KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Der Nordpazifik spielt eine wichtige Rolle für das globale Klima.

Algen Clathromorphum nereostratum als neues Klimaarchiv entdeckt – Foto: S. Hetzinger / IFM-GEOMAR

Doch bisher sind die natürlichen dekadischen Klimaschwankungen in dieser Region weitgehend unerforscht, auch weil langzeitliche Messreihen und hochauflösende Klimaarchive fehlen. Meeresforschern des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) und der Universität Toronto gelang mit einer neuen Methode erstmals eine jahrgenaue Rekonstruktion des Klimas aus Kalkalgen aus dem Aleutenbogen für die vergangenen 200 Jahre. Ihre Ergebnisse sind in der internationalen Fachzeitschrift „Climate Dynamics“ erschienen.

Für die Entwicklung des Klimas sind die hohen Breiten von großer Bedeutung. Änderungen wirken sich dort stärker aus als beispielsweise in den Tropen. Außerdem ist bekannt, dass die Atmosphäre in diesen Breiten das Klima in anderen Erdregionen stark beeinflusst. Umso problematischer ist es, dass viele Klimaprozesse – zum Beispiel natürliche Klimaschwankungen, die sich im Bereich von einem bis wenigen Jahrzehnten abspielen – gerade im subarktischen Nordpazifik kaum erforscht sind. Das liegt unter anderem daran, dass verlässliche Messungen höchstens 100 Jahre zurückreichen, und natürliche Klimaarchive dort bisher nicht die nötige Auflösung haben, um kurzzeitige Klimaschwankungen in die Vergangenheit zurückverfolgen zu können.

Einer Gruppe von Ozeanographen des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) und der Universität von Toronto (Kanada) unter Leitung von Dr. Steffen Hetzinger, Prof. Dr. Jochen Halfar sowie dem Meteorologen Dr. Noel Keenlyside ist es nun erstmals gelungen, das Klima im nordpazifischen Raum bis ins Jahr 1818 jahrgenau zu rekonstruieren. „Wenn wir die Klimaschwankungen der Vergangenheit besser kennen, können wir auch das Klima der Zukunft genauer vorhersagen“, betont Dr. Hetzinger vom IFM-GEOMAR. Er ist Erstautor einer Studie im internationalen Fachmagazin „Climate Dynamics“, in der die Arbeitsgruppe ihre Ergebnisse vorstellt.

Für ihre Klimarekonstruktion nutzten die Wissenschaftler eine Rotalge, die in den Küstengewässern der Aleuten sehr verbreitet ist. Im Gegensatz zu frei im Wasser schwebenden Algen bildet die Art Clathromorphum nereostratum ein Kalkgerüst am Meeresboden. Ein Schnitt durch eine vom Meeresboden geborgene Algenprobe offenbart Jahresbänder ähnlich den Jahresringen von Bäumen. „Allerdings wachsen diese Algen extrem langsam, so dass die gezielte Beprobung bestimmter Wachstumsjahre äußerst präzise geschehen muss“, erklärt Dr. Hetzinger. Mit Hilfe von Spezialmikroskopen und einer sogenannten Elektronenstrahl-Mikrosonde haben die Wissenschaftler Variationen von Magnesium und Calcium in den Wachstumsbändern einer Algenprobe gemessen. „Daraus können wir Rückschlüsse auf die Wassertemperaturen und damit auf das Klima der vergangenen 200 Jahre ziehen“, erklärt Dr. Hetzinger.

Mit der neuen Methode konnten die Wissenschaftler erstmals eine angenommene Verbindung zwischen Klimaschwankungen im nordpazifischen und im nordatlantischen Raum auf dekadischen Zeitskalen anhand von Messergebnissen nachweisen. „Unsere Daten aus dem Nordpazifik zeigen eine Verbindung zwischen Schwankungen des Aleutentiefs und der Nordatlantischen Oszillation“, sagt Jennifer Mecking vom IFM-GEOMAR, die als Doktorandin intensiv an dem Projekt mitgearbeitet hat. Das Aleutentief hat dabei eine ähnliche Bedeutung für das Wetter- und Klimageschehen im Pazifik wie das Islandtief für den Atlantik. Die Nordatlantische Oszillation beschreibt die langzeitlichen Zirkulationsmuster im atlantischen Raum, die Schwankungen auf mehrjährigen Zeitskalen unterworfen sind.

In dieser Woche stellen die Forscher ihre Ergebnisse auch auf der Jahrestagung der American Geophysical Union in San Francisco vor. Parallel arbeiten sie daran, die Klimarekonstruktion für den Nordpazifik mit Hilfe von Clathromorphum nereostratum noch weiter in die Vergangenheit zu erweitern. „Hoffentlich verstehen wir dann die Prozesse in dieser für das Klima so wichtigen Region besser“, sagt Dr. Hetzinger.

Originalpublikation
Hetzinger, S., J. Halfar, J. V. Mecking, N. S. Keenlyside, A. Kronz, R. S. Steneck, W. H. Adey, P. A. Lebednik, 2011: Marine proxy evidence linking decadal North Pacific and Atlantic climate. Climate Dynamics. Im Web

In Wolken auf der Nordhalbkugel der Erde bildet sich Eis bei viel höheren Temperaturen als in Wolken auf der Südhalbkugel.

