KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Trotz internationaler Abkommen zum Schutz der Ozonschicht schließt sich das Ozonloch erwartungsgemäß nur sehr langsam.

Forschungsschiff SONNE sucht nach Quellen für ozonabbauende Gase im Meer – Foto: B. Grundmann / IFM-GEOMAR

Vorhersagen über die weitere Entwicklung sind unter anderem deshalb sehr schwierig, weil die Rolle von Spurengasen natürlichen Ursprungs beim Ozonabbau noch unbekannt ist. Mit einer umfangreichen Messkampagne im Südchinesischen Meer wollen Wissenschaftler aus Europa und Malaysia diese Prozesse genauer untersuchen. Ein zentraler Teil der Kampagne sind Messungen am Übergang von Meer und Atmosphäre. Ausgeführt werden sie mit dem deutschen Forschungsschiff SONNE unter Fahrtleitung des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR).

Ozon kommt in der Erdatmosphäre nur in winzigen Konzentrationen vor. Doch ohne dieses Spurengas wäre Leben auf der Erde wie wir es kennen kaum möglich, da die Ozonschicht in der Stratosphäre uns vor der extrem schädlichen ultravioletten Strahlung aus dem Weltraum schützt. Als 1985 erstmals ein „Ozonloch“ über der Antarktis entdeckt wurde, handelte die Politik rasch: Das 1989 in Kraft getretene Protokoll von Montreal begrenzt die Emission von ozonschädlichen Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW). Erholt hat sich die Ozonschicht allerdings noch lange nicht. Ein Grund ist die Langlebigkeit vieler ozonabbauender Substanzen, die die Menschheit schon vor langer Zeit frei gesetzt hat. Doch es gibt auch natürliche Quellen für halogenhaltige Verbindungen, die Ozon in der Atmosphäre abbauen. Dazu gehören vor allem Brom- und Jodverbindungen, die Mikroorganismen und Pflanzen im Meer produzieren und die bei Austauschprozessen zwischen Wasser und Luft in die untere Atmosphäre gelangen. Starke Aufwärtsströmungen warmer Luft (hoch reichende Konvektion) transportieren sie weiter in die Stratosphäre und damit bis in die Ozonschicht. „Wir müssen die Menge dieser ozonschädlichen Substanzen kennen und die Chemie- sowie Transportprozesse besser verstehen, um zuverlässige Aussagen über die Entwicklung der Ozonschicht treffen zu können“, sagt die chemische Ozeanographin Dr. Birgit Quack vom Kieler Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR). Sie leitet zusammen mit der Meteorologin Dr. Kirstin Krüger die Expedition SO218 mit dem deutschen Forschungsschiff SONNE, die vom 15. bis 29. November 2011 diese Prozesse im Südchinesischen Meer und in der Sulu See vor Malaysia und den Philippinen erforschen wird.

Die Expedition ist Teil des EU Forschungsprojekts SHIVA (Stratospheric Ozone: Halogen Impacts in a Varying Atmosphere), in dem Wissenschaftler aus fünf europäischen Staaten und aus Malaysia die natürlichen Ursachen für Ozonabbau erforschen. „In den Küstengewässern vor Borneo und Malaysia gibt es bisher überhaupt keine Messungen halogenhaltiger Gase, obwohl dort starke Quellen für die Atmosphäre vermutet werden“, erklärt Dr. Krüger. Außerdem ist die hoch reichende Konvektion, die als effektiver Transportweg der Spurengase in die Stratosphäre gilt, vor allem im tropischen Westpazifik stark ausgeprägt. „Deshalb ist diese Region besonders interessant für uns“, ergänzt Dr. Quack.

Um ein möglichst umfassendes Bild der Transportwege dieser Gase zu erlangen, ist im Rahmen der SHIVA-Messkampagne auch das Forschungsflugzeug FALCON des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) auf Borneo stationiert. Es wird in Abstimmung mit den Wissenschaftlern auf der SONNE eine Vielzahl atmosphärischer Parameter untersuchen. Weiterhin werden Beobachtungen des Umweltsatelliten ENVISAT genutzt, die mit Schiffs- und landgestützten Messungen verglichen werden. So wird der Weg der relevanten Spurengase von den südost-asiatischen Küstengewässern bis an die Grenze zwischen Troposphäre und Stratosphäre in rund 15 Kilometern Höhe verfolgt.

