Weltenwetter

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Kritische Schwellen – Warum das Klima plötzlich kippen könnte! (überarbeitet am 19.Sept.2008)

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In einer Veröffentlichung des Wissenschaftsmagazins „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) warnt eine internationale Gruppe von Klimaforschern vor den Gefahren eines unerwartet schnell verlaufenden Klimawandels. Scheinbar unbedeutende, allmähliche Klimaänderungen in bestimmten Regionen der Erde könnten einen plötzlichen, unter Umständen sogar weltweiten Klimawandel auslösen.

Prof..Stefan Rahmstorf und Prof. Hans Joachim Schellhuber vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (http://www.pik-potsdam.de/) haben sich zusammen mit britischen Wissenschaftlern um Timothy Lenton von der britischen University of East Anglia in Norwich (http://www1.uea.ac.uk/cm/home) Gedanken darüber gemacht, ob und wo auf der Erde zunächst nur kleine Veränderungen des Klimas schon bald in einen plötzlichen und grundlegenden Wandel des globalen Klimasystems umschlagen können, mit möglicherweise verhängnisvollen Folgen für die Menschheit.


Timothy Lenton, Stefan Rahmstorf und. Hans Joachim Schellhuber
Quellen:
http://www.tyndall.ac.uk/ und http://www.wbgu.de/

Was damit gemeint ist, lässt sich anhand eines Bogenschützen veranschaulichen, der seinen Bogen immer weiter spannt, um eine immer größere Schussweite seiner Pfeile zu erreichen. Zunächst geht das auch gut, denn je kräftiger er seinen Bogen spannt, desto weiter fliegen die Pfeile. Aber schließlich kommt er an eine kritische Schwelle, wo die Sehne reißt, wenn er seinen Bogen noch weiter spannt. Der Pfeil kann dann überhaupt nicht mehr abgeschossen werden. Das System Pfeil und Bogen kippt also urplötzlich von einem Zustand, wo die Pfeile mit zunehmender Anspannung des Bogens immer weiter fliegen, in einen Zustand, wo das ganze System nicht mehr funktioniert. Diese Veränderung lässt sich dann nicht mehr so ohne weiteres rückgängig machen. Ähnlich könnte es auch dem globalen Klimasystem ergehen, das sogar mehrere kritische Schwellen aufweist. Durch die fortgesetzte Anreicherung von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre – durch die Nutzung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas) steigt beispielsweise die Menge an Kohlendioxid – erwärmt sich das globale Klimasystem immer mehr.
Funktionsweise eines römischen Bogens
Quelle:
http://www.imperiumromanum.com/

Dieser „Treibhauseffekt“ funktioniert so: In der Nacht, kühlt die Erdoberfläche,  wenn sie nicht mehr von der Sonne beschienen wird, vor allem durch Abgabe von Wärmestrahlung (Infrarot) sehr schnell ab. Die infrarotaktiven Treibhausgase (Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas)in der Troposphäre (wo sich das Wetter überwiegend abspielt) absorbieren  – entsprechend ihrer Eigenschwingungen – bestimmte ausgewählte Wellenlängen der Infrarotstrahlung  des Erdbodens und geben einen Großteil der empfangenen Energie durch Stöße an die zahlreichen Nachbarmoleküle ab. Die Troposphäre erwärmt sich dabei ein wenig und die in ihr enthaltenen Treibhausgase strahlen dementsprechend im Infraroten. Ein Teil  davon gelangt als infrarote Gegenstrahlung wieder zurück zum Erdboden, der dadurch etwas Wärme zurückerhält und so langsamer auskühlt. Der andere Teil gelangt in den Weltraum. Aufgrund der verzögerten Auskühlung erwärmt sich der Erdboden durch die Sonnenstrahlung auf höhere Temperaturen, als wenn es keine Treibhausgase gäbe. Die Erdoberfläche gibt dann dem Temperaturanstieg entsprechend einerseits mehr Infrarotstrahlung – mit den zahlreichen Wellenlängen, die die Treibhausgase nicht absorbieren können (Infrarotfenster) – in den Weltraum ab, andererseits gibt der durch den Treibhauseffekt erwärmte Erdboden seine zusätzliche Wärme von unten an die unteren Luftschichten der Troposphäre weiter, was wiederum die Konvektion (Luftumwälzung) verstärkt. Letztendlich stellt sich  ein neues Strahlungsgleichgewicht auf höherem Temperaturniveau ein. Die Wirkungen der Treibhausgase addieren sich, können sich aber auch gegenseitig überproportional verstärken. Nimmt beispielsweise die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Luft zu, so wird es nur ein wenig wärmer. Die wärmere Luft kann jedoch mehr Feuchtigkeit aufnehmen. Wasser (H2O) ist ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid (CO2). Damit verstärkt das H2O in der Atmosphäre den relativ geringen Treibhauseffekt des CO2 (Wasserdampfverstärkung).  Wolken haben übrigens eine ähnliche Wirkung wie die Treibhausgase. Allerdings halten sie die Wärme besser als alle Treibhausgase zurück, da sie die Infrarotstrahlung in allen infraroten Wellenbereichen absorbieren! Die Wolken strahlen aber auch einen Teil der absorbierten Wärmeenergie in den Weltraum ab. Dies tun sie umso weniger, je größer ihre vertikale Ausdehnung ist, denn in größeren Höhen ist die Wolkenoberseite deutlich kälter als die Wolkenunterseite. Die Infrarotabstrahlung der Wolkenoberseite in Richtung Weltraum ist dann deutlich geringer als die infrarote Gegenstrahlung in Richtung Erdboden an der Wolkenunterseite. In große Höhen hinaufreichende Quellwolken erzeugen also einen deutlich stärkeren Treibhauseffekt als eine flache Schichtbewölkung. Tagsüber wirken alle Wolken auch mehr oder weniger  abkühlend, da sie einen erheblichen Teil des Sonnenlichts in den Weltraum reflektieren.