Vulkan Eyjafjallajökull brachte nach Ausbruch 2010 den europäischen Luftverkehr zum Stillstand – Foto: Tilo Arnhold / IfT

Das geht aus Laser-gestützten Untersuchungen am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT), an der Magellan-Universität in Chile, der Stellenbosch-Universität in Südafrika und während transatlantischer Überfahrten des Forschungsschiffs Polarstern hervor. Die Studie dokumentiere die Bedeutung von Partikeln bei der Eisbildung in flachen Wolkenschichten der nördlichen Hemisphäre, schreiben die Forscher im Fachblatt Geophysical Research Letters. Auch die höhere Luftverschmutzung auf der Nordhalbkugel steht im Verdacht, zu dem gefundenen Effekt beigetragen zu haben. Partikel aus Vulkanasche haben ebenfalls starken Einfluss auf die Eisbildung in Wolken. Das konnten die IfT-Forscher zusammen mit der Ludwig-Maximilians-Universität München in einer zweiten Studie nachweisen, für die Daten vom Ausbruch des Eyjafjallajökull-Vulkans auf Island im April 2010 ausgewertet wurden und die nun im Fachblatt Journal of Geophysical Research veröffentlicht wurde.

Um die hemisphärischen Unterschiede in den Wolkeneigenschaften zwischen Nord- und Südhalbkugel der Erde zu untersuchen, nutzten die Leipziger Wissenschaftler 2009 und 2010 die An- und Abreise des Forschungsschiffs Polarstern in die Antarktis, um die auf die in dieser Zeit gesammelten Daten mit einem bestehenden Wolkendatensatz aus Leipzig zu vergleichen. Auf den Fahrten nach Punta Arenas in Chile und Kapstadt in Südafrika konnten sie dabei die Wolkenbildung mittels Laser beobachten. Ein am IfT entwickeltes LIDAR-System sendet dazu Laserimpulse mit Wellenlängen von 355, 532 und 1064 Nanometern aus, die von in der Atmosphäre schwebenden Partikeln reflektiert werden. Durch die Drehung der Schwingungsrichtung des Laserlichts, der sogenannten Depolarisation, lässt sich der Aggregatszustand der Wolken bestimmen. Beim Vergleich mit den Messungen über Leipzig zeigte sich ein starker Unterschied in der Häufigkeit Eis enthaltender Wolken.

In Mitteleuropa bilden bereits rund 70 Prozent der Wolken bei Temperaturen um -18 Grad Celsius Eis. Im Süden Chiles und in Südafrika sind es hingegen nur 20 bzw. 35 Prozent. Ursache für einen derartigen Kontrast ist höchstwahrscheinlich die größere Anzahl und größere Vielfalt an in der Luft schwebenden Aerosolpartikeln, sogenannten Eiskeimen, auf der Nordhalbkugel, die Voraussetzung sind, dass sich Eis in Wassertropfen zwischen -40 und 0 Grad Celsius bilden kann. Die Partikel bestehen hauptsächlich aus Mineralstaub, Ruß und feiner Asche, deren Quellen die zahlreichen Wüsten und Waldbrände sind, aber auch die stärkere Luftverschmutzung durch den Menschen kann eine mögliche Ursache sein. “Verglichen mit der verschmutzten Atmosphäre auf der Nordhalbkugel ist die Luft über Punta Arenas am Rande der Antarktis regelrecht sauber. Die größte Stadt an der Südspitze Amerikas liegt mitten im antarktischen Tiefdruckgürtel. Die meiste Zeit des Jahres kommt die Luft daher aus Westen direkt vom Pazifik”, erklärt Thomas Kanitz, Doktorand am IfT.

Dass kleinste Aersolpartikel als Keime für die Wolkentropfenkondensation und die Eisbildung dienen und damit die Wolkenentstehung stark beeinflussen, ist schon lange bekannt. Reine, partikelfreie Wolkentropfen würden normalerweise erst bei etwa -40 Grad Celsius gefrieren. Diese Temperatur kann durch Kontakt mit wasserunlöslichen Partikeln und zum Teil auch durch bestimmte Bakterienarten wesentlich erhöht werden. Unklar ist jedoch immer noch, wie groß dieser Partikeleinfluss im Vergleich zu meterologischen Faktoren ist und ob die globalen Modelle, die Aussagen über künftige Klimaveränderungen machen, diesen Einfluss korrekt wiedergeben. Verbunden damit ist auch die Frage, ob sich die Wolken- und somit die Niederschlagsbildung in Regionen mit starker Luftverschmutzung von Regionen mit geringerer Luftverschmutzung unterscheidet. In den mittleren Breiten der Nordhalbkugel ist die freie Troposphäre zwischen zwei und zwölf Kilometern Höhe durch Aerosolpartikel aus vom Menschen verursachter Luftverschmutzung, Wüstenstaub und Biomasseverbrennung geprägt. In den mittleren Breiten der Südhalbkugel fehlen diese Partikel größtenteils, weil dort mehr Ozeane und wesentlich weniger Industrie, Waldgebiete und Wüsten zu finden sind.

