Meteorologie Wettergeschehen

Omega bringt uns den Sommer, oder:
warum wir Pfingsten 2008 so schönes Wetter haben

Seit einigen Tagen scheint bei uns in Deutschland ununterbrochen die Sonne. Der Himmel ist beinahe wolkenfrei. In den Eiscafés und Freibädern herrscht Hochbetrieb. Kurz gesagt: Der Sommer ist da! Dafür ist eine Wetterlage verantwortlich, die nach dem Griechischen Buchstaben Omega benannt ist. Wie diese Omega-Wetterlage zustande kommt und ob wir sie in Zukunft öfter zu erwarten haben, soll nun näher untersucht werden.


Hoch- und Tiefdruckgebiete, Polarfront und Westwindzone
An der Polarfront, wo tropische Warmluft und polare Kaltluft aufeinander treffen, entstehen durch strömungsdynamische Prozesse Hoch- und Tiefdruckgebiete:

Warme Luft dehnt sich mehr in die Höhe aus als kalte Luft, so daß der Luftdruck mit zunehmender Höhe vergleichsweise langsamer abnimmt. Auf der Warmluftseite der Polarfront bildet sich demzufolge ein Höhenhoch und auf der Kaltluftseite ein Höhentief. Am Boden ist der Luftdruck auf beiden Seiten zunächst noch gleich, denn das Gewicht der beiden Luftmassen ist ja unabhängig von ihrer Ausdehnung in die Höhe. Zwischen dem Höhenhoch der Warmluft und dem Höhentief der Kaltluft wirkt eine Gradientenkraft und löst einen starken Höhenwind (Jetstream) in Richtung Kaltluftseite, also in Richtung Nordpol aus.



Gradientenkraft an der Polarfront Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Die Erdrotation lenkt durch die Corioliskraft den Höhenwind aber nach Osten ab, wodurch sich eine Westwindzone (Westdrift) herausbildet, die sich bis zum Boden hin durchsetzt. Durch die Höhenströmung verliert die Warmluftseite an Masse. Der Luftdruck am Boden sinkt, und ein Bodentief entsteht. Die polare Kaltluft am Nordpol, die sich nur wenig in die Höhe ausdehnt, sondern vielmehr in Bodennähe sammelt, bildet ein bodennahes Kältehoch aus. Von diesem Kältehoch strömt die Kaltluft in Richtung Süden und wird ebenfalls durch die Erdrotation abgelenkt, diesmal aber nach Westen. Warm- und Kaltluft begegnen sich an der Polarfront, strömen aber wegen der Ablenkung durch die Erdrotation (Corioliskraft) in entgegen gesetzten Richtungen aneinander vorbei. Die Temperatur- und Druckgegensätze (Gradienten) sind nicht an allen Abschnitten der Polarfront überall genau gleich groß und damit auch nicht die Windgeschwindigkeiten innerhalb des Jetstreams der Westwindzone. Durch diese Unregelmäßigkeiten beginnt der Jetstream zu mäandern. Diese Schwingungen des Jetstreams nennt man Rossby-Wellen.


Ablenkung von bewegten Luftteilchen durch die Erdrotation (Corioliskraft):
Die Erde dreht sich um die eigene Achse (Erdrotation) und die Luftteilchen ihrer Atmosphäre drehen sich mit. Je weiter man nach Norden gelangt, umso langsamer bewegen sich die Luftteilchen in Drehrichtung, denn die Breitenkreise werden ja immer kleiner und somit der zurückzulegende Weg während einer Erdumdrehung immer kürzer. Wenn sich ein Luftteilchen beispielsweise vom Äquator nach Norden bewegt, bekommt es also eine höhere Geschwindigkeit in Drehrichtung der Erde mit, als sie die in den höheren Breitengraden befindlichen Luftteilchen haben. Deshalb eilt es diesen in Richtung der Erdrotation nach Osten voraus, wird also nach rechts abgelenkt. Bewegt sich ein Luftteilchen von Norden in Richtung Äquator, so bekommt es eine niedrigere Geschwindigkeit in Richtung der Erddrehung mit als die sich auf den niedrigeren Breitengraden jeweils schon befindlichen Luftteilchen, und es bleibt diesen gegenüber zurück. Das Luftteilchen wird nach Westen, also ebenfalls nach rechts abgelenkt. Bewegt sich ein Luftteilchen auf einem mittleren Breitenkreis nach Osten in Richtung der Erdrotation, so wird es schneller als die es umgebenden Luftteilchen und bewegt sich zu einem Breitenkreis, der der höheren Geschwindigkeit entspricht, wird also nach rechts in Richtung Süden abgelenkt. Ein Luftteilchen dagegen, das sich auf einem mittleren Breitenkreis nach Westen entgegen der Erdrotation bewegt, verliert gegenüber den Luftteilchen der Umgebung an Geschwindigkeit und sucht sich einen dementsprechenden Breitenkreis. Es wird in Richtung Norden, also ebenfalls nach rechts abgelenkt.
In der Abbildung stehen die blauen Pfeile für die Gradientenkraft (entlang eines Druckgefälles), die die Luftteilchen in Bewegung setzt. Die roten Pfeile stehen für die ablenkende Corioliskraft und die schwarzen Pfeile zeigen die resultierende Bewegung der Luftteilchen. Quelle: Wikipedia Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Auf der Rückseite - die Westseite bei einer von West nach Ost gerichteten Höhenströmung - eines Wellentals des Jetstreams (Höhentrog) wird die Luft beschleunigt, denn die Luftteilchen erfahren neben der Gradientenkraft, die vom Höhenhoch zum Höhentief weist, eine Zentrifugalkraft in genau die entgegengesetzte Richtung. Der Höhenströmung wird langsamer und durch die mit noch größerer Geschwindigkeit nachfolgende Luft gibt es einen Luftstau (Konvergenz). Die Luftsäule in diesem Bereich gewinnt an Masse, so daß der Bodenluftdruck steigt. Die Luft weicht ringsherum nach außen aus (Divergenz in Boden) und es bildet sich ein abwärts gerichteter Hochdruckwirbel. Auf diese Weise entstehen die dynamischen Hochdruckgebiete (Anticyclonen). Da die Luft in einem solchen Hochdruckgebiet nach unten sinkt und sich dabei erwärmt lösen sich vorhandene Wolken auf.
Wenn der Erdboden nachts stark auskühlt, werden auch die bodennahen Luftschichten dementsprechend kalt und halten so die absinkende warme Luft auf. Das nennt man Absinkinversion. Enthält die bodennahe Luft genug Feuchtigkeit, so entstehen Bodennebel. Dort wo es besonders kalt wird, kann es stellenweise zu Bodenfrost kommen. Wenn die Nebeltröpfchen bei Bodenkontakt gefrieren besteht Glatteisgefahr. Im Laufe des Tages erwärmt die Sonne den Erdboden und dieser wiederum die Luftschichten darüber. Bodennebel, soweit vorhanden, lösen sich auf. Die vom Boden erwärmte Luft steigt auf, trifft aber bald auf die noch wärmeren absinkenden Luftmassen des Hochdruckgebietes, die sich wie eine Sperrschicht verhalten und den weiteren Aufstieg der Luft von unten verhindern (stabile Luftschichtung). Bei ausreichender Luftfeuchtigkeit bildet sich unterhalb der Sperrschicht eine Schichtbewölkung (Hochnebel, Stratus, Stratocumulus) aus.


Polarfront-Jetstream mit Rossby-Wellen, dynamischen Hoch- und Tiefdruckgebieten
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Auf der Vorderseite eines Troges - die Ostseite bei einer von West nach Ost gerichteten Höhenströmung - nimmt die Geschwindigkeit der Höhenströmung wieder zu, da die abbremsende Zentrifugalkraft wegfällt. Die mit einer noch geringeren Geschwindigkeit nachfolgende Luft kommt nicht mit, die Luftsäule in diesem Bereich verliert an Masse (Divergenz) und der Bodenluftdruck fällt. Die Luft strömt von ringsherum herbei und es bildet sich ein aufwärts gerichteter Tiefdruckwirbel. Auf diese Weise entstehen die dynamischen Tiefdruckgebiete (Cyclonen).

Durch die von ihrem Tiefdruckzentrum ausgehende Drehbewegung stößt warme Luft nach Norden gegen die Kaltluft vor (Warmfront), und im Gegenzug stößt kalte Luft nach Süden gegen die Warmluft (Kaltfront) vor. An der Warmfront, wo die warme Luft langsam über die kältere Luft nach oben gleitet, bilden sich Schichtwolken, und es fängt häufig über längere Zeit an zu regnen (Landregen). In größeren Höhen, wo es kälter ist, bilden sich Eiswolken (Cirrus). Die Kaltfront und die dahinter befindliche Kaltluft bewegen sich wesentlich schneller als die vorauseilende Warmluft, die wegen ihrer Aufstiegstendenz eine schwächer ausgeprägte Vorwärtsbewegung hat. Die Warmluft wird so nach und nach von der herannahenden Kaltluft durchdrungen, erfährt dabei, da sie leichter ist, einen starken Auftrieb (labile Luftschichtung), und es bildet sich eine ausgeprägte Quellbewölkung. Bei kräftigen Winden kommt es zu sehr heftigen Regenschauern, oft auch zu Gewittern mit Hagel. Der Warmluftsektor wird nach und nach zusammengeschoben. Warm- und Kaltfront vereinigen sich dabei zu einer Mischfront (Okklusion) bis der Warmluftsektor völlig verschwunden ist.Später löst sich das Tiefdruckgebiet dann ganz auf. Die durchschnittliche Lebensdauer dynamischer Tiefdruckgebiete liegt nur bei knapp einer Woche. An den Kaltfronten älterer Tiefdruckgebiete können wiederum kleine Wellenstörungen auftreten und die Bildung weiterer dynamischer Tiefdruckgebiete (Randtiefs, Tochtertiefs) auslösen.



Entwicklung und Aufbau eines dynamischen Tiefdruckgebietes nach Vilhelm Bjerknes (1862-1951), der die Polarfronttheorie entwickelte. Bilder durch Anklicken vergrößerbar!


Auch bei einem Wellenberg des Jetstreams (Hochkeil, Rücken) entstehen dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete, Da die Zentrifugalkraft hier aber in gleicher Richtung wie die Gradientenkraft wirkt, ist alles genau umgekehrt wie bei einem Trog. Auf der Rückseite entsteht durch Divergenz ein dynamisches Tief- und auf der Vorderseite durch Konvergenz ein dynamisches Hochdruckgebiet.

