Landkarte, auf der einige Bereiche des Ozeans rot eingefärbt sind.

Das Pazifikphänomen El Niño

Erwärmt sich das Wasser vor der Küste Perus, dann ist „El Niño“ wieder da. In der Folge gibt es heftige Witterungsschwankungen rings um den Pazifik – am einen Ort regnet es zu viel, am anderen zu wenig.

Ist das Meerwasser vor der Küste Perus zur Weihnachtszeit ungewöhnlich warm, sprechen die Einwohner von „El Niño“. Das ist der spanische Begriff für „das Christkind“. Ein Geschenk ist das warme Wasser für peruanische Fischer allerdings nicht gerade; es vertreibt nämlich die Fische.

Der Begriff El Niño ist schon vor Jahren in die Fachsprache eingegangen. Wissenschaftler sehen das Phänomen als auffälligen Teil der stärksten Witterungsschwankung auf unserem Planeten. Vor allem im Pazifikraum kann El Niño monatelang das Wetter durcheinanderbringen. Markant sind die veränderten Regenfälle: Bei El Niño herrscht über Indonesien und dem Osten Australiens Dürre. Ecuador und Teile der USA müssen derweil mit ungewöhnlich nassem Wetter rechnen. Die Wetteranomalien lassen oft sogar die Preise von Nahrungsmitteln wie Kakao und Kaffee steigen.

Eine gekoppelte Oszillation

Foto. Tobendes Wildwasser eines Flusses, rechts ein Nadelbaum und im Hintergrund eine Felswand.
Hochwasser im Stillaguamish River

Reden Experten von El Niño, fällt relativ bald auch der Begriff „ENSO“. Die Abkürzung steht für „El Niño/Southern Oscillation“ und bezeichnet die Gesamtheit der Witterungsschwankung. Mit der südlichen Oszillation – das ist die Übersetzung des zweiten Teils – ist eine Luftdruckschwankung im Pazifik gemeint. Sie steht mit der ozeanischen Oszillation inklusive El Niño in enger Verbindung. Die Atmosphäre und der Ozean sind bei ENSO nämlich gekoppelt.

Generell treiben Passatwinde im tropischen Pazifik die warmen Wassermassen an der Oberfläche permanent nach Westen. Darum werden nahe den Philippinen und Indonesien die höchsten Wassertemperaturen des Ozeans gemessen. In tieferen Schichten führt der windgetriebene Wassertransport dazu, dass die Schichtgrenze zwischen warmem und kühlem Wasser – die sogenannte Thermokline – nach Westen hin abwärts geneigt ist.

Bei El-Niño-Bedingungen schwächeln die Passatwinde. Dann kippt die Thermokline ein Stück weit zurück in die Waagerechte – und vor der Westküste Südamerikas erwärmt sich das Wasser. Normalerweise herrschen dort kühle Meerestemperaturen, die Plankton und Fische gedeihen lassen. Bei El Niño bleiben sie aus.

Auch der Luftdruck ändert sich: Im tropischen Ostpazifik ist er bei El Niño besonders niedrig, im tropischen Westpazifik besonders hoch. Zugleich verschiebt sich die stärkste Schauerbewölkung nach Osten, in die Mitte des tropischen Pazifiks. Schwingungen von ENSO lassen sich also sowohl anhand der Wassertemperaturen als auch anhand der Luftdruckwerte charakterisieren.

Infografik. Weltkarte. Einige Regionen im Pazifikraum sind markiert. Eine Markierung bedeutet überdurchschnittlich starke Regenfälle, die andere besonders schwache Regenfälle.
Folgen von El Niño

In den Monaten nach El Niño entwickelt sich meistens das kalte Pendant „La Niña“, was übersetzt „das Mädchen“ bedeutet: Dann weht der Passatwind stärker und die Wassertemperaturen vor der Küste Südamerikas sind ungewöhnlich niedrig. Auch der Luftdruck und die Regenfälle entwickeln eine zu El Niño komplementäre Tendenz: In Australien kommt es in der Folge häufiger zu Überschwemmungen – und im Süden der USA zu Dürren.

Wie funktioniert ENSO physikalisch?

ENSO ist zwar eine Oszillation, sie hat aber keine feste Periodendauer: El Niño kehrt unregelmäßig wieder – alle zwei bis sieben Jahre. Die Anzeichen für ein neues Ereignis seien vorrangig im Ozean zu erkennen, erklärt Ingo Richter vom Yokohama Institute for Earth Sciences in Japan. Charakteristisch für die Entwicklung von El Niño sei, dass sich in den Monaten zuvor die Westwinde im tropischen Pazifik abschwächten, so Richter. Das löse im Meer zwei wellenförmige Reaktionen aus: Es entstehe eine Kelvinwelle und eine Rossbywelle (siehe Kasten).

Die Kelvinwelle wandert nach Osten. Dabei unterdrückt sie das Aufsteigen kalten Wassers, sodass die Temperatur an der Meeresoberfläche steigt. Die Rossbywelle bewegt sich in westlicher Richtung und wird bei Indonesien reflektiert. Daraufhin löst sie eine kalte Kelvinwelle gen Osten aus. Dort senkt sie die Temperaturen wieder – drei Monate nach der Erwärmung durch die erste Kelvinwelle. Man kann also sagen, dass der Auslöser von El Niño bereits den Keim für das Ende in sich trägt.