Auch Vulkanausbrüche haben einen Einfluss auf die Eisbildung in Wolken. Mit Hilfe von zwei LIDAR-Systemen untersuchten Forscher vom IfT Leipzig und der Ludwig-Maximilians-Universität München während des Ausbruchs des Eyjafjallajökull-Vulkans auf Island im April 2010 die Wirkung der Aschepartikel auf die Wolkenvereisung über Leipzig und Maisach bei München. Dabei zeigte sich, dass es in allen von der Vulkanasche beeinflussten Wolken bereits zur Eisbildung gekommen ist, sobald deren Temperatur unter -15 Grad Celsius betragen hat. „Befindet sich Vulkanasche in der Atmosphäre, dann kann sich offenbar in jeder Höhe bei relativ hohen Temperaturen Eis bilden sobald ausreichend Feuchtigkeit verfügbar ist“, berichtet Dr. Patric Seifert, Wissenschaftler am IfT. Ohne Vulkanasche entsteht Eis an der Wolkenoberkante jedoch oft erst bei -25 Grad Celsius.

Originalpublikationen

Kanitz, T., P. Seifert, A. Ansmann, R. Engelmann, D. Althausen, C. Casiccia, and E. G. Rohwer (2011), Contrasting the impact of aerosols at northern and southern midlatitudes on heterogeneous ice formation, Geophys. Res. Lett., 38, L17802, doi:10.1029/2011GL048532.

Seifert, P., et al. (2011), Ice formation in ash-influenced clouds after the eruption of the Eyjafjallajökull volcano in April 2010, J. Geophys. Res., Vol. 116, D00U04, 14 PP., doi:10.1029/2011JD015702.

Aktuell trafen sich Forscher aus elf Nationen in Potsdam zur Auftaktveranstaltung für ein neues, vierjähriges EU-Projekt.

Welche Folgen hat das Auftauen eisreicher Permafrostböden? Foto: Hugues Lantuit / AWI

Was passiert, wenn die großen Mengen gebundenen Kohlenstoffs aus arktischen Böden in die Atmosphäre gelangen?
Dies ist die Leitfrage, der Feldforscher, Betreiber von Langzeitobservatorien und Modellierer von 18 Partnereinrichtungen im Projekt PAGE21 nachgehen, das aus Mitteln der Europäischen Union gefördert wird. Indem sie die Expertise ihrer Fachrichtungen bündeln, wollen die Wissenschaftler wertvolle Grundlagen für den fünften Weltklimabericht der Vereinten Nationen liefern.

„Ich freue mich sehr auf die eng vernetzte Zusammenarbeit der führenden Köpfe der europäischen Permafrostforschung in der Arktis“, sagt Prof. Dr. Hans-Wolfgang Hubberten von der Forschungsstelle Potsdam des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft. Der Mineraloge leitet das Projekt namens PAGE 21, das einen Umfang von fast 10 Millionen Euro hat und mit knapp 7 Millionen Euro aus dem siebten Rahmenprogramm der Europäischen Union gefördert wird. Es steht für Changing Permafrost in the Arctic and its Global Effects in the 21st Century, also Veränderungen im arktischen Permafrost und die globalen Auswirkungen im 21. Jahrhundert. „Wir müssen unser Grundlagenwissen über die physikalischen und biogeochemischen Prozesse verbessern, um zuverlässigere Prognosen für die zukünftige weltweite Klimaentwicklung liefern zu können“, so Hubberten weiter.

Etwa 50 Prozent des weltweit unterirdisch vorkommenden organischen Kohlenstoffs lagert in den nördlichen Permafrostregionen. Das ist mehr als die doppelte Menge des derzeit in der Atmosphäre vorhandenen Kohlenstoffs, der dort beispielsweise in Form der Klimagase Kohlendioxid und Methan auftritt. Gleichzeitig wirkt sich der Klimawandel in der Arktis besonders stark und rasch aus. So taut der Permafrostboden auf und setzt zusätzlich Klimagase frei, die diesen Effekt noch verstärken können.

Viele dieser Mechanismen sind für sich betrachtet grundlegend gut verstanden. Geht es aber um die Quantifizierung einzelner Prozesse, wird die Datenlage dünner. Also sind zunächst die Feldforscher gefragt: Sie stülpen beispielsweise in Sibirien Messgeräte über definierte Flächen von Permafrostboden und messen die austretenden Gase, wenn der Boden im Sommer auftaut. Um die zeitliche Entwicklung und saisonale Variationen zu erfassen, muss dies wiederholt stattfinden und möglichst weite Bereiche sowie auch möglichst lange Zeiträume eines Jahres abdecken. Standardisierte Methoden aller Partner sollen zusätzlich die Vergleichbarkeit der Daten erhöhen. So wollen die Projektpartner von PAGE21 qualitativ hochwertige Datensätze erstellen.