Blockierende Hochs, Kaltlufttropfen und die Omega-Wetterlage
Wenn das Temperaturgefälle an der Polarfront zu gering wird, entstehen blockierende Hochdruckgebiete und stationäre Tiefdruckgebiete (Höhentiefs, Kaltlufttropfen).
Die Strömungsgeschwindigkeit im Jetstream geht dann so sehr zurück, und die Schwingungen (Rossby-Wellen) innerhalb des Jetstreams werden so stark, daß die Höhenströmung schließlich ganz und gar zusammenbricht. Die dynamischen Hoch- und Tiefdruckgebiete in der Westwindzone werden dann quasi "eingefroren". Die eingefrorenen Hochdruckgebiete blockieren die Tiefdruckgebiete („blocking action“), die sich daraufhin von der Westwindzone trennen („cut off“). Polwärts bildet sich eine neue Westwindzone ohne Rossby-Wellen aus, mit demzufolge hoher Strömungsgeschwindigkeit. Da so kein Temperaturausgleich stattfinden kann, werden die Temperaturgegensätze zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft immer größer, bis sich durch Instabilitäten wieder Rossby-Wellen bilden und damit auch wieder neue dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete entstehen können. Da die von der Westwindzone losgelösten Tiefs ursprünglich auf der Kaltluftseite der Polarfront entstanden sind, handelt es sich bei ihnen um Bereiche kalter Luft, die von der wärmeren Umgebungsluft der Warmluftseite völlig eingeschlossen sind. Aus diesem Grunde werden sie auch Kaltlufttropfen genannt. Als kalte Höhentiefs über relativ warmer Luft - eine labile Luftschichtung also - „saugen“ sie die Luft nach oben. Diese kühlt dabei ab, und es entwickeln sich viele Quellwolken (Cumulus, Cumulunimbus). Heftige Niederschläge (Regen, Schnee) und auch Gewitter (Hagel) sind dann die Folge.


Entstehung von stationären Tiefdruckgebieten (Höhentiefs, Kaltlufttropfen). Hier hat sich eine Omega Wetterlage eingestellt. Drei Druckgebilde, ein Hoch und zwei benachbarte Tiefs bilden eine Struktur die dem griechischen Buchstaben Omega (Ω) ähnelt.
Quelle: Wikiservice.at Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Wenn sich nun im Laufe einer „blocking action“ ein Dreifachdruckgebilde herausbildet, welches aus einem blockierendem Hoch (Hochkeil) und zwei flankierenden Tiefdruckgebieten (Höhentröge) besteht, so stellt sich eine besonders stabile Wetterlage ein, die im Einflussbereich des blockierenden Hochs für anhaltendes Schönwetter sorgt. Genau das ist in den letzten Tagen vor Pfingsten passiert, wie die nun folgende Höhenkarte eindrucksvoll belegt.



Wetterlage 8.Mai 18:00 Uhr UTC Quelle: http://www.wetter3.de/
Bild durch Anklicken vergrößerbar!


Sie zeigt die 500 hPa-Fläche und die dort herrschenden Temperaturen. Die 500 hPa-Fläche wird durch die schwarzen Linien sichtbar und aus der Höhe bestimmt, in der der Luftdruck auf 500 hPa gesunken ist (Höhenangaben in Dekametern!).Warme Luft dehnt sich nun aber nach oben hin mehr aus als kalte Luft, so daß der Luftdruck auch erst in entsprechend größerer Höhe auf 500 hPa abgesunken ist. Die 500 hPa-Fläche bildet also eine Art "Landschaft" mit "Bergen" und "Tälern". Die Farben zeigen die Temperaturen (von violett, über blau, grün, gelb nach rot zunehmend) auf der 500 hPa-Fläche und die weißen Linien mit den Zahlen einzelne Temperaturwerte. Linien die Orte miteinander verbinden, wo jeweils der in der gleichen Höhe liegen, nennt man Isohypsen. Die schwarzen Linien der 500 hPa-Fläche sind demzufolge 500 hPa-Isohypsen. Diese lassen wiederum den Verlauf der Höhenströmung der Westwindzone gut erkennen.

Auch auf der Meteosat-Aufnahme, im sichtbaren Bereich fotografiert, zeichnet sich die Omega-Struktur des Druckgebildes aus Hochkeil und zwei flankierenden Höhentrögen sehr schön ab.


Wetterlage 8.Mai 17:00 Uhr UTC Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Über der Iberischen Halbinsel und über dem westlichen Nordafrika verursacht ein Höhentief (Kaltlufttropfen) im Höhentrog westlich des Hochkeils heftige Niederschläge und Gewitter. Die Kaltfront eines weiteren, vom Hochdruckgebiet über Mitteleuropa blockierten Tiefdruckgebietes mit Zentrum südlich von Island, erstreckt sich von Nordwesten nach Südosten über Irland bis nach Frankreich und sorgt ebenfalls für starke Regenfälle.
Das zeigt sehr schön die folgende Karte mit den Niederschlagsstärken und den Niederschlagsformen der letzten 6 Stunden vor 18:00 Uhr UTC (Blau = Regen und Eisregen, Rosa = Schnee und Graupel). Auch die Isobaren des Bodenluftdrucks sind eingezeichnet (grün). Isobaren sind Linien die Orte mit gleichem Luftdruck untereinander verbinden.


Wetterlage 8.Mai 18:00 Uhr UTC Quelle: http://www.wetter3.de/
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Die Omega-Wetterlage bleibt auch während der folgenden Tage stabil ...




Wetterlage 9.Mai 18:00 Uhr UTC
Die Infrarotaufnahme (IR) des europäischen Wettersatelliten Meteosat bildet 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 da. Quellwolken (Cumulus), die sich bis in große Höhen auftürmen wie ganz besonders die Gewitterwolken (Cumulunimbus), 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 (Cirrus). Wolken in niedrigen Höhen sind dagegen schon fast genauso warm, wie die Erdoberfläche darunter und erscheinen somit ähnlich dunkel. Quelle: http://www.metoffice.gov.uk/ Bild durch Anklicken vergrößerbar!




Wetterlagen am 9.Mai und am 10.Mai 2008 jeweils um 18:00 Uhr UTC
Quelle: http://www.wetter3.de/ Bilder durch Anklicken vergrößerbar!

Der „Cut-Off“-Prozeß setzt sich weiter fort und auch über der Türkei kommt es jetzt durch ein Höhentief (Kaltlufttropfen) zu heftigen Unwettern. Das Höhentief über der Iberischen Halbinsel hat sich inzwischen sogar vollkommen verselbstständigt und den Höhentrog verlassen.





Wetterlage 10.Mai 18:00 Uhr UTC Quelle: http://www.wetter3.de/
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Omega-Wetterlage und Klimawandel
Durch die globale Erwärmung, insbesondere die Zunahme der Temperaturen auf der Nordhalbkugel sind Omega-Wetterlagen immer häufiger zu erwarten. Das hängt einerseits mit einer Verlagerung der Polarfront in Richtung Nordpol zusammen, wodurch Mitteleuropa häufiger unter Hochdruckeinfluss gerät. Ursache für diese Verlagerung ist ein „Vordringen“ der tropischen Warmluft und ein „Rückzug“ der Kaltluft in die engere Polregion. Die im Verlauf der letzten Jahre überproportionale Erwärmung in der Arktis vermindert andererseits den Temperatur- und Druckgradienten an der Polarfront. Der Jetstream wird so im Durchschnitt langsamer. Die mit der Erwärmung einhergehende Eisschmelze in der Arktis schwächt darüber hinaus die thermohaline Zirkulation des Golfsstroms (genauer: der nordatlantische Arm wird schwächer, der subtropische Arm dagegen stärker). Normalerweise verstärkt das warme Golfstromwasser das Islandtief -es versorgt dieses mit "Treibstoff" in Form von latenter Wärme- und damit auch den Luftdruckgradienten zwischen Islandtief und Azorenhoch. Die beiden Druckgebilde "treiben" ihrerseits den Jetstream an und verstärken so die Polarfront durch vermehrtes "Einspeisen" von tropischer Warmluft und polarer Kaltluft.




Ein schwach ausgeprägter Golfstrom im Nordatlantik schwächt also ebenfalls die Polarfront und verlangsamt damit den Jetstream. Der langsamere Jetstream ändert über seine ganze Länge seinen "Schwingungszustand" und mäandert deutlich stärker, so daß blockierende Hochdrucklagen begünstigt werden. Omega-Wetterlagen werden damit ebenfalls wahrscheinlicher. Da aber die polare Kaltluft vom Jetstream nicht mehr so gut "eingeschlossen“ wird, kommt es im Winter zu gehäuften, massiven Kaltluftausbrüchen nach Süden (Kaltlufttröge und Kaltlufttropfen), wodurch es stellenweise sehr kalt wird und zu ergiebigen Schneefällen kommt. Das passiert nicht unbedingt zuerst in direkter Nachbarschaft des geschwächten Golfstroms, sondern dort wo die Kaltluft am besten vorankommt, also über relativ schnell auskühlenden (kontinentalen) Landmassen wie beispielsweise Zentralasien.






Ruhige Wellenbewegungen des Jetstreams (positive Phase der Arktischen Oszillation AO+) begünstigen milde, verregnete Sommer durch eine ausgeprägte Westdrift der Tiefdruckgebiete. Im Winter wird die polare Kaltluft gut eingeschlossen (links). Wenn der Jetstream stärker mäandert, werden hingegen blockierende Hochdrucklagen wahrscheinlicher, und die Sommer werden heiß und trocken. Im Winter kommt es immer wieder zu Kaltluftausbrüchen nach Süden (negative Phase der Arktischen Oszillation, rechts). Quelle: [http://www.washington.edu/] Bilder durch Anklicken vergrößerbar!

Jens Christian Heuer

Klimawandel

Die Kreidezeit, die Dinosaurier und die Macht der Wolken

Zu Zeiten der Dinosaurier war es wesentlich wärmer als heute. Fast überall herrschte ein feuchtwarmes Klima. Die entscheidende Ursache war nicht eine Zunahme von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre, sondern es waren dafür wahrscheinlich Veränderungen in der Wolkenbedeckung der Erde verantwortlich. Das haben die amerikanischenn Klimaforscher Lee Kump und David Pollard an der Penn State University herausgefunden.

Die Kreidezeit I
In der Kreidezeit, die vor 145 Millionen Jahren begann und vor 65 Millionen Jahren endete, erlebten die Dinosaurier ihre Blütezeit. In den Tropen erreichten die Durchschnittstemperaturen 38 ° C und am Nordpol immerhin noch 10 ° C. Immergrüne Nadelwälder (und z.T. auch Laubwälder) bedeckten die Polarregionen. Am Rande der Arktis, im heutigen Kanada wuchsen sogar Palmen. Im Winter fiel zwar gelegentlich auch einmal Schnee, aber Meereis konnte sich nicht bilden. Auch an Land wurde es in der Arktis spätestens im Frühling so warm, daß der Schnee komplett wegschmolz. Nur am Südpol, wo sich auch damals in der Kreidezeit schon die Antarktis befand, war es kalt genug, daß sich auf dem Festland noch Eis bilden konnte. Der Meeresspiegel war mindestens 4o m höher als heute!


Die Erde in der Kreidezeit. Quelle: http://jan.ucc.nau.edu/~rcb7/Late_Cret.jpg
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Zwar war die Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) damals mindestens 4-mal so hoch wie heute, doch trotzdem reicht das nicht aus, um die enorme Erwärmung in der Kreidezeit mit Hilfe von Klimamodellen zu erklären. Der Treibhauseffekt des CO2 ist einfach zu gering.

