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Hurrikane und Sonnenflecken

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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

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Written by jenschristianheuer

2 Oktober, 2008 at 00:10 am

Abrupter Klimawandel in der Antarktis

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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/

Written by jenschristianheuer

25 Juli, 2008 at 23:15 pm

Veröffentlicht in Jens Christian Heuer, Klimaforschung

Zerfall des Wilkins-Schelfeises in der Westantarktis

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Am Wilkins-Schelfeis ist die größte Eisplatte seit Beginn der Satellitenaufnahmen abgebrochen. Das Eis bröckelt täglich. Radaraufnahmen des europäischen Umweltsatelliten ENVISAT (http://envisat.esa.int) zeigen, daß seit Ende Juni eine Eisplatte von 1350 Quadratkilometern Fläche abgebrochen ist. Das sind mehr als 10% der Gesamtfläche. Eigentlich sind Abbrüche normal, aber in der letzten Zeit kommen sie immer häufiger vor und nun sogar auch im antarktischen Winter. Schon im Februar waren 425 Quadratkilometer weggebrochen, im Mai verlor das Wilkins-Schelfeis in nur zwei Tagen 120 Quadratkilometer. Der jetzige Abbruch hat mit seinen 1350 Quadratkilometern ein weit verheerenderes Ausmaß. Neue Daten des British Antarctic Survey, des britischen Polarforschungsprogramms, belegen, daß die Wassertemperaturen im Bereich der antarktischen Halbinsel angestiegen sind. Das Schelfeis taut deshalb von unten. Da dies an verschiedenen Stellen unterschiedlich schnell geschieht, ergeben sich unterschiedlich große Auftriebskräfte, die  zu Biegespannungen im Eis führen und dann zu Rissen von 10 bis 20 km Länge, die sich schlagartig ausdehnen. Durch die Eisabbrüche entstehen neue Biegespannungen und Risse im Eis. Diese Schädigungszonen destabilisieren das Schelfeis weiter und erlauben eine Vorhersage, wo das Eis als nächstes brechen wird. Schmelzwasser spielt zumindest im antarktischen Winter keine Rolle bei der Destabilisierung der Schelfeisfläche, da diese dann komplett zugefroren ist. Die Analyse der aktuellen Satellitendaten hat ergeben, daß das aktuelle Abbruchereignis noch nicht vorbei ist. Die Risse deuten darauf hin, daß am Ende bis zu 2150 Quadratkilometer abgebrochen sein werden.

Das Wilkins – Schelfeis zerbricht. Schelfeis ist eine große Eisplatte, die zwar auf dem Wasser schwimmt, aber mit einem Gletscher an Land fest verbunden ist. Am äußeren Rand der Eisplatte brechen immer wieder Eisberge ab. Man spricht vom „Kalben“ des Schelfeises. Wenn das Schelfeis aber ganz verschwindet, wandern die Festlandgletscher schneller in Richtung Meer.
Die Stabilität des antarktischen Festlandeisschildes gerät in Gefahr. Quelle: ESA

Der beschleunigte Zerfall des westantarktischen Schelfeises könnte mit dem globalen Klimawandel durch die zunehmende Emission von Treibhausgasen zusammenhängen. Aber die Erwärmung der westantarktischen Halbinsel geht mit einer gleichzeitigen Abkühlung der flächenmäßig viel größeren Ostantarktis einher. Dieser scheinbare Widerspruch zur Theorie der globalen Erwärmung durch Treibhausgase lässt sich  aber womöglich auflösen. Dazu 4 Thesen:

1) Das Ozonloch, schwerpunktmäßig über der sehr kalten Ostantarktis führt dort zu einer direkten Abnahme des Treibhauseffektes, denn Ozon ist ein Treibhausgas wie Kohlendioxid und Methan.

2) Die Abkühlung der Stratosphäre über der Antarktis durch Ozonabbau und Zunahme des stratosphärisch abkühlend wirkenden Kohlendioxids verstärkt den Polarwirbel und damit auch den südlichen Polarfrontjetstream und die Westdrift. Dadurch wird die polare Kaltluft der Antarktis besser eingeschlossen. Die nun überwiegende zonale (breitenkreisparallele) Luftzirkulation lässt die gesamte Antarktis kälter werden! Aber:

3) Die weit nach Norden ragende Antarktische Halbinsel der Westantarktis liegt voll im Einflussbereich der Westdrift, also auch der von West nach Ost ziehenden dynamischen Tiefdruckgebiete, die relativ milde Luft mitführen. Die meridionale (längenkreisparallele) Ausrichtung der westantarktischen Halbinsel begünstigt meridionale Luftströmungen, wodurch milde Luftmassen die Westantarktis besonders leicht erreichen können. Entsprechendes geschieht auch mit den durch die Westdrift angetriebenen Meeresströmungen.

