Kitabı oku: «Klimaschutz und 1,5 °C Leitplanke?», sayfa 4

Am Ende des Paläozoikums vor ca. 250 Millionen Jahren, zur Zeit des Perms, vereinigen sich die Kontinentalplatten zu einem Superkontinent, Pangäa (griech.: „Ganz-Erde“). Pangäa liegt inmitten eines einzigen Ozeans, Panthalassa genannt (Abb. 12). Vor ca. 235 Millionen Jahren beginnt der Superkontinent wieder zu zerbrechen. Über weitere Jahrmillionen entstehen die heutigen Kontinente, das Bild der Erde, wie wir es vom Globus kennen.

Es besteht kein Zweifel, dass die Anordnung der Kontinente auf das Klima einen großen Einfluss hat. Die mit der Kontinentaldrift verbundene Öffnung oder Schließung von Meeresarmen verändert sowohl die ozeanische, als auch die atmosphärische Zirkulation erheblich. Beide Systeme spielen, wie wir später sehen werden, die größte Rolle im Klima- und Wettergeschehen. In der Konfiguration der Kontinente liegt deshalb die übergeordnete Kontrolle der zwei Hauptmodi des globalen Klimas – Warmzeit Kaltzeit – und damit der globalen Verteilung der Energie (Abb. 7).

Die von den meisten Geologen vertretene Theorie zur Plattentektonik geht von langsamen Konvektionsströmen aus, die sich durch den Wärmeübergang zwischen dem heißen Erdkern und dem Erdmantel ergeben. Es entstehen submarine Gebirge, die alle Ozeane durchziehen. Sie sind untereinander verbunden und bilden mit ca. 60.000 km die längste Gebirgskette der Erde. Eine weitere Folge der plattentektonischen Prozesse sind Vulkanismus und Erdbeben. Auch sie beeinflussen durch Ausgasungen Klima und Umwelt und können Lebensräume von heute auf morgen zerstören. Im Laufe der Erdgeschichte gab es wahrscheinlich Perioden extremer vulkanischer Tätigkeit, die zu Massenaussterben beigetragen haben könnten. Allerdings gibt es zu dem Massenaussterben verschiedene Erklärungen. Dabei sind die üblichen Verdächtigen, von Meteoriteneinschläge über Strahlung einer Supernova bis zum extremen Vulkanismus oder eine Kombination aller.

Die bei Vulkanausbrüchen verstärkt entstehenden Aerosole bewirken nicht nur einen Abkühlungseffekt durch teilweise Reflektion der Sonnenenergie, sondern sind auch maßgeblich an der Bildung von Wolken beteiligt. Deren Einfluss auf das Klima ist ambivalent. Einerseits kühlen sie die Erde durch Reflektion der Sonnenstrahlen, andererseits schwächen sie die Wärmeausstrahlung der Erde ab, wodurch z. B. während der Nacht die Temperatur langsamer zurückgeht. Trotz ihrer herausragenden Bedeutung für das Klima ist unsere Kenntnis der Wolken ungenügend. Wegen der dadurch unbestimmten Datenlage können gegenwärtige Computer-Modelle die Entstehung realer Wolken nicht nachvollziehen. Wolken und Aerosole sind, neben anderen Elementen, in der Klimaentwicklung die großen Unsicherheitsfaktoren.

3.1.4 Ozeanische Strömungen – die Rolle der Meere

3.1.4.1 Das Wasser

Vor der Diskussion über die Bedeutung der Meere für das Klimasystem, einige generelle Anmerkungen zu Relevanz und Eigenschaften des Elements Wasser. Es gibt keinen anderen Stoff auf der Erde, der in Quantität und Qualität dem Wasser gleichkommt. Wasser gibt es überall auf der Erde. Es ist das einzige bekannte Element, das natürlich sowohl gasförmig, flüssig und fest in dem kleinen Temperatur- und Druckbereich, den es auf der Erdoberfläche gibt, existiert. Es ist farblos, geschmacklos, geruchlos und ein extrem gutes Lösungsmittel. Obwohl es keinen Nährwert hat, ist es die wichtigste Flüssigkeit für das Leben. Auf die Frage wie Leben entstanden ist, haben wir allerdings noch keine Antwort.

