Das Klima

Wettergeschehen und Klima werden von der Sonneneinstrahlung geprägt. Die fortdauernde Zufuhr von Strahlungsenergie wird durch entsprechende Abstrahlung in den Weltraum ausgeglichen. Die zunehmende Industrialisierung und die Landnutzung durch den Menschen verändern die Eigenschaften des Planeten Erde, z. B. seine Fähigkeit, Strahlung zu absorbieren, zu reflektieren und zu emittieren - mit der möglichen Folge von anthropogenen Klimaänderungen. Um diese Änderungen richtig einschätzen zu können, müssen zunächst die natürlichen Änderungen des Langzeitklimas (über mehr als 10000 Jahre), des Mittelzeitklimas (10000 bis 100 Jahre) und des Kurzzeitklimas verstanden werden. Dann lassen sich fundierte Aussagen darüber machen, in welchem Maße menschliche Aktivitäten das Klima verändern und zu klimabedingten Katastrophen beitragen wie zu Überschwemmungen, Stürmen, Unwettern, Dürren, Hitze- und Kälteperioden.

Bohrkern aus dem Toten Meer

Bildbeschreibung:
Bohrkern aus dem Toten Meer. Die Ablagerungen geben Aufschluss über das Klima vor Tausenden von Jahren. Der älteste Bohrkern (rechts) zeigt eine feine Schichtung, die abrupt in eine grobe Salzablagerung übergeht. Das deutet auf einen plötzlichen Klimawechsel in der Region hin, von einem gemäßigten zu einem extrem trockenen Klima. Das rote Dreieck weist auf eine Sedimentlage aus Christi Zeiten, bei der die 14C-Datierung eines eingeschlossenen Holzstückchens ein ungefähres Alter von 268 v. Chr. bis 75 n. Chr. ergab. (GFZ, Potsdam)

Die Klimaforschung steht in großen wissenschaftlichen Herausforderungen, an denen die Öffentlichkeit ein außerordentliches Interesse hat. Ihre Ergebnisse tragen dazu bei, die Diskussion über die Ursachen von Klimaveränderungen zu versachlichen. Mit Hilfe dynamischer Klimamodelle werden vergangene Klimazustände rekonstruiert und die komplexen zeitlichen Abläufe des Klimasystems analysiert. Die Modelle beruhen auf hydrodynamischen Gleichungen wie den Navier-Stokes-Gleichungen und den thermodynamischen Zustandsgleichungen und ihren numerischen Lösungen. Als Informationsquellen über das erdgeschichtliche Klima dienen die natürlichen geologisch-biologischen Archive wie Meeres- und Binnenseeablagerungen, Bohrkerne aus den polaren Eiskappen, Korallen, Baumringe und Höhlensinter. Diese Archive stehen in den unterschiedlichsten Klimazonen der Erde zur Verfügung und verzeichnen Klimaänderungen mit sehr guter zeitlicher Auflösung. Bohrkerne beispielsweise, die aus dem Toten Meer gewonnen wurden, zeigen einen abrupten Klimawechsel vor etwa 2000 Jahren (s. Abb. 1). Für Zeiten davor findet man feinlaminierte Sedimente mit Resten biologischen Materials, die auf ein mediterranes Klima in dieser Region hinweisen. Diese klimatischen Bedingungen haben sich dann offensichtlich innerhalb weniger Jahre geändert, denn man findet oberhalb der laminierten Sedimente nur noch Salzablagerungen. Das deutet auf eine starke Verdunstung des Wassers hin und damit auf arides, also extrem trockenes Klima, wie es noch heute in dieser Region herrscht.

Die in solchen Klimaarchiven enthaltenen Informationen tragen dazu bei, zwischen den natürlichen Klimaschwankungen einerseits und den von Menschen verursachten Änderungen andererseits unterscheiden zu können, sowie die Vielzahl der Prozesse zu verstehen, die solche Klimaänderungen verursachen und steuern. Für die klimatische Entwicklung spielen die Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre, dem Ozean mit seinen großräumigen Strömungen (s. Abb. 2) und vor allem auch der Biosphäre eine wichtige Rolle. Die Kopplung zwischen großräumigen ozeanischen Strömungen und der Atmosphäre steuert z. B. das El-Niþo-Phänomen. Darunter versteht man die Störung bzw. das Ausbleiben der westwärts gerichteten Passatwinde im Pazifik vor Südamerika und damit der Westströmung des Oberflächenwassers. Dies wiederum führt dazu, dass sich warmes Westpazifikwasser nach Osten in Richtung Südamerika bewegt - mit dramatischen Folgen. Die Schwankungen der atmosphärischen Zirkulation über der Nordhemisphäre scheinen ebenfalls auf Wechselwirkungen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre sowie dem Meereseis zu beruhen.