Tyrannosaurus-Rex Paar (links) und verschiedene Sauropoden in einem immergrünen Nadelwald
Quelle: http://prehistoricsillustrated.com/paleogallery_gerhard_boeggemann.html
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Der Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt kommt dadurch zustande, daß der Erdboden die Strahlung der Sonne absorbiert, in Wärme umwandelt, die Atmosphäre von unten erwärmt, aber einiges von der Wärme auch wieder in den Weltraum abstrahlt (Infrarotstrahlung), wovon die Treibhausgase (Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan, Lachgas) wiederum einen Anteil zurückhalten. Die Moleküle der Treibhausgase absorbieren bestimmte ausgewählte Wellenlängen der Infrarotstrahlung des Erdbodens und geben einen Großteil davon durch Stöße an die zahlreichen Nachbarmoleküle anderer Atmosphärengase (Stickstoff, Sauerstoff, Argon)ab. Die Atmosphäre erwärmt sich dabei ein wenig. Ein kleiner Teil gelangt jedoch als infrarote Gegenstrahlung - mit derselben Wellenlänge in der zuvor absorbiert wurde - wieder zurück zum Erdboden, der dadurch wieder etwas Wärme zurückbekommt und so langsamer auskühlt. Der Rest der aufgenommenen Wärme wird durch die Treibhausgase in den Weltraum abgestrahlt. Aufgrund der verzögerten Auskühlung erwärmt sich der Erdboden durch die Sonnenstrahlung auf höhere Temperaturen, als wenn es keine Treibhausgase gäbe. Die Erdoberfläche strahlt dann dem Temperaturanstieg entsprechend mehr Infrarotstrahlung - mit den zahlreichen Wellenlängen, die die Treibhausgase nicht absorbieren können (Infrarotfenster) - in den Weltraum ab, so daß sich ein Strahlungsgleichgewicht auf diesem höheren Temperaturniveau einstellt. Der durch den Treibhauseffekt erwärmte Erdboden gibt seine zusätzliche Wärme von unten an die unteren Luftschichten der Troposphäre weiter. 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 (s.u.). Wasser (H2O) ist ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Damit verstärkt das H2O in der Atmosphäre den relativ geringen Treibhauseffekt des CO2 (Wasserdampfverstärkung).

Die Wolken
Aber nicht alle bei der Erde eintreffenden Sonnenstrahlen gelangen bis zur Erdoberfläche und erwärmen sie, denn ein Teil der Strahlung wird von den hellen Wolken in den Weltraum zurückgeworfen (reflektiert), und auch die Erdoberfläche selbst reflektiert in Abhängigkeit von ihrer Beschaffenheit einen gewissen Anteil der Sonnenstrahlung (Albedoeffekt). Ist die Erdoberfläche beispielsweise vereist oder gar von Schnee bedeckt, oder gibt es viele Wolken, so hat die Erde ein hohes Albedo, und die Sonnenstrahlung wird zu einem großen Teil in den Weltraum reflektiert. Ein hohes Albedo wirkt also abkühlend. Ein weiterer eher kleiner Anteil der Sonnenstrahlen wird von der Atmosphäre direkt aufgenommen (absorbiert).

Wolken wirken nicht nur durch ihre hohe Albedo abkühlend, sondern haben auch einen Treibhauseffekt. Sie halten die Wärme sogar besser als alle Treibhausgase, denn sie absorbieren die Infrarotstrahlung in allen infraroten Wellenbereichen! Davon gelangt der eine Teil als infrarote Gegenstrahlung wieder zurück zum Erdboden, der andere wird direkt in den Weltraum abgestrahlt. Diese Abstrahlung in den Weltraum wird umso geringer, je größer die vertikale Ausdehnung der Wolken ist, denn in größeren Höhen ist die Wolkenoberseite deutlich kälter als die Unterseite. Die Infrarotabstrahlung der Wolkenoberseite in den Weltraum ist damit deutlich geringer als die infrarote Gegenstrahlung an der Wolkenunterseite.

Je nach Wolkenart überwiegt ihr abkühlender Effekt oder ihr Treibhauseffekt. Eiswolken (Cirrus) in großen Höhen lassen das Sonnenlicht größtenteils durch, absorbieren aber sehr gut die vom Erdboden kommende Infrarotstrahlung und wirken daher erwärmend. Wolken, die aus kleinen Wassertröpfchen bestehen (Cumulus, Stratus), sind sehr hell und reflektieren daher das meiste Sonnenlicht. Obwohl auch diese Wolken die Infrarotstrahlung vom Erdboden sehr gut absorbieren, überwiegt hier der abkühlende Effekt.


Quelle: Wikipedia
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Die Klimaforscher Lee Kump und David Pollard von der Penn State University (http://www.psu.edu/) machen nun eine geringere Wolkenbildung für die Erwärmung während der Kreidezeit verantwortlich. Wie kam es dazu?

Die Wolken und die Meeresalgen
Wolken bilden sich, wenn durch Wasserverdunstung feuchte Luft aufsteigt und abkühlt und schließlich das Kondensationsniveau erreicht wird. Warme Luft kann wesentlich mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft. Der Grund: In der kalten Luft bewegen sich die Luftteilchen deutlich langsamer und stoßen weniger heftig untereinander und mit den Wassermolekülen zusammen. Daher können die Wassermoleküle leichter über ihre gegenseitigen elektrischen Anziehungskräfte miteinander Verbindung bekommen und zusammenfinden, d.h. das Wasser kann in kalter Luft leichter kondensieren. Das Kondensationsniveau ist die Höhe in der die Luft gerade kalt genug ist, daß der in ihr enthaltene Wasserdampf auskondensieren kann. Es bilden sich dann unendlich viele, mikroskopisch kleine Wassertropfen und es entsteht eine Wolke. Dabei wird Kondensationswärme frei, auch latente Wärme genannt. Sie entspricht der Energie, die nötig war, um das Wasser zu verdunsten und die nun bei dem umgekehrten Vorgang natürlich wieder freigesetzt wird. Wasser verdunstet nur, wenn genügend Energie vorhanden ist, um die Moleküle des flüssigen Wassers, die sich elektrisch stark anziehen, voneinander zu trennen, damit sie sich dann in der umgebenden Luft verlieren. Die bei der Wolkenbildung freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme) gibt der aufsteigenden Luft neuen Auftrieb, denn solange diese wärmer ist als die Umgebungsluft, kann sie weiter aufsteigen. Dabei kondensiert der noch vorhandene Wasserdampf weiter aus. Die bei der Wolkenbildung freiwerdende latente Wärme fördert also ihrerseits die Wolkenbildung.

Die Wolkenbildung funktioniert aber nur dann richtig, wenn kleine Partikel als Kondensationskeime vorhanden sind, an denen sich die Wassermoleküle anlagern können, wodurch viele kleine Wassertröpfchen entstehen können. Je meht Kondensationskeime vorhanden sind, umso kleiner sind die Wassertröpchen und umso heller wird die Wolke. Bei den Kondensationskeimen handelt es sich um Staub- , Rußteilchen und um Sulfataerosole. Letztere stammen heutzutage oft aus industriellen Abgasen, werden aber auch von Pflanzen, vor allem Meeresalgen in beachtlichem Umfang erzeugt.

Meeresalgen wachsen am besten bei Wassertemperaturen von unter 10 ° C, obwohl ihre biologische Aktivität eigentlich bei 25-30 °C am größten ist. Bei so hohen Wassertemperaturen bildet sich im Meer aber eine stabile Schichtung aus, denn das warme, zwischen 30 und 100m tiefe Oberflächenwasser dehnt sich aus und wird dadurch "leichter" als das kühlere Wasser darunter. Eine Durchmischung des Oberflächenwassers mit tieferen nährstoffreichen Wasserschichten findet dann nicht mehr statt. Die Meeresalgen können aber nur im oberflächennahen Wasser leben, da es nur hier hell genug für die Photosynthese ist. Bei einer stabilen Schichtung des Meereswassers gehen in diesem Lebensraum aber wegen der fehlenden Durchmischung bald die Nährstoffe aus, und die Meeresalgen müssen verhungern. Die klaren und warmen tropischen Meere sind also arm an Leben, sie sind sozusagen "nasse Wüsten". Nur in Küstennähe, etwa in der Nähe von Flußmündungen, wo Nährstoffe eingetragen werden, sieht es anders aus. Bei einer Wassertemperatur von unter 10 ° C ist eine ausreichende Durchmischung oberer und unterer Wasserschichten aber kein Problem, die Meeresalgen bekommen ausreichend Nährstoffe und gedeihen prächtig. Genau deshalb ist das Wasser in kalten Meeren so trübe.

Meeresalgen haben es schwer in ihrer salzhaltigen Umgebung, denn zuviel Salz ist ein Gift für sie. Schon ein Salzgehalt von 8% würde sie töten, und Meereswasser enthält bereits 6% ! Doch die Meeresalgen wissen sich zu helfen. Sie bilden DMSP (Dimethylsulfonpropionat), eine ionische Verbindung, dessen Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, die sich aber nach außen hin neutralisieren und so für die Algen nicht giftig ist. Die Meeresalgen halten ihren Salzgehalt niedrig, indem sie Salze durch DMSP ersetzen, welches den osmotischen Gradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem verringert. Sterben die Meeresalgen ab, so wird DMSP freigesetzt und durch Bakterien im Wasser abgebaut. Dabei entsteht das gasförmige DMS (Dimethylsulfid). DMS wird durch den Sauerstoff in der Luft zu Sulfaten oxidiert, die Wasser anziehen und dadurch wiederum als Kondensationskeime für die Wolkenbildung wirken. Diese zusätzlichen Wolken wirken abkühlend. Mit diesem Mechanismus können die Meeresalgen in begrenztem Ausmaß ihre Lebensbedingungen steuern. Steigen die Temperaturen des Oberflächenwassers, so vermehren sich die Meeresalgen entsprechend stärker. Da die Schichtung des Meereswassers bei ansteigenden Temperaturen stabiler wird, würden ihnen aber bald die Nährstoffe ausgehen. Mehr Meeresalgen setzen aber auch mehr Sulfataerosole frei und diese erleichtern ja die Wolkenbildung und sorgen außerdem auch noch für hellere Wolken. Dieses ist eine negative Rückkopplung, die für eine Abkühlung des Oberflächenwassers sorgt. Eine erleichterte Wolkenbildung begünstigt darüber hinaus auch die Entstehung von Tiefdruckwirbeln, wodurch die oberen und mittleren Wasserschichten durchmischt werden, was dann wiederum die Nährstoffzufuhr für die Meeresalgen verbessert.


Der Einfluss von Meeresalgen (Phytoplankton)auf die Wolkenbildung.
Quelle: http://www.icm.csic.es/bio/projects/basics/Project_objectives/Fig2.jpg
Bild durch Anklicken vergrößerbar!

Ein ähnlicher Mechanismus wie bei den Meeresalgen existiert auch bei Landpflanzen. So setzten Bäume flüchtige, teilweise ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die wohlriechenden Terpene frei. Diese chemischen Verbindungen verbreiten den angenehmen Duft des Waldes und reagieren bald mit dem Sauerstoff der Luft, um dann ebenfalls als Kondensationskeime für die Wolkenbildung zu wirken.