Vergleich der globalen Temperaturen mit den Konzentrationen des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosphäre und der Zahl der Sonnenflecken, die ein Maß für die Sonnenaktivität ist. In der Temperaturkurve spiegelt sich der Einfluss des Kohlendioxids und der Sonnenaktivität – die zwischen 1900 und 1945 anscheinend sogar dominiert – deutlich wieder. Seit 1980 allerdings ist nur noch eine Wirkung des Treibhausgases auf die globale Temperatur erkennbar, denn es wird seitdem – bei fortgesetztem Anstieg des Kohlendioxids – weiterhin wärmer trotz der eindeutig nachlassenden Sonnenaktivität. Quelle: http://solar-center.stanford.edu/

Die globale Erwärmung führt zu allmählichen Klimaveränderungen. Überschreiten diese Veränderungen eine kritische Schwelle, so kann das gesamte Klimasystem kippen, sich also sprunghaft verändern. „Projektionen von Klimamodellen könnten die Gesellschaft in einem falschen Gefühl von Sicherheit wiegen“, so der Studienautor Timothy Lenton. Der globale Wandel erscheine für menschliche Maßstäbe langsam und graduell. In bestimmten Regionen der Erde könnte der menschliche Einfluss aufs Klimasystem jedoch sprunghafte (abrupte)und teilweise unumkehrbare Entwicklungen anstoßen. Die Bereiche im globalen Klimasystem, wo es solche kritischen Schwellen gibt, nennen die Klimaforscher Kippelemente, wovon es nach derzeitigem Stand der Forschung insgesamt mindestens neun geben soll. Diese Kippelemente werden anschließend eingehend beschrieben und ihre Bedeutung abgeschätzt.

Die Kippelemente und ihre möglichen Wirkungen…

1. Abschmelzen des arktischen Meereises
Wenn das Meereis der Arktis schmilzt kommt die darunter liegende wesentlich dunklere ozeanische Wasseroberfläche zum Vorschein. Die Sonnenstrahlung wird in wesentlich geringerem Ausmaß reflektiert, als das zuvor der Fall war, so daß sich die Erwärmung verstärkt, denn die dunkle Wasseroberfläche absorbiert die Sonnenstrahlung deutlich besser als eine helle Eisoberfläche, erwärmt sich dementsprechend mehr und dann auch die Luftschichten darüber. Es handelt sich um eine sich selbst verstärkende positive Rückkopplung – je mehr Eis geschmolzen ist, umso stärker die Erwärmung, wodurch noch mehr Eis schmilzt usw. – die von einem bestimmten Punkt an nicht mehr aufzuhalten ist. Schon innerhalb der nächsten 10 Jahre könnte die arktische Region im Sommer mehr oder weniger eisfrei sein. Die Temperaturen würden dann auf Werte über -5°C ansteigen, das liegt um 13 °C höher als bisher. Im Extremfall könnte das Eis am Nordpol völlig verschwinden. Winter im bisherigen Sinne würde es dann auf der Nordhalbkugel nicht mehr geben. Die Erwärmung der Arktis würde wiederum das Abschmelzen des Grönlandeises begünstigen (siehe unten).


Rückgang des Meereises am Nordpol Quelle: NASA

2. Abschmelzen des Grönlandeises
Ein Abschmelzen des grönländischen Eisschildes hätte besonders gravierende Folgen. Denn damit wäre ein deutlicher Anstieg des Meeresspiegels vorprogrammiert. Bei einem vollständigen Abschmelzen des grönländischen Eisschildes käme dabei ein Anstieg des Meeresspiegels um über 7 Meter heraus (http://www.mpimet.mpg.de/presse/faqs/wie-stark-steigt-der-meeresspiegel.html). Aber auch wenn nur Teile des Eisschildes abschmelzen würden, etwa in Südgrönland, so wären es immer noch rund 3 Meter! Wahrlich keine angenehmen Aussichten für die Küstenregionen weltweit! Es besteht also wirklich Anlass, die Frühsymptome einer drastischen Erwärmung in Grönland sehr ernst zu nehmen. Schauen wir uns daher die Datenlage näher an: An den Rändern Grönlands ist sehr viel Eis abgeschmolzen, das ist unübersehbar, doch insgesamt ist das Festlandeis nur wenig zurückgegangen, denn die Dicke des Inlandeises hat eher zugenommen (vgl dazu http://www.esa.int/esaEO/SEMILF638FE_planet_1.html#subhead3).


Veränderung der Dicke des Festlandeises in Grönland in cm/Jahr Quelle:: ESA

In Höhenlagen von über 1500 m nimmt die Dicke des Eisschildes zu, in tiefer gelegenen Regionen Lagen geht das Eis deutlich zurück. Das erscheint zunächst verwunderlich, aber es gibt eine einfache Erklärung dafür: Durch die globale Erwärmung verdunstet mehr Wasser. Das Innere Grönlands, wo die Temperaturen in den dort vorherrschenden Höhenlagen von über 1500 m stets unter Null bleiben, wirkt als Kältefalle. Es kommt dort durch den erhöhten Wasserdampfgehalt der Luft zu vermehrtem Schneefall, und das Inlandeis nimmt zu.


In Höhenlagen von über 1500 m nimmt die Dicke des Eisschildes zu, in tiefer gelegenen Regionen Lagen geht das Eis deutlich zurück (Quelle: ESA)

Damit ist die Geschichte aber nicht zu Ende. 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 Fließgeschwindigkeiten der Gletscher erhöhen sich dadurch drastisch. Immer größere Teile der Festlandsgletscher rutschen so immer schneller ins Meer.


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

Dadurch werden die Eismassen im Inneren Grönlands instabil und geraten ins Rutschen und damit in niedrigere Höhenlagen. Damit kann auch dieses Eis schmelzen. Nach den Schätzungen der an der Studie beteiligten Wissenschaftler könnte der grönländische Eisschild innerhalb von nur 300 Jahren auf diese Weise verschwunden sein.

