Atmosphärische Zirkulation und Klimawandel

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Die wichtigsten Zirkulationszellen der Atmosphäre

Neben Veränderung wichtiger klimatischer Parameter wie Temperatur und Niederschlag wird auch diskustiert, inwieweit wichtige Wind- und Drucksysteme und damit die Struktur der Atmosphärischen Zirkulation durch den Klimawandel verändert werden.[1] Die klimatischen Bedingungen auf der Erde hängen entscheidend von der Atmosphärischen Zirkulation ab, so die Lage der feuchten Tropen, der trockenen Subtropen oder der gemäßigten Zone mit ihren niederschlgsreichen Tiefdruckzellen. Schon geringe Änderungen der Atmosphärischen Zirkulation können die Verteilung von Niederschlägen und Temperaturverhältnissen in bestimmten Regionen merkbar verschieben.

1 Die Ausweitung der Tropen

1.1 Tropen und Außertropen

Grundlegend für die Atmosphäre der Erde ist die Unterscheidung zwischen tropischer und außertropischer Zirkulation. In den Außertropen sind die Druckunterschiede und die Corioliskraft die entscheidenden Antriebe der Atmosphärischen Zirkulation. Vor allem im Winter, wenn der Temperatur- und damit auch der Druckunterschied zwischen Pol und Äquator besonders groß ist, entstehen Tiefdruckgebiete mit Stürmen und Niederschlag. Sie entwickeln sich vor allem über den westlichen Teilen des Pazifiks und Atlantiks.[1]

In den Tropen ist die Corioliskraft schwach. Wichtiger sind andere Prozesse wie Reibung, diabatische und latente Wärme. Die tropische ist daher sehr verschieden von der außertropischen Zirkulation. Das bekannteste Element der tropischen Zirkulation ist die Hadley-Zelle, die sich durch die starke Sonneneinstrahlung in der Innertropischen Konvergenzzone entwickelt. Die Walker-Zirkulation ist ein anderes bekanntes tropisches Zirkulationssystem, durch das Luftmassen in Ost-West-Richtung über den Pazifik transportiert werden, angetrieben durch niedrigen Druck und Konvektion im Westen und durch hohen Druck und Subduktion im Osten.[1]

Die Grenze zwischen Tropen und Außertropen ist nicht allgemeingültig definiert. Es gibt mehrere Unterscheidungskriterien, die sich in zwei Gruppen teilen. Die erste Gruppe betrifft dynamische Kriterien: die polwärtigen Grenze der Hadley-Zirkulation, die Position der subtropischen Jetströme oder die Grenze zwischen Westwinden und Ostwinden am Boden. Die zweite Gruppe bezieht sich auf physikalische Indikatoren: die Menge der langwelligen Ausstrahlung, die Konzentration von stratosphärischem Ozon, die Höhe der thermisch definierten Tropopause, die relative Feuchtigkeit der Luft, der Unterschied zwischen Niederschlag und Verdunstung am Boden.[1]

1.2 Ausweitung der Tropen

Ausdehnung des Tropengürtels aufgrund der Untersuchung verschiedener Merkmale in Breitengraden. Aus der Ozon-Analyse wurde nur die Ausdehnung der Tropen auf der Nordhalbkugel berechnet.

Mehrere auf Beobachtungen fußende Untersuchungen der letzten Zeit sind zu dem Ergebnis gekommen, dass die Tropen sich in den jüngsten Jahrzehnten ausgeweitet haben.[2] Satellitenbeobachtungen der stratosphärischen Ozonverteilung haben ergeben, dass das Gebiet mit relativ geringer Ozonkonzentration, wie es für die Tropen typisch ist, sich auf der Nordhalbkugel 1979-2003 um 2,5 Breitengrade ausgeweitet hat. Mit Hilfe von Radiosonden haben andere Forscher festgestellt, dass sich der tropische Bereich mit einer hohen Tropopause von über 15 km zwischen 1979 und 2005 um 5-8 Breitengrade ausgedehnt hat. Untersuchungen von Daten zu typischen Windrichtungen und zur langwelligen Ausstrahlung, die stark von der Wolkenbedeckung und dem atmosphärischen Wasserdampfgehalt abhängig ist, haben eine Ausweitung der Hadley-Zirkulation von 2 bis 4,5 Breitengraden für 1979-2005 ergeben. Auch die tropische Tropopause ist angestiegen, so dass die dreidimensionale Ausweitung des Tropengürtels auf etwa 5 % geschätzt werden kann.[3]