Diese Datensätze aus dem Permafrost bilden die Grundlage für die Weiterentwicklung globaler Klimamodelle. „Die heute verwendeten Modelle haben häufig noch Ungenauigkeiten, weil die Permafrostregionen mit all ihren Rückkopplungsmechanismen unterrepräsentiert sind“, sagt Hubberten. Im Rahmen von PAGE21 sollen jetzt dringend notwendige Schritte getan werden, um die Modelle zu verbessern. Sie liefern die Grundlage für Vermeidungs- und Anpassungsstrategien, die auf die Gesellschaft im 21. Jahrhundert zukommen.

Eine Strecke von rund 14.000 Kilometer trennt Grönland von der Antarktis.

Eisbohrkern auf Dome Concordia – Foto: S. Kipfstuhl, AWI

Trotzdem ist es einem internationalen Forscherteam gelungen, mithilfe von Klimadaten aus antarktischen Eisbohrkernen eine Kurve für Temperaturänderungen in Grönland zu rekonstruieren, die 800 000 Jahre weit in die Vergangenheit zurückreicht und damit völlig neue Einblicke in die Klimageschichte Grönlands und des Nordatlantiks ermöglicht.
Die Ergebnisse sind unter dem Titel „800,000 Years of Abrupt Climate Variability“ im Wissenschaftsmagazin Science erschienen.

Bei ihren Untersuchungen und Berechnungen bauten die Experten auf das so genannte „Seesaw“ oder „Klimawippen“-Modell der Ozeanzirkulation. Es besagt, dass Warmphasen im Norden des Atlantischen Ozeans mit Kaltphasen im Süden einhergehen – und umgekehrt.

„Auf Grönland gab es während der letzten Eiszeit abrupte Klima-Umschwünge. Diese führten innerhalb weniger Jahrzehnte zu Temperaturschwankungen von bis zu zehn Grad Celsius. Hervorgerufen wurden diese Sprünge durch Änderungen in der Stärke der atlantischen Umwälzbewegung, die Wärme in hohe nördliche Breiten transportiert. Verstärkte sich diese Wärmepumpe plötzlich, kam es zu einer stärkeren Umverteilung von Wärme aus dem Südozean in den Nordatlantik“, sagt Mitautor Dr. Gregor Knorr vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft. Die Forscher gingen deshalb bei ihren theoretischen Vorüberlegungen davon aus, dass sich Anzeichen für diese schnellen Klimaveränderungen sowohl in Grönland als auch in der Antarktis finden lassen müssten.

Informationen darüber, welche Temperaturen damals in beiden Regionen vorherrschten, gewinnen Wissenschaftler heute aus Eisbohrkernen. Diese Bohrkerne werden aus Eisschilden entnommen und zählen aufgrund ihrer zeitlich feinen Auflösung und relativ langen Messreihen zu den aussagekräftigsten Klimaarchiven. Die Eisschilde entstehen, indem Schnee auf ihre oberste Schicht fällt, dort verdichtet wird und im Laufe der Zeit eine neue Eisschicht bildet. Diese Schicht enthält dann nicht nur Luftbläschen und Spurengase aus jener Zeit, sondern archiviert auch die Wasser-Isotopen-Zusammensetzung des Niederschlags, mithilfe derer die Wissenschaftler weit in die Klimageschichte zurückblicken können. „Die längsten Bohrkerne aus dem grönländischen Eisschild reichen bis in die letzte Warmphase, also etwa 120.000 Jahre zurück. Das Eisarchiv der Antarktis dagegen umfasst die vergangenen 800.000 Jahre“, so Knorr.

Die Forscher verglichen in einem ersten Schritt Temperaturdaten aus grönländischen und antarktischen Eisbohrkernen der letzten 100.000 Jahre miteinander. Der grönländische Bohrkern stammte vom Eisschild im Zentrum der Insel. Die antarktischen Bohrkerne hatten Wissenschaftler im Jahr 2004 am so genannten Dome C auf dem ost-antarktischen Plateau geborgen.

Beide Eisbohrkerne bestätigten für diesen Zeitraum die theoretischen Annahmen der Wissenschaftler. „Die Daten aus den ersten 100.000 Jahren haben so überzeugend zusammengepasst, dass wir beschlossen, noch weiter in die Vergangenheit zu schauen“, berichtet Knorr. Anhand der real existierenden Daten aus der Antarktis berechneten die Forscher nun eine „künstliche“ Temperatur-Zeitreihe für Grönland, die bis zu 800.000 Jahre zurückgeht.

Deren Verlauf verglichen sie im Anschluss mit Klimadaten aus Höhlen in der zentral-chinesischen Provinz Hubei. „Heute weiß man, dass sich während besonders kalter Phasen im Nordatlantik die atmosphärische Zirkulation so stark veränderte, dass der Sommermonsun in China schwächer ausfiel. Diese Niederschlagsmuster finden sich noch heute in den Stalagmiten, die in diesen Höhlen wachsen und deren Klimaarchiv bis zu 400.000 Jahre zurückreicht“, sagt Knorr.