Bei einer Abkühlung auf +4 °C nimmt die Dichte des Wassers zu (es wird schwerer) und damit das Volumen ab. Bei weiterer Abkühlung wird das Volumen jedoch nicht geringer, sondern im Gegenteil, beim Gefrieren nimmt die Dichte sprunghaft um 9 % ab, was zu einer entsprechenden Vergrößerung des Volumens führt. Dies ist der Grund, warum Eis eine kleinere spezifische Dichte hat und schwimmt. Jeder Gartenfreund, der vergessen hat im Winter das Wasser abzustellen, hat dieses besondere Verhalten mit einer geplatzten Wasserleitung im Frühjahr erfahren müssen. Wie wir weiter unten sehen werden spielt u. a. die temperaturabhängige Dichte (Schwere) des Wassers bei den Meeresströmungen eine entscheidende Rolle. Das Wasser auf der Erde befindet sich in einem kontinuierlichen Kreislauf. Durch die Zufuhr von Sonnenenergie und die daraus folgende Erwärmung verdunstet das Wasser. Der in der Atmosphäre aufsteigende und zu Wolken kondensierende Wasserdampf, von Winden transportiert, gelangt als Niederschlag wieder auf die Kontinente und Meere zurück. Die Meere sind somit Start- und Endpunkt des Wasserkreislaufs. Heraklits Ausspruch „panta rhei“ wird hier leicht verständliche Wirklichkeit.

Die gesamten Wassermengen der Erde werden auf ca. 1.400 Millionen km³ geschätzt. Lediglich 2,5 % oder 35 Millionen km³ davon sind Süßwasser. Ein Grund, vom „kostbaren Nass“ zu sprechen. Da rund 1,87 % des Süßwassers in Eiskappen und Gletschern gespeichert sind, verbleiben für den Menschen als nutzbare Menge der Ressource Wasser weniger als 1 %! Die Verteilung der gesamten Wassermasse der Erde zeigt, wie groß die Bedeutung der Ozeane ist (Abb. 29). Die Meere unseres Planeten reagieren nicht nur auf Veränderungen des Klimas, sondern steuern dieses aktiv mit, was im folgenden Abschnitt beschrieben wird.

Abb. 29: Wasserverteilung auf der Erde. (59)

3.1.4.2 Die Ozeane, ozeanische Strömungen

Da Insgesamt ca. 71 % der Erdoberfläche von Meeren bedeckt sind, müsste man strenggenommen unseren Planeten nicht „Erde“, sondern „Wasser“ nennen (Abb. 30). Im Klimasystem kommt den Ozeanen schon wegen ihrer schieren Größe eine dominante Rolle zu. Infolge ihrer hohen Wärmekapazität benötigen die Meere lange Zeitspannen, um sich zu erwärmen oder abzukühlen, wodurch große klimatische Schwankungen ausgeglichen werden. Wer seinen Urlaub am Meer verbringt, kann bei Windstille die unterschiedliche thermale Pufferwirkung zwischen Land und Meer fast täglich erleben. Da sich das Festland bei Sonneneinstrahlung stärker und schneller erwärmt als das Meer, kommt es wegen der Thermik (Aufwind) zu einer Brise landeinwärts. Nachts kühlt das Land schnell ab und ist innerhalb weniger Stunden kühler als das Meer und der Wind bläst meerwärts. Wie bekannt begünstigen große Landflächen ein kontinentales Klima mit hohen jahreszeitlichen Temperaturschwankungen.

Abb. 30: Weltkarte der fünf Ozeane. (60)

Für das Klima ist jedoch, wie schon in Abschnitt 3.1.1 thematisiert, neben der Größe und Lage der Landmassen in einer Beleuchtungsklimazone auch die allgemeine Land-Meer-Verteilung von großer Bedeutung. Diese wichtigen Zusammenhänge sollen mit den folgenden Betrachtungen verdeutlicht werden.

Eine wesentliche Rolle für das längerfristige Wetter-und Klimageschehen spielen die Meeresströmungen. Diese sind vertikale und überwiegend horizontale Massenströme des Meerwassers. Sie ziehen sich durch alle Ozeane und bilden eine globale Schleife (das „Globale Förderband“, engl.: „The Oceanic Conveyer Belt“ bzw. im wissenschaftlichen Sprachgebrauch die „Thermohaline Zirkulation“, THZ genannt), Abb. 31.

Abb. 31: Modellvorstellung des globalen marinen Förderbandes bzw. der globalen thermohalinen Zirkulation. (61)

In diesem globalen Wasserkreislauf wird warmes Oberflächenwasser und damit Wärmeenergie aus tropischen in hohe Breiten transportiert, umgekehrt gelangt kaltes Tiefen-Meerwasser in tropische Regionen. Dabei stehen die Meeresströme in einer komplexen Wechselwirkung mit der Atmosphäre und Kryosphäre. Der komplette Durchlauf der Schleife dauert ca. 1.500 Jahre und es werden pro Sekunde ca. 10 bis 40 Millionen m3 Wasser transportiert.

