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Die Anzahl der Sonnenflecken hat einen deutlich nachweisbaren Einfluss auf die Häufigkeit und Intensität von tropischen Wirbelstürmen (Hurrikanen) im Atlantik. Das ergaben umfangreiche statistische Untersuchungen von Hurrikan-Daten der letzten 100 Jahre und des Sonnenfleckenzyklus durch den Klimaforscher James Brian Elsner an der Florida State University (http://mailer.fsu.edu/~jelsner/www/).

 

 

 

Anzahl der Sonnenflecken in den letzten 400 Jahren. Das Maunder-Minimum brachte die  „Kleine Eiszeit“, die für Europa sehr gut dokumentiert ist. Quelle: Robert A. Rohde

 

Dabei zeigten sich im West- und Ostatlantik vollkommen gegensätzliche Zusammenhänge:

 

Im Westatlantik führen mehr Sonnenflecken zu weniger (und schwächeren) tropischen Wirbelstürmen, im Ostatlantik nimmt ihre Anzahl (und Stärke) hingegen zu.

 

Für diese scheinbar widersprüchlichen Befunde, bietet Elsner eine einleuchtende Erklärung an:

 

Mehr Sonnenflecken zeigen eine erhöhte Sonnenaktivität an und damit gelangt auch mehr ultraviolette Strahlung (UV) zur Erde. In Abhängigkeit von den natürlichen Schwankungen der Sonnenaktivität kann sich die Stärke der UV-Strahlung um bis zu 10% ändern. Die UV-Strahlung erwärmt wiederum die Stratosphäre, denn diese enthält reichlich Ozon, das die für das irdische Leben gefährlichen Anteile dieser Strahlung absorbiert. Auch die direkt unter der Stratosphäre liegende obere Troposphäre wird mit erwärmt. Dadurch sinkt aber der für die Entwicklung tropischer Wirbelstürme entscheidende vertikale Temperaturgradient (Temperaturgefälle).

 

 

Tropische Wirbelstürme entstehen normalerweise nur über offenem  und mindestens 26°C warmem  Wasser, wenn die Luft darüber kalt genug ist. Je wärmer das Meerwasser ist, je mehr Wasser also verdunstet, umso mehr Energie steht dem Wirbelsturm zur Verfügung: Die über dem Wasser erwärmte, feuchte Luft wird gehoben und kühlt dabei ab. Auslösendes Moment ist dabei eine Divergenz („Luftloch“) innerhalb der Höhenwinde. Die abkühlende Luft kann immer weniger Feuchtigkeit aufnehmen, so daß Wolkenbildung einsetzt. Dabei wird fortlaufend die für die Verdunstung des Wassers zuvor verbrauchte Energie als Kondensationswärme (latente Wärme) wieder frei. Das wiederum verstärkt den Auftrieb der Luft, die solange weiter aufsteigt,wie sie  eine noch höhere Temperatur als die Umgebungsluft hat. Ein hoher vertikaler Temperaturgradient (Temperaturgefälle) ist als Antrieb für den sich selbst verstärkenden Prozeß  der Wolkenbildung und damit letztendlich auch für die Entstehung des tropischen Wirbelsturms entscheidend! Wichtig ist, daß immer genug latente Wärme durch Wasserverdunstung nachgeliefert wird. Es bilden sich gewaltige Wolkentürme die bis in die obere Troposphäre reichen, ja sogar in die Stratosphäre durchbrechen können. Die aufsteigende Luft wird durch den Einfluss der Erdrotation abgelenkt, und es entsteht ein Wirbel, der ein sich verstärkendes Tiefdruckgebiet bildet, das immer mehr feuchtwarme Luft von allen Seiten ansaugt (bodennahe Konvergenz). Die Drehbewegung wird immer schneller, angetrieben durch die latente Wärme. Ein tropischer Wirbelsturm funktioniert dabei wie eine gigantische Kühlmaschine, die Wärme von der Wasseroberfläche in große Höhen transportiert, wo sie als Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben wird. Die Drehbewegung wird innerhalb des tropischen Wirbelsturms zum Zentrum hin immer schneller. Die Zentrifugalkräfte werden oft so groß, daß sich im Zentrum ein  beinahe windstilles, wolkenarmes Auge bildet, in dessen Außenrand (Eyewall), der Auftrieb der feuchtwarmen Luftmassen besonders groß ist. Vom Auge wird aus der Höhe Luft angesaugt, die sich auf ihrem Weg nach unten immer mehr erwärmt. Wolken lösen sich dabei auf. Das Zentrum eines tropischen Wirbelsturms ist also immer warm und oft auch wolkenfrei! Tropische Wirbelstürme bewegen sich mit der jeweils vorherrschenden Luftströmung. Quelle: NOAA