Die Kreidezeit II
In der Kreidezeit könnte nun folgendes passiert sein: Durch eine vermehrte Freisetzung der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) durch verstärkten Vulkanismus und die Ausdehnung von Sumpflandschaften wurde es zunächst etwas wärmer. Nach einiger Zeit waren auch die Wassertemperaturen in den Meeren derart angestiegen, daß sich eine stabile Schichtung des Meereswassers herausbildete und das Wachstum der Meeresalgen deutlich zurück ging. Das wiederum reduzierte die Anzahl der Kondensationskeime in der Luft und damit auch die Wolkenbildung. Die Wolkenbedeckung sank von 64 auf nur noch 55% ! Die Wolken wurden darüber hinaus auch dunkler, da weniger Kondensationskeime auch zu größeren Wolkentröpfchen führten. Weniger Sonnenlicht wurde durch Wolken reflektiert und die Erwärmung der Erde verstärkte sich. Eine positive Rückkopplung kam in Gang, welche die anfangs nur leichte Erwärmung durch die vermehrten Treibhausgase enorm verstärkte! Die oben beschriebene negative Rückkopplung durch vermehrtes Algenwachstum und dadurch verbesserte Wolkenbildung konnte hier nicht greifen, weil der alles auslösende Anstieg der Wassertemperaturen dafür einfach zu hoch war. Eine stabile Schichtung des Meereswassers war nicht zu verhindern und somit starben die Meeresalgen größtenteils ab. Das warmfeuchte Klima gefiel den Dinosauriern außerordentlich gut. Einige Arten waren aber auch an die kühleren polnahen Regionen angepasst.

Die Hitzewelle im Eozän
Derselbe Mechanismus wie in der Kreidezeit verursachte auch im Eozän vor 55 Millionen Jahren, als sich die Säugetiere enorm entwickelten, eine drastische Erwärmung. Für 200000 Jahre stieg die globale Durchschnittstemperatur auf über 24 ° C (!) Das Eis an den Polen schmolz dahin, und der Meeresspiegel stieg um ca. 70 m ! Einen Unterschied zur Kreidezeit gab es aber. Das Treibhausgas Methan wurde nicht so sehr aus Sümpfen, sondern vor allem aus Methanhydraten am Meeresgrund freigesetzt. Bei Methanhydraten handelt es sich um Wassereis in das gasförmiges Methan eingeschossen ist. Es entsteht in der Kälte und unter hohem Druck durch methanproduzierende Mikroben unter Luftabschluß. Methanhydrate sind auch nur bei hohen Drücken und/oder niedrigen Temperaturen stabil. Durch eine Erwärmung des Meerwassers wurde ein Teil der Methanhydratvorkommen am Meeresgrund instabil.

Foraminiferen ("Lochträger"), Amöben mit einer Kalkschale aus der man Rückschlüsse auf die bei der Kalkbildung herrschende Wassertemperatur ziehen kann: Im Kalk der Foraminiferen-Schalen ist Sauerstoff (O2) aus dem Meer enthalten. Sauerstoff tritt in verschiedenen Isotopen auf, die sich bei gleicher Protonenanzahl nur in der Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern unterscheiden und daher chemisch gleich sind. In der Natur kommt Sauerstoff überwiegend als Isotop O16 vor; ein kleiner Anteil liegt aber als O18 vor, welches etwas schwerer ist. Wird dem Meer durch Verdunstung Wasser entzogen, dann geht zuerst der leichtere Isotop O16 verloren. Das schwerere Isotop O18 reichert sich dadurch im Meereswasser an und wird von den Foraminiferen vermehrt in ihre Kalkschalen eingebaut. Je höher die Wassertemperaturen sind, umso größer ist dieser Effekt! Quellen: http://www.klima-aktiv.com/ und http://nisters.tirolkultur.at/ Bilder durch Anklicken vergrößerbar!

Fazit
Der relativ plötzliche Temperaturanstieg im Eozän wird immer wieder mit der heutigen globalen Erwärmung verglichen. Der positive Rückkopplungsmechanismus über die Wolken, der im Eozän und in der Kreidezeit den globalen Temperaturanstieg so drastisch ausfallen ließ, könnte natürlich auch heute bei zunehmender Erwärmung des Oberflächenwassers der Ozeane in absehbarer Zeit greifen.

Die globale Erwärmung wird also nicht nur durch den Treibhauseffekt des durch Verbrennungsprozesse in die Atmosphäre entlassenen Kohlendioxids und die davon ausgelöste Wasserdampfverstärkung angetrieben, sondern ganz besonders auch ausgehend von einem zurückgehendem Pflanzenwachstum durch eine verringerte Wolkenbildung und immer dunkler werdende Wolken !

Jens Christian Heuer

Quellen:
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/320/5873/195
http://news.nationalgeographic.com/news/2008/04/080410-ancient-warming.html http://www.atmosphere.mpg.de/
Spektrum der Wissenschaft: Dossier Klimawandel und Dossier Treibhaus Erde
Wikipedia (Stichworte Gaia-Hypothese, CLAW-Hypothesis, Kreidezeit und Eozän)

Klimawandel Sonne

Die unruhige Sonne - Klima-Macher Nummer Eins !

Historisches

Unser Sonnensystem - bestehend aus Sonne, Planeten, deren Monden, Asteroiden, "Trümmern", Gas, Staub ... - entstand vor rund 4,5 Milliarden Jahren aus einer rotierenden Gas-Staub-Scheibe, einer sogenannten "Akkretions-Scheibe".
Unsere Sonne ist ein Stern wie Milliarden andere im Weltraum auch. Die Menschheit hat mit der Entwicklung ihres Verstandes ("Bewußtseins") frühzeitig begriffen, daß alles Leben auf der Erde von der Sonnen-Wärme abhängt. Was Wunder, daß in fast allen antiken Kulturen die Sonne der "höchste Gott" war.
Die Sonne galt als kultisches Ideal einer himmlischen Erscheinung und war "makellos". Was für ein "Schreck", als nach der Erfindung des Linsenfernrohrs (1608, Holland) mehrere Himmelsforscher zeitgleich in den Jahren 1610-1612 auf der Sonne dunkle Flecken entdeckten:
Der Engländer Thomas Harriot, der Ostfriese Johannes Fabricius, der Mathematik-Professor Christoph Scheiner in Ingolstadt und Galileo Galilei in Florenz. Insbesondere Galilei und Scheiner haben den Rest ihres Lebens erbittert darum gestritten, wer der "Erstentdecker" sei, und sich gegenseitig des Plagiats beschuldigt. Ein sinnloser und überflüssiger Streit, wie wir heute wissen, denn wahrscheinlich gelang die erste Flecken-Beobachtung schon weit vorher, zumindest den Chinesen schon einige Jahrzehnte v.Chr.!
Daß die Sonne nun "befleckt" sein sollte, veranlaßte die Katholische Inquisition dazu, Galilei 1615 der Ketzerei anzuklagen - zusätzlich zu seinem Eintreten für das heliozentrische Weltbild.

Die heiße Sonne
Warum war und ist die Sonne grell und heiß? Brannte dort ständig irgend etwas, zum Beispiel Kohle? Davon war man bis Anfang des 19. Jahrhunderts(!) überzeugt. Die Sonnenflecken wurden folglich als Schlacke oder Rauchfahnen gedeutet. Erst die moderne Chemie zeigte auf, daß eine aus Kohle und Sauerstoff bestehende Sonne schon nach wenigen Jahrtausenden ausgebrannt sein muß. Nach den physikalische Entdeckungen von Fraunhofer, Bunsen und Kirchhoff begriff man dann schon, daß die Sonne außen eine heiße Gaskugel ist, in der einzelne chemische Elemente spezifische Wellenlängen ("Fraunhofer'sche Linien") des Sonnen-Lichtes absorbieren.

Hermann von Helmholtz stellte dann 1884 die These auf, daß die Sonne ihre Energie durch kontinuierliche Kontraktion ("Wärme-Zunahme durch Druck-Erhöhung") erzeuge. Jedoch - auch hier ergab sich bald ein rechnerischer Widerspruch zwischen theoretischer Kontraktions-Dauer und Erdzeitalter.

Nachdem 1938 Hans Bethe und Carl-Friedrich von Weizäcker die Kernfusion von Wasserstoffkernen und die dabei gewaltige Energie-Freisetzung entdeckt hatten, übertrug man diese Erkenntnis rasch auch auf die Sonne: Dort verschmelzen in einem komplizierten Prozeß mit vielen Zwischenschritten vier Wasserstoff-Atome zu einem Helium-Atom. Das heizt die innere Sonne auf Millionen Grad auf, und noch an der Oberfläche sind es rund 5.500°C. Dabei wird pro Sekunde eine Leistung von 4x1026 Watt erbracht, womit man Europa vier Millionen Jahre mit Energie versorgen könnte. Aber leider - wir beherschen diese Technik der Sonne auf der Erde noch nicht. Immerhin - die Physiker arbeiten intensiv daran, z.B. mit den Projekten JET, TOKAMAK, ITER (è web). Es wäre die Lösung all unserer Energie-Probleme und der "menschgemachten Klima-Ängste" zugleich - weder Radioaktivität noch CO2 werden freigesetzt!

Die unruhige Sonne
Der "Fusions-Reaktor" Sonne arbeitet sehr ungleichmäßig. Die Sonnen-Oberfläche verändert sich ständig, sowohl in der variablen Zahl der Flecken, als auch durch allerlei Explosionen und Eruptionen - die sgn. Fackeln, Flares, Protuberanzen, Filamente...

Im Mantel der Sonne laufen ständig vertikale (konvektive) und horizontale (advektive) Transport-Prozesse ab (siehe Abbildung 2), deren Intensität sich infolge von Umpolungen, Bündelungen und Entbündelungen solarer Magnetfelder verändert.

Dabei entstehen auch die sgn "Sonnenflecken", sowie deren Veränderungen in Zahl, Größe und Kombination. Infolge der Magnetfeld-Änderungen wird in einigen Bereichen die Konvektion verlangsamt, beendet oder sogar umgekehrt ("Absinken"?). Nun fehlt an solchen Stellen der "Nachschub" an heißem Plasma, und die Oberfläche wird kühler - für das Auge entsteht ein "dunkler Fleck". Aufgrund der Strahlungs-Gesetze (Wien und Stefan-Boltzmann) erscheinen für das menschliche Auge wärmere Flächen heller und intensiver als kühlere. Der Kernbereich eines Sonnenflecks, die so genannte Umbra ("Kernschatten“) hat "nur" eine Temperatur von rund 4000 °C, der Randbereich (Penumbra, Hof, Halbschatten) eine solche von 5000-5500 °C..
Durch Aufzeichnungen seit Galilei, Scheiner et al. sowie aus sgn. "Proxi-Daten" wissen wir heute, daß es bei der Auf-und-Ab-Entwicklung der Sonnen-Flecken Perioden/Rhythmen gibt. Die bekannteste Periode ist - über die Jahrhunderte gemittelt - der rund 11-jährige "Schwabe-Zyklus" (genau: 11,04, im 20.Jh. 10,02, bei einer Streuung von 9-13 Jahren) ". Dieser wurde in der Schweiz von dem Apotheker S.H.Schwabe entdeckt (um 1840) und von dem Astronomen J.R.Wolf bearbeitet, zurück verfolgt und numeriert - beginnend mit "Nr.0" im Jahre 1749. Ein jeweils neuer Zyklus wird ab dem Flecken-Minimum gezählt, derzeit (Frühjahr 2008) beginnt der Zyklus Nr.24.