Der Motor dieser globalen Umwälzungen sind, neben der Sonne, die Dichteunterschiede der verschiedenen Wassermassen, die durch unterschiedliche Temperaturen (Meeresoberflächentemperaturen) und unterschiedlichen Salzgehalt (Salinität) bestimmt sind. Neben diesen primären strömungserzeugenden Kräften wird der örtliche Verlauf der thermohalinen Zirkulation auch durch die sekundär wirkende Verteilung der Landmassen, Relief des Meeresbodens, die Zentrifugalkraft und die Coriolis-Kraft durch die Erdrotation beeinflusst. (62) Da das globale Förderband vermutlich durch das Absinken des kalten und salzreichen Meerwassers im Nordatlantik angeregt wird, macht es Sinn das Zirkulationsmuster von hier aus zu betrachten.

Wie in Abb. 31 dargestellt, fließt das kalte, salzhaltige und damit schwere, nordatlantische Wasser als Tiefenströmung bis zum Ausgang des Südatlantiks. (63) Der Antarktische Zirkumpolarstrom (ACC, engl.: „Antarctic Circumpolar Current“) zusammen mit der Untiefe zwischen der antarktischen Halbinsel und der Südspitze Südamerikas, der Drake-Straße, verhindern, dass die Wassermassen westwärts in den Pazifik fließen. Die thermohaline Zirkulation wendet sich deshalb, zusammen/parallel mit dem ACC, ostwärts. Nun spaltet sich die Strömung auf. Der eine Teil fließt nordwärts, entlang der Ostküste Afrikas, in den Indischen Ozean, während der andere Teil weiter nach Osten strömt, an der Südküste Australiens entlang, um sich schließlich nach Norden wendend in den Pazifik abzudrehen. Während der Bewegung nach Norden beginnen sich die Tiefenwasser langsam zu erwärmen, mit dem darüber liegenden warmen, leichteren Wasser zu mischen und wieder aufzusteigen.

Um den Zufluss des kalten Tiefenwassers in den Indischen und Pazifischen Ozean auszugleichen, muss warmes Oberwasser zurückfließen. Das warme Oberflächenwasser des Pazifiks fließt zunächst an Indonesien vorbei in den Indischen Ozean, wo es sich mit den anderen aufsteigenden Wassern mischt. Die vereinigten Ströme fließen westwärts, an der Südspitze Afrikas vorbei in den Südatlantik, um dann wieder in den Nordatlantik zu driften, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Diese dauernde, an der Oberfläche nordwärts gerichtete, Strömung führt warmes, tropisches Wasser in den Golfstrom und Nordatlantik. Der ganze Strömungsmechanismus kann wie eine sich selbst erhaltende Pumpe betrachtet werden. Auf diese Weise wird das, im Vergleich zu anderen Regionen derselben geographischen Breite, außergewöhnlich milde Klima von West- und Nordeuropa begünstigt.

Die stärkste und damit für das Klima wichtigste Meeresströmung ist jedoch der Antarktische Zirkumpolarstrom, erzeugt durch die starken Westwinde zwischen 40° und 60° südlicher Breite. Diese Westwinddrift treibt etwa 140 Millionen m³ Wasser pro Sekunde um den antarktischen Kontinent, was fast dem Fünffachen Wassertransport des Golfstroms entspricht (Abb. 32).

Abb. 32 (links): Antarktischer Ozean mit ACC, Abb. 33 (rechts): Argo-Sonden, Höhe ca. 2 m, blau, und Argo-Sonden, rot. (64) schematischer Schnitt. (65)

Seine Ausdehnung erstreckt sich von der Meeresoberfläche bis zum Meeresboden in über 4.000 m Tiefe. Der ACC ist die einzige Meeresströmung, die den gesamten Globus umfasst. Sein besonderes Merkmal ist: im Gegensatz zu allen anderen großskaligen Strömungen, wo die Tiefenströmung gegenläufig zur Oberflächenströmung ist, fließt der Zirkumpolarstrom von der Oberfläche bis zum Meeresgrund in eine Richtung. (66)

