Klimaänderungen in den Polargebieten

Abb. 1: Änderung der bodennahen Lufttemperatur auf der Nordhalbkugel nach Daten von Landstationen nördlich des 60. Breitengrades

Arktis

Abb. 2: Änderung der Sommer-(Mai-September) und Wintertemperatur (Oktober-April) in der Arktis 1979-2010; Abweichungen vom Mittel des Zeitraums

Erwärmung

Die arktischen Landgebiete haben sich in den letzten Jahren deutlich stärker erwärmt als die mittleren Breiten. 2015 lag die jährliche Mitteltemperatur der Landstationen nördlich von 60°N um 1,2 °C über dem Mittel der 1981-2010 bzw. 2,8 °C über den vorindustriellen Temperaturen. Das bedeutet eine um 1,5 °C höhere Temperaturzunahme als in den niederen Breiten. Dieses Phänomen wird als „Arktische Verstärkung“ (des Klimawandels) bezeichnet. Die Arktis erwärmt sich doppelt so schnell wie die mittleren und niederen Breiten. Die Temperaturzunahme ist in der Arktis regional überall festzustellen. So ist die Mitteltemperatur des Zeitraums 2001-2011 im Vergleich zu 1971-2000 sowohl über den Land- als auch über den Meergebieten angestiegen. Nirgendwo gab es eine negative Abweichung. In den letzten Jahren sind in einigen Regionen der Arktis die bodennahen Temperaturen gegenüber der Zeit vor 2002 sogar um 6 °C angestiegen. Eine Erwärmung gab es sowohl im Sommer (Mai-September) als auch im Winter (Oktober-April). Wie aus Abb.2 ersichtlich sind die Sommertemperaturen früher angestiegen als die des Winters. In den 2000er Jahren haben jedoch besonders die Wintertemperaturen zugenommen.

So waren die Winter 2015/2016 und 2016/2017 in der Arktis außergewöhnlich warm. Die Temperaturen lagen über machen Gebieten der Arktis um 4-6 °C über dem langjährigen Mittel von 1981-2000; lokale Werte lagen teilweise noch deutlich darüber. Die unmittelbaren Gründe dafür waren unterschiedlich. 2015/16 war der Hauptgrund der Einstrom von warmen Luftmassen aus niederen Breiten, 2016/17 eine starke Konzentration von Wasserdampf in der Atmosphäre. Im Dezember 2015 kam es zu einer abrupten Erwärmung infolge eines starken atlantischen Sturms, der bis an die Ostküste Grönlands reichte. Hintergrund war eine schwache Arktische Oszillation (AO) und ein schwacher Polarjet mit ausgeprägten Mäandern, die blockierende Wetterlagen mit weit nach Norden reichenden Hochdruck- und weit nach Süden reichenden Tiefdruckgebieten begünstigten. Dadurch kam es zu einem verstärkten Einstrom wärmerer Luftmassen in die Arktis und an anderer Stelle zu einem Ausstrom kälterer Luftmassen in mittlere Breiten. Der Winter 2016/17 war dagegen eher geprägt durch einen hohen atmosphärischen Wasserdampfgehalt, der den Treibhauseffekt über der Arktis verstärkte. Ein Grund dafür kann in den größeren eisfreien Bereichen des arktischen Ozeans gesehen werden, über denen mehr Wasser verdunstet. Satellitenbeobachtungen der letzten Jahre haben in den letzten Jahren einen zunehmenden Feuchtegehalt in der arktischen Atmosphäre festgestellt. Im Dezember 2016 war diese Luftfeuchte extrem.