Länger-periodisch über den Schwabe-Zyklus übergreifend werden in der Literatur immer wieder zwei weiter Zyklen genannt:
Der 80-jährige Gleißberg-Zyklus[1] und der ca. 200jährige De-Vries-Zyklus[2]. Beide Zyklen sind jedoch nicht unumstritten (è Abb.3).

Dunkle Flecken - kühle Sonne ?
Frühzeitig war es eine naturwissenschaftlich logische Schlußfolgerung, daß sich mit den Flecken-Zyklen auch die Sonnen-Strahlung zur Erde hin verändern müsse. So war es naheliegend, daß die Meteorologen seit mehr als 150 Jahren versuchten, den 11-Jahres-Rhythmus im Witterungsverlauf wieder zu finden, um ihn dann für Prognosen zu nutzen. Aber leider - bis heute blieb das ohne überzeugenden Erfolg! Die Rückkoppelungen im gesamten Klima-System, wozu man Atmosphäre, Hydrosphäre(Meere), Kryosphäre(Eis), Lithosphäre(Gesteine+Erdboden) und Biosphäre rechnet, sind offensichtlich zu kompliziert - das innerhalb von 11 Jahren zu- und wieder abnehmende Sonnen-Signal verschwindet im "Rauschen".

Anders beim Klima: Veränderungen der Sonnenstrahlung über Jahrhunderttausende bis herunter zu Jahrhunderten finden sich in den sgn. Poxi-Daten der Meeres-Sedimente und Eisbohrkerne (siehe Abb.4).
Bis weit in das 20. Jh. hinein mußten die meisten Solarforscher aufgrund der Strahlungsgesetze (s.w.o.) davon ausgehen, daß bei hoher Fleckenzahl und damit insgesamt etwas dunklerer Sonnen-Oberfläche sich die Energie-Abstrahlung der Sonne vermindert, und damit auch der Energiefluß auf die Erde.
Das ergab allerdings keinen rechten Zusammenhang mit dem Erdklima. Eher im Gegenteil: In Phasen geringer Sonnenaktivität war es kühler, in Phasen hoher Fleckenzahl war es wärmer (vgl. Abbildungen 3 und 5).

Seit etwa 30 Jahren wissen wir warum, denn Satelliten messen u.a. auch die Strahlungs-Energie der Sonne oberhalb der Atmosphäre. Wenn die solare Aktivität und damit die Zahl der Sonnenflecken steigt, dann kommt auch mehr Strahlungs-Energie an der Obergrenze der Atmosphäre an, und umgekehrt (è Abb.6). Die verminderte Abstrahlung der Umbra wird offensichtlich überkompensiert durch erhöhte Strahlung der Penumbra und der anderen Bereiche während der allgemeinen Aktivitäts-Steigerung der Sonne ("Flecken-Maxima").

An der Obergrenze der Atmosphäre kommen im Mittel 1.367 W/m2 an (Festlegung WMO, Genf, 1982). Die Schwankungsbreite in der Klimageschichte der Erde durch die Überlagerungen (Milankovic'-Zyklen) der veränderlichen Erdbahn-Elemente betrugen/betragen[3] <> W/m2 .

Im Vergleich dazu sind die (heutigen) Schwankungen[4] innerhalb der Schwabe- und Gleißberg-Zyklen mit Variationen an der Erdoberfläche von ± 0.10 bzw. ± 0,24-0,30 % entsprechend 0,15 bzw. 0,50-0,75 W/m2 gering, aber trotzdem Klima-wirksam (s.w.u.).

Dazu U.Cubasch4: "Die Sonnenstrahlungsvariationen des 80-jährigen Gleissberg-Zyklus führen zu einer Variabilität der an der Erdoberfläche absorbierten Sonneneinstrahlung von 0,50 bis 0,75 Watt/m². Diese Zahl muss man im Vergleich zu der Abschätzung des Strahlungsantriebs durch das Anwachsen der anthropogenen Treibhausgase von der vorindustriellen Zeit (1850) bis heute sehen - der ungefähr 2,4 Watt/m² ausmacht."

Die hoch-aktive Sonne
Zwischen den Vertretern der anthropogenen Treibhaus-Effekt-These ("CO2-Debatte") auf der einen und den sgn. "Skeptiker" auf der anderen Seite wird nun seit Jahrzehnten darüber diskutiert und gestritten, welche Anteile CO2 bzw. die Sonne an der globalen Temperaturerhöhung von etwa 0,7°C während der vergangenen 150 Jahre haben.
Dabei ist zunächst unstrittig, daß die Sonnen-Aktivität in der ersten Hälfte des 20. Jh. erheblich angestiegen ist, um rund 1 W/m2 , und dann in der 2. Hälfte des 20. Jh. auf hohem Niveau verblieb (siehe Abbildungen 3 + 6). Nach neueren Untersuchungen[5] ist das Sonnenaktivitätsmaximum der letzten Jahrzehnte sogar das ausgeprägteste seit mindestens 11.400 Jahren.

Im Vergleich zu den o.a. 1 W/m2 Energie-Zunahme: Die Klima-Modelle (IPCC-Basis) rechnen mit einem athropogenen Treibhaus-Effekt (Abk. THE, engl. AGW) von etwa 2 W/m2 )[6].
Die Energie-Mengen liegen also in gleicher Größenordnung!

F a z i t : Die sich verändernde Sonnenstrahlung ist ein hochwirksamer Klimafaktor !

Dabei ändert sich die an der Obergrenze der Atmosphäre und letztlich dann an der Erdoberfläche ankommende Sonnenstrahlung sowohl durch die langzeit-periodischen Veränderungen der Erdbahn-Elemente (Milankovi'c-Zyklen) als auch die kurzzeit-periodischen Sonnenflecken-Zyklen (11er, 80er, 200er - Perioden).

Seit ca. 10 Jahren wird ein weiterer Effekt diskutiert, den die Dänischen Forscher Friis-Christensen und Svensmarck[7] wie folgt begründen:
Bekanntlich bewirkt bei erhöhter Sonnenaktivität die direkt in die Atmosphäre und z.T. bis zum Boden vordringende kurzwellige elektromagnetische Energie-Strahlung der Sonne eine zusätzliche Erwärmung. Dieser direkte Erwärmungs-Effekt wird begleitet/verstärkt durch einen indirekten Effekt: Zunehmende Sonnenstrahlung (elektro-magnetisch und Partikeln) verstärkt das abschirmende Magnetfeld der Erde, vermindert folglich das Eindringen der kosmischen Partikeln-Strahlung in die Atmosphäre, vermindert in der Folge auch die Entstehung von Kondensationskernen für Wolken, mindert damit die globale Bewölkung. Das führt letztlich ebenfalls zu einer Erwärmung am Boden und in der Troposphäre.

Dazu sagt der Klimaforscher Ulrich Cubasch [4]:
"Ein heftig diskutiertes Problem stellt der Einfluss von interstellaren Teilchenströmen dar, die von der Sonnenaktivität abhängen . Einige Veröffentlichungen zeigen, dass diese Teilchenströme auf die Bewölkung wirken könnten und damit das Klima beträchtlich – mit etwa 1,5 Watt/m2 – beeinflussen. Andere Publikationen stellen diese Hypothese in Frage, denn der dahinter vermutete physikalische Mechanismus konnte bisher nicht nachgewiesen werden... Der Teilcheneffekt wird zurzeit nicht in Modellen berücksichtigt, da dafür noch keine gesicherte wissenschaftliche Grundlage besteht. Es gibt jedoch Pläne, diese Hypothese bei CERN im Strahlenlabor zu überprüfen (Projekt CLOUD -http://xxx.lanl.gov/abs/physics/0104048)."

In der Debatte über die Klima-Wirksamkeit von Sonne und CO2 gibt es zwei wesentliche Diskrepanzen:
1.) Die Global-Temperatur ist zwischen 1970 und 1998 weiter angestiegen ist, ohne daß es in dieser Zeit einen über die 11-Jahres-Zyklen hinaus gehenden signifikanten Trend der Sonnen-Einstrahlung gegeben hat.
2.) Nach 1998 ist der atmosphärische CO2-Gehalt weiter angestiegen, ohne daß die Temperatur dem weiter gefolgt ist (è Abb.7); das Temperatur-Signal hat sich abgekoppelt. Nach 1998 - also seit 10 Jahren - hat es keinen weiteren Temperaturanstieg mehr gegeben, sondern der Trend hat sich insgesamt umgekehrt. Gerät die anthropogene Treibhaus-Hypothese ins Wanken ?

Die Kontroverse
Gestritten wird folglich über den Anteil, den neuzeitliche Veränderungen der Solar(un)konstanten und ggf. verzögerte Rückkoppelungen (steiler Anstieg der Solaraktivität bis 1960) im Klima-System auf die derzeitige Erwärmung haben. Dazu gibt es in der wissenschaftlichen Literatur sehr gegensätzliche Meinungen :
IPCC (2007) sagt dazu: "Änderungen in der Sonnenaktivität seit 1750 bringen, so wird geschätzt (!??), einen Strahlungsantrieb von 0,12 W/m2. Dies ist deutlich geringer gegenüber dem 2001-Bericht von ursprünglich 0,3 W/m2."
Dagegen[8]: "Seit dem vorherigen Bericht der UN schlagen Solarphysiker in ihren veröffentlichten Berichten vor, daß die Sonne einen viel größeren Einfluss gehabt haben könnte, als oben verkündet. Diese könnte mehr als zwei Drittel der beobachteten Erwärmung verursacht haben. Man erwartet auch, daß sich die Sonnenaktivität in den nächsten 50 Jahren verringern wird."

Eine Literatur-Übersicht[9] kommt zu dem Ergebnis: "Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die Sonne einen erheblichen Einfluß auf unser Klima hat. Für das 20. Jahrhundert geht das IPCC (2001) von einem Anteil an der globalen Erwärmung von ca. 20% aus; Clausen (2003) nimmt einen Anteil von 25 bis max. 40% an." Und weiter a.a.O. (S.40): daß "...die Solarstrahlung in den vergangenen 60 Jahren ... auf hohem Niveau mehr oder minder konstant geblieben ist..."
Es gibt aber offensichtlich auch andere Meßergebnisse[10]: "Das koronale Magnetfeld der Sonne hat im vergangenen Jahrhundert um den Faktor 2.3, und seit 1964 um den Faktor 1.4 zugenommen – im Gegensatz zu Rahmstorfs Behauptung, es hätte in den letzen 60 Jahren nicht zugenommen. Effekte des solaren Magnetfeldes haben die IPCC-Szenarien bisher außer Acht gelassen."

Eine 2007 erschienene Studie[11] geht noch weiter: "Die gesteigerte solare Aktivität in den letzten 150 Jahren vermag zwei Drittel des globalen Temperaturverhaltens seit 1850 zu erklären. Dieser dominante solare Einfluss auf die globale Erwärmung der letzten 150 Jahre ist durch eine statistische Wahrscheinlichkeit von 99% abgesichert".