Eingebettet in den Südlichen Ozean stellt er die einzige bedeutende Verbindung zwischen dem Pazifischen, dem Atlantischen und dem Indischen Ozean dar. Über diese Verbindung findet der Austausch von Wassermassen, Wärme, Salzen, Kohlenstoff und sonstigen chemischen und biologischen Komponenten zwischen den Ozeanen statt. In den polaren Regionen entweicht sozusagen die Wärme wieder in den Weltraum, die in den tropischen Regionen durch Sonneneinstrahlung der Erde zugeführt und über die Atmosphäre und ozeanische Strömungen zu den Polen transportiert wird. Der gewaltige Wärmeumsatz ist also ein Ergebnis der Wechselbeziehung zwischen Atmosphäre und den Meeren und dem Eis. Wegen der niedrigen Temperatur hat das kalte Wasser des Südpolarmeeres, das niemals eine höhere Temperatur als 5 °C erreicht und einen Großteil des Jahres kälter als 0 °C bleibt, eine extrem große Aufnahmefähigkeit für das gut lösliche CO2. Dieses „Klimagas“ wird mit den Vertikalströmungen entlang des zirkumpolaren Strömungsbandes in die Tiefen des Ozeans befördert und dort gespeichert.

Klimawissenschaftler haben kraft Computer-Modellen angenommen, dass es infolge der Klimaveränderung zum Aufstieg des kohlenstoffreichen Tiefenwassers kommen könnte, was zu einer Zunahme von CO2 in der Atmosphäre führen würde. Doch neue Erkenntnisse, die mit dem internationalen ozeanischen Beobachtungssystem „Argo“ gewonnen wurden, lassen diese Vermutung als unbegründet erscheinen8. Wie die aktuellen gemessenen Daten zeigen, scheint der für das Weltklima Ton angebende Antarktische Zirkumpolarstrom unempfindlich gegenüber den aktuellen Klimaveränderungen zu sein! Ein Fingerzeig mehr, dass die Natur ihren eigenen Regeln und Gesetzen folgt, die sich nicht, wie schon beschrieben, mit numerischen Computer-Modellen nachvollziehen lassen.

Zu vielschichtig und zahlreich sind die Wechselwirkungen und Rückkoppelungen, die dabei eine Rolle spielen. Wie wichtig der Abgleich zwischen Modell und gemessenen Daten ist, zeigen die Ergebnisse des 2006 durchgeführten EPICA-Projekts9.

Im Rahmen dieses Projektes gelang es Wissenschaftlern erstmals, Klimaaufzeichnungen in Eisbohrkernen aus der Antarktis und aus Grönland mit hoher Genauigkeit zu synchronisieren. Basierend auf der gemeinsamen Zeitskala können die Forscher nun die rekonstruierten Verläufe der Temperatur zwischen Grönland und der Antarktika direkt vergleichen. (67) Wie die Eisbohrkerne belegen, gab es während der letzten Eiszeit eine Reihe von abrupten Temperatursprüngen. Die Temperaturen änderten sich aber auf der Nord- und Südhalbkugel genau gegensätzlich. Wenn es im Norden kalt wurde, kam es im Süden zu einer Erwärmung und umgekehrt. Diese lang vermutete Verbindung zwischen den Hemisphären über die sogenannte Nord-Süd-Klimaschaukel, eine Hypothese 1998 an der Universität Bern entwickelt, wurde nun durch die Klimaaufzeichnungen aus Eisbohrkernen gestützt. Bei dem komplexen Wechselspiel der „Bipolaren Klimamaschine“ scheint die THZ eine große Rolle zu spielen. Als Ursache und Erklärung für die bipolare Klimamaschine wird das Abschmelzen von Eisbergen im Nordatlantik vermutet. Während des Internationalen Polarjahres 2007/2008 (vom 1. März 2007 bis 1. März 2008), und darüber hinaus, wurde das Projekt BIPOMAC10 begonnen. Ziel dieses Projektes ist „die Kenntnis über Klima steuernde polare Prozesse, ihre bipolaren Wechselwirkungen sowie Auswirkungen auf den Umfang und die zeitliche Entwicklung polarer und globaler Klimaänderungen wesentlich zu verbessern.“ (68)