Große globale Wasserbewegungen

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Schematische Darstellung der großen globalen Wasserbewegungen. Die Antriebskräfte dieser "Heizung" sind die Erwärmung des Oberflächenwassers in den äquatorialen Regionen durch Sonneneinstrahlung, die globalen Windsysteme (z. B. die Passatwinde) und das absinkende kalte, salzreiche Wasser in den arktischen Breiten. (W. Broecker, Lamont Doherty Observatory, Columbia University)

Ein empfindlicher Indikator für Klimaänderungen ist die Höhe des Meeresspiegels, da sie im Falle einer Erwärmung auf die thermische Ausdehnung des Ozeanwassers und einen möglichen erhöhten Eintrag von Süßwasser aus den Gletscherregionen reagiert. Es ist seit langem bekannt, dass sich die Höhe des Meeresspiegels in der Vergangenheit verschiedentlich dramatisch geändert hat - manchmal bis zu einigen Metern. Diese Änderungen sind in den Sedimenten dokumentiert, aber auch in Überlieferungen wie etwa der von der biblischen Sintflut. Die Höhe des Meeresspiegels kann wöchentlich mit einer Genauigkeit von einigen Millimetern mit Hilfe von globalen Meereshöhenmodellen aufgrund von Satelliten-Altimetermessungen mit Radar berechnet werden. So wird es möglich, die Veränderungen des Ozeanspiegels mit hoher zeitlicher Auflösung zu verfolgen. Voraussetzung dafür ist ein möglichst genau bekanntes Geoid als Bezugsfläche, wie es aus den Satelliten-Schwerefeldmessungen gewonnen wird. Neben der hohen zeitlichen Auflösung ergeben die Altimeterdaten auch ein Bild der Ozeane von großem räumlichen Detailreichtum. So kann das oben erwähnte El-Niþo-Phänomen zeitlich und räumlich verfolgt werden. Diese erst seit kurzem verfügbaren globalen Daten sind eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass man das Klima unter Berücksichtigung der Kopplung von Atmosphäre und Ozean modellieren kann.

Atmosphärische Vorgänge unterliegen starken Schwankungen auf einer Zeitskala von Jahren bis Jahrzehnten, die durch externe oder interne Prozesse hervorgerufen werden. Über Klimaänderungen, die die Dynamik in der Atmosphäre selbst verursacht, ist erst wenig bekannt. Man studiert sie mit Hilfe von aufwendigen numerischen Modellen, wobei man die externen Antriebsfaktoren wie die Stärke der Sonneneinstrahlung und die Zusammensetzung der Atmosphäre konstant hält. Diese Modelle berücksichtigen zahlreiche veränderliche Größen wie die lokalen Windgeschwindigkeiten, Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten. Je detaillierter ein Modell die realen Vorgänge erfasst, desto größer ist der Rechenaufwand und desto kürzer ist die Zeitspanne, für die das Modell eine Aussage ermöglicht. Der Rechenaufwand für eine Zeitspanne von 1000 Jahren beträgt, je nach Komplexität des Modells, zwischen einigen Stunden und Monaten.