„Im Rahmen der Expedition wollen wir einen möglichst umfangreichen Beobachtungsdatensatz gewinnen, um qualitative und quantitative Abschätzungen über die Mengen des transportierten Materials und deren Wege sowie deren chemischen Umwandlungen zu erhalten“, so Dr. Krüger. „Am IFM-GEOMAR verfügen wir über langjährige Erfahrung bei der Messung des Austauschs von Spurengasen zwischen Ozean und Atmosphäre.“ Dank der engen Zusammenarbeit der Forschungseinrichtungen und der Verknüpfung so unterschiedlicher Messplattformen wie Schiff, Flugzeug und Satellit besteht nun die Chance, das Problem des globalen Ozonabbaus besser zu verstehen. „Wir sind sehr gespannt auf die Ergebnisse“, sagt SONNE-Fahrtleiterin Dr. Quack.

Hintergrundinformationen:

Die Messkampagne im Südchinesischen Meer ist Teil des im 7. Rahmenprogramm der EU finanzierten Projekts SHIVA (Stratospheric Ozone: Halogen Impacts in a Varying Atmosphere). Wissenschaftler aus Belgien, Deutschland, Frankreich Großbritannien, Norwegen und Malaysia erforschen darin gemeinsam die Entstehung und den Weg von ozonschädigenden Gasen. Die Koordination des Gesamtprojekts liegt bei Prof. Dr. Klaus Pfeilsticker von der Universität Heidelberg.

Weitere Infos

• Das Projekt SHIVA
• Übersicht über die Expedition SO218 und aktuelle Berichte von Bord

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 Stickoxidmengen, die in Ballungszentren in die Luft gelangen, lassen sich künftig unabhängig von Hochrechnungen und Modellsimulationen bestimmen.

Smog über Wien – Foto: Adolf Riess / Pixelio

Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie bestimmen aus Satellitendaten zur aktuellen Schadstoffbelastung und Wetterdaten, wie lange die Stickoxide in der Atmosphäre bleiben. Aus der Verweildauer und der aktuellen Belastung errechnen sie dann den ursprünglichen Ausstoß. Die Erfassung der Emissionen ermöglicht gezielte Maßnahmen zur Luftreinhaltung. Bislang werden die Emissionen anhand von Hochrechnungen abgeschätzt, was oft zu ungenauen Ergebnissen führt.

In Großstädten entweichen Unmengen an Schadstoffen in die Atmosphäre. So entstehen besonders im Verkehr täglich tausende Tonnen an gesundheitsschädlichen Stickoxiden, die in vielen Ländern noch ungefiltert in die Luft strömen. Wie hoch die Emissionen im Schnitt sind, ermitteln Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz mit Kollegen der Universität Heidelberg und des königlich-niederländischen meteorologischen Instituts de Bilt nun erstmals anhand umfangreicher Messungen des Satelliteninstruments OMI, das die weltweite Stickoxid-Belastung misst.

„Wir haben einen unabhängigen Weg gefunden, aus den Satelliten-Daten die durchschnittliche Verweildauer des Stickoxids in der Luft zu bestimmen“, sagt Steffen Beirle, Erstautor der Studie, die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlicht wird. Nur wenn die Forscher wissen, wie lange eine Substanz in der Atmosphäre bleibt, können sie nämlich aus der aktuellen Belastung berechnen, wie viel von dem Stoff ursprünglich ausgestoßen wurde.

Die freigesetzten Abgasmengen werden weltweit zwar seit Jahren in Emissionskatastern erfasst. Allerdings basieren diese Kataster meist auf Hochrechnungen von Verkehr und Energieverbrauch der jeweiligen Staaten, die besonders in Schwellen- und Entwicklungsländern oft noch sehr ungenau sind oder nicht existieren.