3. Zerfall des Eisschildes der Westantarktis
Satellitenmessungen deuten darauf hin, dass der Eisschild bereits an Masse verliert (http://www.wbgu.de/wbgu_sn2006/wbgu_sn2006_voll_3.html). Seine Sohle liegt zu großen Teilen unterhalb des Meeresspiegels. Würde sie von Meerwasser unterspült, so verlöre das Eis rasch seine Stabilität. Die kritische Schwelle liegt wahrscheinlich bei einer Erwärmung der Region um 5 bis 8° C im Sommer. Im schlimmsten Fall könnte der westantarktische Eisschild wie das Grönlandeis innerhalb von 300 Jahren abtauen und den Meeresspiegel um fünf Meter ansteigen lassen. Wie schnell derartige Vorgänge tatsächlich ablaufen können zeigte sich als das Larsen B Schelfeis in der Westantarktis innerhalb von 35 Tagen zerfiel.

 

Das Larsen B Schelfeis in der Westantarktis: Schelfeis ist eine große Eisplatte, die auf dem Wasser schwimmt, aber mit einem Gletscher an Land fest verbunden ist. Am äußeren Rand des Schelfeises brechen immer wieder Eisberge ab („Kalben“ des Schelfeises). Quelle: http://www.uweb.ucsb.edu/~christowilson/


Innerhalb von nur 35 Tagen zerfiel das Larsen B Schelfeis in der Westantarktis! Quelle: University of Colorado

Der Zerfall des Schelfeises führt zunächst zu keinem Anstieg des Meeresspiegels, da Eisschelfe ohnehin auf dem Meer schwimmen und ihrer Masse entsprechend Wasser verdrängen. Aber es gibt Auswirkungen auf das Kontinentaleis der Westantarktis. Die Wanderungsgeschwindigkeit des Gletschereises hinter dem Larsen-B-Eisschelf hat sich seither stark beschleunigt (bis zur 8-fachen Geschwindigkeit: Rignot et al., 2004; Scambos et al., 2004). Wenn aber Kontinentaleis ins Meer rutscht und schmilzt, dann steigt der Meeresspiegel.

 
Schmelzwasser erweiterte vorhandene Eisspalten und sprengte schließlich die gesamte Eisplatte. Quelle: http://www.uweb.ucsb.edu/~christowilson/

4. Zusammenbruch des Golfstromes
Der Golfstrom ist Teil eines weltweiten Kreislaufs von Meeresströmungen, die ergänzend zu den Luftströmungen, die Wärme von der von der Sonne intensiv beschienenen Äquatorregion hin zu den vergleichsweise wenig sonnenverwöhnten Polen der Erde umverteilen. Der Golfstrom wird, genauso wie alle anderen Meeresströmungen auch, hauptsächlich durch Winde angetrieben. Mitten im Atlantik in Höhe der Iberischen Halbinsel teilt sich die Meeresströmung in einen südlich verlaufenden subtropischen und einen nordwärts gerichteten Ast. Das nach Norden strömende Wasser gibt seine Wärme allmählich ab und wird dabei immer salzhaltiger, da viel Wasser unterwegs verdunstet. Es bekommt so eine höhere Dichte und beginnt allmählich abzusinken. Absinkzonen befinden sich westlich der Südspitze Grönlands, sowie südlich und nördlich von Island. Als kalte Tiefenströmung gelangt das Wasser danach wieder in den Süden.
Die vom Golfstrom abgegebene Wärme gelangt durch die über dem Nordatlantik vorherrschenden Westwinde im Bereich der Polarfront (Westwindzone) bis nach West- und Mitteleuropa und sorgt dort für ein auch im Winter relativ gemäßigtes Klima (näheres zur Westwindzone bei der Beschreibung der globalen Luftzirkulation weiter unten).


Der Golfstrom (GSR) sorgt vor allem in West- und Mitteleuropa für ein gemäßigtes Klima. Quelle: Nature (verändert)

Durch die sich immer mehr beschleunigende Eisschmelze am Nordpol und den sich daraus ergebenden zunehmenden Eintrag von Süßwasser nimmt der Salzgehalt des Golfstroms im Bereich der nördlichen Absinkzonen aber immer weiter ab, so daß die Meeresströmung eines Tages dort ins Stocken geraten könnte. Die Golfstromheizung für West- und Mitteleuropa würde dann versagen, und das hätte eine deutliche Abkühlung in dieser Region zur Folge. Allerdings befürchten die Wissenschaftler keine neue Eiszeit auf der Nordhalbkugel, sondern gehen lediglich davon aus, daß die globale Erwärmung in den betroffenen Regionen abgemildert wird. Die Temperaturen in West- und Mitteleuropa würden dadurch etwa so bleiben wie sie heute sind. Aus dynamischen Gründen dürfte dann aber im Nordatlantikraum der Meeresspiegel um bis zu ½ Meter ansteigen und auch die tropischen Niederschlagsgebiete könnten sich verschieben.

5. Verstärkung der El Nino Southern Oscillation (ENSO)
ENSO ist eine Erscheinung des Wettergeschehens im tropisch-pazifischen Raum und beruht auf einer Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean. Um das ENSO-Phänomen so richtig zu verstehen müssen wir uns zunächst mit der atmosphärischen Zirkulation, insbesondere in den Tropen beiderseits des Äquators beschäftigen:

Die Tropen befinden in einem Bereich um den Äquator herum der sich vom nördlichen Wendekreis (23,5° Nord) bis zum südlichen Wendekreis (23,5° Süd) erstreckt. Jeweils zur Sonnenwende (20./21. Juni bzw. 21./22. Dezember) erreicht der Sonnenstand im jeweiligen Sommer auf der Nord- bzw. Südhalbkugel auf den Wendekreisen den Zenit. Die Sonne steht dann senkrecht am Himmel. Das liegt an der 23,5 ° – Neigung der Erdachse (s.u.). Die Erde dreht sich in ca. 24 Stunden einmal um die eigene Achse (Eigenrotation), und weist deshalb einen Wechsel von Tag und Nacht auf. Da die Rotationsachse der Erde aber nicht genau senkrecht auf der Bahnebene der Erde um die Sonne steht, sondern um 23,5° gekippt ist, gibt es Jahreszeiten. Nord- und Südhalbkugel der Erde erhalten während eines Umlaufs um die Sonne abwechselnd einmal mehr und einmal weniger Sonnenstrahlung, denn diese trifft einmal steiler auf die Nordhalbkugel und flacher auf die Südhalbkugel und das andere Mal flacher auf die Nordhalbkugel und steiler auf die Südhalbkugel. Aber eben nur in den Regionen innerhalb der beiden Wendekreise kann die Sonne zumindest einmal im Sommer im Zenit stehen. Über das ganze Jahr gesehen erhalten die Tropen deutlich mehr Sonnenenergie als die mittleren Breiten oder gar die Polarregionen. Durch Luft- und Meeresströmungen (s.o.) werden die Temperaturunterschiede zwischen Äquatorregion und Polen teilweise ausgeglichen.