Die bisherigen Ergebnisse des Projektes bestätigen weitgehend die Erkenntnisse des EPICA-Projekts zur bipolaren Klimaschaukel. Ein weiteres Mosaiksteinchen zur Erhärtung der Klimaschaukel-Hypothese ist das „Meereis“. In den Klimadiskussionen der letzten Jahre spielt es eine bedeutende, aber auch nach wie vor wenig verstandene Rolle in der Klimadynamik. Im Unterschied zum Eis der großen Eisschilde am Nord- und Südpol, das durch Niederschlag entsteht, wird Meereis durch das Gefrieren von Meerwasser gebildet. In diesen Prozess werden nur Wassermoleküle einbezogen. Beim Eiswachstum werden damit die Salinität und die Dichte des Ozeans erhöht, was zur Destabilisierung der thermohalinen Zirkulation führen kann. Wegen der Eis-Albedo-Rückkoppelung ist das Meereis ein bedeutender Klimafaktor, da durch die hohe Albedo von 60 bis 90 % die einfallende Sonnenstrahlung größtenteils wieder in den Weltraum zurück reflektiert wird. Im Gegensatz zu den Eisschilden spricht das Meereis auf thermale Änderungen unmittelbar an. So reagiert die Ausdehnung und Dicke des Meereises deutlich auf jahreszeitliche Temperaturschwankungen, Abb. 34. Die Meereisausdehnung in der Arktis fluktuiert zwischen 15 Millionen km2 im Winter und 7 Millionen km2 im Sommer und in der Antarktis sogar zwischen 18 und 3 Millionen km2. Diese extremen jahreszeitlichen Schwankungen machen es schwierig, längerfristige Trends festzustellen. Eine weitere relevante Erkenntnis zu der möglichen Klimaschaukel ergab sich aus Satellitenbeobachtungen.

Abb. 34: Ausdehnung von Sommer- (hellblau) und Wintereis (weiß) in der Arktis, links, und Antarktis, rechts, im Jahr 2005/2006. (69)

Mit Hilfe dieser Überwachungen konnte eine deutliche Abnahme der arktischen Meereisbedeckung im sommerlichen Minimum im September, um etwa 8 % pro Jahrzehnt, festgestellt werden. Im Gegensatz hierzu nimmt die Meereisdecke der Antarktis im Winter um ca. 0,5 % pro Jahrzehnt zu und bleibt im Sommer annähernd gleich. So einleuchtend die Erklärungen für die Funktion der Klimaschaukel auch sein mögen, dürfen wir nicht vergessen, dass es im wissenschaftlichen Sinne keine Beweise sind. Die Schwierigkeit liegt vor allem darin, dass die genauen Vorgänge der Ozeanzirkulation noch nicht zufriedenstellend erforscht sind. Die vorhandenen Daten reichen nicht aus, um zuverlässige Aussagen über den künftigen Trend zu machen. Das ist nicht nur ein Problem der Menge von erforschten Fakten, sondern liegt auch in der limitierten Möglichkeit von Rechnermodellen, das Verhalten der natürlichen Phänomene nachzubilden. Ein Grund mehr, warum sich die Klimatologen so gründlich mit der Vergangenheit beschäftigen und für die Datensammlung Projekte wie „Argo“ und „BIPOMAC“ intensiv weiterführen.

3.1.5 Atmosphärische Zirkulation

Die Sonne erwärmt die gesamte Erde. Wegen der Schiefe der Erdachse und der Kugelform der Erde ist die Sonneneinstrahlung und damit die Verteilung dieser Wärme in den verschiedenen Breiten des Erdballs sehr unterschiedlich (Abb. 3). So erwärmen sich der Boden und die Luft am Äquator, wo die Sonnenstrahlen annähernd senkrecht eintreffen, am stärksten und an den Polen, wo die Sonnenstrahlen flach ankommen, am schwächsten.

Am Äquator ist die Strahlungsbilanz deshalb positiv (Energieüberschuss) und an den Polen negativ (Energiemangel). Diesen Gegensatz von Energie und Temperatur versucht die Atmosphäre über die ganze Erde auszugleichen. Dies ist der Grund für die atmosphärische Zirkulation. In den unseren Planeten umspannenden Windgürteln wird ihre Wechselwirkung, die Wetterdynamik der Atmosphäre, bestimmt.

Abb. 35: Zirkulationszellen und Windsysteme der atmosphärischen Zirkulation in idealisierter Darstellung. (70)

3.1.5.1 Erläuterungen zu der Illustration der atmosphärischen Zirkulation

In der Modellvorstellung sind die Windgürtel bzw. Zirkulationssysteme in drei Zellen ausgestaltet: der Hadley-Zelle bzw. tropischen Zelle (benannt nach dem englischen Physiker und Meteorologen George Hadley, 1768–1865), der Ferrel-Zelle bzw. Zelle der mittleren Breite (benannt nach dem amerikanischen Meteorologen W. Ferrel, 1817–1891) und der Polar-Zelle, Abb. 35.