In den letzten zwei bis drei Jahrzehnten zeigen auch die meteorologischen Stationen Grönlands einen entsprechend starken Temperaturanstieg . So nahm die bodennahe Lufttemperatur an den Küstenstationen Grönlands zwischen 1980 und 2012 im Allgemeinen um 2-6 °C zu, im Winter um 5,7 °C, im Sommer um 2,2 °C. An einzelnen Stationen kam es im Winter seit 1991 sogar zu Temperaturerhöhungen von 10 °C. Auch in den 2000er Jahren, als die globalen Temperaturen nahezu stagnierten, stiegen sie in Grönland im Winter um 2,9 °C und im Sommer um 0,8 °C an. Die Erwärmung war insgesamt an der Westküste merklich stärker als an der Ostküste. Das steht wahrscheinlich im Zusammenhang mit einer starken Nordatlantischen Oszillation (NAO), die für relativ milde südliche Winde entlang der Westflanke des Grönländischen Eisschildes gesorgt hat. Ostgrönland steht dagegen unter dem Einfluss des Ostgrönlandstroms, der kaltes Wasser aus dem Arktischen Ozean heranführt. Nach der Abschwächung der NAO seit ca. 2000 waren die Temepratursteigerungen dann auch geringer, aber immer noch deutlich höher als global.

Eis-Albedo-Rückkopplung

An der „Arktischen Verstärkung“ des Klimawandels wirken mehrere Faktoren mit, die miteinander in Wechselwirkung stehen:

1. die steigende Konzentration von Treibhausgasen und die damit verbundene Erwärmung der Atmosphäre und des Meerwassers,
2. die Abnahme der Eis- und Schneebedeckung und die damit verbundene Eis-Albedo-Rückkopplung,
3. die Ablagerung von Rußpartikeln auf dem Eis, die zum schnelleren Abschmelzen des Eises beiträgt,
4. die atmosphärische und ozeanische Zirkulation, die die Wärme räumlich verteilt und von Jahr zu Jahr unterschiedliche Wetterlagen bewirkt.

Abb. 3: Der Einfluss der Änderung der Albedo auf das Klima

Eine wärmere Atmosphäre und wärmeres Ozeanwasser lassen im Sommer das relativ dünne arktische Meereis schmelzen. Durch das Abschmelzen des Eises werden immer größere Wasserflächen frei, die die Sonnenstrahlung im Sommer nicht mehr wie Eisflächen in den Weltraum zurückstrahlen, sondern absorbieren und in Wärmestrahlen umwandeln. Dadurch erwärmt sich der Ozean zusätzlich und gibt die Wärme an die Atmosphäre ab. Die Folge ist ein noch stärkeres Abschmelzen des Eises usw. Die Ablagerung von Rußpartikeln auf dem Eis, die ebenfalls Stahlung absorbieren, verstärkt diesen Prozess. Das starke Abschmelzen des Eises hat zu einer immer größeren Verbreitung von dünnem einjährigen Eis geführt, das im Sommer leichter abschmilzt als das dickere mehrjährige Eis. Die dadurch immer ausgedehnteren und im Jahresverlauf früher eisfreien Wasserflächen nehmen zunehmend mehr Strahlungswärme auf und geben sie vor allem im Herbst und Winter an die sich abkühlende Atmosphäre ab.

Seit der Jahrtausendwende haben deutlich höhere Frühlingstemperaturen dazu geführt, dass das Eis zunehmend früher zu schmelzen beginnt. Damit reduziert sich die Albedo über dem Arktischen Ozean über einen größeren Zeitraum des Jahres. Der Ozean kann über mehr Monate hinweg Strahlung aufnehmen, die er anschließend an die Atmosphäre abgibt, besonders viel im September, wenn die offenen Wasserflächen am größten sind. Die ungewöhnliche Erwärmung der Atmosphäre reicht bis in den Oktober hinein. Das Wasser kühlt sich durch die Wärmeabgabe ab, was die Voraussetzung dafür ist, dass sich zum Winter hin wieder neues Eis bilden kann.