Ganz grundsätzlich heißt es in einer astronomischen Übersicht[12] zur Sonnen-Aktivität: "Es werden jedoch auch kurzzeitigere Klimaveränderungen durch die Sonne ausgelöst", und weiter a.a.O. "Es wäre daher kein Fehler, der leicht variablen Sonne etwas mehr Raum in den Klimamodellen einzuräumen".

Aus alledem folgt, daß ein erheblicher Anteil der beobachteten globalen Erwärmung solare Ursachen hat.

Sind die derzeit "gehandelten" Zahlen schon "das letzte Wort", oder kommt CO2 bei weiteren Untersuchungen noch mehr runter von der "Anklage-Bank" ?

Neue "Kleine Eiszeit" ?
Jedenfalls - seit einigen Monaten haben die Sonnen-Forscher Spannendes zu berichten. Nach den Ergebnissen der Zyklen-Forschung müßte etwa seit der Jahreswende 2007/2008 der Schwabe-Zyklus Nr.24 beginnen, etwa auf dem Flecken- und Energie-Niveau der 3-4 letzten Zyklen (è Abb.3), um dann etwa ab 2018 von einem deutlich schwächeren Zyklus im Rahmen des 200-jährigen De-Vries-Zyklus" (s.w.o.) abgelöst zu werden.
Für die Prognosen dieser Art haben Sonnen-Forscher aufgrund neuer Erkenntnisse ein verbessertes Verfahren entwickelt[13]. Damit ist es möglich, z.B. den nächsten und übernächsten Zyklus abzuschätzen, wie es die Abb.8 zeigt.

Jedoch[14] - dieser 24. Zyklus "will nicht anspringen", die Sonne ist derzeit (11.03.08)[15] fleckenfrei. Damit ergeben sich Anhaltspunkte, daß schon dieser 24. Zyklus das erst ab 2018 zu erwartende schwache Aktivitäts-Minimum einleiten könnte, mit der möglichen (wahrscheinlichen?) Folge einer raschen globalen Abkühlung für die nächsten Jahrzehnte; z.B.14: "No wonder there is so much talk recently about global cooling. I certainly hope that’s wrong, because a Dalton type solar minimum would be very bad for our world economy and agriculture".

Dipl.-Met. Klaus-Eckart Puls
Jahrgang 1939,Schule und Abitur in Mecklenburg ;Ab 1960 Studium der Naturwissenschaften in Rostock und Westberlin.1968 Diplom in Meteorologie an der FU Berlin, dort 1969/70 Wissenschaftlicher Angestellter mit dem Forschungs-Schwerpunkt Atmosphärisches Ozon.Ab 1970 Deutschen Wetterdienst:1971-1978 Seewetteramt Hamburg (Arbeitsschwerpunkte: Seewetterdienst, Schiffsrouten-Beratungsdienst, ab 1975 Leiter der Gruppe Laderaum-/Schiffsraum-Meteorologie.10 Seereisen als Bordmeteorologe auf Fischereischutzbooten, Forschungsschiffen und Handelsschiffen.1976-1978 Mitarbeit im Normen-Ausschuß "Technoklimate" (DIN 50 019).1978-1984 Leiter der Agrarmeteorlogischen Beratungs- und Forschungsstelle Bonn.Aufbau eines zeitkritischen Beratungssystems mit den Landwirtschaftskammern: Regionale Telefonansagen, Bildschirmtext, Wochenberichte;Lehrauftrag im Fach "Agrarmeteorologie" an der Universität Bonn.1983 Mitbegründer der Stiftung Deutscher Pollen-Informationsdienst, 10 Jahre Vorstands-Mitglied.1984-2000: Leiter des Wetteramtes Essen.Nach der deutschen Wiedervereinigung zusätzlich (1990/91) Aufbau und Leitung des Wetteramtes Leipzig.Seit 1966 über 150 wissenschaftliche und populär-wissenschaftliche Veröffentlichungen zu: Wetter, Klima, Ozon, Schiffsraummeteorologie, Agrarmeteorologie, Pollenflug/Allergologie, Wissenschaftsgeschichte, Kalendergeschichte...

Quellen:
[1] Cubasch, U.:Variabilität der Sonne und Klimaschwankungen, Wissenschaftsmagazin der Max-Planck-Gesellschaft, 4/2001, S.78-83
[2] Malberg, Berl.W-Karte, SO v.06.11.07, S.8
[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Solarkonstante
[4] Cubasch, U.:Variabilität der Sonne und Klimaschwankungen, Wissenschaftsmagazin der Max-Planck-Gesellschaft, 4/2001, S.78-83
[5] Solanki, S. K., Usoskin, I. G., Kromer, B., Schüssler, M. & Beer, J., Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years, doi:10.1038/nature02995, 2004
[6] http://www.oism.org/pproject/s33p36.htm
[7] 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.

[8] www.scienceandpolicy.org, Deutsche Übers.: M. Limburg, 8.2.07, http://www.oekologismus.de/

[9] Beising, R.: Klimawandel und Energiewirtschaft, VGB PowerTech Service GmbH, Essen, 2006, S.41
[10] A.v.Alvensleben, http://www.schulphysik.de/klima/alvens/antwort.html; Daten aus: M. Lockwood, R. Stamper & M. N. Wild, A Doubling of the Sun’s coronal magnetic field during the past 100 years, by, Nature Vol 399, 3.June 1999, 437 - 439
[11] H.Malberg, Klimawandel unter der Lupe, Z.f.Nachhaltigkeit, H.5, S.4-21, 2007
[12] Th.Günter, Die Sonne, SuW 8/2007, S.80
[13] www.spaceandscience.net/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/PressReleaseSSRC1-2008.doc
[14] http://wattsupwiththat.wordpress.com/2008/02/13/where-have-all-the-sunspots-gone/
[15] http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime/mdi_igr/512/

Gastbeiträge geben nur die persönliche Ansichten des Autors wieder und stehen keinesfalls für die Positionen des Blogs Weltenwetter !

Klimawandel Kontrovers

Der Zerfall des Schelfeises in der Westantarktis:
Alles nur Panikmache oder doch ein Warnsignal für den Klimawandel?

Im Februar löste sich in der Westantarktis ein riesiger Eisberg (41 x 2,5 km!) vom Wilkins-Schelfeis in der Westantarktis. Anschließend brach noch eine Eisfläche von 405 Quadratkilometern auseinander. Dieses spektakuläre Ereignis ist kein Einzelfall. Schon einige Jahre lang beobachtet man in der Westantarktis einen beschleunigten Zerfall des Schelfeises, wodurch auch die Stabilität des Festlandeises geringer wird. Ist das ein Warnsignal für den Klimawandel? Abschmelzendes Schelfeis führt nicht zu einem ansteigenden Meeresspiegel, weil es schon auf dem Wasser schwimmt. Doch droht uns ein drastischer Anstieg des Meeresspiegels, wenn auch das Festlandeis abzuschmelzen beginnt? Oder ist alles wieder nur einmal eine maßlose Übertreibung? Dazu zwei Einschätzungen...


Eisberg voraus - Weltuntergang auch ?

Die unermüdlichen Propheten der Klima-Katastrophe haben eines erreicht:
Mit einem seit Jahrtausenden normalen Ereignis wie dem Abbrechen eines Eisberges vom polaren Eisschelf versetzen sie mit Hilfe der Medien eine mittlerweile hoch-sensibilisierte und hysterieformte Weltbevölkerung jederzeit mühelos in Panik.

Kollaps des Wilkins Schelfeises

Quellen: http://news.nationalgeographic.com/ und Jim Elliott, British Antarctic Survey/AP Photo

Welche üblichen physikalischen Prozesse ständig in den 1-2 km dick gepackten Eisschilden über Antarktika und Grönland ablaufen, das hat soeben wieder der Leiter der Deutschen Kommission des Internationalen Polarjahres 2007/08 folgendermaßen erklärt: "Dort (in Grönland) wurde festgestellt, daß einer der größten Gletscher derzeit in einer unglaublichen Geschwindigkeit abschmilzt. Er bewegt sich gut 40 m pro Tag in Richtung Meer... Ob dies ein Indiz für den Klimawandel ist, ist jedoch nicht sicher... Es ist auch durchaus denkbar, daß der Gletscher durch die entstandene Eismenge und das Gewicht am Untergrund den Druckschmelzpunkt erreicht hat. Dann würde sich bildlich gesehen unter dem Eis eine Flüssigkeitsschicht bilden, auf der der Gletscher praktisch ausrutscht und sich schneller vorwärts bewegt. Wir sprechen in dem Zusammenhang auch von Ausflußzyklen. Nur weil ein Gletscher abschmilzt, muß das nicht gleich etwas mit höheren Temperaturen zu tun haben." (Dr. Reinhard Dietrich, in: Sonntags-Journal, Bremerhaven, 16.03.2008, S.2).

Dem müßte man eigentlich nichts hinzufügen, aber einige meteorologische Überlegungen, Fakten und Zusammenhänge darüber hinaus erscheinen in der derzeit wieder einmal bis in die Nähe der Hysterie angeheizten Klima-Debatte sinnvoll.

Zunächst ist festzustellen: In allen Zeiten historischen Klimawandels gab es weder eine
gleichmäßige globale Erwärmung noch eine entsprechende gleichmäßige Abkühlung. So ist das auch heute - global wie auch in der Antarktis, wie eine zusammenfassende Übersicht feststellt: "Die Sommertemperaturen sind in Teilbereichen angestiegen, in anderen Südpolarregionen ist die Temperatur in den letzten 50 Jahren konstant geblieben bzw. leicht gefallen. Der teilweise Temperaturrückgang in der Antarktis, der von den Modellen her nicht erwartet war, wird auf verschiedene Ursachen zurückgeführt." (Quelle: Beising, R.: Klimawandel und Energiewirtschaft, VGB PowerTech Service GmbH, Essen, 2006, S.127).

Die einzige größere antarktische Region, in der es in den letzten Jahrzehnten wärmer geworden ist, ist genau das Gebiet, in dem der jüngste Eisberg abgebrochen ist - die Region des Ross-Meeres. Diese Region liegt rund 1000 km südlich von Feuerland, und somit voll im Einflußgebiet einer der stärksten Windströmungen der Erde, der südhemisphärischen Westwinddrift - bei den früheren Kap-Horn-Umseglern waren diese geographischen Breiten als "Brüllende Vierziger und Fünfziger" und als "Schreckliche Sechziger" berüchtigt und gefürchtet. Daher spielen bei Eisabbrüchen in der West-Antarktis nicht nur Dicke, Temperatur und Konfiguration des aktuellen Eises eine Rolle, sondern auch Intensitäts-Schwankungen dieser Westwinde, analog zu den Zirkulations-Schwankungen in den gemäßigten Breiten der Nordhalbkugel (z.B. NAO).
Meteorologisch wird damit klar: Intensivieren sich die Westwinde, so wird es in der Westantarktis einerseits wärmer, andererseits im Eisschelf "unruhiger" - beides beschleunigt Eisabbrüche.

Folglich hat es auch deshalb in früheren Jahrzehnten immer wieder Abbrüche riesiger und noch bedeutend größerer Eisberge gegeben. Dabei wurde z.B. in den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts diskutiert, solche Eisberge nach Südafrika und vor allem Richtung Namibia zu schleppen - für die dortige Trinkwasser-Versorgung oder sogar zur Bewässerung von Trockengebieten. Solche Debatten waren möglich, denn : Der Treibstoff für Hochsee-Schlepper war billig, vor allem aber - es gab keine IPCC-Institute mit wöchentlichen Klima-Horror-Meldungen.