Ihre unabhängige Methode haben die Forscher unter anderem auf die saudi-arabische Hauptstadt Riad angewendet, die in den vergangenen Jahren enorm gewachsen ist und daher unter immer höheren Stickoxidbelastungen zu leiden hat. Als Testfall für die Mainzer Methode eignet sich die Metropole besonders gut, weil sie isoliert auf der arabischen Halbinsel liegt, so dass sich ihre Stickoxid-Emissionen nicht mit denen anderer wesentlicher Quellen vermischen, was die Analyse zusätzlich erschweren würde.

Um Information über die durchschnittliche Verweildauer der Stickoxide zu bestimmen, untersuchten die Wissenschaftler, wie schnell diese in der Abgasfahne abgebaut werden. Um klare Abgasfahnen in den Satellitendaten erkennen zu können, bedienten sie sich dabei eines Tricks: Sie nutzten Wetterdaten, um die Messergebnisse von OMI für acht verschiedene Windrichtungen sowie für Windstille zu sortieren, und getrennte Karten der mittleren Stickoxidbelastung um Riad zu erstellen. Mit einer mathematischen Operation können daraus die Verweildauer des Stickoxids in der Atmosphäre und damit die tatsächlichen Emissionen in Riad ermittelt werden.

„Unsere Methode der Emissionsbestimmung von Stickoxiden ist unabhängig von bisherigen Verfahren und kann weltweit auf Megastädte angewandt werden“, sagt Steffen Beirle. Die so ermittelten Daten können helfen, die globalen Modelle der Atmosphärenchemie zu optimieren. Die Daten helfen letztlich aber auch, Maßnahmen gegen die Luftverschmutzung besser an die lokalen Gegebenheiten anzupassen.

Die Arbeit der Mainzer Forscher war Bestandteil des Europäischen Forschungsprojekts MEGAPOLI, dessen Ziel es ist, globale Klimaeffekte der Luftverschmutzung von Megastädten zu ermitteln. An MEGAPOLI sind 22 renommierte Forschungsinstitutionen beteiligt.

Originalpublikation:
Steffen Beirle, K. Folkert Boersma, Ulrich Platt, Mark G. Lawrence, and Thomas Wagner
Megacity emissions and lifetimes of nitrogen oxides probed from space

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

Die Meereis-Ausdehnung der Arktis ist in diesem Sommer rekordverdächtig weit zurückgegangen, sodass sowohl die Nordost-Passage als auch die Nordwest-Passage befahren werden können.

Das Eis wird weniger – Foto: AWI

Klimawissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes für Polar- und Meeresforschung nehmen diese Veränderungen in der Nordpolarregion zum Anlass, um mit Partnern aus neun europäischen Ländern über die Perspektiven und Folgen einer verstärkten kommerziellen Nutzung der Arktis zu forschen. ACCESS heißt dieses zukunftsweisende Projekt, dessen zweiter Workshop heute und morgen in Bremen stattfindet.

Die Arktis erlebt in diesem Sommer zum fünften Mal in Folge einen überdurchschnittlichen Rückgang des Meereises. Aktuelle Beobachtungen und Einschätzungen der Klimawissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes für Polar- und Meeresforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft deuten darauf hin, dass die Negativ-Rekordmarke aus dem Jahr 2007 in greifbare Nähe rückt. „Diese Entwicklung überrascht uns nicht. Der Rückgang in diesem Sommer fügt sich ein in die Reihe der Jahre seit 2007. Wir haben inzwischen sehr wenig Eis in der Arktis. Hinzu kommt, dass nicht nur die Ausdehnung des Eises abnimmt, sondern auch die Eisdicke“, sagt Prof. Dr. Rüdiger Gerdes, Meereis-Experte am Alfred-Wegener-Institut.

