Samstag, 8. Dezember 2007

Klimawandel

Der Klimawandel und die Tropen

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


Die Luftzirkulation der Tropen

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 also senkrecht am Himmel. Das liegt an der 23,5 ° - Neigung der Erdachse:
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 nicht genau senkrecht auf der Bahnebene der Erde um die Sonne steht, sondern um 23,5° gekippt ist, gibt es Jahreszeiten.





Jahreszeiten und Wendekreise
Quelle: Institut für Sonnenenergieforschung (http://www.isfh.de/)
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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 Luftströmungen (und Meeresströmungen) werden die Temperaturunterschiede zwischen Äquatorregion und Polen teilweise ausgeglichen. Die damit verbundenen Begleiterscheinungen machen zusammen das Wetter aus.




Die Luftzirkulation der Erde (näheres im Text)
Quelle: www.wissenschaft-online.de
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Die starke Sonneneinstrahlung um den Äquator herum heizt dort die Erdoberfläche ganz besomnders auf und diese erwärmt wiederum die Luft darüber. Diese tropische Warmluft steigt auf und dehnt sich weit nach oben hin aus. Am Boden entstehen so Wärmetiefs und in der Höhe Höhenhochs Die Luft über den Polen bleibt hingegen kalt, sammelt sich überwiegend in Bodennähe, so daß bodennah ein Kältehoch und in der Höhe ein Höhentief entstehen. In den gemäßigten Breiten ist die Luft kühler als über den Tropen aber deutlich wärmer als über den Polen. Entsprechend ist die Luft hier nach oben hin nicht so ausgedehnt wie über den Tropen, aber dafür nach oben deutlich ausgedehnter als über den Polen. Das Luftdruckgefälle (Gradient) vom Höhenhoch über den Tropen zu den Höhentiefs über den Polen ist also jeweils zweigeteilt: das erste Luftdruckgefälle besteht zwischen der sehr warmen Höhenluft der Tropen und der gemäßigt warmen Höhenluft über den mittleren Breiten; das zweite, wesentlich stärkere Luftdruckgefälle besteht zwischen der mäßig warmen Höhenluft der mittleren Breiten und der sehr kalten polaren Höhenluft.
Die beiden Luftdruckgefälle streben nach einem Ausgleich (Gradientenkraft) und lösen auf jeder Erdhalbkugel zwei entsprechend starke Höhenwinde (Jetstreams) aus, die polwärts gerichtet sind. Durch die Erdrotation werden diese Jetstreams aber nach Osten abgelenkt (Corioliskraft) und zu Westwinden, so daß sie schon bald ungefähr breitenkreisparallel wehen. Es bilden sich zwei Frontalzonen heraus: die Subtropenfront mit dem Subtropenjet und die Polarfront mit dem Polarjet. Durch die größeren Temperaturunterschiede und damit größeren Druckgefälle in der Höhe, setzen sich der Jetstreams an den Polarfronten bis zum Boden hin durch. Auf beiden Erdhalbkugeln bilden so Westwindzonen heraus.
Zur Vereinfachung beschränken uns bei den weiteren Überlegungen auf die Nordhalbkugel:
Die relativ warme Luftströmung der Westwindzone trifft an der Polarfront auf die in entgegen gesetzter Richtung strömende polare Kaltluft. Diese strömt zunächst vom Kältehoch am Nordpol in Richtung Süden, wird dann aber ebenfalls durch die Erdrotation, diesmal aber nach Westen abgelenkt. Da Warm- und Kaltluft aber aneinander vorbeiströmen, kann keine Durchmischung und damit auch kein Temperatur- und Druckausgleich stattfinden So baut sich ein immer größeres Druck- und Temperaturgefälle auf, bis die Höhenströmung der Westwindzone durch kleine Störungen in Schwingungen gerät. (Rossby-Wellen). Die Höhenströmung wird dadurch turbulent und es bilden sich Hoch- und Tiefdruckwirbel, die dann Warm- und Kaltluft zusammenmischen und so für einen beachtlichen Temperatur- und Druckausgleich sorgen. Die Hochdruckwirbel scheren nach Süden aus und bilden den subtropischen Hochdruckgürtel, die Tiefdruckwirbel orientieren sich dagegen polwärts und werden von der Westwindströmung nach Osten mitgenommen. In den Gebieten unter ihren Zugbahnen sorgen sie für eine milde und feuchte Witterung. Aus den Subtropenhochs strömt die Luft zunächst in Richtung Süden, wird dann aber bald durch die Erdrotation zu einem Ostwind abgelenkt (Urpassat). Durch Bodenreibung überwiegt dann aber die Gradientenkraft und so ergibt sich ein Nordostwind (Nordostpassat).Die Luft in Bodennähe wird auf ihrem Weg nach Südwesten zunehmend wärmer bis sie schließlich aufzusteigen beginnt und sich die tropischen Wärmetiefs bilden. Somit ist der Luftkreislauf geschlossen. Die aneinander gereihten Wärmetiefs der Tropen bezeichnet man auch als Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) und die Luftzirkulation zwischen ITCZ und den Subtropenhochs als Hadley-Zelle.