Da die Beobachtungsdaten jedoch insgesamt unzureichend sind und in den einzelnen Untersuchungen verschiedene Merkmale für die Grenzziehung zwischen Tropen und Außertropen zugrunde gelegt wurden, unterscheiden sich die Ergebnisse zur Ausdehnung des Tropengürtels z.T. beträchtlich und liegen zwischen 3 und 0,4 Grad pro Jahrzehnt. Ein wahrscheinlicher Mittelwert der Ausweitung der tropischen Zirkulationssysteme kann bei etwa 1 Grad pro Jahrzehnt für die letzten ca. fünf Jahrzehnte angenommen werden. Der Trend ist am ausgeprägtesten im Sommer auf der Südhalbkugel.[1] Eine jüngere Auswertung der aktuellen Forschung zum Thema sieht die Ausdehnung der Tropen eher bei weniger als 1 Grad/Jahrzehnt und schätzt die gesamte Ausdehnung seit 1979 auf 1-3 Breitengrade auf jeder Hemisphäre.[4]

1.3 Folgen der Ausweitung der Tropen

Klarer sind die Auswirkungen einer solchen Verschiebung der Grenzen der Tropen. Die äußeren Ränder des Tropengürtels sind die subtropischen Trockengebiete. Falls sie sich polwärts verschieben, hat das gravierende Konsequenzen für die Niederschlagsmuster und damit für die Wasserressourcen und die Landwirtschaft. Besonders betroffen wären die semiariden Regionen des Mittelmeerraumes, der südwestlichen USA, von Nordwestmexiko, Südaustralien, Südafrika und Teilen von Südamerika. Eine polwärtige Ausdehnung des Tropengürtels wird für diese dicht besiedelten Gebiete trockenere Bedingungen bedeuten. Andere Regionen, nämlich die am Südrand der Trockenzonen, könnten in das Gebiet der feuchten Tropen einbezogen werden, so etwa die Sahelzone. Eine Ausdehnung der Tropen könnte auch das Gebiet mit tropischen Wirbelstürmen größer werden lassen.[3]

1.4 Diskussion der Ursachen

Die Ausweitung der Tropen wird zumeist mit der globalen Erwärmung begründet.[1][5] So wurde die Ausweitung des Tropengürtels auf die Strahlungswirkung von Treibhausgasen zurückgeführt. Dabei scheint die Abkühlung der Stratosphäre, verursacht sowohl durch Treibhausgasemissionen wie durch Ozonvernichtung, eine wichtigere Rolle zu spielen als die direkte Treibhauserwärmung der Troposphäre.[6] Für die Nordhemisphäre wurden auch die in bestimmten Regionen zunehmende Rußbelastung der Atmosphäre sowie die durch menschliche Aktivitäten ebenfalls regional stark steigende Konzentration des troposphärischen Ozons als Ursachen für die Expansion der Tropen ausgemacht.[7]

Eine Untersuchung der Hadley-Zirkulation über einen längeren Zeitraum von 1871 bis 2008 kann diese Annahme jedoch nicht stützen. So haben sich die nördlichen und südlichen Ränder der Zirkulation von den 1870er Jahren bis in die 1920er Jahre Richtung Äquator bewegt und die Ausdehnung der Hadley-Zirkulation sich somit verringert. Erst seit Ende der 1970er Jahre ist eine deutliche Erweiterung der Zirkulation erkennbar, die aber die Werte vom Ende des 19. Jahrhunderts noch nicht erreicht hat, sondern um 1,44 Breitengrade darunter liegt. Danach ist nicht auszuschließen, dass die Ausweitung und Verengung der Hadley-Zirkulation einer natürlichen Jahrhundert-Schwankung unterliegt. Jedenfalls gibt es offensichtlich keine einfache Beziehung zwischen der globalen Erwärmung und der Ausdehnung der Hadley-Zirkulation.[5] Die Datenlage vor 1979, dem Beginn der Satellitenbeobachtung, ist allerdings schwierig, so dass davor gewarnt wurde, daraus die Schwankungen der Hadley-Zelle abzuleiten.[6]