Wo das Eis schwindet, öffnen sich dem Menschen neue Wege in und durch die Arktis. In diesem Sommer sind zum Beispiel sowohl die Nord-West-Passage als auch der Seeweg nördlich Russlands eisfrei. Ein Zustand, der Begehrlichkeiten weckt, wie die Wissenschaftler wissen. „Es bieten sich nun ganz neue Möglichkeiten, die Arktis kommerziell zu nutzen“, sagt Gerdes. Veränderungspotenziale sieht er vor allem in der Schifffahrt, in der Tourismus-Branche, der Fischerei und bei der Rohstoffausbeutung. „Natürlich ermöglicht der Rückgang des Eises auch den Zugriff auf Ressourcen, die bisher nicht zugänglich waren – und zwar nicht nur auf dem Meeresboden, sondern auch an Land, denn jetzt stehen Schifffahrtswege zum Abtransport von Rohstoffen zur Verfügung“, erklärt der Meereis-Experte.

Gerdes und seine Kollegen registrieren schon jetzt eine gewisse Aufbruchsstimmung in der Wirtschaft. Gerdes: „Unsere Arbeit ist sehr gefragt und es fällt auf, dass Interesse an Meereis-Vorhersagen inzwischen auch aus Sektoren kommt, von denen wir dies gar nicht gewohnt sind. Wirtschaftswissenschaftler oder Fischereibiologen wollen nun von uns wissen, wie sich das Meereis ändern wird.“
Die Klimaforscher engagieren sich deshalb gemeinsam mit 26 Partnern aus neun europäischen Ländern in dem neuen Projekt „ACCESS: Arctic Climate Change, Economy and Society“ (Arktischer Klimawandel, Wirtschaft und Gesellschaft). Aufgeteilt in fünf Arbeitsgruppen wollen die Forscher darin folgende drei Leitfragen beantworten: Wie werden sich Transport, Tourismus, Fischerei und Ressourcenausbeutung in der Arktis zukünftig gestalten? Welche Risiken für Natur und Mensch bergen diese Entwicklungen und mithilfe welcher Regelungen können diese Risiken begrenzt werden?

Die Klimawissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes setzen dabei auf ihre Kernkompetenzen. Sie liefern den anderen ACCESS-Projektpartnern Klimabeobachtungen, Modellberechnungen und Meereis-Prognosen. Diese Vorhersagen und Klimaszenarien beruhen zum einen auf Satellitendaten; zum anderen auf Eisbeobachtungen und Dickenmessungen, welche die Forscher bei ihren regelmäßigen Expeditionen in die Arktis machen.

Als Folge der Erderwärmung ist der Meeresspiegel in den vergangenen 50 Jahren im Mittel um rund zehn Zentimeter gestiegen.

Wann wird diese Insel verschwunden sein? – Foto: A. Dreher / Pixelio

Nach Einschätzung vieler Klimaforscher dürfte sich der Anstieg in den kommenden Jahrzehnten noch beschleunigen. Wie Wissenschaftler des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) jetzt zeigen konnten, gibt es dabei aber große regionale Unterschiede. Ursache dafür sind Veränderungen in den Meeresströmungen, die vor allem im tropischen Pazifik und im Indischen Ozean zu stark schwankenden Wasserständen führen.

Warum stieg der Meeresspiegel in einigen Regionen des tropischen Indischen Ozeans und Pazifiks in den vergangenen 15 Jahren stark an, während es in den Jahrzehnten zuvor dort sinkende Wasserstände gab? Den Ursachen sind nun Kieler Meeresforscher durch Computersimulationen auf die Spur gekommen. Ihre jetzt in der internationalen Fachzeitschrift Geophysical Research Letters publizierte Studie zeigt, dass Schwankungen in den Meeresströmungen, verursacht durch die Passatwinde im tropischen Pazifik, eine Schlüsselrolle spielen.

Den Einfluss von Wind und Meeresströmungen bekommt der tropische Pazifik vor allem infolge des El Niño-Phänomens zu spüren. „Das damit verbundene Hin-und Herschwappen des warmen Oberflächenwassers führt dort zu einem fortwährenden Auf und Ab des Meeresspiegels um bis zu 20 cm innerhalb weniger Jahre“, erläutert Dipl. Ozeanographin Franziska Schwarzkopf, Autorin der Studie vom Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR).

