Hitzewellen, sintflutartiger Regen, Stürme – solche Wetterextreme werden immer häufiger. Doch so verschieden die einzelnen Ereignisse sind – hinter allen steht eine gemeinsame physikalische Ursache. Das haben deutsche Klimaforscher jetzt bei Modellsimulationen herausgefunden. Demnach stört der vom Menschen verursachte Klimawandel die wellenartigen Muster der Luftbewegungen rund um die nördliche Erdhalbkugel. Ein raffinierter Resonanz-Mechanismus sorgt dafür, dass sich die Strömungswellen dadurch aufschaukeln und Extremwetter auslösen können, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“ berichten.
Wetter-Extreme haben sich in den letzten Jahren weltweit gehäuft: So war 2010 etwa Russland von einer Hitzewelle betroffen, während zeitgleich Pakistan mit einer gigantischen Überschwemmung zu kämpfen hatte. Und im Jahr 2011 waren es die USA, die unter der Hitze zu leiden hatten. Dauert eine solche Hitzewelle nur zwei oder drei Tage an, ergibt sich daraus meist kein Problem. Bei einer Länge von zwanzig Tagen oder mehr ändert sich das. Denn viele Ökosysteme und Städte sind hieran nicht angepasst. Daher können ausgedehnte Hitzeperioden zu vermehrten Todesfällen, Waldbränden und Missernten führen. Um solche Hitzeperioden und andere Ereignisse voraussagen zu können und global gezielte Anpassungsstrategien zu entwickeln, haben Forscher des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) die Ursachen solcher Hitzewellen nun genauer untersucht.
Schwingende Wetterwellen
„Ein wichtiger Teil der globalen Luftströme in den mittleren Breiten der Erde hat normalerweise die Form von großen Wellen, die um den Planeten wandern und dabei zwischen den Tropen und der Arktis oszillieren“, erklärt Autor Vladimir Petoukhov vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK). „Wenn sie hinauf schwingen, so saugen diese Wellen warme Luft aus den Tropen auf und bringen sie nach Europa, Russland oder in die USA. Wenn sie hinab schwingen, tun sie das Gleiche mit kalter Luft aus der Arktis.“ Normalerweise wechseln sich diese Wellen ab, so dass für relativ gleichmäßigen Luftaustausch gesorgt ist.
Petoukhov und sein Team vermuteten, dass die globale Erwärmung dieses Wellen-Gefüge verändert und so für Wetter-Extreme verantwortlich ist. Um den Zusammenhang genauer zu untersuchen,
haben sie daher Modelle entwickelt, welche diese Wellenbewegungen in der Atmosphäre beschreiben und zugleich zeigen, unter welchen Bedingungen diese Wellen sich verlangsamen und aufschaukeln. Ihre Modellannahmen wendeten die Forscher dann auf Wetterdaten des US National Centers for Environmental Prediction (NCEP) an.
Stillstand führt zu Verstärkung
Und tatsächlich: „Wir haben nun entdeckt, dass während mehrerer Wetter-Extreme in den letzten Jahren diese planetarischen Wellen gleichsam wie eingefroren waren. Sie blieben wochenlang fast unverändert“, so Petoukhov. „Statt dass sie kühle Luft bringen, nachdem sie zuvor warme Luft gebracht haben, bleibt einfach die Wärme. Wir beobachten eine zunehmende Verlangsamung – eben durch die heftige Verstärkung der normalerweise schwachen sich langsam bewegenden Anteile dieser Wellen.“ Die Modelle zeigten, dass bestimmte planetarische Wellen, wie zum Beispiel die „Welle Sieben“, die rund um die Erde sieben Täler und Gipfel hat – zum Stillstand kamen und sich verstärkten. Damit lagen die jüngsten Wetterextreme überraschend weit neben den bisher bekannten Szenarien, wie die Forscher berichten.
Unregelmäßige Erwärmung als Auslöser
Die Erklärung der für diese veränderte Dynamik lieferten die Klimaforscher gleich mit: die Erwärmung durch den Klimawandel ist nicht gleichmäßig. So steigen zum einen die Temperaturen in der Arktis stärker als im weltweiten Durchschnitt. Dadurch verringert sich das Temperaturgefälle zwischen den warmen Regionen am Äquator und den kühlen Gebieten im hohen Norden und Süden. Doch genau dieses Gefälle ist der Antriebsmotor für wichtige globale Luftströmungen.
Ein zweiter Faktor ist die unterschiedliche Reaktion von Kontinenten und Ozeanen auf den raschen globalen Temperatur-Anstieg: Die Landmassen erwärmen sich schneller, kühlen aber auch schnell wieder ab, das Meer dagegen wirkt als Puffer und reagiert nur träge auf Temperaturveränderungen. „Diese zwei Faktoren sind entscheidend für den von uns entdeckten Mechanismus“, sagt Petoukhov. „Sie führen zu einem unnatürlichen Muster in den Luftbewegungen der mittleren Breiten der Erde, so dass die langsamen synoptischen Wellen wie gefangen sind.“
Ein komplexes Gefüge
„Unsere dynamische Analyse hilft, die wachsende Zahl von neuartigen Wetter-Extremen zu erklären“, sagt Hans Joachim Schellnhuber, Direktor des PIK. „Das ist ein ziemlicher Durchbruch, auch wenn die Dinge keineswegs einfach sind – die von uns dargelegten physikalischen Prozesse erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Wetter-Extremen, aber selbstverständlich spielen mehrere weitere Faktoren eine Rolle, einschließlich natürlicher Schwankungen.“ Zudem biete der Zeitraum von 32 Jahren, der in dem Projekt untersucht wurde, zwar gute Hinweise auf den Mechanismus hinter den Extremen, sei aber zu kurz für abschließende Folgerungen.
Die Wissenschaftler sind dennoch davon überzeugt, dass ihre Studie einen deutlichen Fortschritt im Verständnis der Beziehungen zwischen Wetter-Extremen und dem vom Menschen verursachten Klimawandel bringt. (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2013; doi:10.1073/pnas.1222000110)
(PIK /PNAS, 26.02.2013 – KBE)