Da die meteorologische Forschung derzeit und auch in absehbarer Zukunft ein Gesamtverständnis für die atmosphärische Zirkulation nicht erfüllen kann, können wir wieder nur eine modellhafte Annäherung an die Realität diskutieren bzw. darstellen!

Abb. 36: Schematische Darstellung der Hadley-Zirkulation, als einfache, idealisierte Zelle. (71)

Der Ablauf in einer Hadley-Zelle „ist“ ein geschlossener Kreislauf, dessen Zyklus am Äquator mit dem Aufstieg von warmer, feuchter Luft bis zur Tropopause beginnt. Die Hadley-Zelle liegt, den Erdball umfassend, beiderseits des Äquators. Durch die aufsteigende warme Luft entsteht am Boden ein Tief, die äquatoriale Tiefdruckrinne – auch innertropische Konvergenzzone (ITC) genannt – und in Höhe der Tropopause ein Hoch. Der aufsteigende Ast der Hadley-Zelle kühlt schnell ab, was mit der dadurch entstehenden Quellbewölkung zu ergiebigen Niederschlägen in den Tropen führt. Das Druck- und Temperaturgefälle zwischen den äquatorialen und polaren Gebieten der Erde zwingt eigentlich zu dem Schluss, dass sowohl über die Ozeane als auch über die Atmosphäre ein meridionaler11 Energietransport stattfinden muss. Beobachtungen zeigen jedoch, dass diese thermisch angeregte Zirkulation der Luftmassen nicht von den Tropen bis zu den Polen reicht, sondern ein Großteil bereits bei ca. 30° nördlicher Breite bzw. 30° südlicher Breite absinkt, Abb. 36. Das führt in diesen Zonen zu stabilen Hochdruckgebieten, wozu auch das für Mitteleuropa wichtige wetterbestimmende Azorenhoch gehört. In der Mitte dieses Hochdruckgebietes, den sogenannten Rossbreiten, herrscht nahezu Windstille. Die Bezeichnung soll auf die Zeit der Segelschifffahrt zurückgehen. Infolge fehlender Segelwinde saßen die Schiffer oft wochenlang fest und mussten sich, aus Futter- und Wassermangel, von den mitgeführten Pferden (Rösser) trennen.

Ein Teil der trockenen Luft im absteigenden Ast der Hadley-Zelle folgt dem Druckgefälle zur äquatorialen Tiefdruckrinne. Die dabei entstehenden Winde heißen Passate. Die Coriolis-Kraft, ein Effekt der Erdrotation, bewirkt, dass diese Winde nicht direkt dem meridionalen Druckgradienten folgen, sondern nach Westen abgelenkt werden. Durch die Coriolis-Kraft erfahren also Passatwinde auf der Nordhalbkugel eine Rechtsablenkung und auf der Südhalbkugel eine Ablenkung nach links. Gemäß der Richtung, aus der sie kommen, werden diese Winde deshalb auch Nordost-bzw. Südostpassat genannt. (72)

Der Ablauf in der Polar-Zelle ist ähnlich dem in der Hadley-Zelle. Obwohl im Vergleich zu den äquatorialen Luftmassen kühler, ist die Luft auf 60° nördlicher/südlicher Breite noch warm genug, um über Konvektion einen thermischen Kreislauf anzutreiben. Auf niedriger Breite steigt die warme Luft auf, um über die obere Troposphäre polwärts zu strömen.

An den Polen angekommen sinkt die nun beträchtlich kältere Luft als Hochdruckgebiet ab und fließt an der Oberfläche von den Polen, wegen der Coriolis-Kraft in westliche Richtung, in die subpolare Tiefdruckrinne (Abb. 35).

Zwischen den beiden gleichläufigen Systemen der Hadley- und Polar-Zelle jeder Halbkugel liegt die gegenläufige Ferrel-Zelle. In ihr wird bodennahe Luft polwärts verlagert, was durch den Effekt der Coriolis-Kraft zu westlichen Winden führt. Deshalb wird diese Zone auch Westwindzone genannt. Sie ist sehr instabil, da auf ca. 60° bis 70° geographischer Breite feuchtwarme Westwinde auf kalte polare Ostwinde treffen.