Während diese kurzfristigen Schwankungen durch moderne Satelliten-Messungen sehr gut dokumentiert sind, war über das Muster längerfristiger Veränderungen bislang wenig bekannt: „Unsere mit neuentwickelten Strömungsmodellen vorgenommenen Computersimulationen zeigen, dass die regionalen Wasserstände auch noch über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten durch Windänderungen und Meeresströmungen geprägt werden“, erklärt der Leiter der Kieler Ozean-Modellierung und Co-Autor der Studie, Professor Claus Böning. Überraschender Befund der Kieler Forscher: Im Mittel über die letzten 50 Jahre erfuhren einige Bereiche im tropischen Pazifik und Indik dadurch entgegen dem globalen Trend einen fallenden Meeresspiegel.

Die neuen Ergebnisse zum Meeresspiegelanstieg der letzten Jahrzehnte bedeuten eine zusätzliche Herausforderung für die Klimamodellierung: “Ob eine tropische Inselgruppe in den nächsten Jahrzehnten mit einem wesentlich höheren Anstieg als im globalen Durchschnitt rechnen muss oder ob der Meeresspiegel dort vorübergehend sogar fallen könnte, hängt entscheidend von der Entwicklung der Windsysteme und Meeresströmungen ab”, so Böning. “Künftige Forschungsprogramme werden den regionalen Schwankungen in den Ozeanen eine verstärkte Aufmerksamkeit widmen.”

Originalarbeit
Schwarzkopf, F.U. and C.W. Böning, 2011: Contribution of Pacific wind stress to multi-decadal variations in upper-ocean heat content and sea level in the tropical south Indian Ocean. Geophysical Research Letters, 38, L12602, doi: 10.1029/2011GL047651.

Die Meere haben einen vielfältigen Einfluss auf unser Klima. Prominentestes Beispiel ist das El Niño Phänomen im Pazifik, die bekannteste, mehrjährige Klimaschwankung.

Messsonde überwacht Tiefen des Atlantiks – Foto: Mario Müller, IFM-GEOMAR

Wie Ozeanographen des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) und der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI, USA) jetzt zeigen konnten, spielen auch Tiefenströmungen im äquatorialen Atlantik eine wichtige Rolle bei Klimaschwankungen in Westafrika. Die Ergebnisse der Studie erscheinen in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature“.

Der Niederschlag des westafrikanischen Monsuns hat eine herausragende Bedeutung für Landwirtschaft, Wasserressourcen und Gesundheit in einem der dichtbesiedelten Gebiete Afrikas. Wann und wie viel Regen in den Küstenstaaten nördlich des Golfes von Guinea fällt, wird unter anderem durch die Oberflächentemperatur des tropischen Atlantiks bestimmt. Die Details dieser Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre sind bei weitem nicht alle entschlüsselt. Bisher wurden Einflüsse aus dem Pazifik und dem Nordatlantik als wichtigste Quelle für Klimaschwankungen im äquatorialen Atlantik betrachtet. Ozeanographen des Kieler Leibniz-Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) konnten jetzt zusammen mit Kollegen aus den USA zeigen, dass es regelmäßige mehrjährige Temperaturschwankungen gibt, deren Ursache in den Tiefenströmungen des äquatorialen Atlantiks liegen und so die Niederschlagstätigkeit in Westafrika beeinflussen. „Bisher haben wir bei der Erklärung von tropischen Klimaschwankungen immer nach oben, insbesondere in die Atmosphäre, geschaut. Unsere neuen Daten lenken unseren Blick erstmals auch in die Tiefe des Ozeans und eröffneten ganz neue Denkansätze“; erklärt Professor Peter Brandt vom IFM-GEOMAR, Erstautor der Studie, die in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ erscheint.