Die globale Luftzirkulation der Erde (Sommer auf der Nordhalbkugel); , H=Hoch,T=Tief,
ITCZ=Innertropische Konvergenzzone, WWZ=Westwindzone (Jetstream), E=Äquator

Die globale Luftzirkulation kommt so zustande: Die warme Luft der Tropen dehnt aus als die kalte Luft der Pole. Der Luftdruck in einer Luftsäule der warmen Luft nimmt deshalb mit zunehmender Höhe langsamer ab als in der kalten Luft In der Höhe entsteht so jeweils ein Luftdruckgefälle und damit verbunden eine Gradientenkraft von der Tropenregion in Richtung der Pole. Am Boden ist der Luftdruck bei Warm- und Kaltluft zunächst gleich, denn das Gewicht der beiden Luftmassen ist ja unabhängig von ihrer Ausdehnung. Die Gradientenkräfte lösen starke Höhenwinde  in Richtung der Pole aus, die aber durch die Erdrotation nach Osten abgelenkt werden. Auf diese Weise bilden sich auf Nord- und Südhalbkugel jeweils Westwindzonen heraus, die sich bis zum Boden hin durchsetzen. Durch den Höhenwind verliert die Warmluft an Masse, so daß der dort auf dem Boden lastende Luftdruck sinkt. So entsteht eine durchgehende Reihe von Bodentiefs in der Äquatorregion, die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ, s.u.). Die polare Kaltluft, die sich kaum in die Höhe ausdehnt sondern vielmehr in Bodennähe ansammelt, bildet ein bodennahes Kältehoch aus. Von den Kältehochs der Pole strömt die Kaltluft in Richtung Äquator und wird ebenfalls durch die Erdrotation abgelenkt, diesmal aber nach Westen. Warm- und Kaltluft begegnen sich an den Polarfronten von Nord- und Südhalbkugel, strömen aber wegen der Ablenkung durch die Erdrotation in entgegen gesetzten Richtungen aneinander vorbei. An den Polarfronten der beiden Erdhalbkugeln herrscht daher auf engstem Raum ein besonders starkes Temperaturgefälle, so daß die westlichen Höhenwinde hier dementsprechend hohe Geschwindigkeiten erreichen. Es bilden sich schlauchförmige Starkwindfelder, die Jetstreams. Das diese antreibende starke Temperaturgefälle ist aber nicht überall in allen Abschnitten der Polarfronten  genau gleich groß und damit auch nicht die Windgeschwindigkeiten innerhalb der Jetstreams. Durch diese Unregelmäßigkeiten beginnen die Jetstreams von einer kritischen Windgeschwindigkeit an zu mäandern (Rossby-Wellen).

Aus kleinen Wellenstörungen entstehen dynamische Hoch- und Tiefdruckwirbel, die für eine Durchmischung von Warm- und Kaltluft und damit für einen Abbau des Temperatur- und Druckgefälles zwischen Tropen- und Polarregionen sorgen. Die Tiefdruckwirbel driften in den jeweiligen Westwindzonen in Richtung Osten. In den Gebieten unter ihren Zugbahnen sorgen sie für eine milde und feuchte Witterung. Die Hochdruckwirbel der beiden Westwindzonen scheren nach Süden aus und bilden die subtropischen Hochdruckgürtel.

Das Druckgefälle (Gradientenkraft) zwischen den Subtropenhochs und den Bodentiefs der Tropen (ITCZ) bewirkt auf beiden Erdhalbkugeln eine Luftströmung aus den Subtropenhochs in Richtung Äquator, die wiederum durch die Erdrotation, diesmal aber zu einem Ostwind abgelenkt wird (Urpassat). Wegen der Bodenreibung überwiegt am Ende jedoch die Gradientenkraft, so daß auf der Nordhalbkugel ein Nordostwind (Nordostpassat) und auf der Südhalbkugel ein Südostwind (Südostpassat) herauskommt. Die Luft wird auf ihrem Weg zu den Bodentiefs in der Äquatorregion durch die intensive Sonnenstrahlung immer mehr erwärmt bis sie am Ende aufzusteigen beginnt. Das sind die Bodentiefs der Tropen (ITCZ) und der Luftkreislauf (Hadley-Zirkulation) ist geschlossen. Die aneinander gereihten Wärmetiefs der Tropen heissen deshalb Innertropische Konvergenzzone (ITCZ), weil die Luft aus nördlichen und südlichen Richtungen hier zusammenströmt (Konvergenz). Die Luftzirkulation zwischen ITCZ und den Subtropenhochs nennt man Hadley-Zirkulation nach ihrem Entdecker George Hadley (1685-1768). Die aufsteigende Warmluft über der Innertropische Konvergenzzone ist sehr feucht, da in den Tropen viel Wasser verdunstet und warme Luft auch besonders viel Wasserdampf aufnehmen kann. Dieser Wasserdampf stammt aus den Ozeanen und von dem sehr üppigen Pflanzenbewuchs auf dem tropischen Festland. Die aufsteigende warme und feuchte Luft kühlt sich mit zunehmender Höhe immer weiter ab, bis das Kondensationsniveau erreicht ist. Das ist die Höhe in der die Luft gerade so kalt ist, daß der in ihr enthaltene Wasserdampf auskondensieren kann. Es bilden sich dann unendlich viele, mikroskopisch kleine Wassertropfen und es entstehen Wolken. Bei der Wolkenbildung wird Kondensationswärme frei, auch latente Wärme genannt. Die latente Wärme entspricht der Energie, die nötig war, um zuvor das Wasser zu verdunsten und die nun bei dem umgekehrten Vorgang natürlich wieder frei wird. Die Kondensationswärme gibt der aufsteigenden Luft neuen Auftrieb, denn solange diese noch wärmer ist als die Umgebungsluft, kann sie ihren Aufstieg fortsetzen. Dabei bilden sich immer neue Wolken. Die bei der Wolkenbildung freiwerdende Kondensationswärme treibt also ihrerseits wiederum die Wolkenbildung an (positive Rückkopplung). So kann sich eine ausgeprägte Quellbewölkung mit mächtigen Wolkentürmen, ergiebigen Niederschlägen und häufigen Gewittern ausbilden, was ja typisch für das tropische Klima ist.