Die aufsteigende Warmluft über der Innertropische Konvergenzzone ist sehr feucht, da dort viel Wasser verdunstet und die warme im Vergleich zu kühler Luft auch besonders viel Wasserdampf aufnehmen kann. Dieser stammt aus dem Meer und von dem sehr üppigen Pflanzenbewuchs auf dem tropischen Festland. Die aufsteigende warme und feuchte Luft kühlt sich mit zunehmender Höhe immer mehr ab, bis das so genannte Kondensationsniveau erreicht ist. Das ist die Höhe in der die Luft geradeso kalt 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. Diese Kondensationswärme gibt der aufsteigenden Luft neuen Auftrieb, denn solange diese wärmer ist als die Umgebungsluft, kann sie weiter aufsteigen. Die bei der Wolkenbildung freiwerdende Kondensationswärme treibt also ihrerseits die Wolkenbildung an. So kann sich eine ausgeprägte Quellbewölkung mit mächtigen Wolkentürmen, ergiebigen Niederschlägen und häufigen Gewittern ausbilden. All das ist typisch für das tropische Klima.




Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) ist es feucht, wolken- und
niederschlagsreich (moist cloudy regions) und die Wolken und Wasserdampf lassen
nur relativ wenig Infrarotstrahlung des von der Sonne erhitzten Erdbodens
durchkommen(low outgoing longwave radiation). Über den Tropen, wo die Troposphäre
wesentlich stärker aufgeheizt wird als über den gemäßigten Breiten oder gar den Polen,
liegt die Tropopause deutlich höher (high tropopause, low tropopause).
Die von der Hadley-Zirkulation angetriebene Brewer-Dobson-Zirkulation befördert
stratosphärisches Ozon von den Tropen (low ozone) in höhere Breiten (high ozone).
In den mittleren Breiten bilden sich an den Polarfronten Jetstreams und Westwindzonen
(midlatitude westerlies) aus (näheres im Text).
Quelle: http://www.nature.com/ngeo/
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Wichtig noch zu wissen: Die Luft kann nur innerhalb der unteren Atmosphärenschicht, der Troposphäre aufsteigen, weil hier die Lufttemperatur von unten nach oben abnimmt. In der nächsthöheren Schicht, der Stratosphäre, steigt die Lufttemperatur mit zunehmender Höhe aber wieder an (Inversion). Das liegt an dem dort vorhandenen Ozon, welches die gefährlichen Anteile der von der Sonne kommenden Ultraviolettstrahlung absorbiert und sich dabei erwärmt. Luft, die in der Troposphäre vielleicht noch gerade wärmer war, als die Umgebungsluft und deshalb weiter aufsteigen konnte, trifft in der Stratosphäre auf deutlich wärmere Luftschichten und verliert ihren Auftrieb. Deshalb flachen die Wolkentürme über der Innertropischen Konvergenzzone oberhalb der Tropopause, der Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre irgendwann ab. Die Wolkenbildung setzt sich nur noch seitwärts fort und so kommt es zu der typischen Ambossform der großen tropischen Gewitterwolken. 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 des Äquators, um dann im Herbst auf die Südhalbkugel überzuwechseln. Im Winter liegt sie etwas südlich vom Äquator; auf der Südhalbkugel ist dann Sommer. Sie erreicht dabei aber nie die Wendekreise, sondern „hinkt“ immer hinterher, weil sich die Luft nur langsam auch bis in größere Höhen erwärmt.
Die Wanderung der ITCZ verursacht eine stetige Abfolge von Regenzeiten im Sommer (Monsun) und Trockenzeiten im Winter.
Im Bereich der Subtropenhochdruckgebiete, wo die Luft nach unten absinkt und sich dabei erwärmt ist es heiß und trocken. Wolken können sich nur in geringem Umfang bilden. Häufig sind in diesen Regionen Wüstengebiete zu finden wie beispielsweise die Sahara.
Auch in der Stratosphäre wird die Luft über den Tropen erwärmt, steigt auf, wird dann durch die Erdrotation östlich abgelenkt und beginnt in höheren Breiten wieder abzusinken (Brewer-Dobson-Zirkulation). Diese stratosphärische Luftströmung transportiert Ozon von den Tropen polwärts in höhere Breiten. Die Ozonkonzentration in der Stratosphäre über den Tropen ist daher gering und über den höheren Breiten dagegen erhöht.