In einem groß angelegten, internationalen Forschungsprogramm, dem „Tropical Atlantic Climate Experiment“ (TACE), versuchen Experten den Mechanismen, Ursachen, und Wirkungen von Klimaschwankungen im tropischen Atlantik auf die Spur zu kommen. Der deutsche Beitrag zu diesem Programm, der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (Verbundprojekt „Nordatlantik“) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Kieler Sonderforschungsbereichs 754 „Klima – Biogeochemische Wechselwirkungen im tropischen Ozean“ gefördert wird, besteht unter anderem aus Tiefseeverankerungen am Äquator. An diesen zeichnen Messgeräte kontinuierlich die Strömungsrichtungen und -geschwindigkeiten, den Salzgehalt und die Wassertemperatur auf und erlauben damit langfristige Veränderungen im tiefen Ozean zu beobachten. Darüber hinaus werden Messungen von frei in der Tiefe treibenden Messsonden, sogenannten Argo Floats, sowie Daten aus Satellitenmessungen genutzt. „In den Messreihen der vergangenen zehn bis zwanzig Jahre haben wir bisher unbekannte Schwankungen der Oberflächenströmung und der Oberflächentemperatur des tropischen Atlantiks gefunden, die in einem regelmäßigen, viereinhalbjährigen Turnus wiederkehren“, erklärt Brandt. Ähnliche Schwankungen konnten die Wissenschaftler in sogenannten „Deep Jets“ nachweisen. Das sind Tiefenströmungen in Tiefen bis 3000 Metern mit Geschwindigkeiten von 10-20 Zentimeter pro Sekunde in Ost-West-Richtung. Sie erstrecken sich entlang des Äquators quer durch den gesamten Atlantik. Ihre Richtung kehrt sich mit der Tiefe alle paar hundert Meter um. „Diese Tiefenströmungen werden im tiefen Ozean erzeugt und ihre Energie wird offenbar durch die Wasserschichten nach oben weitergereicht, wo Oberflächenströmung und –temperatur beeinflusst werden“, so Brandt.

Die Oberflächentemperatur gehört wiederum zu den entscheidenden Faktoren für die Niederschlagsschwankungen über Westafrika. „Wie groß der Einfluss der Tiefenströmungen ist und wie sie entstehen, wissen wir leider noch nicht genau“ sagt Brandt, „da liegt noch viel Arbeit vor uns“. Neue Daten wollen die Wissenschaftler auf der aktuellen Forschungsfahrt mit dem deutschen Forschungsschiff MARIA S. MERIAN gewinnen, die vom 11. Mai bis 19. Juni 2011 stattfindet. „Wir nehmen unsere Verankerungen am Äquator auf, legen sie neu aus und hoffen dann mit den neuen Daten, die Vorgänge in der Tiefsee besser zu verstehen und damit letztendlich auch zur Verbesserung der Klimavorhersage für Westafrika beizutragen“, erklärt Professor Brandt.

Originalpublikation

Brandt, P., A. Funk, V. Hormann, M. Dengler, R. J.Greatbatch, J. M. Toole, 2011: Interannual atmospheric variability forced by the deep equatorial Atlantic Ocean. Nature Advance Online Publication, doi: 10.1038/nature10013:

Mehr Informationen zu den Projekten:

Tropical Atlantic Climate Experiment

Verbundprojekt Nordatlantik

Sonderforschungsbereich 754 “Klima – Biogeochemische Wechselwirkungen im tropischen Atlantik

Ein Spektrometer auf der Internationalen Raumstation ISS misst die Sonnenaktivität mit großer Genauigkeit und lieferte bereits unerwartete Ergebnisse.

Sonnenspektrometer SolACES soll Klimaforschern helfen – Foto: NASA

Künftig sollen diese in einer Datenbank öffentlich zugänglich gemacht werden: Klimaforscher können mit den Daten untersuchen, wie stark die Sonnenaktivität das Erdklima beeinflusst.
Bisher schwankte die Sonnenaktivität zyklisch: Alle elf Jahre erreichte sie ein Minimum, alle elf Jahre strahlte die Sonne mit maximaler Intensität. Beim letzten Minimum im August 2008 brauchten die Forscher allerdings Geduld: Die Aktivität des Himmelskörpers stieg nicht wie erwartet an, sondern verringerte sich weiter – völlig unerwartet brach die Sonne aus ihrem sonst so verlässlichen Rhythmus. Erst ein Jahr später im September 2009 begann ihre Aktivität wieder leicht anzusteigen. In wie weit beeinflussen die Schwankungen der Sonnenintensität und diese Verschiebung des Sonnenzyklus das Erdklima?