Das ENSO-Phänomen besteht nun in einem Umkippen der Luftzirkulation zwischen den Subtropenhochs beiderseits des Äquators und einem bestimmten Wärmetief der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im pazifischen Raum, wobei Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean -wie schon gesagt- eine entscheidende Rolle spielen. Der Normalzustand ist eine Hadley-Zirkulation zwischen einem Tiefdruckgebiet der ITCZ im westlichen Pazifik bei Australien und Indonesien und subtropischen Hochdruckgebieten im östlichen Pazifik vor der westamerikanischen Küste auf der Nordhalbkugel und vor der Westküste von Südamerika auf der Südhalbkugel. Die Nordost- und Südostpassate treiben das warme pazifische Oberflächenwasser westwärts, wodurch an den Westküsten Nord- und Südamerikas kaltes Tiefenwasser nachströmt. Besonders die südamerikanische Westküste, wo das aufsteigende Tiefenwasser sehr viele Nährstoffe enthält, ist für seinen Fischreichtum bekannt. Hinzu kommt noch der Humboldtstrom, der aus der südlichen Polarregion kaltes Wasser mitführt, zunächst küstenparallel strömt, dann aber unter dem Einfluss des Südostpassats nach Westen schwenkt. Das von den Passatwinden nach Westen getriebene Oberflächenwasser erwärmt sich zunehmend, und die Luft darüber wird durch Verdunstung immer feuchter. Die oberflächennahen Wassertemperaturen im West- und Ostpazifik unterscheiden sich um nahezu 10o C (max. 30o C im westlichen Pazifik, aber nur 20o C vor der süd- und nordamerikanischen Küste). Im Westpazifik, im Bereich des tropischen Wärmetiefs, kommt es zu starken Niederschlägen, da die warmen und feuchten Luftmassen hier aufsteigen und sich abregnen. Über dem Ostpazifik, wo die Subtropenhochs liegen, kommt es zu großräumigen Absinkbewegungen der Luft, wodurch sich die Wolken auflösen. Deshalb herrscht hier ein sehr trockenes Klima bis hin zur Wüstenbildung an der südamerikanischen Ostküste. Der Wassertransport durch die Passate nach Westen staut an den Küsten im Westpazifik das Oberflächenwasser auf, wodurch der Meeresspiegel hier einen halben Meter höher liegt als vor der südamerikanischen Ostküste. In der Tiefe kommt es zu einer Schrägstellung der Grenzfläche (Thermokline) zwischen warmem Oberflächenwasser und kaltem Tiefenwasser, die im Osten dicht unterhalb der Meeresoberfläche in 30 m Tiefe, im Westen dagegen erst in 150 m Tiefe liegt.


Die normalen Zirkulationsverhältnisse im äquatorialen Pazifik Quelle: http://www.enso.info/enso.html

Während eines El-Nino-Ereignisses ändern sich die Zirkulationsverhältnisse im Pazifik grundlegend. Die Passatwinde schwächen sich ab Dann kann das im Westpazifik aufgestaute warme Oberflächenwasser nach Osten zurückschwappen und so den Temperatur und Druckunterschied zwischen den beiden Subtropenhochs und dem Wärmetief der ITCZ im Westpazifik weiter abbauen. Dadurch werden die Passatwinde natürlich noch schwächer (positive Rückkoppelung). Die ganzen Druck- und Temperaturverhältnisse können sich sogar umkehren, so daß es anstelle der Passatwinde zu Westwinden kommt. Der Auftrieb des kalten Tiefenwassers vor der nord- und südamerikanischen Ostküste bricht zusammen. Die Temperaturen des Oberflächenwassers im Ostpazifik steigen dann um über 5o C. Durch die Erwärmung hebt sich der Meeresspiegel im östlichen Pazifik um 20 cm an, und die Thermokline senkt sich auf 50 m Tiefe ab. In den neu gebildeten Tiefdruckgebieten des Ostpazifiks steigt warme feuchte Luft auf und kühlt dabei ab, so daß es an den Ostküsten Nord- und Südamerikas nun zu heftigen Niederschlägen kommt. Über dem zuvor feuchtwarmen Westpazifik führt das neu entstandene Hochdruckgebiet mit seinen absinkenden Luftmassen zur Auflösung der meisten Wolken und damit zu extremer Trockenheit. Nach einer Übergangsphase folgt auf das El-Nino- ein La Nina-Ereignis. Dieses entspricht einem verstärkten Normalzustand. Alles ist wie am Anfang, bloß viel ausgeprägter. Schließlich pendelt das System aber wieder in den echten Normalzustand zurück. Das ENSO-Phänomen wird möglicherweise – zumindest teilweise – durch die Antarktische Zirkumpolarwelle (AZW) gesteuert. Die AZW ist eine gekoppelte Erscheinung von Atmosphäre und Ozean. Sie enthält kalte Luft- und Wassermassen, die sich vom Südpol in Richtung Norden ausgebreitet haben im Wechsel mit warmen tropischen Luft- und Wassermassen, die sich in Richtung Südpol bewegen. Diese warmen und kalten Luft- und Wassermassen bilden eine Art vierblättriger Kleeblattstruktur, die als Ganzes innerhalb von 8 Jahren einmal die Antarktis umrundet. Innerhalb der kalten „Blätter“ herrschen kalte und trockene Wetterbedingungen, innerhalb der warmen „Blätter“ ist es dagegen warm und niederschlagsreich. Eine beliebige Stelle im Einflussbereich dieses Kleeblattes erlebt also alle 2 Jahre eine grundlegende Umstellung der Wetterlage. Alle 4 Jahre stellt sich dann wieder dieselbe Wetterlage ein. Im Durchschnitt alle 4 Jahre kommt es interessanterweise aber auch zu einem ENSO-Ereignis wie El Nino oder El Nina. Wird vielleicht bei El Nino das Hoch vor der südamerikanischen Küste -und damit auch der Südostpassat- durch ein warmes „Blatt“ der vierblättrigen Kleeblattstruktur geschwächt? Und ist ein kaltes „Blatt“ vielleicht für ein La-Nina-Ereignis verantwortlich?