Dreiteilige Infografik. Es sind drei Querschnitte durch den Pazifik. Bei drei verschiedenen Bedingungen sind die Wolken, die Wassertemperaturen und die Schichtung des Meeres dargestellt.
Oszillation im Pazifik

ENSO kann ausschließlich am Äquator auftreten. Das hat eine leicht verständliche physikalische Ursache. Sie hängt mit der Erddrehung zusammen, wie Dietmar Dommenget von der Monash University in Australien erklärt. Nur am Äquator, so Dommenget, können Kelvinwellen das vom Wind ausgelöste Signal rasch und auf geradem Weg durch den Ozean transportieren. Das liegt daran, dass die Corioliskraft am Äquator gleich Null ist. An anderen Breitengraden führt diese Scheinkraft dazu, dass jede Wellenstörung sofort zur Seite abgelenkt wird.

Laut Dommenget verhält sich ENSO wie ein gedämpftes Pendel. Es schwingt also nichts von selbst: Zufällige Störungen, die vor allem vom tropischen Wetter ausgehen, müssen ENSO immer wieder von Neuem zu Schwingungen anregen.

Die Prognose

Wie sich ENSO entwickelt, berechnen mehrere Forschungszentren auf der ganzen Welt. Der Prognosezeitraum läuft in der Regel über ein paar Monate. Wegen der gravierenden Auswirkungen des Phänomens handelt es sich um die wichtigste Witterungsvorhersage der Erde. Inzwischen sind die Prognosen immerhin so gut, dass durch Frühwarnungen größere Schäden vermieden werden können.

Wie funktionieren die Vorhersagen? Die Datengrundlage liefern Satelliten und Wetterstationen, aber auch Messbojen im Pazifik. Die Bojen erfassen Temperaturen bis in eine Tiefe von bis zu zwei Kilometern. Mit Computermodellen prognostizieren Fachleute, wie sich Ozean und Atmosphäre zeitlich entwickeln. Eine Zusammenschau der verschiedenen Modelle liefert Hinweise darauf, wie sicher die Entwicklung einzuschätzen ist.

Foto. Offenes Meer. Eine Boje, im Wasser dümpelnd. Auf der Boje sind Messinstrumente zu erkennen. Ein Schiff im Hintergrund.
Messboje im Pazifik

Besonders schwierig sei es, die gelegentliche Abschwächung der Ostwinde im tropischen Pazifik vorherzusagen, die für die Verstärkung von El Niño so wichtig sei, meint Richter. Das Problem besteht weniger in der mangelnden Güte der Messwerte als in der Eigendynamik der tropischen Atmosphäre. Das Wetter in den Tropen verhält sich stark nichtlinear, was die Vorhersagbarkeit ganz prinzipiell einschränkt. In mehreren Studien, so Dommenget, habe sich zudem gezeigt, dass die Vorhersagbarkeit von ENSO von Jahr zu Jahr schwankt. Gerade im letzten Jahrzehnt gestalteten sich Prognosen schwierig. Denn der El Niño fiel nicht – wie etwa 1982/1983 und 1997/1998 – kräftig aus, sondern nur schwach. Bei diesen Ereignissen erwärmte sich zudem eher der zentrale Pazifik, was mit anderen Prozessen zusammenhing als sonst.

Auch wie sich ENSO mit der globalen Erwärmung verändern wird, ist noch offen. Das betrifft vor allem die Frage, ob es in Zukunft häufigere oder stärkere El-Niño- und La-Niña-Ereignisse geben wird. Eine klare Tendenz lässt sich bis jetzt nicht angeben. Laut Dommenget zeigen aber mehrere Studien, dass sich die mit El Niño und La Niña verknüpften Regenfälle verstärken, wenn die Temperatur wie erwartet steigt. ENSO bleibt demnach eine Herausforderung – für Wissenschaftler ebenso wie für die Einwohner der betroffenen Länder.

 

Kelvinwellen und Rossbywellen im Ozean

Bei El Niño treten Kelvinwellen an der Thermokline auf: Oszillationen an der Grenze zwischen dem warmen Wasser der Oberfläche und dem kühleren Wasser darunter. Die Wellen sind vertikal ausgelenkt. Sie werden in erster Linie durch die Gravitationskraft aufrechterhalten. Am Äquator wandern Kelvinwellen mit ungefähr 2,5 Metern pro Sekunde in Richtung Osten. Nach dem Auftreffen auf die südamerikanische Küste können sie sich aufspalten und als zwei getrennte Kelvinwellen die Küsten von Nord- und Südamerika in Richtung Pole weiterlaufen.

Rossbywellen gibt es auch in der Atmosphäre. In den mittleren Breiten steuern sie die Großwetterlagen. Eine atmosphärische Rossbywelle erstreckt sich in den mittleren Breiten über Tausende von Kilometern. Die Wellenlänge im Ozean hat eine Größenordnung von Hunderten bis Tausenden Kilometern. Sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen treten die horizontal ausgelenkten Rossbywellen wegen einer dem Drehimpuls verwandten Wirbelgröße auf, der sogenannten potenziellen Vortizität oder Vorticity. Am Äquator selbst gibt es keine Rossbywellen, da die Corioliskraft ungleich Null sein muss, damit die Wellen existieren können. Je näher Rossbywellen dem Äquator kommen, desto schneller werden sie. Dennoch sind sie deutlich langsamer als Kelvinwellen. In der Nähe des Äquators haben ozeanische Rossbywellen eine Geschwindigkeit von ungefähr einem Meter pro Sekunde.