsäule mit zunehmender Höhe der Luftdruck dementsprechend langsamer zurückgeht!) entstehen starke polwärts gerichtete Höhenwinde, die unter dem Einfluß der Erdrotation (Corioliskraft) zu Westwinden umgelenkt werden, die sich bis zum Boden hin durchsetzen (Westwindzonen, midlatitude westerlies). In den Bereichen mit den größten Temperaturgradienten erreichen die Höhenwinde innerhalb der Westwindzonen eine maximale Geschwindigkeit (Jetstream). Aus Divergenzen in den mehr oder weniger stark mäandernden Jetstreams entwickeln sich dynamische Tiefs, welche tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander verwirbeln.  Aus Konvergenzen entstehen dagegen dynamische Hochs, darunter auch die Subtropenhochs, in denen die Luft absinkt und sich dabei erwärmt. Infolgedessen bilden sich nur wenige Wolken, und es ist  heiß und trocken (Wüstengebiete). Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) strömen die stark erwärmten Luftmassen aus den Subtropenhochs von Nord- und Südhalbkugel zusammen (Konvergenz), werden dadurch gehoben, kühlen dabei ab, und es ist demzufolge feucht, wolken- und niederschlagsreich (moist cloudy regions). Wolken und Wasserdampf lassen nur relativ wenig Infrarotstrahlung des von der Sonne erhitzten Erdbodens in den Weltraum entweichen (low outgoing longwave radiation). Die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) bleibt nicht ortsfest am Äquator, sondern wandert in Abhängigkeit vom Sonnenstand und damit von den Jahreszeiten abwechselnd in Richtung einer der beiden Pole. Über den Tropen erwärmt sich die Troposphäre wesentlich stärker als über den gemäßigten Breiten oder gar den Polen. Daher liegt die Tropopause in einer deutlich größeren Höhe (high tropopause, low tropopause). Die Wanderung der ITCZ verursacht eine stetige Abfolge von Regenzeiten im Sommer (Monsun) und Trockenzeiten im Winter. Die von der Hadley-Zirkulation zwischen ITCZ und Subtropenhochs angetriebene Brewer-Dobson-Zirkulation befördert stratosphärisches Ozon von den Tropen (low ozone) in höhere Breiten (high ozone). Die Ozonkonzentration in der Stratosphäre über den Tropen ist daher gering und über den höheren Breiten dagegen erhöht. Quelle: http://www.nature.com/ngeo/index.html

Die Fakten Die Wissenschaftler-Teams um Dian Seidel fanden nun mehrere voneinander unabhängige Beweise für eine zunehmende Ausdehnung der Tropen in den letzten Jahrzehnten:

1) Der Bereich mit niedrigen Ozonkonzentrationen in der Stratosphäre über der Äquatorregion, so zeigen Satellitendaten, hat sich in den Jahren 1979-2003 deutlich um 2,5° nach Norden und Süden ausgeweitet. Da die Bereiche niedriger Ozonkonzentration die Hadley-Zellen markieren, ist das ein Anzeichen für eine Ausdehnung der Tropen (rote Kurve).

2) Der Subtropenjet – als westlicher Höhenwind oberhalb der Subtropenhochs ein Teil der Hadley-Zirkulation – hat sich in dem Zeitraum von 1979-2005 auf beiden Erdhalbkugeln um 2° polwärts verschoben. Dabei besteht ein Zusammenhang mit dem Erwärmungstrend der Troposphäre und dem Abkühlungstrend der Stratosphäre, die jeweils zwischen dem 15ten und 45ten Breitengrad am deutlichsten ausgeprägt sind (türkisfarbene Kurve).

3) Daten aus Radiosondenaufstiegen (Wetterballons) zeigen eine Verlagerung der Tropopause in größere Höhen über den Subtropen. Wenn man die Tropen als einen Bereich definiert, wo die Tropopause in einer Mindesthöhe von 15 km liegt, ergibt sich von 1979-2005 eine Ausdehnung der Tropen um 5°-8 ° , wobei der Trend auf der Südhalbkugel deutlicher zutage tritt (blaue Kurve). Auch die Höhe der Tropopause über den Tropen insgesamt hat zugenommen und dadurch wuchs das Volumen der Troposphäre über den Tropen um etwa 5%.

4) Eine direkte Vermessung der Hadley-Zellen weist ebenfalls auf eine Verbreiterung der tropischen Regionen hin und zwar um 2°-4,5°, wiederum von 1979-2005. Gemessen wurden zum einen direkt die Luftströmungen in den Hadley-Zellen (gelbe Kurve) und darüber hinaus die Ausdehnung der feuchten, wasserdampfhaltigen Luftschichten und der Quellwolken über den Tropen (grüne Kurve). Sowohl die Wolken als auch der Wasserdampf absorbieren langwellige Infrarotstrahlung, die von dem durch die Sonne aufgeheizten Erdboden abgestrahlt wird.


Die Beweise für die Ausdehnung der Tropen ergeben sich aus mehreren voneinander unabhängigen Untersuchungen. Links ist auf der y-Achse die Gesamtausdehnung der Tropen in Breitengraden aufgetragen, rechts wird dagegen nur die Nordhalbkugel berücksichtigt. Die x-Achse zeigt den Zeitraum der Untersuchungen (siehe Text). Quelle: http://www.nature.com/ngeo/

Fazit Die beobachtete Ausdehnung der Tropen ist größer als es alle gängigen Klimamodelle zur aktuellen globalen Erwärmung voraussagen! Diese Ausdehnung könnte gravierende Folgen für die Lebensbedingungen vieler Menschen haben. So würde eine Verlagerung des subtropischen Hochdruckgürtels und damit auch der Wüstengebiete beispielsweise zu extremer Trockenheit in den südeuropäischen Mittelmeerländern, im Südwesten der Vereinigten Staaten oder im Norden von Mexiko führen. Bisherige Wüstengebiete könnten in Zukunft allerdings sommerliche Monsunregenperioden erleben. Die Westwindzonen mit ihren Tiefdruckgebieten würden zu den Polen hin verschoben und damit gäbe es beispielsweise in West– und Mitteleuropa heißere Sommer und möglicherweise auch kältere Sommer.
Eine verstärkte BrewerDobson-Zirkulation könnte mehr Wasserdampf in die ansonsten sehr trockene Stratosphäre befördern. Da Wasserdampf ein viel stärkeres „Treibhausgas“ als Kohlendioxid (CO2) ist, würde das die globale Erwärmung enorm verstärken. Ein sich selbst verstärkender Prozess (positive Rückkopplung) mit noch unabsehbaren Folgen würde in Gang gesetzt!

Jens Christian Heuer

Quellen: http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/abs/ngeo.2007.38.html und http://www.ipcc.ch/

Written by jenschristianheuer

Dezember 8, 2007 at 12:54 am

Veröffentlicht in Klimaforschung, Klimawandel