Durchaus möglich, daß es so funktioniert. Der Einfluss des Kleeblattes der Antarktischen Zirkumpolarwelle (AZW) wird nach dem augenblicklichen Stand der Wissenschaft jedenfalls für wahrscheinlich gehalten. Vermutlich gibt es aber auch noch andere Mechanismen, die bei ENSO-Ereignissen eine Rolle spielen.

ENSO-Ereignisse beeinflussen auch die globalen Temperaturen. El-Nino lässt sie ansteigen, während La Nina abkühlend wirkt.

Wegen des Einflusses der AZW wird allgemein erwartet, daß bei einer weiteren globalen Erwärmung und damit auch höheren Wassertemperaturen in den warmen „Blättern“ der Kleeblattstruktur, El-Nino-Ereignisse wahrscheinlich stärker ausfallen werden. Dieses könnte nach den Berechnungen der Wissenschaftler innerhalb der nächsten 100 Jahre geschehen.

6. Unstetigkeit des Indischen Sommermonsuns
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. Im Sommer auf der Nordhalbkugel liegt sie etwas nördlich vom Äquator, um dann im Herbst auf die Südhalbkugel überzuwechseln. Im Winter liegt sie etwas südlich vom Äquator. Auf der Südhalbkugel ist dann Sommer. Die ITCZ erreicht aber nie die Wendekreise, sondern „hinkt“ immer hinterher, weil sich die Luft nur relativ langsam vom Erdboden auch bis in größere Höhen erwärmt wird.Die Wanderung der ITCZ verursacht eine stetige Abfolge von Regenzeiten im Sommer (Monsun) und Trockenzeiten im Winter. In Indien gibt es nun einen Sonderfall. Der asiatische Kontinent erwärmt sich während des Sommers auf der Nordhalbkugel sehr stark, und es bilden sich Wärmetiefs, so auch über der tibetischen Hochebene. Darum verlagert die ITCZ hier weit nach Norden bis auf 30° nördliche Breite! Der Südostpassat überquert auf seinem Weg zur ITCZ den Äquator, wird aber dabei wegen der Erddrehung zu einem Südwestwind abgelenkt. Dieser kommt dann als feuchter Südwestmonsun in Indien an und führt in den dem Himalayagebirge vorgelagerten Regionen zu heftigen, lang andauernden Niederschlägen, dem Monsunregen (Regenzeit). Im Winter dagegen bildet sich ein zentralasiatisches Kältehoch, aus dem heraus ein vom Land zur See gerichteter (ablandiger) trockener Wind, der Nordostmonsun über Indien hinweg weht.

Durch die globale Erwärmung könnte der Monsunregen einerseits stärker ausfallen, da wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnimmt. Andererseits verstärken Luftverschmutzung und Landnutzung die Reflektion des Sonnenlichts, was abkühlend wirkt und den Monsun eher schwäct. Die Erklärung: Durch die Luftverschmutzung gelangen Aerosole (Schwebeteilchen) in die Atmosphäre, die das Sonnenlicht direkt reflektieren, aber darüber hinaus auch als Kondensationskeime die Wolkenbildung unterstützen. Wolken sind hell und reflektieren sehr gut das Sonnenlicht.


Quelle: http://www.m-forkel.de/klima/index.html

Je mehr Aerosolteilchen vorhanden sind, umso größer ist die Zahl der Kondensationskeime, auf die sich eine gegebene Menge an Kondenswasser bei der Wolkenbildung verteilen kann, so daß die Wolkentröpfchen dementsprechend kleiner werden. Kleinere Tröpfchen streuen das Sonnenlicht aber mehr. Wolken mit kleineren Tröpfchen sind deshalb heller. Nun zur Landnutzung: Dabei werden relativ dunkel erscheinende Wälder gerodet und durch landwirtschaftliche Nutzflächen oder Bebauung ersetzt, die beide wegen ihrer vergleichsweise helleren Oberflächen im Durchschnitt das Sonnenlicht besser reflektieren. Die Abkühlung durch stärkere Reflektion des Sonnenlichts wird aber den Monsunregen ebenfalls verringern.
Die Abkühlung – durch Luftverschmutzung und Landnutzung – und die globale Erwärmung wirken also gegeneinander. Welcher der beiden Effekte letztendlich überwiegt, das könnte sich dann von Jahr zu Jahr ändern. Der Indische Sommermonsun würde so vielleicht bereits in den kommenden Jahren unberechenbar werden und beginnen, chaotisch zwischen stärkeren und schwächeren Regenfällen hin und her zu pendeln.