Abb. 37: Wind- und Druckgürtel der Erde, gemäß Modelldarstellung der Atmosphäre. (73)

Das mit Abb. 37 beschriebene idealisierte und stark vereinfachte Oberflächenschema der globalen atmosphärischen Zirkulation gibt nur die vorherrschenden Strömungen wieder. Wie aus den Abb. 36 und 37 ersichtlich, werden die Hoch- und Tiefdruckgebiete12 auf der Oberfläche der Erde im Allgemeinen durch jeweils entgegengesetzte Druckgebiete in der Troposphäre ausgeglichen.

In der Wirklichkeit sind die Winde nicht stetig und die Druckgebiete nicht ortsfest. So haben wir z. B. in unseren Breiten ja nicht nur Westwinde.

Abb. 38: Verlauf der innertropischen Konvergenzzone während eines Jahres. (74)

Die Unbeständigkeit der Windsysteme wird u. a. durch die Wanderung der Hadley-Zelle und damit der innertropischen Konvergenzzone belegt. Die ITC liegt nicht wie oben im Modell dargestellt fest am Äquator, sondern verlagert sich im Verlauf der Jahreszeiten entsprechend dem Zenitalstand der Sonne. Die allgemeine Zirkulation verläuft dabei keinesfalls symmetrisch auf beiden Hemisphären. Wegen des hohen Anteils und der starken Erwärmung der Landmassen in der Nordhemisphäre verschiebt sich die ITC im Nordsommer über weite Strecken nach Norden. Am indischen Subkontinent kann die Verlagerung bis zu 30° nördlicher Breite betragen, was für die Erklärung des indischen Monsuns eine wichtige Rolle spielt. Der Südostpassat überströmt in diesen Gebieten dabei den Äquator und wird zum Südwestwind.

Im Nordwinter, das heißt im Südsommer, reicht die Verlagerung der ITC über Südamerika (Brasilien) fast bis zum Wendekreis des Steinbocks und in Afrika kann sie sogar senkrecht verlaufen. Offensichtlich ist die Lageveränderung der ITC nicht nur vom Zenitalstand der Sonne, sondern auch von der Land-Meer-Verteilung und der Lage von Gebirgen abhängig.

3.1.5.2 Strahlströme (Jetstreams)

In Abb. 36 werden zwischen den Zirkulationszellen auch Strahlströme aufgezeigt. Einfach gesprochen sind Strahlströme enge, schnell fließende Luftströme (mit Geschwindigkeiten bis zu 540 km/h) zwischen 7 und 12 km über Grund in der oberen Atmosphäre. Ihre Breite liegt bei mehreren hundert Kilometern und die vertikale Ausdehnung beträgt oft weniger als 6 km.

Die Haupt-Strahlströme befinden sich nahe der Tropopause, der Transitionsphase zwischen der Troposphäre, wo die Temperatur mit der Höhe abnimmt, und der Stratosphäre, wo die Temperatur mit der Höhe zunimmt (Abb. 4). Wie bei der Erläuterung der ITC ausgeführt, bestehen an der Erdoberfläche in Äquatornähe Tiefdruck- und an den Polen Hochdruckbedingungen. Diese erdnahen Druckverhältnisse werden durch entgegengesetzte Druckgebiete in der Höhe (Troposphäre) ausgeglichen. Verursacht werden diese Druckunterschiede durch die Breitenabhängigkeit der Sonneneinstrahlung, d. h. sie sind thermisch bedingt. Dem Druckgradienten folgend strömt die Höhenluft vom Hoch des Äquators zum Höhentief der Pole. Unter Einfluss des Coriolis-Effektes fließen die Strahlströme mit nahezu horizontaler Strömungsachse in östliche Richtung.

Die Strahlströme sind maßgeblich für die Luftdruckverteilung und demnach für die Windgürtel auf der Erde verantwortlich. Auf diese Weise sind sie die wesentliche Ursache für die Wetterentwicklung und ein wichtiges Element für den Wärmetransport zwischen den Tropen und den Polen. (75)

Die Höhenströme haben für die Luftfahrt eine große Bedeutung. Bei Linienflügen über große Entfernungen werden sowohl Flughöhe als auch Reiseroute an den Verlauf dieser Strömungen so angepasst, dass man sie als Rückenwind nützend höhere Geschwindigkeiten und geringeren Treibstoffverbrauch erreichen kann. Wer schon öfter Transatlantik-Flüge, z. B. von den USA nach Europa, gemacht hat, kennt auch die unangenehme Seite der Jetstreams. Da mit den Strahlströmungen auch Turbulenzgebiete folgen, werden Flugzeuge und Passagiere oft kräftig durchgerüttelt. Der Flugkapitän spricht dann, da keine Wolken vorhanden sind, von „clear-air turbulence“. Diese Turbulenzen führen zu erheblichen Belastungen der Struktur des Flugzeugs und beeinflussen damit auch die Sicherheit des Fliegens.