2 Verschiebung der Sturmtiefs in den mittleren Breiten

Mehrere Studien sind zu dem Ergebnis gekommen, dass sich in einer wärmeren Welt die Sturmtiefs und Niederschlagszonen in den mittleren Breiten Richtung Pole verschieben werden, was zu mehr Trockenheit in den Subtropen und zu feuchteren Verhältnissen in den höheren Breiten führen wird.[8] Die physikalischen Mechanismen, die einer solchen Verschiebung zugrunde liegen, sind noch nicht endgültig geklärt.

In einem wärmeren Klima werden die Temperaturunterschiede zwischen Tropen und Außertropen in Bodennähe abnehmen, weil sich die hohen Breiten wegen der Schnee- und Eisalbedo-Rückkopplung stärker erwärmen als die mittleren und niederen Breiten. In der oberen Troposphäre wird es jedoch zu dem umgekehrten Effekt kommen, d.h. die Temperaturunterschiede werden zunehmen. Grund ist die stärkere Erwärmung in der oberen Troposphäre in den Tropen als Folge der erhöhten Freisetzung latenter Wärme. Die Erwärmung durch Treibhausgase fördert am Boden die Verdunstung. Dadurch nimmt die Luft mehr Wasserdampf auf, der in der Höhe kondensiert und latente Wärme freisetzt. Bei den Subtropen kommt die abnehmende Wolkenbedeckung, wodurch eine stärkere Sonneneinstrahlung möglich wird, hinzu. Eine wärmere tropische Troposphäre führt zur Anhebung der Tropopause und Ausweitung der hohen Tropopause der Tropen. Damit wird die Zone der größten Luftdruckdifferenz polwärts verschoben und mit ihr die Jetstreams und die Sturmbahnen der mittleren Breiten.[8][9] Die Folge werden geringere Niederschläge in den Übergangszonen zwischen Subtropen und mittleren Breiten, etwa im Mittelmeeraum, sein, während in den höheren Breiten, z.B. in Skandinavien, die Niederschläge zunehmen werden.

3 Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Reichler, T. (2009): Changes in the atmospheric circulation as indicator of climate change, in: Climate change: Observed impacts on planet Earth, T. M. Letcher, Ed., 145-164
  2. IPCC WG I (2013): Climate Change 2013: The Physical Science Basis, 2.7.5
  3. 3,0 3,1 Seidel, D.J., Q. Fu, W.J. Randel, and T.J. Reichler (2008): Widening of the tropical belt in a changing climate, Nature Geoscience, 1, 21– 24
  4. Lucas, C., B. Timbal and H. Nguyen (2013): The expanding tropics: a critical assessment of the observational and modeling studies, WIREs Climate Change, doi: 10.1002/wcc.251
  5. 5,0 5,1 Liu, J., M. Song, Y. Hu, and X. Ren (2012): Changes in the strength and width of the Hadley Circulation since 1871, Climate of the Past, 8, 1169–1175
  6. 6,0 6,1 Lu, J., C. Deser, and T. Reichler (2009): Cause of the widening of the tropical belt since 1958, Geophysical Research Letters 36, doi:10.1029/2008GL036076
  7. Allen, R.J., et al. (2012): Recent Northern Hemisphere tropical expansion primarily driven by black carbon and tropospheric ozone, Nature 485, 350-355
  8. 8,0 8,1 Wu, Y., et al. (2010): Changes in storm tracks and energy transports in a warmer climate simulated by the GFDL CM2.1 model, Climate Dynamics, DOI 10.1007/s00382-010-0776-4
  9. Riviére, G. (2011): A Dynamical Interpretation of the Poleward Shift of the Jet Streams in Global Warming Scenarios, Journal of the Atmospheric Sciences 68, 1253-1272


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