7. Sahara und Sahelzone
Durch die globale Erwärmung dehnen sich die Hadley-Zirkulations-Zellen und damit auch die Tropen in Richtung Norden und Süden aus. In der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) dürften zudem die Niederschläge zunehmen, da die Atmosphäre mit ansteigenden Temperaturen mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Dieser Wasserdampf ist im Übrigen natürlich auch ein „Treibstoff“ für die Quellwolkenbildung. (s.o.). Die Folge: Der westafrikanische Monsun könnte sich verstärken und Sahara und Sahelzone möglicherweise wieder ergrünen. Einschränkend muß jedoch festgestellt werden, daß die Wüstengebiete dabei nicht unbedingt abnehmen müssen, sondern sich vielleicht lediglich in Richtung Norden und Süden verlagern. Alle die könnte schon innerhalb der nächsten 10 Jahre passieren.

8. Amazonas-Regenwald
Die steigenden Temperaturen in Verbindung mit der Entwaldung in der Region lassen die Niederschläge voraussichtlich um bis zu ein Drittel zurückgehen. Da so die Trockenzeiten länger werden und der Grundwasserspiegel immer weiter absinkt, kann sich der Wald nicht regenerieren. Schon bei einer Erwärmung um 3 bis 4° C könnte der Regenwald nach Modellaussagen bereits in 50 Jahren großflächig absterben. Auch die Entwaldung allein könnte möglicherweise schon diesen Prozess in Gang setzen.

9. Borealwälder
Die Nadelwälder sind bei einer fortgesetzten globalen Erwärmung im Sommer immer größerer Trockenheit und Hitze ausgesetzt, was ihnen nicht unbedingt gut bekommen wird. Durch Krankheiten werden wahrscheinlich viele Bäume sterben. Bei einem Temperaturanstieg um 3 bis 5° C könnten ebenfalls schon in 50 Jahren große Teile der Nadelwälder verschwinden. Da es im Winter in diesen hohen Breiten aber auch weiterhin recht kalt bleiben wird, können Baumarten aus gemäßigten Breiten auch die Verluste an Nadelbäumen ersetzen.

Fazit

Die an der Studie beteiligten Wissenschaftler halten die Kippelemente bei dem arktischen Meereis und dem grönlandischen Eisschild für besonders anfällig. Sie betonen dabei immer wieder, daß sich Eintrittswahrscheinlichkeiten und Eintrittszeitpunkte von derartigen Kippvorgängen (bisher) nicht zuverlässig berechnen lassen. Mit Überraschungen muß deshalb also immer wieder gerechnet werden. Durch eine schnelle Verminderung der Treibhausgasemissionen kann die Menschheit aber einige dieser unangenehmen Überraschungen vielleicht doch noch vermeiden, meinen die Wissenschaftler.

 

Ein alternatives Szenario

In den vorherrschenden Klimaszenarien, so auch in dieser Studie, findet das Klimasystem der Erde keinen eigenen Ausweg aus der Spirale der globalen Erwärmung. Nicht einmal für den Fall einer Schwächung des Golfstroms erwarten die Wissenschaftler eine Wende. Eine neue Eiszeit wird von den meisten Klimaforschern für die nähere Zukunft, so gut wie ausgeschlossen.

Aber vielleicht kommt alles auch ganz anders? Ich könnte mir das sehr gut vorstellen! Ein kleines, von mir entwickeltes Szenario versucht eine Antwort darauf zu geben, was vielleicht passieren könnte:

Die im Verlauf der letzten Jahre überproportionale Erwärmung in der Arktis aufgrund einer Eis-Albedo-Rückkopplung (Kippelement 1, s.o.) vermindert den Temperatur- und Druckgradienten an der Polarfront. Die Windgeschwindigkeiten im Jetstream nehmen ab und es gibt weniger (und schwächere) Stürme. Der langsamere Jetstream mäandert deutlich stärker als zuvor, so daß die polare Kaltluft von ihm nicht mehr so gut “eingeschlossen” wird. Vor allem im Winter kommt es zu gehäuften, extremen Kaltluftausbrüchen nach Süden (Kaltlufttröge und Kaltlufttropfen, s.u.). Die mit der Erwärmung einhergehende Eisschmelze in der Arktis verändert darüber hinaus die thermohaline Zirkulation des Golfsstroms (Kippelement 4, s.o.): Der nordatlantische Arm wird schwächer und damit kühler, der subtropische Arm dagegen stärker und wärmer. Normalerweise verstärkt das warme Golfstromwasser das Islandtief – durch die erhöhte Wasserverdunstung bekommt es mehr “Treibstoff” in Form von latenter Wärme – und damit auch das Luftdruckgefälle zwischen Islandtief und Azorenhoch. Die beiden Druckgebilde treiben aber ihrerseits wieder den Jetstream an, indem sie die Polarfront durch Zufuhr von tropischer Warmluft und polarer Kaltluft (Erhöhung des Temperaturgefälles) verstärken. Ein schwächer ausgeprägter Golfstrom im Nordatlantik verlangsamt also zusätzlich den Jetstream, der dann noch mehr mäandert und ermöglicht so noch mehr Kaltluftausbrüche. Diese finden bevorzugt über den im Vergleich zu den Ozeanen schneller auskühlenden kontinentalen Landmassen (beispielsweise Zentralasien oder Nordamerika) statt, weil dort die Kaltluft natürlich am besten vorankommt. Die stark gehäuften Kaltluftausbrüche führen nicht nur zu einer starken Eisneubildung in der Arktis, sondern auch immer wieder zu sehr ergiebigen Schneefällen und heftigen Schneestürmen. Die Eis (Schnee)-Albedo-Rückkopplung sorgt dann für eine weitere Abkühlung.