Atmosphärische Dynamik

Die Erwärmung der Arktis und das Abschmelzen des Eises erfolgen jedoch nicht mit einer linearen Steigerung von Jahr zu Jahr, und sie ist auch nicht überall gleich stark. Entscheidend für die zeitlichen und regionalen Unterschiede ist die atmosphärische Dynamik über der Arktis. Diese wird u.a. bestimmt durch den Polarwirbel, der zwischen der mittleren Troposphäre und der unteren Stratosphäre den Nordpol mit starken Winden gegen den Uhrzeigersinn umkreist. Die Erwärmung der Atmosphäre hat eine Anhebung der Luftdruckflächen, z.B. der 850 mb-Druckfläche, zur Folge. Dadurch wird der Polarwirbel geschwächt. Das macht Kaltluftausbrüche bis nach Europa einerseits und Warmluftströmungen von Süden in das Polargebiet andererseits wahrscheinlicher.

Durch den verstärkten meridionalen Luftmassenaustausch können häufiger arktische Tiefdruckgebiete entstehen, deren Stürme das dünne arktische Eis aufbrechen und zusammenschieben können, wodurch weitere Flächen eisfrei werden. Ein weiterer Grund für die Entstehung von Tiefs ist im Sommer und Herbst der Temperaturgegensatz zwischen den warmen Gebieten mit offenem Ozean und den eisbedeckten Arealen.

Eine Analyse der Jahre 2007 bis 2010 zeigt, dass es keine lineare Entwicklung beim Abschmelzen des Eises von Jahr zu Jahr gibt. Auf ein September-Eis-Minimum muss nicht im nächsten September eine noch geringere Eisbedeckung folgen. Wie das Rekordjahr 2007 zeigt, ist jede Schmelzsaison durch besondere Wetterlagen bestimmt, die ein stärkeres oder schwächeres Abschmelzen begünstigt. In den letzten Jahren hat sich häufig im Sommer ein Bodendruckmuster eingestellt, das als Arktischer Dipol bezeichnet wird, mit einem ungewöhnlich hohen Luftdruck von der Beaufort-See bis Grönland und einem ungewöhnlich niedrigem Luftdruck über dem östlichen Sibirien. Dieses Muster begünstigt südliche Winde über der Tschuktschensee (nördlich der Beringstraße) und den ostsibirischen Meeren, die die Eisschmelze verstärken und das Eis von den sibirischen Küsten Richtung Pol treiben. Außerdem wird durch diese Wetterlage der Eistransport aus dem Arktischen in den Atlantischen Ozean durch die Framstraße zwischen Grönland und Spitzbergen verstärkt. Im Sommer 2007 war der Arktische Dipol besonders gut entwickelt. In den folgenden drei Jahren war er weniger stark ausgeprägt.

Etwas anders war die Wetterlage im Sommer 2012, die die Entstehung des neuen Rekordminimums der arktischen Eisausdehnung im September 2012 einleitete. Das Tiefdruckgebiet des Arktischen Dipols lag 2012 nicht über dem Rand des Eurasischen Kontinents wie 2007, sondern nach Norden und Osten verschoben über den östlichen Randmeeren des Arktischen Ozeans bis hin zur Beaufortsee. Das Hoch war auf das Gebiet um Grönland und den nördlichen Atlantik begrenzt. Auch wenn diese Lage südliche Winde über der Beaufortsee begünstigten, war die Rekordeisschmelze im September nicht zu erwarten. Entscheidend war 2012 wahrscheinlich ein ungewöhnliches Tiefdruckgebiet. Die damit verbundenen Stürme breiteten sich im Anfang August über den Arktischen Ozean aus und brachen das dünne einjährige Eis über große Gebiete auf, das durch starken Wellenschlag weiter aufgelöst wurde. Während des Auguststurms verschwanden an nur drei aufeinanderfolgenden Tagen (7. – 9. August) fast 200 000 km² Eis.