4) Die globale Erwärmung verschiebt den Polarfrontjet der Südhalbkugel und damit auch die dazugehörige Westdrift südpolwärts.Ursache ist ein „Vordringen“ der tropischen Warmluft und ein „Rückzug“ der Kaltluft in die engere Polregion. Das verstärkt noch die Erwärmung der Westantarktis und erklärt auch die ansatzweise schon beginnende Erwärmung der ostantarktischen Küste. Dementsprechend verändern sich auch wiederum die von der Westdrift angetriebenen Meeresströmungen.

Auch die Karte der Temperaturtrends in der Antarktis von 1984-2004 scheint diese 4 Thesen zu bestätigen:

Stichwort Treibhausgase: Der Erdboden absorbiert die Strahlung der Sonne , wandelt sie in Wärme um und wirkt als Heizfläche für die Atmosphäre darüber. Entsprechend seiner Temperatur strahlt der Erdboden im Infraroten in Richtung Weltraum. Diese Infrarotstrahlung wird aber teilweise durch die Treibhausgase (Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan, Lachgas und Ozon)  wiederum zurückgehalten. Die Moleküle der Treibhausgase sind infrarotaktiv und absorbieren bestimmte ausgewählte Wellenlängen der Infrarotstrahlung des Erdbodens – wobei sie in Schwingungen geraten – und geben einen Großteil der empfangenen Energie durch Stöße an die zahlreichen Nachbarmoleküle anderer Atmosphärengase ab, wozu natürlich auch die jeweils anderen Treibhausgase gehören. Die Atmosphäre erwärmt sich dabei ein wenig, und die in ihr enthaltenen Treibhausgase strahlen dementsprechend im  Infraroten. Ein Teil  davon gelangt als infrarote Gegenstrahlung wieder zurück zum Erdboden, der dadurch zusätzliche Wärme erhält. Der Erdboden wird dadurch wärmer als durch die Sonnenstrahlen alleine. Die Wirkungen der Treibhausgase addieren sich, können sich aber auch gegenseitig überproportional verstärken. Nimmt beispielsweise die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Luft zu, so wird es nur ein wenig wärmer. Die wärmere Luft kann jedoch mehr Feuchtigkeit aufnehmen. Wasser (H2O) ist ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid (CO2). Damit verstärkt das H2O in der Atmosphäre den relativ geringen Treibhauseffekt des CO2 (Wasserdampfverstärkung).

In der Stratosphäre erreicht aber kaum noch Infrarotstrahlung vom Erdboden die Treibhausgase, da die Treibhausgase in der Troposphäre darunter schon fast alles absorbiert haben. Die Treibhausgase in der Stratosphäre werden nur durch Zusammenstöße mit Molekülen anderer Atmosphärengase erwärmt. Da die Luft hier schon recht dünn ist, können sie einen erheblichen Teil der so erhaltenen 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. Dadurch wird auch der Polarwirbel verstärkt.

Stichwort Polarwirbel: Der Polarwirbel bildet sich in der Stratosphäre, der nächsthöheren Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, wo 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.