 

Im Ostatlantik sind die Temperaturen des Oberflächenwassers im Durchschnitt niedriger als im Westatlantik, weil die Nordostpassate vor der afrikanischen Westküste kaltes Tiefenwasser emporquellen lassen. Sie reichen daher oft nicht aus, um die Entstehung eines tropischen Wirbelsturms zu ermöglichen. Die Temperatur des Oberflächenwassers ist hier also ein limitierender (begrenzender) Faktor für tropische Wirbelstürme. Eine leichte Erhöhung der Sonneneinstrahlung genügt dann oft schon, und das Oberflächenwasser erfährt den entscheidenden Temperaturanstieg für mehr Wirbelstürme.

 

Im Westatlantik sind die Temperaturen des Oberflächenwassers hingegen (fast) immer ausreichend hoch. Der vertikale Temperaturgradient wird somit zum allein limitierenden Faktor für tropischen Wirbelstürme.

Die Untersuchung von Elsner wirft ein völlig neues Licht auf die Debatte darüber, ob eine globale Erwärmung durch Treibhausgasen zu mehr tropischen Wirbelstürmen und Hurrikans führt oder nicht. Die Rolle der Sonne wurde bisher dabei wohl etwas unterschätzt!

Noch ein paar weitergehende spekulative Überlegungen zum Schluß: Wenn der von Elsner postulierte Mechanismus einer Erwärmung der Stratosphäre und oberen Troposphäre durch mehr UV-Strahlung tatsächlich funktioniert (wofür es auch schon konkrete Hinweise gibt), dann liegt es für mich nahe, auch einmal dem möglichen Einfluß der Sonnenaktivität auf die Nordatlantische Oszillation (NAO-Index) nachzugehen, also dem Einfluß der Sonne auf die Häufigkeit und Stärke außertropischer Sturmtiefs.

Eine erhöhte Sonneneinstrahlung würde sich wegen des steileren Einfallwinkels vor allem in niedrigen Breiten (Tropen, Subtropen) bemerkbar machen. Der Temperaturgradient (Temperaturgegensatz) zwischen Warmluft und polarer Kaltluft an der Polarfront würde in der Stratosphäre und oberen Troposphäre  zunehmen. Weil dieser Temperaturgradient wiederum den Jetstream antreibt, könnte das die Westdrift verstärken, so daß auch mehr Sturmtiefs entstehen, welche dann West- und Mitteleuropa erreichem und mildes, feuchtes uns abwechslungsreiches Wetter bringen. Die Mittelmeerregion bliebe dagegen trocken. Gleichzeitig würde der starke Jetstream die polare Kaltluft gut einschliessen und Kaltluftausbrüche in Richtung Süden verhindern. Die Winter würden dann insgesamt gesehen milder. Der Index der Nordatlantischen Oszillation wäre also positiv (NAO +).

 

Bei verringerter Sonnenaktivität würde sich das aber total ändern. Durch den dann verminderten Temperaturgradienten an der Polarfront würde der Jetstream schwächer und darum auch stärker mäandern. Immer wieder käme es dann zu massiven Kaltluftausbrüchen in Richtung Süden. Die Westdrift wäre zudem geschwächt und deshalb würden weniger Sturmtiefs West- und Mitteleuropa erreichen, um dort für mildes Wetter zu sorgen. Blockierende Hochs würden desöfteren Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umlenken, wo es dann endlich mehr Regen gäbe. Der Index der Nordatlantischen Oszillation wäre also negativ (NAO -).