Die künstliche Temperaturkurve für Grönland bestand nicht nur den Höhlenvergleichstest. Sie lässt zudem den Rückschluss zu, dass die schnellen Klima-Umschwünge auf Grönland während der letzten Eiszeit keine Ausnahmeerscheinung waren. Sie sind in der Klimageschichte der letzten 800 000 Jahre offenbar in jeder Eiszeit aufgetreten. „Wir können mit unserer künstlichen Zeitreihe zeigen, dass im Laufe der letzten 800.000 Jahre plötzliche Klimaveränderungen anscheinend ein fester Bestandteil von Eiszeiten und beim Vergehen dieser waren. Das ist ein Resultat, dass definitiv Anlass zu weiterer Forschung gibt, da schnelle Klimaänderungen somit möglicherweise nicht nur eine passive Begleiterscheinung sind, sondern auch eine aktive Rolle beim Vergehen der Kaltzeiten gespielt haben könnten“, sagt Knorr. Diese neuen Erkenntnisse könnten helfen, besser zu verstehen, wie es zum Wechsel von einer Eiszeit zur anschließenden Warmzeit kommt. Bisher stellt diese Übergangsphase die Wissenschaftler noch immer vor Rätsel.

Zunächst einmal aber wollen die Forscher jetzt herausfinden, welche speziellen Prozesse diese Klima-Umschwünge initiieren und steuern. Zudem stehen sie vor der Aufgabe, diese Phänomene mit Klimamodellen zu simulieren und die bestimmenden Mechanismen zu identifizieren. „Die künstliche Temperaturkurve für Grönland könnte in Zukunft außerdem als gute Vergleichsgröße dienen“, sagt Knorr. Wissenschaftlern dürfte es mit ihrer Hilfe leichter fallen, das genaue Alter anderer Eis- und Sedimentproben besser einzugrenzen.

Die Moskauer Hitzewelle des vergangenen Jahres war mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Folge des Klimawandels – anders als bislang teils angenommen.

Smog über dem Roten Platz in Moskau durch die Waldbrände 2010 – Foto: Flickr, Timon91

Statt auf natürliche kurzfristige Klimaschwankungen ist der Temperaturrekord in der Region um die russische Hauptstadt auf den langfristigen Trend der Klimaerwärmung zurückzuführen, und zwar mit einer Wahrscheinlichkeit von 80 Prozent, wie Analysen von Wissenschaftlern des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) ergaben. Sie entwickelten eine Formel zur Berechnung der Häufigkeit von Klimaextremen. Ihre Ergebnisse werden diese Woche in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Mehr Hitzewellen: Extreme sind Folge des Klimawandels

„In vielen Ländern sind in den letzten Jahren nie dagewesene Wetterextreme zu beobachten, zugleich steigt die weltweite Mitteltemperatur seit Jahrzehnten steil an“, sagt Hauptautor Stefan Rahmstorf. „Wir haben untersucht, wie das zusammenhängt.“ Die Forscher machen in Zahlen fassbar, wieviele zusätzliche Wetterrekorde durch die Klimaerwärmung verursacht werden. Auch ohne Klimaerwärmung kann es durch natürliche Schwankungen zu neuen Rekorden kommen, aber deutlich seltener. Zunächst wenden die Forscher ihre Analysemethode auf Hitzerekorde an, zukünftig sollen auch andere Arten von Extremen untersucht werden. „Was die Temperaturen betrifft, so konnten wir zeigen, dass der Klimawandel unter dem Strich zu deutlich mehr Extremen führt“, so Rahmstorf. „Für die Menschen sind diese oft schädlich.“

“Für die Menschen oft schädlich”

So hat der vielfach als Jahrhundertsommer bezeichnete Sommer 2003 in Europa Tausende von Toten gefordert. Die Rekordhitze 2010 mit Schwerpunkt im westlichen Russland hat europaweit den extrem heißen Sommer 2003 sogar noch übertroffen – und führte zu Missernten beim Weizen, für den zwischenzeitlich in Russland ein Exportverbot erlassen wurde. Außerdem plagten zahlreiche Großbrände das Land.

Die Anzahl der Hitzerekorde wird um so größer, je steiler der klimatische Erwärmungstrend ist –  starke Temperaturschwankungen von Jahr zu Jahr verringern dagegen die Zahl der Rekorde. Auf den ersten Blick wirkt dies widersprüchlich, denn für das Einzelereignis ist es natürlich die starke Schwankung, die den Rekord ausmacht. In der Summe aber führen heftige Schwankungen dazu, dass die einmal erreichten Spitzenwerte nicht so rasch wieder übertroffen werden. Aus dem Verhältnis von Erwärmungstrend zu Schwankungen lässt sich die erwartete Häufigkeit neuer Rekorde berechnen. Beobachtungsdaten stützen diese Berechnungen und werden durch die theoretische Erkenntnis erklärbar.