Zeit-Frequenz-Analyse

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Eine Zeit-Frequenz-Analyse bringt zutage, wie die zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Zirkulation nahe der Erdoberfläche von periodischen Abläufen dominiert wird. Die analysierten Daten wurden mit einem vereinfachten Modell der Atmosphäre (oben) bzw. mit einem komplexen Modell des gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Systems (unten) erzeugt. Hohe Werte (siehe Farbbalken) entsprechen starken Klimavariationen. Dargestellt ist die spektrale Energie in Abhängigkeit von der Periode und der vergangenen Zeit. (AWI, Potsdam)

Man muss die benutzten Modelle stark vereinfachen, wenn man schnelle Berechnungen über eine Zeitspanne von Jahrtausenden durchführen und neue Einsichten in die grundlegenden physikalischen Mechanismen der Klimavariabilität gewinnen will. Die vereinfachten Modelle beschreiben die großräumige Zirkulation in der Atmosphäre, d. h. die westliche Strömung in den mittleren Breiten, und planetare Wellen mit Wellenlängen von Tausenden von Kilometern. Parallel dazu werden Langzeitrechnungen mit einem komplexen Modell des gekoppelten Atmosphäre- Ozean-Systems am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg durchgeführt. Dieses komplexe Modell, das zur Zeit zu den umfangreichsten Klimamodellen gehört, simuliert sowohl atmosphärische als auch ozeanische Größen wie Wind, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck mit einer horizontalen Auflösung von etwa 500 Kilometern. Allerdings ermöglichen selbst diese hochkomplexen Klimamodelle nur Aussagen über die Trends und die mittlere Schwankung der Klimaentwicklung. Es lassen sich insbesondere keine eindeutigen örtlichen Klimavorhersagen machen.

In verschiedenen "1000jährigen" Modellläufen wurden Klimavariationen in allen Atmosphärenschichten, bis hinauf in die Stratosphäre, analysiert. In Abb. 3 ist die zeitliche Entwicklung der Strömungsmuster, die nahe der Erdoberfläche dominieren, so dargestellt, dass man sowohl die charakteristischen zeitlichen Perioden der Strömungsmuster als auch den Zeitpunkt ihres Auftretens erkennen kann. In den vereinfachten Modellen ist das Verhalten der atmosphärischen Zirkulation durch stark wechselnde und zeitweilig aussetzende Perioden gekennzeichnet (s. Abb. 3, links). Die Analyse des gekoppelten Systems Atmosphäre-Ozean (s. Abb. 3, rechts) zeigt ebenfalls stark wechselnde und zeitweilig aussetzende Perioden im Bereich von Jahren bis hin zu einigen Jahrzehnten. Das vorherrschende Strömungsmuster in der Nordhemisphäre ist die Nordatlantik-Oszillation, die zu einem großen Teil das Winterklima in West- und Mitteleuropa bestimmt. Die Analyse der über rund 150 Jahre hinweg beobachteten Schwankungen der Nordatlantik-Oszillation bringt ein ähnliches Verhalten zu Tage wie die Modellanalyse: Es treten zeitweilig bevorzugte Perioden von zwei bis drei Jahren, sieben bis zehn Jahren und 15-20 Jahren auf. Das berechtigt zu der Hoffnung, dass man in den Modellen wichtige Details der realen Abläufe erfasst hat.

Die bisherigen Ergebnisse legen die Schlussfolgerung nahe, dass ein Großteil der dekadischen Klimaänderungen auf nichtlineare Entwicklungen in der Atmosphäre selbst zurückzuführen ist. Solche Entwicklungen sind z. B. die durch Erwärmung oder durch Landschaftsformen angeregten atmosphärischen Instabilitäten, interne Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen Wellen verschiedener Reichweite oder nichtlineare chaotische Übergänge zwischen verschiedenen Zuständen der atmosphärischen Strömung. Die Untersuchungen mit den vereinfachten Modellen der Atmosphäre haben das bestätigt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe des komplexen Modells des gekoppelten Atmosphäre-Ozeans-Systems beobachtet, dass bestimmte, spontan auftretende Signale durch die Meereszirkulation verstärkt werden können. Großräumige Wellenanomalien bestimmen, wie sich die Nordatlantik-Oszillation und andere Fernwirkungsmuster entwickeln und mit welcher Häufigkeit bevorzugte Strömungsmuster auftreten.

Bei der Suche nach einer Erklärung für die beobachteten Klimaschwankungen muss man künftig stärker beachten, dass in der Atmosphäre natürliche, längerfristige Veränderungen von selbst entstehen können. Erst wenn man dies berücksichtigt hat, lassen sich gegenwärtige und zukünftige Klimaänderungen glaubwürdig bewerten.