Antarktis

Bestimmend für das antarktische Klima ist u.a. die Antarktische Oszillation (AAO), eine atmosphärische Westwindzirkulation rund um die Antarktis, die durch den Luftdruckgegensatz zwischen den mittleren Breiten (hoher Druck) und der antarktischen Küste (tiefer Druck) zustande kommt. In den letzten 50 Jahren ist die AAO intensiver geworden. D.h. die Westwinde haben sich seit Ende der 1970er Jahre um 15-20% verstärkt. Die Ursachen werden in der Zunahme der Treibhausgase und der Entwicklung des Ozonlochs über der Antarktis gesehen, wobei der Ozonverlust bei weitem den größten Einfluss hat. Die Bildung des Ozonlochs im Süd-Frühling führt zu einer Abkühlung der antarktischen Stratosphäre und so zu einer Verstärkung des Polarwirbels, eines Höhen-Tiefdruckwirbels, der sich im Winter in der mittleren und oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre über dem Südlichen Ozean rund um die Antarktis bildet. Im (Süd-)Sommer und Herbst setzt sich die Wirkung des Polarwirbels nach unten fort und verstärkt so die atmosphärische Zirkulation rund um die Antarktis in den unteren Schichten. Das Resultat sind stärkere Westwinde.

Seit den 1950er Jahren sind die Temperaturen über der Antarktischen Halbinsel und in geringerem Maße auch über der Westantarktis deutlich gestiegen, während der Rest des Kontinents wenig Änderung zeigte. Der größte Temperaturanstieg 1951-2006 wurde auf der Faraday/Vernadsky-Station vor der nordwestlichen Antarktischen Halbinsel mit 0,53 °C pro Jahrzehnt gemessen. Im Winter lag die Zunahme sogar bei 1,03 °C pro Jahrzehnt. Gegenwärtig lässt sich nicht sagen, ob diese starke Erwärmung eine Folge natürlicher Schwankungen ist oder durch den Klimawandel bedingt ist. Die Ostseite der Antarktischen Halbinsel hat sich nicht ganz so stark erwärmt, zeigt mit 0,41 °C pro Jahrzehnt aber ebenfalls einen beachtlichen Temperaturanstieg. Hier spielt die Verstärkung der Westwinde als Folge des Ozonlochs eine wichtige Rolle. Die Westwinde überqueren die Halbinsel und wärmen sich beim Abstieg auf der Ostseite föhnartig auf.

Die Antarktische Halbinsel ist in der Klimaentwicklung der Antarktis jedoch eine Ausnahme. Die Westantarktis insgesamt hat sich seit Mitte des letzten Jahrhunderts nur um 0,1 °C pro Jahrzehnt erwärmt, und das Innere der Ostantarktis weist am Südpol sogar eine leichte Abkühlung auf. Der Grund für die leichte Temperaturabnahme im Zentrum liegt möglicherweise darin, dass wegen der starken, durch das Ozonloch bedingten zirkumpolaren Strömung weniger Warmluft von Norden eindringen kann. Insgesamt wird die Temperaturzunahme über der gesamten Antarktis seit dem späten 19. Jahrhundert auf 0,2 °C geschätzt und liegt damit deutlich unter der globalen Erwärmung von 0,8 °C.

Im letzten Jahrzehnt zeigt sich jedoch für die Antarktische Halbinsel eine Trendwende. Im Gegensatz zu dem Erwärmungstrend in der letzten Hälfte des 20. Jahrhunderts zeigen viele Stationen in den 2000er Jahren einerseits stärkere Schwankungen der jährlichen Mitteltemperaturen und andererseits eine mehr oder weniger starke Abkühlung. In der Region des Larsen-C-Schelfeises betrug die Abkühlung z.B. -1,1 °C in 10 Jahren. Berücksichtigt man diese jüngste Temperaturabnahme des letzten Jahrzehnts, gibt es auf der Antarktischen Halbinsel über die letzten drei Jahrzehnte keinen statistisch signifikanten Erwärmungstrend mehr.

Weblinks

• Future of Arctic Climate and Global Impacts National Oceanic and Atmospheric Administration

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Kontakt: Dieter Kasang