Bei den Eisabbrüchen am Schelf von z.B. Antarktika oder Grönland spielt immer auch die angewachsenen Eismasse eine Rolle, und da ist für den Südpolbereich zu vermelden: "In den letz­ten 30 Jah­ren hat die Mas­se der an­tark­ti­schen Eis­kap­pe zu­ge­nom­men, einen 6000-jäh­rigen lan­gen Trend um­ge­kehrt. Die Ant­ark­tis ent­hält 90 % des Ei­ses in der Welt und wächst." (Quelle: www.scienceandpolicy.org, Deutsche Übers.: M. Limburg, 8.2.07, http://www.oekologismus.de/).

Und schließlich seien Aussagen von den Direktoren des für Polarforschung hoch-kompetenten Alfred-Wegener-Instituts zum Eisverhalten zitiert:

Zunächst Vizedirektor Prof. Miller zum Gletscher-Verhalten: "Das Abschmelzen des Grönland-Eises taugt nicht für Endzeit-Szenarien" (Handelsblatt, 08.08.2007, "Wenn der Gletscher ruft - Politiker pilgern nach Grönland"), und weiter am a.O. '...auch für den Sermeq Kujalleq sieht Miller nicht schwarz: "... der Rückgang der Gletscherzunge werde in den nächsten Jahren zum Stillstand kommen".

Mit gleicher Sachlichkeit bemerkt die neue AWI-Direktorin Dr. Karin Lochte in einem FAZ-Interview (FAZ 16.11.2007, S.46) auf die Frage, ob die starken Meereisverluste im Sommer 2007 ein Indiz für die künstliche Erwärmung sei: "Das müssen wir erst noch sehen. Wir wissen heute noch nicht, ob das Teil eines Zyklus ist, ob wir in vielleicht fünf Jahren wieder mehr Eis haben...".

Beide Aussagen beziehen sich zwar zunächst auf die Arktis, haben jedoch hinsichtlich des wissenschaftlichen Gehaltes gleichermaßen Gültigkeit für die Antarktis.

Also - Entwarnung für die Eisberg-Katastrophe? Bei genauem sachlichen Hinsehen - ja!

Jedoch - die nächste Horror-Meldung (...oder müßte man besser sagen: 'Horror-Meinung') der Katastrophiker kommt bestimmt - vielleicht schon morgen!?

Dipl.-Met. Klaus-Eckart Puls

Jahrgang 1939,Schule und Abitur in Mecklenburg ;Ab 1960 Studium der Naturwissenschaften in Rostock und Westberlin.1968 Diplom in Meteorologie an der FU Berlin, dort 1969/70 Wissenschaftlicher Angestellter mit dem Forschungs-Schwerpunkt Atmosphärisches Ozon.Ab 1970 Deutschen Wetterdienst:1971-1978 Seewetteramt Hamburg (Arbeitsschwerpunkte: Seewetterdienst, Schiffsrouten-Beratungsdienst, ab 1975 Leiter der Gruppe Laderaum-/Schiffsraum-Meteorologie.10 Seereisen als Bordmeteorologe auf Fischereischutzbooten, Forschungsschiffen und Handelsschiffen.1976-1978 Mitarbeit im Normen-Ausschuß "Technoklimate" (DIN 50 019).1978-1984 Leiter der Agrarmeteorlogischen Beratungs- und Forschungsstelle Bonn.Aufbau eines zeitkritischen Beratungssystems mit den Landwirtschaftskammern: Regionale Telefonansagen, Bildschirmtext, Wochenberichte;Lehrauftrag im Fach "Agrarmeteorologie" an der Universität Bonn.1983 Mitbegründer der Stiftung Deutscher Pollen-Informationsdienst, 10 Jahre Vorstands-Mitglied.1984-2000: Leiter des Wetteramtes Essen.Nach der deutschen Wiedervereinigung zusätzlich (1990/91) Aufbau und Leitung des Wetteramtes Leipzig.Seit 1966 über 150 wissenschaftliche und populär-wissenschaftliche Veröffentlichungen zu: Wetter, Klima, Ozon, Schiffsraummeteorologie, Agrarmeteorologie, Pollenflug/Allergologie, Wissenschaftsgeschichte, Kalendergeschichte...

Der zunehmende Schelfeiszerfall in der Westantarktis ist

womöglich doch ein Anzeichen für den Klimawandel !

Blicken wir zurück. Vor genau 6 Jahren, im März 2002 zerfiel das Larsen B Eisschelf innerhalb eines Monats im Rekordtempo. Und nun im März 2008 wiederholt sich das spektakuläre Schauspiel beim Wilkins Eisschelf. Beide Schelfeisplatten befinden sich in der Westantarktis, die in den letzten Jahren -im Gegensatz zur Ostantarktis- deutlich wärmer geworden ist.

Wie sich die Bilder gleichen!

Zerfall des Larsen B Schelfeises im März 2002 (links) und des Wilkins Schelfeises im März 2008 (rechts).

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. Man spricht vom „Kalben“ des Schelfeises. Wenn das Schelfeis verschwindet, wandern die Festlandgletscher schneller in Richtung Meer. Die Stabilität des antarktischen Festlandeisschildes wird also geringer. Quellen:University of Colorado und http://news.nationalgeographic.com/

Wenn man nach möglichen Ursachen für die Erwärmung der Westantarktis sucht, so ist naheliegend sich die Westwindzone (Westdrift) der Südhalbkugel näher anzusehen. Diese besonders stark ausgeprägten Westwinde entstehen an der Polarfront, wo tropische Warmluft aus dem Norden und polare Kaltluft aus der Antarktis aufeinander treffen. Dort bilden sich dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete. Das funktioniert so: Warme Luft dehnt sich mehr in die Höhe aus als kalte Luft, so daß der Luftdruck auf der Warmluftseite der Polarfront mit zunehmender Höhe auch dementsprechend langsamer fällt. Auf der Warmluftseite bildet sich demzufolge ein Höhenhoch und auf der Kaltluftseite ein Höhentief. Am Boden ist der Luftdruck auf beiden Seiten zunächst noch gleich, denn das Gewicht der beiden Luftmassen ist ja unabhängig von ihrer Ausdehnung in die Höhe. Zwischen dem Höhenhoch der Warmluft und dem Höhentief der Kaltluft wirkt eine Gradientenkraft und löst einen starken Höhenwind (Jetstream) in Richtung Kaltluftseite, also in Richtung Südpol aus. Die Erdrotation lenkt diesen Wind nach Osten ab, wodurch sich eine Westwindzone (Westdrift) herausbildet, die sich bis zum Boden hin durchsetzt. Durch den Höhenwind verliert die Warmluftseite an Masse, so daß dort der auf dem Boden lastende Luftdruck sinkt. Es entsteht ein Bodentief. Die polare Kaltluft am Südpol, die sich kaum in die Höhe ausdehnt sondern vielmehr in Bodennähe ansammelt, bildet ein bodennahes Kältehoch aus. Von diesem Kältehoch strömt die Kaltluft in Richtung Norden und wird ebenfalls durch die Erdrotation abgelenkt, diesmal aber nach Westen. Warm- und Kaltluft begegnen sich an der Polarfront, strömen aber wegen der Ablenkung durch die Erdrotation in entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbei. Die Temperatur- und Druckunterschiede (Gradienten) sind nicht an allen Abschnitten der Polarfront überall genau gleich groß und damit auch nicht die Windgeschwindigkeiten innerhalb des Jetstreams der Westwindzone. Durch diese Unregelmäßigkeiten beginnt der Jetstream zu mäandern und es bilden sich Rossby-Wellen.

Durch kleine Wellenstörungen wird die Höhenströmung des Jetstreams zunehmend turbulent, und es entstehen dynamische Hoch- und Tiefdruckwirbel. Diese sorgen zusammen mit den Rossby-Wellen für eine Durchmischung von Warm- und Kaltluft und damit für einen gewissen Abbau des Temperaturgegensatzes zwischen Tropen und Südpol. Die Hochdruckwirbel scheren äquatorwärts aus und bilden den subtropischen Hochdruckgürtel. Die Tiefdruckwirbel hingegen scheren polwärts aus und bewegen sich in der Westwindzone nach Osten und sorgen in den Gebieten unter ihren Zugbahnen für eine eher milde und feuchte Witterung. Die Intensität dieser Westdrift und die Stärke der dynamischen Hoch- und Tiefs hängt natürlich einmal vom Temperaturgegensatz zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft ab. Dieser ist auf der Südhalbkugel immer deutlich größer als auf der Nordhalbkugel, da die Antarktis insgesamt deutlich kälter ist als die Arktis. Deshalb sind die Sturmtiefs der Westwindzone auf der Südhalbkugel im Durchschnitt auch stärker als auf der Nordhalbkugel.

Was wäre nun bei einer globalen Erwärmung auf der Südhalbkugel zu erwarten?

Grundsätzlich sollte sich die Polarfront, also auch die Westwindzone polwärts verlagern. Ursache wäre ein „Vordringen“ der tropischen Warmluft und ein „Rückzug“ der Kaltluft in die engere Polregion. Hinzu käme aber auch noch eine Intensivierung des antarktischen Polarwirbels, wodurch wiederum die Westwinddrift verstärkt würde.
Der Polarwirbel bildet sich in der Stratosphäre, der nächsthöheren Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, in der sich die allermeisten Wettervorgänge abspielen. Der Polarwirbel ist ein Tiefdruckwirbel, der bis in die mittlere Troposphäre hinabreicht. Die Stratosphäre enthält größere Mengen an Ozon, das die für das Leben gefährlichen Anteile der von der Sonne kommenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Deshalb ist die Stratosphäre deutlich wärmer als die obere Troposphäre. Ein Polarwirbel bildet sich nur, wenn die Stratosphäre über dem Pol sehr kalt wird. Das passiert immer während der Polarnacht, wenn keine Sonnenstrahlen das vorhandene Ozon erwärmen können. Ein kräftiger Polarwirbel treibt den Jetstream an und verstärkt damit die Westdrift. Darüber hinaus "zieht" der stärkere Polarwirbel die Westdrift auch noch in Richtung Südpol.

Und nun aber der springende Punkt: Die gleichen Treibhausgase, welche die Temperatur am Erdboden und in der unteren Troposphäre erhöhen und deshalb auch für die globale Erwärmung verantwortlich gemacht werden, sorgen in der Stratosphäre für eine zusätzliche Abkühlung!

Die gegensätzlichen Wirkungen der Treibhausgase sollen nun kurz erklärt werden...