Die globale Erwärmung und die Tropen

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

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

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

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

Verlagerung der Polarfronten in Richtung der Pole
Ursache wäre ein „Vordringen“ der Warmluft und ein „Rückzug“ der Kaltluft in die engeren Polregionen. Außerdem würde die Abkühlung der Stratosphäre die Polarwirbel verstärken, die dann wiederum die Polarfronten stärker polwärts „ziehen“ könnten.
Es gäbe dann beispielsweise in Mitteleuropa durchschnittlich heißere und trockenere Sommer durch häufigere Hochdrucklagen, denn die Zugbahnen der dynamischen Tiefs in der Westwindzone würden weiter nördlich verlaufen. Im Winter wäre es durch die häufigeren Hochdrucklagen aber eher kälter.

Häufigere und stärkere Niederschläge (Starkregen)
In der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) und im Bereich der Zugbahnen der dynamischen Tiefdruckgebiete würden die Niederschläge an Anzahl und Heftigkeit zunehmen, da durch die zunehmenden Temperaturen mehr Wasser verdunsten könnte.
Der Wasserdampf ist wiederum ein „Treibstoff“ für die Quellwolkenbildung.

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

1) Der Bereich mit niedrigen Ozonkonzentrationen in der Stratosphäre über der Äquatorregion, so zeigen Satellitendaten, hat sich in den Jahren 1979-2003 deutlich um 2,5° nach Norden und Süden ausgeweitet. Da die Bereiche niedriger Ozonkonzentration die Hadley-Zellen markieren, ist das ein Anzeichen für eine Ausdehnung der Tropen (rote Kurve).
2) Der Subtropenjet hat sich in dem Zeitraum von 1979-2005 auf beiden Erdhalbkugeln um 2° polwärts verschoben. Dabei besteht ein Zusammenhang mit dem Erwärmungstrend der Troposphäre und dem Abkühlungstrend der Stratosphäre, die jeweils zwischen dem 15ten und 45ten Breitengrad am deutlichsten ausgeprägt sind
(türkisfarbene Kurve).
3) Daten aus Radiosondenaufstiegen (Wetterballons) zeigen eine Verlagerung der Tropopause in größere Höhen über den Subtropen. Wenn man die Tropen als einen Bereich definiert, wo die Tropopause in einer Mindesthöhe von 15 km liegt, ergibt sich von 1979-2005 eine Ausdehnung der Tropen um 5°-8 ° , wobei der Trend auf der Südhalbkugel deutlicher zutage tritt (blaue Kurve). Auch die Höhe der Tropopause über den Tropen insgesamt hat zugenommen und dadurch wuchs das Volumen der Troposphäre über den Tropen um etwa 5% .
4) Eine direkte Vermessung der Hadley-Zellen weist ebenfalls auf eine Verbreiterung der tropischen Regionen hin und zwar um 2°-4,5°, wiederum von 1979-2005. Gemessen wurden zum einen direkt die Luftströmungen in den Hadley-Zellen (gelbe Kurve) und darüber hinaus die Ausdehnung der feuchten, wasserdampfhaltigen Luftschichten und der Quellwolken über den Tropen (grüne Kurve). Sowohl die Wolken als auch der Wasserdampf absorbieren langwellige Infrarotstrahlung, die von dem durch die Sonne aufgeheizten Erdboden abgestrahlt wird.


Die Beweise für die Ausdehnung der Tropen ergeben sich aus mehreren
voneinander unabhängigen Untersuchungen. Links ist auf der

y-Achse die Gesamtausdehnung der Tropen in Breitengraden aufgetragen,
rechts wird dagegen nur die Nordhalbkugel berücksichtigt. Die x-Achse
zeigt den Zeitraum der Untersuchungen (näheres siehe Text).
Quelle:
http://www.nature.com/ngeo/
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Fazit

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

Jens Christian Heuer

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

 
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