Ruhige Wellenbewegungen des Jetstreams lassen kaum Kaltlufteinbrüche nach Süden zu (links). Wenn der Jetstream aber stark mäandert, kommt es immer wieder zu Kaltluftvorstößen nach Süden, also zu plötzlichen Wintereinbrüchen (rechts). Dieses veränderte Schwingungsmuster pflanzt sich über den gesamten Jetstream fort (Fernwirkung). Quelle: http://www.washington.edu/

Das wärmere Wasser im subtropischen Arm des Golfstroms begünstigt die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Auch Kaltlufttropfen könnten sich zu echten Wirbelstürmen entwickeln, wenn sie weit genug in den Süden gelangen und dort über eine ausreichend warme Wasseroberfläche hinwegziehen. Wirbelstürme wirken wie Kühlmaschinen, indem sie durch ihre starke und hochreichende Wolkenbildung latente Wärme nach oben abtransportieren, wo sie dann als Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben wird. Auf diese Weise wird die Wärme bei einer Schwächung des Golfstromes nicht nur vom Norden in den Süden umverteilt, sondern die Erde wird einen ganz beachtlichen Teil der Wärme wirklich entgültig los. 

Aus Kaltlufttropfen, die über eine offene Wasserfläche mit ausreichender Temperatur gelangen, könnten vielleicht echte Wirbelstürme entstehen: Je wärmer das Meereswasser ist, umso mehr Wasser also verdunstet, desto mehr Energie steht dem Wirbelsturm zur Verfügung. Die über dem Wasser erwärmte, feuchte Luft steigt auf und kühlt dabei ab. Die kältere Luft kann immer weniger Wasser aufnehmen bis es schließlich kondensiert und die Wolkenbildung einsetzt. Dabei wird fortlaufend die für die Verdunstung des Wassers zuvor verbrauchte Energie (latente Wärme) wieder freigesetzt. Das wiederum verstärkt den Auftrieb der Luft, die solange weiter aufsteigt, wie sie noch eine höhere Temperatur als die kältere Luft der Umgebung hat. Es bilden sich gewaltige Wolkentürme die bis in enorme Höhen anwachsen können.) Die Luft wird durch den Einfluss der Erdrotation abgelenkt und es entsteht ein Wirbel, ein sich selbst verstärkendes Tiefdruckgebiet, das immer mehr feuchtheiße Luft von allen Seiten ansaugt. Das ganze Wolkensystem beginnt sich immer schneller zu drehen Im Zentrum bildet sich ein beinahe windstilles Auge, durch das kalte Luft aus der Höhe angesaugt wird, die sich auf ihrem Weg nach unten aber immer mehr erwärmt. Der neu entstandene Wirbelsturm bewegt sich mit der jeweils vorherrschenden Luftströmung. Ein Wirbelsturm wirkt deshalb wie eine Kühlmaschine, die Wärme von der Erdoberfläche in große Höhen abtransportiert, wo sie dann in den Weltraum abgestrahlt wird. Quelle: NASA

Im Ergebnis könnte es vielleicht für eine kleine Eiszeit reichen! Nach einiger Zeit schwingt das Pendel in Richtung Erwärmung zurück, denn durch die Abkühlung steigt das Temperatur- und Druckgefälle an der Polarfront wieder. Außerdem bringt die massive Eisneubildung in der Arktis während der vorübergehenden Abkühlung auch die thermohaline Zirkulation des Golfstroms wieder in Schwung, was die Polarfront weiter verstärkt. Dadurch wird der Jetstream wieder schneller, und es entstehen mehr Sturmtiefs, die unter ihren Zugbahnen für milde Wetterverhältnisse sorgen. Der stärkere Jetstream schließt die polare Kaltluft wieder besser ein, so daß Kaltluftausbrüche seltener werden. 


Impressionen aus der kleinen Eiszeit, Pieter Brueghel the Ältere (1525-1569) Quelle: http://www.zeno.org/Kunstwerke Bilder durch Anklicken vergrößerbar!

Das Klima pendelt dann vielleicht zwischen kurzfristiger Abkühlung und weiter zunehmender Erwärmung hin und her. Womöglich wird sich aber doch letztendlich die Erwärmung durchsetzen. Dabei könnte das Treibhausgas Methan eine entscheidende Rolle spielen. Bei ansteigenden Temperaturen wird es durch den Zerfall von Methanhydraten am Meeresgrund, aber auch durch das Auftauen des Permafrostbodens in der Arktis freigesetzt. Methan wird dann wiederum die globale Erwärmung in einer positiven Rückkopplung verstärken. 

All dies ist nur ein Gedankenspiel, und natürlich spricht sehr viel für das „offizielle“ Szenario einer fortgesetzten globalen Erwärmung; schon allein die berufliche Qualifikation und Erfahrung der in der Klimaforschung tätigen Wissenschaftler, von denen ja einige die hier behandelte, sehr verdienstvolle Studie über die Kippelemente veröffentlicht haben. Sollten sie Recht behalten, dann steht uns ein tief greifender und wohlmöglich abrupter Klimawandel hin zu einer sehr viel wärmeren Erde bevor, wie sie die Menschheit bisher noch nie kennengelernt hat. Die möglichen Folgen, die so etwas hätte, werden in der Studie sehr eindrucksvoll beschrieben. Auch in meinem Szenario wird ein abrupter Klimawandel angenommen, aber eben in Richtung einer ungemütlich kalten Erde (zumindest aber Nordhalbkugel)! Bei der Einschätzung der Ursachen die zu einem plötzlichen Umkippen des Klimas führen können, sind die Unterschiede zwischen beiden Szenarien nicht groß: Durch eine Anreicherung von Treibhausgasen in der Atmosphäre wird die Erde zunächst einmal immer wärmer. Doch in der Beantwortung der Frage, wie es dann weitergeht, liegen die Unterschiede! Allerdings weisen beide Szenarien wiederum gemeinsam auf sehr ernst zu nehmende Gefahrenpotentiale hin, die den Fortbestand angenehmer Lebensbedingungen auf der Erde in der Zukunft ernsthaft in Frage stellen könnten!

Jens Christian Heuer
Quellen:
Tipping elements in the Earth’s climate system http://www.pnas.org/cgi/reprint/0705414105v1
Spektrum der Wissenschaft Dossier 1/2002 Klima
Hurrikane und Meeresströmungen http://weltenwetter.blogspot.com/2007_07_01_archive.html

Written by jenschristianheuer

Februar 17, 2008 at 10:48 pm

Veröffentlicht in Klimadebatte, Klimaforschung, Klimawandel