Der Treibhauseffekt: In der Nacht, wenn sie nicht mehr von der Sonne beschienen wird kühlt die Erdoberfläche vor allem durch Abgabe von Wärmestrahlung (Infrarot) sehr schnell ab. Die Moleküle der Treibhausgase in der Troposphäre absorbieren aber nun bestimmte ausgewählte Wellenlängen der Infrarotstrahlung des Erdbodens und geben einen Großteil davon durch Stöße an die zahlreichen Nachbarmoleküle anderer Atmosphärengase ab. Die Troposphäre erwärmt sich dabei ein wenig. Ein kleiner Teil der Wärme gelangt jedoch als infrarote Gegenstrahlung - mit derselben Wellenlänge in der zuvor absorbiert wurde - wieder zurück zum Erdboden, der dadurch langsamer auskühlt. Der Rest der Wärme wird in den Weltraum abgestrahlt. Aufgrund der verzögerten nächtlichen Auskühlung erwärmt sich der Erdboden dann später am Tage durch die Sonnenstrahlung auf höhere Temperaturen, als wenn es keine Treibhausgase gäbe. Die Erdoberfläche strahlt dann dem Temperaturanstieg entsprechend mehr Infrarotstrahlung - mit den zahlreichen Wellenlängen, die die Treibhausgase nicht absorbieren können (Infrarotfenster) - in den Weltraum ab, so daß sich ein Strahlungsgleichgewicht auf diesem höheren Temperaturniveau einstellt. Der durch den Treibhauseffekt erwärmte Erdboden gibt seine zusätzliche Wärme dann von unten an die unteren Luftschichten der Troposphäre weiter.

Die Abkühlung der Stratosphäre: In der Stratosphäre erreicht kaum noch Infrarotstrahlung vom Erdboden die Treibhausgase, da die Treibhausgase in der Troposphäre schon fast alles absorbiert haben. Die Treibhausgase in der Stratosphäre werden aber durch Zusammenstöße mit Nachbarmolekülen anderer Atmosphärengase erwärmt. Da die Luft hier schon recht dünn ist, können sie einen erheblichen Teil der Wärme in den Weltraum abstrahlen, bevor sie durch erneute Zusammenstöße mit Nachbarmolekülen wieder zurückgegeben werden kann. Diese Wärme geht der Stratosphäre damit unwiderruflich verloren. Eine Zunahme von Treibhausgasen wirkt in der Stratosphäre also abkühlend, was sich ganz besonders in der Polarnacht bemerkbar macht, wo es praktisch keine Wärmezufuhr durch die Sonne mehr gibt. Und dadurch wird auch der Polarwirbel stärker!

Fazit:
Eine Zunahme von Treibhausgasen in der Troposphäre führt zu einer globalen Erwärmung und diese führt zu einem "Rückzug" der polaren Kaltluft. Die Polarfront und die Westdrift verlagern sich demzufolge polwärts.

Eine Zunahme von Treibhausgasen in der Stratosphäre führt dort zu einer Abkühlung, so daß der Polarwirbel stärker wird. Dieser sorgt wiederum für eine stärkere Westdrift und für kräftigere Sturmtiefs.

Soweit die Theorie. Und nun zur Wirklichkeit:



Temperaturtrends in der Antarktis (1982-2004). Die Ostantarktis wird kälter, die Westantarktis aber wärmer.
Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/images.php3?img_id=17257

Die Ostantarktis, insbesondere das innere Festland wird zwar kälter, die Westantarktis aber deutlich wärmer. Auch die Küstenregionen der Ostantarktis zeigen schon andeutungsweise ansteigende Temperaturen. Die Erwärmung beginnt also zunächst an den Küsten, was auch zu erwarten ist, wenn sich die Westdrift polwärts verlagert und dazu auch noch stärker wird.

Das bestätigt auch die nächste Grafik, die die Kurve der Antarktischen Oszillation (AAO) zeigt...


Die Antarktische Oszillation wird stärker, was auf eine stärkere Westdrift und kräftigere Sturmtiefs hindeutet.
Quelle: http://www.lasg.ac.cn/staff/ljp/data-NAM-SAM-NAO/SAM(AAO).htm

Die Antarktische Oszillation (AAO) ist ein Maß für die Stärke der Westdrift auf der Südhalbkugel und für die Stärke ihrer Sturmtiefs. In der positiven Phase der AAO wird die polare Kaltluft von einem Jetstream mit hohen Windgeschwindigkeiten weitestgehend eingeschlossen. Die Westdrift ist stark, und es bilden sich zahlreiche, kräftige Sturmtiefs (zonale, also breitenkreisparallele Luftströmung). Sie vermischen tropische Warmluft und polare Kaltluft. Im Bereich der Zugbahnen dieser Sturmtiefs wird die Antarktis wärmer, ansonsten aber eher kälter (eingeschlossene polare Kaltluft). In der negativen Phase sind die Windgeschwindigkeiten der Westdrift eher gering, so daß der Jetstream überaus stark mäandert. Häufig bricht die Höhenströmung des Jetstreams ganz zusammen, und die polare Kaltluft kann dann weit nach Norden vordringen. Im Gegenzug stößt natürlich auch warme Luft polwärts vor. An der Polarfront bilden sich nur wenige und schwächere Sturmtiefs, so daß der Temperaturgegensatz zwischen Tropen und Südpol zunimmt. Die Antarktis wird da kälter, wo sie vorher relativ warm war und umgekehrt.

Da der Polarwirbel über der im Vergleich zur Arktis kälteren Antarktis durchschnittlich deutlich stärker ausfällt, wird die polare Kaltluft über der Antarktis auch im Durchschnitt besser eingeschlossen. Dadurch ist es in der Antarktis kälter als die Arktis, und damit wird dann auch wieder der Polarwirbel über der Antarktis entsprechend stärker. Ein sich selbst verstärkender Prozeß, eine positive Rückkopplung also.

Die polwärts verlagerte Westdrift mit ihren stärkeren Sturmtiefs sorgt anscheinend für die deutliche Erwärmung in der Westantarktis. Diese Region liegt den Zugbahnen der Sturmtiefs in der Westdrift am nächsten. Die in Süd-Nord Richtung, also meridional (dem Längengrad entlang) ausgerichtete westantarktische Halbinsel begünstigt zudem ein Vordringen relativ warmer Luft in Richtung Südpol (meridionale Luftzirkulation). Daher die deutliche Erwärmung an der Westküste dieser Halbinsel! Die Küsten der Ostantarktis verlaufen hingegegen weitgehend breitenkreisparallel, begünstigen also auch eher eine zonale (breitenkreisparallele) Luftströmung. Trotzdem ist das Wasser aber auch hier schon etwas wärmer geworden, was wohl auf die südpolwärtige Verlagerung der Westdrift zurückzuführen ist. Setzt sich die globale Erwärmung weiter fort, so dürften sich die Zugbahnen der Sturmtiefs in der Westdrift noch weiter polwärts verlagern. Dann würde auch das Schelfeis der Ostantarktis zunehmend schneller zerfallen mit allen möglichen Folgen für den Meeresspiegel!

Die veränderte Westwinddrift ist also anscheinend eine wichtige Ursache der Erwärmung in der Westantarktis und damit auch die Ursache für das verstärkte Wegbrechen des Schelfeises. Und es sieht ganz so aus, als ob auch hier die Treibhausgase und der durch sie verursachte Klimawandel dahinter stecken!

Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang natürlich auch die Rolle der Meeresströmungen. Sie laufen um die Antarktis herum und werden durch die Westdrift angetrieben. Die Meeresströmungen sind mit der Westdrift an die Antarktis herangerückt, und die Wassertemperaturen im antarktischen Meer haben durch die globale Erwärmung eindeutig zugenommen, und das Wasser erwärmt die Luft darüber. All dies zusammen erklärt sehr schön die deutlich steigenden Temperaturen in der Westantarktis und die nur leicht zunehmenden Temperaturen an den Küsten der Ostantarktis.

Doch warum ist es in der Antarktis insgesamt in den letzten 20 Jahren kälter geworden?
Eine Erklärung ist der im Durchschnitt stärker gewordene Polarwirbel, der die polare Kaltluft so gut einschließt. Eine weitere Erklärung ist das Ozonloch über dem Südpol. Ozon ist nicht nur ein guter Schutz vor tödlichen Ultraviolettstrahlen der Sonne, sondern auch ein starkes Treibhausgas. Ein Rückgang des Ozons über dem Südpol verringert dort also den Treibhauseffekt, und die Antarktis wird im Durchschnitt kälter.

Jens Christian Heuer

Meteorologie Wettergeschehen

Das Sturmtief Inge und ihre Schwestern

Die Saison der Frühjahrsstürme ist in vollem Gange. Ein dynamisches Tief nach dem anderen zieht vom Nordatlantik aus Westen in Richtung Europa und beschert uns dort wechselhaftes und mildes Wetter. Diese Wetterlage wird Westlage genannt und zeichnet sich, wie im Namen schon ersichtlich, durch vorherrschende Westwinde aus, die die an der Polarfront über dem Nordatlantik entstandenen dynamischen Tiefdruckgebiete nach Europa tragen.

Der Golfstrom
Die dynamischen Tiefdruckgebiete aus dem Westen bringen uns milde Meeresluft, die wir wiederum dem Golfstrom verdanken. Der Golfstrom, die „Warmwasserheizung“ Europas , ist Teil eines weltweiten Kreislaufs von Meeresströmungen, die gemeinsam mit den Luftströmungen der globalen atmosphärischen Zirkulation, die Wärme von der von der Sonne intensiv beschienenen Äquatorregion, hin zu den Polen der Erde umverteilen, wo die Sonnenstrahlen nur vergleichsweise wenig Kraft entwickeln. Der Golfstrom wird, wie alle anderen Meeresströmungen auch, überwiegend durch Winde angetrieben. Aber es gibt noch einen "Hilfsmotor": Das nach Norden strömende Wasser gibt seine Wärme allmählich an die Luft darüber ab und wird dabei immer kühler, aber auch immer salzhaltiger, denn auf seiner langen Wegstrecke verdunstet viel Wasser. Die Dichte des übrig gebliebenen Wassers nimmt so nach und nach zu, bis es langsam abzusinken beginnt. Dabei bilden sich unter dem Einfluss der Erdrotation abwärts gerichtete Wirbel in denen das relativ kühle und salzhaltige Wasser wie im Auslauf eines Waschbeckens, in die Tiefe verschwindet. Derartige Absinkzonen befinden sich westlich der Südspitze Grönlands, sowie südlich und nördlich von Island. Als kalte Tiefenströmung gelangt das Wasser wieder zurück in den Süden. Die vom Golfstrom an die Luft abgegebene Wärme gelangt mit den über dem Nordatlantik an der Polarfront entstandenen dynamischen Tiefdruckgebieten in der Westwindzone bis nach Europa. Unter ihren Zugbahnen sorgen sie für eine milde Witterung.


Wetterlage am 7.März 2008 um 12:00 Uhr UTC
Links: Das Tiefdruckgebiet Helga mit Zentrum bei Island besitzt eine ausgedehnte Kaltfront, die sich im Bogen über Nord- und Westeuropa, die Biskaya und bis über den Nordatlantik erstreckt An der zellularen Bewölkung schön zu erkennen ist die hinter der Kaltfront nachströmende polare Kaltluft. Dahinter nähert sich schon das dynamische Tiefdruckgebiet Inge. Die relativ wolkenarmen Zonen über den Britischen Inseln und über der Ostsee sind Zwischenhochs. Über dem Baltikum und über dem westlichen Russland erkennt man das nach Osten abziehende dynamische Tiefdruckgebiet Gabi. Der Wolkenwirbel über Italien und Grieche