Kälte-Extreme nur wenig verringert

Extreme Kälte lässt die Menschen genauso leiden wie extreme Hitze. „Unsere Analyse zeigt aber leider, dass die Zunahme der Hitze-Extreme bei weitem nicht ausgeglichen wird durch eine Abnahme der Kälte-Extreme“, so der Co-Autor Dim Coumou. Diese Abnahme ist nämlich gering. „Insgesamt ist die Häufigkeit von monatlichen Temperaturrekorden schon um ein Mehrfaches angestiegen.“

Originalpublikation:
Rahmstorf, S., Coumou, D. (2011): Increase of extreme events in a warming world. Proceedings of the National Academy of Sciences (early edition), [doi:10.1073/pnas.1101766108]

Die Erderwärmung wird vermutlich nicht zu einem dauerhaften El Niño-Zustand im südpazifischen Ozean führen.

Cucullaea raea-Schale aus dem Eozän Foto: Devin Buick / Department of Earth Science, Syracuse University, New York, USA

Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Forscherteam, nachdem es 50 Millionen Jahre alte Muschenschalen und Holz aus der Antarktis untersucht hat. In den Wachstumsringen dieser Fossilien finden sich Hinweise darauf, dass es auch in der letzten großen Warmphase der Erdgeschichte einen Klimarhythmus über dem Südpazifik gab, der dem heutigen El Niño-La Niña-Wechselspiel ähnelte.

Überschwemmungen in Peru, Dürre in Australien: Wenn sich der südpazifische Ozean alle drei bis sechs Jahre überdurchschnittlich erwärmt und „El Niño“ die Wetterabläufe bestimmt, verkehrt sich die Welt in den Anrainerstaaten. Fischer holen leere Netze ein, Ernten fallen aus, die Preise steigen und nahezu jedermann hofft, die Warmphase des Klimaphänomens El Niño Southern Oscillation (ENSO) möge so schnell wie möglich wieder abflauen.

Noch wechselt das ENSO-Phänomen regelmäßig von seiner Kaltphase (La Niña) in die Warmphase (El Niño) und zurück. Doch wie sieht die Zukunft aus? Wie wird der weltweite Temperaturanstieg ENSO beeinflussen? Wird es wohlmöglich zu einem dauerhaften El Niño kommen? Um diese wichtige Frage zu beantworten, schauen Wissenschaftler in die Vergangenheit – vor allem in das Eozän vor 60 bis 37 Millionen Jahren. „Das Eozän gilt als die letzte richtig große Warmzeit. Die Antarktis war damals eisfrei und grün. Es wuchsen sogar Bäume und von der Wassertemperatur des Meeres wissen wir, dass sie über das Jahr zwischen zehn und 16 Grad Celsius schwankte“, sagt Thomas Brey, Biologe am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft.

Ihm und Kollegen aus den USA und Deutschland ist es nun zum ersten Mal gelungen, in den Wachstumsmustern von Muschelschalen und Holz aus dem frühen Eozän  einen Rhythmus nach dem Muster des ENSO-Phänomen nachzuweisen.

Brey und Kollegen untersuchten 50 Millionen Jahre alte Schalen der Muschelarten Cucullaea Raea und Eurhomalea antarctica sowie ein Stück Holz von der Antarktisinsel Seymour Island. “Muscheln bilden wie Bäume Wachstumsringe. Deren Breite haben wir vermessen und auf Wachstumsrhythmen untersucht“, sagt Brey.

Ob Muscheln wachsen, hängt vom Futteraufkommen und der Wärme ab. „Das bedeutet, der damalige Wechsel von “guten” und “schlechten” Umweltbedingungen spiegelt sich noch heute in der Breite der Wachstumsringe wieder. Und wie wir zeigen konnten, erfolgte dieser Wechsel im gleichen Drei-bis-sechs-Jahres-Rhythmus, wie wir ihn vom heutigen ENSO kennen“, sagt Brey.

Die Muscheln sind für ihn ein echter Glücksfall. Brey: „Um ENSO nachzuweisen, brauchen wir Klimaarchive, die eine möglichst große Zeitspanne Jahr für Jahr abbilden. Die Muscheln lebten damals bis zu 100 Jahre lang. Das ist eine gute Basis für unsere Arbeit.“

Um ihre Deutung der Wachstumsmuster von Muschelschalen und Holz zu überprüfen, verglichen die Forscher ihre Messergebnisse sowohl mit aktuellen ENSO-Daten als auch mit den ENSO-ähnlichen Schwankungen, die ein Klimamodell des Eozäns produziert. Das Resultat: Alle Muster stimmen überein. „Unsere Ergebnisse sind ein starkes Indiz dafür, dass es auch im warmen Eozän ein ENSO-Phänomen gab, das zwischen warmen und kalten Phasen schwankte“, sagt Brey.

Eine gute Nachricht! Sollten die Wissenschaftler Recht behalten, bedeutet diese Erkenntnis für die Zukunft, dass der weltweite Temperaturanstieg den ENSO-Klimarhythmus über dem südpazifischen Ozean nicht aus dem Takt bringen dürfte.

Alarmierende Meldungen aus der Arktis: Die Ausdehnung des arktischen Meereises hat am 8. September 2011 mit 4,24 Millionen km² ein neues historisches Rekordminimum erreicht.