 

 

 

NAO + (links): Der Polarwirbel ist aufgrund eines hohen Temperaturgradienten zwischen Warmluft und polarer Kaltluft in der Stratosphäre (bzw. wegen einer besonders kalten Stratosphäre über dem Nordpol) sehr stark und treibt den Jetstream an. In einer entsprechend starken Westdrift gelangen dann zahlreiche Sturmtiefs (welche sich aufgrund von Divergenzen, also „Luftlöchern“ in der turbulenten Höhenströmung des Jetstreams bilden) nach Nord-, West- und Mitteleuropa, um unter ihren Zugbahnen für feuchtes, mildes, aber auch wechselhaftes Wetter zu sorgen. Im Mittelmeerraum kommen aber nur wenige Sturmtiefs an; daher bleibt es trocken. Sehr oft entwickeln sich ein Islandtief, und ein Azorenhoch zwischen denen ein hoher Druckgradient (Druckgefälle) besteht. Die beiden Druckgebilde verstärken dann ihrerseits wieder den Jetstream, indem sie vermehrt Warmluft und polare Kaltluft an der Polarfront einspeisen und so den Temperaturgradienten, der ja den Jetstream antreibt noch weiter erhöhen. Kaltluftausbrüche in Richtung Süden sind eher selten, weil der starke, nur wenig mäandernde Jetstream die polare Kaltluft gut einschliesst. Starke Passatwinde lassen kaltes Tiefenwasser an der westafrikanischen Küste emporquellen. Wegen des dadurch kühleren Oberflächenwassers entstehen weniger tropische Wirbelstürme im Ostatlantik.

NAO – (rechts): Der relativ schwache, stark mäandernde Jetstream lässt immer wieder Kaltlufteinbrüche in den Süden zu. Bei schwachen Islandtief und Azorenhoch und einer ebenfalls schwachen Westdrift erreichen nur wenige Sturmtiefs West-, Mittel- und Nordeuropa.  Dafür werden einige von ihnen aufgrund der (wegen des stark mäandernden Jetstreams) häufiger vorkommenden blockierenden Hochdrucklagen in den Mittelmeerraum umgelenkt, wo es dadurch häufiger regnet. Schwächere Passatwinde begünstigen tropische Wirbelstürme, aufgrund der dann höherer Oberflächenwassertemperaturen im Atlantik. Quelle: http://www.washington.edu/

Sollte sich ein Einfluß der Sonnenaktivität auf die Nordatlantische Oszillation nachweisen lassen, so müsste die Rolle der Sonne bei der globalen Erwärmung der letzten Jahrzehnte - die besonders auf der Nordhalbkugel stattfand - im Vergleich zu den Treibhausgasen vollkommen neu bewertet werden. Zu denken gibt auch die sich andeutende leichte globale Abkühlung in den letzten Jahren: Zunächst wurde es nur auf der Südhalbkugel kühler, während auf der Nordhalbkugel die Temperaturen weiter deutlich anstiegen. Seit einem Jahr hat jedoch der leichte Abkühlungstrend auch die Nordhalbkugel erreicht.

 

 

 

 

Die globale Abkühlung wird sich anscheinend im Jahre 2008  gegenüber dem Vorjahr deutlich beschleunigen. Die globalen Temperaturen sind aber immer noch (verglichen mit der Referenzperiode 1961-1990)  überdurchschnittlich hoch. Quelle: http://hadobs.metoffice.com/hadcrut3/

 

Im Winter 2007/2008 gab es extreme Kaltlufteinbrüche in Nordamerika, Südosteuropa und in Asien. Der Sommer 2008 kam, verglichen mit den Jahren davor, eher kühl daher, und auch die Anzahl der tropischen Wirbelstürme (Hurrikane) im Westatlantik erscheint in dieser Saison tendenziell rekordverdächtig. All das könnte schon mit der in letzter Zeit sehr geringen Sonnenaktivität zusammenhängen:

 

 

 

Die Anzahl der Sonnenflecken ist seit 2003 deutlich zurückgegangen. Quelle: NOAA

Jens Christian Heuer

 

Quelle: http://mailer.fsu.edu/~jelsner/PDF/Research/ElsnerJagger2008.pdf

Noch vor 14 Millionen Jahren war es in der Antarktis viel wärmer als heute. Das belegen neueste Fossilienfunde in einem der Trockentäler der Ostantarktis. Dort fand ein internationales Forscherteam der Universität Leicester, dem British Geological Survey, der Queen Mary University of London sowie den amerikanischen Universitäten Boston und North Dakota State die gut erhaltenen, versteinerten Überreste von winzig kleinen, nur milimetergroßen Süßwassermuschelkrebschen in einem ehemaligen See. Die Fossilien, bei denen sogar noch die Weichteile erhalten sind, wurden inzwischen auf ein Alter von 14 Millionen Jahren datiert und belegen, daß es in der damaligen Zeit in der Antarktis wesentlich wärmer war als heute. Unter den heutigen Bedingungen mit einer Jahresdurchschnittstemperatur von -25°C hätten die kleinen Tierchen keine Überlebenschancen.

 

Muschelkrebse (links: lebendes Exemplar, rechts: eines der Fossilien aus der Ostantarktis) besitzen ein stabiles Gehäuse aus zwei Kalkschalen, die über ein Gelenk miteinander verbunden sind und sind kaum 1mm groß. Die Fossilien aus der Ostantarktis sind außergewöhnlich gut erhalten, so daß nicht nur die Kalkschalen, sondern auch die Weichteile noch gut erkennbar sind. Quellen: http://www.plingfactory.de/   und http://www.scinexx.de/

Kurz nachdem die jetzt gefundenen Muschelkrebschen lebten, wandelte sich das antarktische Klima dann allerdings drastisch. Nach einem plötzlichen Temperatursturz vereiste praktisch der gesamte Kontinent. Das ergibt sich wiederum aus Untersuchungen eines Wissenschaftlerteams der Universität Kiel und des DFG – Forschungszentrums Ozeanränder in Bremen. Diese untersuchten winzige kalkschalentragende Meeresorganismen, die aus Bohrkernen stammen, welche im Pazifik vor der Küste Perus und vor Hongkong gewonnen wurden. Aus den Kalkschalen lassen sich also die klimatischen Bedingungen während ihrer Bildung recht gut ableiten: So bestimmte man beispielsweise das Verhältnis von Barium zu Calcium. Barium kommt in den Kalkschalen immer dann vor, wenn es einen Süßwassereintrag gegeben hat und das ist immer dann der Fall, wenn es starke Niederschläge gegeben hat. Barium ist das 14.häufigste (!) Element der Erdkruste und wird durch Niederschläge aus den Gesteinen (bis zu 0,2%!) ausgewaschen und gelangt so mit dem Süßwasser der Flüsse ins Meer. Das Salzwasser der Meere enthält dagegen nur winzigste Anteile an Barium (10-20 Milliardstel). Die Niederschlagshäufigkeit und -stärke lässt dann wiederum indirekte Rückschlüsse auf die jeweils herrschenden Temperaturen zu. Aber es gibt auch noch ein direktes Thermometer: Sauerstoff kommt in unterschiedlichen Isotopen vor, die zwar chemisch gleich sind, sich im Gewicht aber unterscheiden. Die beiden wichtigsten Varianten sind das leichte O16 – das den Löwenanteil ausmacht – und das schwere O18. Wasser mit der leichteren Form (Isotop O16) verdunstet eher als Wasser mit der schwereren Form (Isotop O18), so daß sich das schwerere Isotop O18 im Wasser und damit später auch in den Kalkschalen temperaturabhängig anreichern kann. Bei niedrigen Temperaturen verdunstete fast nur Wasser mit O16, und gelangte durch Schneefälle auf den wachsenden antarktischen Eisschild. Bei höheren Temperaturen kam dagegen auch immer mehr Wasser mit O18 hinzu. Das O16/O18 – Verhältnis ist also ein guter Temperaturanzeiger.

