Das ENSO-Phänomen

Klimasystem

Das Klimasystem ist ein höchst komplexes System, das intern aus fünf Hauptbestandteilen besteht: der Atmosphäre, der Hydrosphäre, der Kryosphäre, der Landoberfläche und der Biosphäre sowie den Wechselbeziehungen zwischen diesen. Der Hauptantrieb des Klimasystems ist die Energie der Sonne als externe Komponente. Der Beitrag von Wärme aus dem Inneren der Erde ist dagegen sehr klein.

Das Klimasystem verändert sich über die Zeit unter dem Einfluss seiner eigenen inneren Dynamik und - als offenes System - durch externe Kräfte wie Vulkanausbrüche, solare Schwankungen und menschlich induzierte Einflüsse wie die Änderung der Zusammensetzung der Atmosphäre und Landnutzung. Klimaforschung entwickelt sich daher immer mehr zu einer Erdsystemforschung.

Die einzelnen Komponenten des Klimasystems – Atmosphäre, Land, Ozean, Meereis – stehen in Wechselwirkung, das heißt, es findet Energie-, Masse- und Impulsaustausch über die Grenzflächen statt. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Komponenten kommt es zu Wechselwirkungen auf unterschiedlichen Zeitskalen, die dann wiederum Rückkopplungen und weitere Reaktionen auslösen können.

Es gibt also kein „normales“ Klima, da sich das Klima auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen verändert. Klimaänderung oder Klimawandel wird von der WMO als statistisch signifikante Veränderung des mittleren Zustands des Klimas oder seiner Variabilität beschrieben, die für einen längeren Zeitraum, typischerweise Jahrzehnte oder länger, anhält.

Die einzelnen Komponenten, zum Beispiel Atmosphäre, Land und Ozean, beeinflussen das Klimasystem auf unterschiedlichen Zeitskalen. Die Troposphäre reagiert sehr schnell – in einem Zeitraum von Minuten bis Tagen – auf Veränderungen und weist die größte Variabilität auf kurzen Zeitskalen auf. Die Variabilität im trägeren, tiefen Ozean hingegen, in den Eisschilden und in der Biosphäre mit dem Kohlenstoffspeicher im Erdboden, tragen zu den langen Zeitskalen des Klimasystems bei, da sie Reaktionszeiten von Jahrhunderten bis Jahrtausenden haben.

Der Ozean ist im Klimasystem von großer Bedeutung, da er Wärmeenergie von der Atmosphäre aufnimmt, meridional umverteilt und über längere Zeit speichern kann. Er ist die größte Quelle für den atmosphärischen Wasserdampf. Ebenso findet im Ozean durch die ozeanische Zirkulation, biologische Aktivität, Absinken und Ablagerung im Sediment eine Aufnahme, Umverteilung und Speicherung von Kohlenstoff statt. Aus den verschiedenen Speichern wird ein kleiner Anteil des Kohlenstoffs an die Atmosphäre zurückgegeben.

Neben den kurzfristigen Reaktionen des Klimasystems auf äußere Einflüsse, wie zum Beispiel Tages- und Jahresgang, gibt es Schwankungen mit längeren Perioden. Prominentestes Beispiel hierfür und für die starke Ozean-Atmosphärenkopplung ist das ENSO-Phänomen im tropischen Pazifik. Hier verändern sich alle 2 bis 10 Jahre das Windregime und die Meeresströmungen im tropischen Pazifik so stark, dass dies dramatische Auswirkungen auf das Niederschlagsverhalten in angrenzenden und entfernteren Regionen hat. (Brauch, J. et al. 2017)

Die Rolle der Sonne

Das Klimasystem der Erde wird von der Sonnenstrahlung angetrieben. Etwa die Hälfte der Energie von der Sonne wird im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums abgegeben. Da die Temperatur der Erde über viele Jahrhunderte hinweg relativ konstant geblieben ist, muss die eingehende Sonnenenergie nahezu im Gleichgewicht mit der ausgehenden Strahlung sein. Von der einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung (shortwave radiation, SWR) wird etwa die Hälfte von der Erdoberfläche absorbiert. Der Anteil der SWR, der durch Gase und Aerosole, Wolken und die Erdoberfläche (Albedo) in den Weltraum zurückreflektiert wird, beträgt etwa 30 %, und etwa 20 % werden in der Atmosphäre absorbiert.

Ausgehend von der Temperatur der Erdoberfläche liegt der größte Teil des von der Erde ausgehenden Energieflusses im infraroten Teil des Spektrums. Die von der Erdoberfläche ausgehende langwellige Strahlung (longwave radiation, LWR; auch als Infrarotstrahlung bezeichnet) wird weitgehend von bestimmten Bestandteilen der Atmosphäre - Wasserdampf, Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), Distickstoffoxid (N₂O) und anderen Treibhausgasen (THG) - und Wolken absorbiert, die ihrerseits LWR in alle Richtungen ausstrahlen. Die nach unten gerichtete Komponente dieser LWR führt den unteren Schichten der Atmosphäre und der Erdoberfläche Wärme zu (Treibhauseffekt). Der überwiegende Energieverlust der Infrarotstrahlung der Erde stammt aus den höheren Schichten der Troposphäre. Die Sonne liefert ihre Energie an die Erde hauptsächlich in den Tropen und Subtropen; diese Energie wird dann teilweise durch atmosphärische und ozeanische Transportprozesse in mittlere und hohe Breiten umverteilt.

Haupttreiber des Klimawandels

Die Strahlungsbilanz zwischen einfallender solarer kurzwelliger Strahlung (solar shortwave radiation, SWR) und ausgehender langwelliger Strahlung (outgoing longwave radiation, OLR) wird durch globale Klima-"Treiber" beeinflusst. Natürliche Schwankungen in der Solarstrahlung (Sonnenzyklen) können Veränderungen in der Energiebilanz verursachen (durch Schwankungen in der Menge der einfallenden SWR). Menschliche Aktivitäten verändern die Emissionen von Gasen und Aerosolen, die an atmosphärischen chemischen Reaktionen beteiligt sind, was zu veränderten O₃- und Aerosolmengen führt.

O3 und Aerosolpartikel absorbieren, streuen und reflektieren SWR und verändern so die Energiebilanz. Einige Aerosole wirken als Wolkenkondensationskerne, die die Eigenschaften der Wolkentröpfchen verändern und möglicherweise den Niederschlag beeinflussen. Da die Wechselwirkungen zwischen Wolken und SWR und LWR groß sind, haben kleine Veränderungen der Wolkeneigenschaften große Auswirkungen auf die Strahlungsbilanz.

Anthropogene Veränderungen der Treibhausgase (z. B. CO₂, CH₄, N₂O, O₃, FCKW) und große Aerosole (>2,5 μm) verändern die Menge der ausgehenden LWR, indem sie die ausgehende LWR absorbieren und weniger Energie bei einer niedrigeren Temperatur wieder ausstrahlen. Die Oberflächenalbedo wird durch Veränderungen der Vegetation oder der Eigenschaften der Landoberfläche, der Schnee- oder Eisbedeckung und der Meeresfarbe verändert. Diese Veränderungen werden durch natürliche jahres- und tageszeitliche Schwankungen (z. B. Schneebedeckung) sowie durch menschliche Einflüsse (z. B. Veränderungen der Vegetationsarten) verursacht.