Stichwort Polarfrontjetstream: An der Polarfront, wo tropische Warmluft und polare Kaltluft aneinander grenzen, entwickelt sich aufgrund des Temperaturunterschieds ein starker Höhenwind, der Jetstream, welcher maßgeblich das Wettergeschehen bestimmt: Durch den Temperaturunterschied entsteht mit zunehmender Höhe ein immer deutlicheres Luftdruckgefälle (Druckgradient) zwischen den beiden Luftmassen, da sich warme Luft mehr ausdehnt als kalte Luft (In warmer Luft nimmt der Luftdruck mit zunehmender Höhe dementsprechend langsamer ab). Dieses Luftdruckgefälle treibt den Jetstream an, eine polwärts gerichtete Höhenströmung, die wegen der Erdrotation aber zu einem Westwind abgelenkt wird und sich oft bis zum Boden hin durchsetzt (Westdrift). Bei Erreichen einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit beginnt der Jetstream zu mäandern (Rossby-Wellen). Kleine Störungen im Jetstream aufgrund eines nicht überall gleichen Temperaturgefälles an der Polarfront (Konvergenzen und Divergenzen) erzeugen abwärts gerichtete Hochdruckwirbel und aufwärts gerichtete Tiefdruckwirbel, welche dann die polare Kaltluft und die tropische Warmluft miteinander vermischen. Folge: Das Temperatur- und Druckgefälle an der Polarfront geht zurück. In den abwärts gerichteten Hochdruckwirbeln (Hochs) sinken die Luftmassen großflächig ab und erwärmen sich dabei. Die Wolkenbildung wird infolgedessen erschwert, vorhandene Wolken lösen sich auf, und das Wetter ist heiter und trocken. Innerhalb der aufwärts gerichteten Tiefdruckwirbeln werden die Luftmassen gehoben und kühlen sich dabei ab, so daß sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit viele Wolken bilden können. Sehr oft kommt es dann auch zu Niederschlägen.  Die Hochs befinden sich innerhalb der mit tropischer Warmluft gefüllten Wellenberge (Hochkeile) der Rossby-Wellen, die Tiefs dagegen (vorwiegend) innerhalb der mit polarer Kaltluft gefüllten Wellentäler (Höhentröge). Einige Hochs bilden gemeinsam den subtropischen Hochdruckgürtel. Die Tiefs wandern mit der Westdrift und sorgen unter ihren Zugbahnen für ein wechselhaftes aber mildes Wetter. Durch einen starken, nur wenig mäandernden Jetstream wird die polare Kaltluft wie von einem Zaun eingeschlossen, aber auch die tropische Warmluft kann kaum polwärts vordringen. Ein meridionaler (längenkreisparalleler) Luftaustausch findet also praktisch nicht statt. Dem Wechsel der Jahreszeiten folgend, verlagert sich der Polarfrontjetstream; im Sommer polwärts und im Winter  äquatorwärts.

Jens Christian Heuer 

Quelle: ESA Earthnet Online http://envisat.esa.int/ 

Written by jenschristianheuer

13 Juli, 2008 at 00:46 am

Veröffentlicht in Klimadebatte, Klimaforschung

Klimawandel auf Jupiter

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Auf dem größten Planeten unseres Sonnensystems, dem Gasriesen Jupiter ist ein Dritter Roter Fleck erschienen(http://www.astronews.com/news/artikel/2008/05/0805-029.shtml und http://www.space.com/scienceastronomy/080523-jupiter-new-spot.html).

Der Dritte Rote Fleck Quelle: NASA

Wie bei dem seit über 300 Jahren bekannten Großen Roten Fleck (GRF) und dem vor 2 Jahren erschienenen Zweiten Roten Fleck (Roter Fleck Junior) handelt es sich auch bei dem jetzt neu aufgetauchten Dritten Roten Fleck um einen Hochdruckwirbel auf der Südhalbkugel des Planeten. Die jetzt beobachteten Veränderungen werden mit einem auf internen Prozessen beruhenden periodischen Klimawandel auf Jupiter in Zusammenhang gebracht (http://www.space.com/scienceastronomy/jupiter_spots_040421.html). Ein Zyklus dauert ca. 70 Jahre. Vereinfachend zusammengefasst läuft dieser folgendermaßen ab:

Am Anfang besteht ein großer Temperaturunterschied (Gradient) zwischen den Polen und der Äquatorregion. Dadurch nimmt die Strömungsgeschwindigkeit der 12 abwechselnd west- und ostwärts orientierten Jetstreams der Jupiteratmosphäre so zu, daß sie zu mäandern beginnen (Rossby-Wellen). Die Jetstreams bilden sich aus walzenförmigen Konvektionszellen, die den ganzen Planeten umspannen und durch die starke Eigenrotation (Corioliskraft) des Jupiter zu breitenkreisparallelen Windbändern verformt werden. Aus kleinen Störungen im Jetstream (Konvergenzen und Divergenzen) entstehen Turbulenzen, aus denen sich wiederum Hoch- und Tiefdruckwirbel (Stürme) entstwickeln, die alle miteinander einen Ausgleich des Temperaturgradienten zwischen Polen und Äquatorregion herbeiführen. Unter der Vorbedingung, daß sie in “Wirbelstraßen” angeordnet sind, wo sich Hoch- und Tiefdruckwirbel untereinander abwechseln, was die Hochdruckwirbel davon abhält miteinander zu verschmelzen, sind beide Druckgebilde verglichen mit irdischen Verhältnissen äußerst langlebig, weil es auf dem Jupiter keine feste und raue Oberfläche und damit auch keine Bodenreibung gibt. Durch turbulente Erosion werden die Hochdruckwirbel allerdings zunehmend kleiner bis sie schließlich klein genug sind (eine kritische Größe unterschreiten), um zusammen mit den unauffälligeren, unregelmäßig geformten Tiefdruckwirbeln durch Tröge der Rossby-Wellen benachbarter, in entgegengesetzte Richtung orientierter Jetstreams eingefangen zu werden. In dieser “Falle” erodieren die Hochdruckstürme noch schneller als zuvor, bis sie schließlich die zwischen ihnen befindlichen Tiefdruckwirbel passieren können, um miteinander zu verschmelzen. Die Tiefdruckwirbel lösen sich dann auch bald auf. Das “Sterben der Stürme” wurde in den letzten Jahren immer wieder beobachtet. Besonders spektakulär war die Verschmelzung der so genannten großen weißen Ovale. Dabei handelte es sich um drei Hochdruckwirbel, die um 1940, zu Beginn des laufenden Klimazyklus, auf der Südhalbkugel südlich des Großen Roten Flecks auftauchten. Innerhalb von nur 3 Jahren (1997-2000) vereinigten sie sich schrittweise miteinander bis nur noch ein Hochdruckwirbelsturm übrig blieb (http://www.space.com/scienceastronomy/astronomy/jupiter_spots_001024.html).  