Das Eis schmilzt – Foto Gabi Huckelmann / Pixelio

Umweltphysiker der Universität Bremen bestätigten jetzt die seit Juli 2011 bestehende Befürchtungen, dass die Eisschmelze der Arktis weiter voranschreitet und sogar das bisherige historische Meereisminimum von 2007 übertroffen worden ist, eine weitere Konsequenz der Menschen gemachten Klimaerwärmung mit globalen Konsequenzen. Unmittelbar wird die Lebensgrundlage von Kleinlebewesen, Fischen, Vögeln und Säugetieren wie Eisbären und Robben mehr und mehr eingeschränkt.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Georg Heygster unter der Leitung von Professor Justus Notholt im Institut für Umweltphysik der Universität Bremen untersucht seit vielen Jahren die Meereisausdehnung mit Hilfe von Satellitenmessungen. Sie erstellen mit Förderung der ESA täglich Karten der aktuellen Meereisausdehnung, die jedermann auf der Website der Uni einsehen kann. „Der Rückgang des sommerlichen Eises beträgt seit 1972 bereits 50 Prozent.

Für Kleinlebewesen, die an der Unterseite des Eises leben und gleichzeitig Ausgangspunkt der Nahrungskette auch für uns Menschen sind, bleibt immer weniger Lebensraum“, schildert Dr. Georg Heygster die Folgen der arktischen Meereisschmelze. Denn die Kleinlebewesen benötigen einige Zeit, um sich an der Unterseite des Eises anzusiedeln. Sie stehen am Beginn der Nahungskette für Fische, Säugetieren und auch Menschen,

Die Ausdehnung des arktischen Meereises besitzt einen ausgeprägten Jahresgang mit etwa 15 Millionen km² im März und fünf Millionen km² im September. In 2007 waren es jedoch nur 4,267 Millionen km², dem niedrigsten Wert seit Beginn der Satellitenbeobachtungen 1972 und mit hoher Wahrscheinlichkeit seit dem letzten Klimaoptimum vor etwas 8000 Jahren. In den nächsten Wochen könnte die Fläche noch geringfügig weiter schrumpfen. Die Eiskarten des Instituts zeigen zudem, dass in diesem Jahr auch wieder Nordost- und Nordwestpassage gleichzeitig eisfrei. Erstmals war dies in 2008 eingetreten. Inzwischen beginnt die kommerzielle Nutzung der Nordwestpassage. 2008 hatte Beluga sie mit zwei Schiffen durchfahren, und kürzlich wurde sie in der Rekordzeit von nur acht Tagen von einem Tanker auf der Fahrt von Huston, Texas nach Map Ta Phut, Thailand bezwungen.

Dass das diesjährige Minimum Rekordniveau erreichen könnte, war bereits im Sommer abzusehen. Denn bereits da war die Eisausdehnung, verglichen mit demselben Monat in den anderen Jahren, minimal. Wegen der hohen Sonnenstände und langen Tage im Juli ist die Eisausdehnung zu dieser Zeit klimatologisch viel bedeutsamer als diejenige im September. Die vermehrte Sonneneinstrahlung in das offene Wasser im Juli erwärmt dieses, was zur zusätzlichen Eisschmelze von unten beiträgt und Bildung neuen Eises im folgenden Herbst verzögert. Die Abnahme des sommerlichen Meereises kann nicht mehr mit der natürlichen Variabilität von Jahr zu Jahr erklärt werden. Klimamodelle zeigen, dass sie vielmehr mit der globalen Erwärmung zusammenhängt, die in der Arktis aufgrund des Eis-Albedo-Effektes besonders ausgeprägt ist: Eisfläche, die aufgrund eines geringen Temperaturanstieges schmilzt, ist dann als offenes Wasser dunkler als vorher, nimmt deshalb mehr Sonnenstrahlung auf und trägt so zu einer zusätzlichen Erwärmung bei.

Das Meereis insgesamt schwindet
Im Gegensatz zum Minimum im September nimmt das jährliche Maximum im März weniger ab: im Winter frieren trotz sommerlicher Schmelze große Gebiete wieder zu. Aber: Dieses erstjährige Eis ist deutlich dünner als mehrjähriges Eis, welches mindestens einen Sommer überstanden hat. Deshalb schmilzt die Sonneneinstrahlung im Sommer das erstjährige Eis viel leichter als das mehrjährige Eis, und nach einem Minimum wie 2007 braucht die Eisdecke selbst bei unverändertem Klima mehrere Jahre, um sich zu erholen. Beobachtungen der vergangenen Jahre zeigen, dass außerdem die mittlere Eisdicke abnimmt. Die Gesamtmasse des arktischen Meereises schwindet also sowohl durch die Reduzierung der Fläche als auch der Dicke.

Karten der aktuellen Meereisausdehnung

Vom Menschen verursachte Aerosole wie Sulfatpartikel wirken in der Atmosphäre kühlend.