Diese Frage zu klären hilft ein Sonnenspektrometer, das Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg entwickelt haben – aus einem Guss von der Elektronik über die Optik bis hin zur Mechanik. Das Spektrometer ermittelte auch die Daten, die die Verschiebung des Sonnenzyklus belegen. Es befindet sich an der Internationalen Raumstation ISS, finanziert wurde es über die Europäische Raumfahrtbehörde ESA und vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR. »Mit dem Spektrometer messen wir die extreme Ultraviolett-Strahlung, kurz EUV, mit Wellenlängen von 17 bis 220 Nanometern«, sagt Dr. Raimund Brunner, Projektleiter am IPM.

Das Besondere dabei: Die Wissenschaftler können mit dem Spektrometer nicht nur über einen längeren Beobachtungszeitraum als bei bisherigen Missionen üblich die Aktivität der Sonne messen, sondern auch viel präziser. Möglich machen das zwei Ionisationskammern im Spektrometer, die mit Edelgas gefüllt sind. Trifft EUV-Strahlung auf das Edelgas, löst sie Elektronen aus dem Gas heraus – es fließt elektrischer Strom. Dieser Strom ist proportional zur Stärke der Sonneneinstrahlung und dient den Forschern als Grundlage, um das Spektrometer zu kalibrieren und genaue quantitative Aussagen zu machen – und schlussendlich etwas über die Sonnenaktivität zu erfahren. »Wir erzielen Messwerte mit Fehlern, die unter zehn Prozent liegen, was weitaus besser ist als bei bisherigen Ergebnissen«, betont Dr. Gerhard Schmidtke, wissenschaftlicher Leiter des Projektes.

Die Ergebnisse aus diesem sowie aus zwei ergänzenden Experimenten auf der Raumstation sollen Klimaforschern künftig dabei helfen herauszufinden, in wie weit die Schwankungen der Sonnenintensität das Klima unserer Atmosphäre beeinflussen: Wie viel des Treibhauseffekts ist hausgemacht? Wie viel davon ist auf die Änderung der Sonnenstrahlung zurückzuführen? Die Messdaten verraten insbesondere vieles über die Bedingungen in der Iono- und Thermosphäre, die ab einer Höhe von 80 Kilometern über der Erdoberfläche beginnen. Die EUV-Strahlung steuert die Temperatur und die Teilchendichten der Ionosphäre. Das hat Folgen: Ändert sich die Intensität der Einstrahlung, beeinflusst das sowohl die Bahn von Satelliten als auch die Funkverbindung der Satelliten untereinander und zur Erde. So muss beispielsweise für zentimetergenaue GPS-Daten die Zusammensetzung der Ionosphäre bekannt sein. Künftig sollen die gewonnenen Daten in einer Datenbank im Internet gespeichert werden, um sie öffentlich zugänglich zu machen.

Was der Grund dafür ist, dass die Sonne erstmals seit der Dokumentation der Sonnenaktivität aus ihrem elfjährigen Rhythmus ausgebrochen ist, können die Forscher noch nicht mit Sicherheit sagen. Sie vermuten, dass es neben dem bisher bekannten Sonnenzyklus noch einen weiteren gibt, den Gleissberg-Zyklus, der eine sehr viel größere Zeitspanne hat – vermutlich 75 bis 100 Jahre – und den elfjährigen Zyklus überlagert.

Die Missionszeit des Spektrometers mit der Bezeichnung SolACES, die anfangs nur für eineinhalb Jahre geplant war und nun bereits drei Jahre beträgt, wurde kürzlich von der ESA um weitere drei Jahre verlängert. »So können wir auch das Maximum der Sonnenintensität im Jahre 2013 mit untersuchen«, freut sich der Wissenschaftler.