 

Jupiters Weiße Ovale verschmelzen. Quelle: NASA

Aus diesem ging dann im Jahre 2006 der Zweite Rote Fleck (Roter Fleck Junior) hervor. Die Rotfärbung des Hochdruckwirbels steht anscheinend mit einer Intensivierung des Sturms in Zusammenhang, wodurch im Zentrum des Wirbels rotes (organisches?) Material aus größeren Tiefen nach oben gelangt. 

Die Zeitspanne der turbulenten Erosion der Hochdruckwirbel (ca. 60 Jahre) bis zur kritischen Größe, ab der sie von Trögen eines benachbarten mäandernden Jetstreams eingefangen werden können, bestimmt ganz wesentlich die Länge eines Klimazyklus, der ca. 70 Jahre dauert.

Der Große Rote Fleck (GRF) hat zumindest in den letzten Jahrhunderten alle Klimaveränderungen unbeschadet überstanden und steht ganz allein in seinem Wolkenband. Tauchen doch einmal kleinere Wirbelstürme in seinem Wolkenband auf, so werden sie absorbiert, wodurch der Energieinhalt des GRF steigt. Dabei wird er röter (s.o.). Tiefdruckwirbel die eine Koexistenz des GRF mit anderen Hochdruckwirbeln ermöglichen könnten, existieren in dem äquatornahen Wolkenband des GRF nicht. da sie bei ihrer Entstehung nordwärts (noch näher am Äquator!) aus dem sie hervorbringenden westwärts orientierten Jetstream ausscheren würden. Dort, ganz nahe am Äquator, ist die Corioliskraft aber einfach zu gering für eine Wirbelbildung. Daher befindet sich der GRF nicht in einer “Wirbelstraße”, sondern steht mutterseelenallein. Eine sehr lange Lebensdauer ist damit praktisch garantiert.

Das Wetter auf dem Jupiter wird nicht nur durch die Sonne angetrieben, die Äquator- und Polarregionen unterschiedlich stark erwärmt, sondern vor allem auch durch eine interne Wärmequelle, die auf dem so genannten Kelvin-Helmholtz-Effekt beruht. Wenn ein vorwiegend aus Gasen bestehender Planet durch die Abgabe von Wärme in den Weltraum abkühlt, so sinkt der innere Druck und durch die Schwerkraft zieht sich der ganze Planet ein wenig zusammen. Diese Kompression erzeugt dann wiederum innere Wärme, wodurch die ganze Planetenatmosphäre von unten aufgeheizt wird.

Gewitter am Tage und in der Nacht Quelle: NASA

Dadurch bilden sich trotz der Sonnenferne des Planeten mächtige Konvektionszellen, und darin hochreichende Quellwolken und immer wieder auch  Gewitter, Hagel, Schnee und Regen (http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter_storms_010102-1.html und http://www.space.com/scienceastronomy/solarsystem/jupiter_weather_000209.html !!).

Gewitterwolke im Querschnitt Quelle NASA

Die schnelle Eigenrotation des Jupiter ermöglicht -wie schon erwähnt- die Bildung der Jetstreams, in denen kleine Turbulenzen auftreten, woraus sich dann die gewaltigen, für den Planeten charakteristischen Sturmsysteme (Hoch- und  Tiefdruckwirbel) entwickeln können.

Jens Christian Heuer

Written by jenschristianheuer

14 Juni, 2008 at 07:48 am