Vor dem abrupten Klimawandel in der Antarktis war die Erdachse relativ stark geneigt. Das ergab wegen des hohen Sonnenstandes warme Sommer in denen das Eis in der Antarktis wegschmolz, aber im Gegenzug auch kalte Winter, die jedoch niederschlagsarm waren. Dann wurde der Neigungswinkel der Erdachse plötzlich geringer, was den abrupten Klimawandel hervorrief. Die Sommer wurden nun kühler, so daß das Eis der Antarktis nicht mehr komplett wegschmelzen konnte. Die Winter wurden dafür milder und deswegen auch niederschlagsreicher. Starke Schneefälle vergrößerten den kontinentalen Eisschild der Antarktis. Das wachsende Eis reflektierte dementsprechend stärker das Sonnenlicht, so daß es noch kälter wurde (positive Eis-Albedo-Rückkopplung). Die Abkühlung wurde nach Ansicht der Wissenschaftler über einen Rückgang der Konzentration des Treibhausgases CO2 in der Erdatmosphäre global wirksam, denn in dem abgekühlten Wasser des Südpolarmmeeres konnte sich mehr CO2 lösen, welches dann in der Luft fehlte.  

Ebenso gut könnten aber auch die Wolken eine Globalisierung der Abkühlung bewirkt haben: Wird es nämlich kälter, so gibt es auch weniger Niederschläge. Bei größerer Trockenheit wird die Luft staubiger und damit gibt es auch mehr Kondensationskeime für Wolken. Das fördert natürlich direkt die Wolkenbildung. Außerdem werden die Wolken auch noch heller, da sich wegen der vermehrten Kondensationskeime in der Luft mehr und kleinere Wolkentröpfchen bilden. Insgesamt gesehen wird deutlich mehr Sonnenlicht durch mehr und hellere Wolken in den Weltraum reflektiert als zuvor. Damit wird es global gesehen kälter.

Ein weiterer Effekt unterstützt diese Abkühlung noch: Mit den abnehmenden Temperaturen des Oberflächenwassers der Ozeane, infolge der globalen Abkühlung, findet eine bessere Duchmischung mit dem kalten, mineralstoff- und nährstoffreichen Tiefenwasser statt. Das Algenwachstum in den oberflächennahen Wasserschichten, wo es dafür hell genug ist, nimmt bei einem größeren Mineral- und Nährstoffangebot deutlich zu. Algen produzieren wiederum Sulfataerosole, die ebenfalls gute Kondensationskeime für Wolken sind.

Die starke Vereisung der Antarktis währte etwa 80.000 Jahre, ein geologisch gesehen kurzer Zeitraum. Der Übergang von einem warmen zu einem sehr kalten Klima vollzog sich, wie oben schon angedeutet, aber wohl wesentlich schneller. Wie schnell es gehen könnte, lässt sich vielleicht beantworten, wenn man zwei abrupte Klimaumschwünge aus historischer Zeit betrachtet, welche ebenfalls durch Änderungen  der Erdachsneigung ausgelöst wurden. Vor rund 10.000 Jahren verwandelte sich die Sahara durch eine erhöhte Erdachsneigung innerhalb weniger Generationen in eine blühende Savannenlandschaft, weil sie nun der weiter nach Norden vordringende Monsunregen  erreichte, um dann vor etwa 6000 Jahren durch eine Verringerung der Erdachsneigung wieder zur Wüste zu werden(http://www.stern.de/wissenschaft/natur/566139.html  und http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/hintergrund/173159.html).

Jens Christian Heuer   

Quellen: http://www.scinexx.de/ und http://idw-online.de/