Ist der Dreck in der Atmosphäre klimatechnisch wünschenswert? – Foto: Dagmar Struß / birdfish

Klimaforscher nehmen an, dass sie einen Großteil des anthropogenen Treibhauseffekts kompensieren. Allerdings müssen sich die Partikel zum Teil in der Atmosphäre erst bilden. Diesen bisher kaum verstandenen Prozess, die Nukleation, nimmt das CLOUD-Experiment am CERN bei Genf unter die Lupe. Die Ergebnisse zeigen: die Beschreibungen der Aerosolneubildung in Klimamodellen muss revidiert werden. Darüber berichtet ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung Frankfurter Atmosphärenforscher Prof. Joachim Curtius in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“.

Natürliche Aerosolpartikel wie Seesalzpartikel oder Sandstaub reflektieren in der Atmosphäre Sonnenlicht und sorgen dafür, dass sich Wolkentröpfchen bilden können. Neben den natürlichen Aerosolpartikeln gibt es auch eine Vielzahl von Partikeln, die durch Menschen in die Atmosphäre gelangen. Ein Teil der Partikel entsteht dort erst neu durch die Zusammenlagerung von Molekülen. In Klimamodellen berücksichtigt man diese sogenannte Nukleation durch Korrekturen aus theoretischen Berechnungen oder man passt die Ergebnisse nachträglich an Beobachtungen an. Die dadurch entstehenden Unsicherheiten lassen sich nun durch exakte experimentelle Daten des CLOUD-Experiments erheblich verringern.

Wie ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung Frankfurter Atmosphärenforscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichtet, sind Schwefelsäure- und Ammoniakdämpfe, die bisher als wahrscheinlichste Kandidaten für die Nukleation in der Atmosphäre galten, nicht ausreichend, um die beobachteten Effekte zu erklären. Unter den kontrollierten experimentellen Bedingungen betragen die Nukleationsraten nur ein Zehntel bis ein Tausendstel der in der untersten Atmosphäre gemessenen. „Aufgrund dieser ersten Resultate von CLOUD ist nun klar, dass die Beschreibung der Aerosolnukleation in Atmosphären- und Klimamodellen revidiert werden muss“, urteilt Prof. Joachim Curtius von Institut für Atmosphärenforschung an der Goethe-Universität, der das Doktoranden-Netzwerk für CLOUD koordiniert. Gesucht wird nun nach weiteren chemischen Verbindungen, die zur Nukleation und ihren Effekten beitragen. Die Arbeitsgruppe an der Goethe-Universität trägt durch die Messung der Schwefelsäure sowie durch die Messung von kleinsten Aerosolpartikeln zu den Experimenten bei.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis von CLOUD ist, dass die von der kosmischen Strahlung verursachte Ionisation der Atmosphäre die Nukleation bis zum Zehnfachen verstärkt. Dieser Effekt ist insbesondere bei den kalten Temperaturen der mittleren und oberen Troposphäre ausgeprägt. Dort wird die Nukleation bereits durch Schwefelsäure- und Wasserdampf ausgelöst, ohne dass weitere Substanzen notwendig sind. Ob kosmische Strahlen einen signifikanten Einflussfaktor für das Klima darstellen, hängt aber letztlich davon ab, welche anderen Substanzen an der Nukleation beteiligt sind und wie sie von Ionen beeinflusst werden. Dabei interessiert die Forscher besonders, ob die Verbindungen aus menschgemachten oder natürlichen Quellen stammen. Untersuchen wollen sie auch, inwieweit die Aerosolnukleation die Eigenschaften der Wolken im Endeffekt verändert.

CLOUD ist das erste Klimaexperiment, das die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugten Teilchen nutzt, um den Einfluss der kosmischen Höhenstrahlung auf die Bildung neuer Aerosolpartikel zu untersuchen. Die speziell für diesen Zweck entwickelte Kammer besteht aus einem vier Meter hohen Zylinder, in dem die Forscher Aerosolpartikel und Wolken unter kontrollierten Bedingungen entstehen lassen. Temperatur, relative Feuchte, Ionisierung und die Konzentrationen der Spurengase lassen sich extrem genau kontrollieren. „Das Besondere an der CLOUD-Kammer ist, dass wir das Maß an störenden und die Messung verfälschenden Verunreinigungen geringer halten können, als in allen bisherigen Experimenten“, erklärt Joachim Curtius. CLOUD verwendet die weltweit beste Instrumentierung um die extrem niedrigen Konzentrationen der Spurengase und die nur wenige Nanometer großen Partikel genau zu messen.

Ein neuentwickeltes Messgerät verfolgt die Entstehung der sich bildenden geladenen molekularen Cluster. Es misst deren chemische Zusammensetzung und das Wachstum vom einzelnen Molekül bis zum fertigen Partikel. Eine weitere Besonderheit ist, dass Nukleationsprozesse unter verschiedenen Bedingungen miteinander verglichen werden können. Denn Spurengase werden einerseits durch die natürliche kosmische Strahlung ionisiert. Andererseits lässt sich eine zusätzliche Ionisierung mit Hilfe eines Pionen-Strahls vom Teilchenbeschleuniger des CERN erzeugen. Auch eine Messung, bei der die Einflüsse der Ionen vollständig unterdrückt werden, ist möglich.

Originalpublikation
Kirkby et al., „Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation”, nature, 25.8.2011, DOI 10.1038/nature10343