3.1.5.3 Das El Niño-Southern Oscillation Phänomen (ENSO)

In den vorigen Abschnitten 3.1.5.1 und 3.1.5.2 haben wir uns hauptsächlich mit meridionalen, d. h. breitenabhängigen Luftzirkulationen beschäftigt und dabei festgestellt, dass die Hadley-, Ferrel- und Polar-Zellen die Hauptträger für den globalen Wärmetransport sind.

Wie die Erfahrung jedoch zeigt, führt Temperaturungleichheit auch zu zonalen, d. h. längenabhängigen Luftzirkulationen. Während die meridionale Zirkulation hauptsächlich von der breitenabhängigen Intensität der Sonneneinstrahlung bestimmt wird, entwickelt sich eine zonale Zirkulation aller Voraussicht nach aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazität von Ozean und Land, was zu entsprechenden Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre führt.

Das El Niño-ENSO-Phänomen ist eine zum Äquator parallele, also zonale Oszillation und wird nach ihrem Entdecker Sir Gilbert Walker auch Walker-Zirkulation genannt. Die zonale Walker-Zirkulation überlagert die meridionale Luftzirkulation der Hadley-Zellen, unterliegt jedoch, wegen ihrer äquatorialen Lage, nicht dem Coriolis-Effekt.

Der Name, El Niño, wurde von peruanischen Fischern geprägt. Diese beobachteten, dass alljährlich zur Weihnachtszeit (deshalb El Niño, spanisch: „das Christkind“) die Meeresoberflächentemperatur anstieg, was das Ende des Fischfangs kennzeichnete. Normalerweise kommen die Fische im Frühjahr zurück. Bei zu starker Erwärmung bleiben die Fische jedoch aus, mit entsprechenden wirtschaftlichen Konsequenzen für die Fischerei-Industrie.

Heute verbindet man mit dem Begriff El Niño nur noch das gesamte Phänomen mit allen dazugehörenden Randerscheinungen einer außergewöhnlichen Erwärmung. Über mögliche Ursachen für das in unregelmäßigem Abstand von ca. 3 bis 8 Jahren auftretende El Niño-Ereignis gibt es derzeit nur Spekulationen, aber keine gesicherten Erkenntnisse. Alle plausiblen Hypothesen zum El Niño-Phänomen haben gleichwohl Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre zum Gegenstand.

Dieses komplexe Zirkulationssystem von Atmosphäre und Ozean im Pazifik wird vereinfacht folgendermaßen beschrieben: Von der Antarktis kommend fließt der kalte Humboldtstrom entlang der Anden an der Westküste Südamerikas nach Norden. Dank der vielen Nährstoffe im kalten Tiefenwasser gibt es in den Auftriebsgebieten ein reiches Nahrungsangebot für hohe Fischbestände vor der Küste.

Der nach Norden fließende Strom wird auf der Höhe des Äquators durch die vorherrschenden Ostwinde (Passat) nach Westen abgelenkt. Auf seinem vom Wind getriebenen Weg entlang des Äquators erwärmt sich das Oberflächenwasser, und staut sich an den Ostküsten von Australien und Indonesien. Als Folge ist der Meeresspiegel an der Westküste Südamerikas um fast einen halben Meter tiefer als vor den Ostküsten Indonesiens und Australiens. Die Wassertemperatur vor den Küsten Indonesiens und Australiens beträgt ca. 28 °C und im Osten vor der Küste Südamerikas ca. 24 °C. Die hohe Wassertemperatur im westlichen Pazifik führt zu einer großräumigen Ansammlung von feuchter, warmer Luft. Diese steigt somit über Indonesien in einem Tiefdruckgebiet nach oben und bildet Wolken, die fast täglich Regen bringen. Die aufgestiegene Luft wird im Wesentlichen längs des Äquators nach Osten abtransportiert und sinkt im Hochdruckgebiet über dem östlichen Pazifik ab. Da Absinkprozesse mit Wolkenauflösungen verbunden sind, gibt es in diesen Gebieten wenig Niederschläge. Den Kreislauf schließend weht die Luft, sich wieder erwärmend, zurück in Richtung des indonesischen Tiefs. Diese Wetterlage wird als Normalphase der Walker-Zirkulation bezeichnet, Abb. 39 oben.