Indikatoren für ENSO-Ereignisse

Einleitung

Verläßliche meteorologische Daten, die für eine historische Betrachtung von ENSO geeignet sind, liegen erst seit ca. 1850 vor, ozeanographische Daten erst seit knapp 80 Jahren. Klimaforscher und Ozeanographen bedienen sich daher auch indirekter Quellen, der sogenannten Indikatoren, um meteorologische Daten zu erhalten und damit Rückschlüsse auf El Niño- bzw. La Niña-Ereignisse (Intensivität, Häufigkeit, Auswirkungen etc.) ziehen zu können. Man spricht dabei auch von Ersatzdaten oder Proxidaten. Mit der Zuhilfenahme solcher Daten kann man die durch Instrumentenmessreihen auferlegten zeitlichen Beschränkungen umgehen und nach Anzeichen von Umweltveränderungen in der Vergangenheit forschen. Gleichzeitig folgt man dem aktualistischen Ansatz, bei dem man das heutige Ursache-Wirkung-Verständnis in die Vergangenheit projiziert und so zu einer akzeptablen Interpretation früherer Verhältnisse findet.

Noch schwieriger ist die Datensituation für prähistorische Zeiten, die naturgemäß nur mit Proxidaten entschlüsselt werden können. Eine der wichtigsten Fragen ist dabei die nach dem genauen Zeitpunkt, bis zu dem sich prähistorische El Niños zurückverfolgen lassen. Hier herrscht noch Unstimmigkeit unter den Wissenschaftlern. Während manche dies erst ab 5.000 v.Chr. zugestehen, glauben andere Belege für heftige Niederschlagsereignisse in Peru zu haben, die vor 8.000 und sogar vor 40.000 Jahren stattfanden. Smolkas Rekonstruktion der Meerestemperaturen über die Analyse von fossilen Foraminiferen für die Zeit von 1 und 21 Mio Jahren v.h. ergab für das späte Tertiär einen Unterschied zu beiden Seiten des Isthmus von Panama. Dies weißt darauf hin, dass die Landbrücke zwischen Nord- und Südamerika fertig war, Pazifik und Atlantik separate ozeanische und meteorologische Entwicklungen begannen und damit auch eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung des ENSO-Systems geschaffen war.

Für die Suche nach Indikatoren erscheint es naheliegend, wenn man sich auf die primären und relevantesten Auswirkungen im Raum des Pazifik und seinen Randgebieten konzentriert, bevor man mit abnehmender Zuverlässigkeit sich in fernere Regionen begibt, schließlich ist ENSO ein originär pazifisches Phänomen.

Wissenschaftler greifen bei ihrer Suche beispielsweise zurück auf:

Geschichtliche Quellen

Es sind Berichte über Abweichungen des Klimas vom Normalzustand bekannt. Daneben ist in alten Dokumenten aus der Kolonialzeit oft das menschliche Leid festgehalten, das damals aus Unwettern, Überschwemmungen oder Dürren resultierte. Auch die Aufzeichnungen von Ernteausfällen, dem naturbedingten Verlust von Besitz, von Ungezieferbefall, von Bränden und Epidemien oder über die Häufung von Schiffsunglücken können als Hinweise auf eine El Niño- bzw. eine La Niña-Episode in jener Zeit gewertet werden. Hinweise auf solche Ereignisse finden sich oftmals indirekt, z.B. als Anträge von Kleinbauern auf Beihilfen oder als Anträge von Plantagenbesitzern (Zucker, Baumwolle oder Kakao) auf Steuernachlass bei den Autoritäten in Lima wegen Missernten.

Aus der Archäologie wissen wir, dass die Inkas ihre Städte auf Hügeln bauten, u.a. um Überschwemmungen zu vermeiden. Vorratslager für Nahrungsmittel wurden in den Bergen angelegt. Wenn sie an der Küste bauten, vermieden sie die Nähe von Flüssen.

Das wahrscheinliche Auftreten eines El Niños wurde immer dann angenommen, wenn mehrere Autoren derartige Phänomene unabhängig voneinander erwähnten. Die ersten, die solche Abweichungen schriftlich belegten, waren Konquistadoren aus der Zeit der spanischen Eroberung der pazifischen Küstenländer. Seefahrer, die die süd- und mittelamerikanischen Küsten befuhren, bemerkten starke Veränderungen ihrer Reisedauer infolge stärkerer oder schwächerer Strömungen und Winde. Während eines El Niños kommt es unter anderem zu ungewöhnlich starken Niederschlägen, somit zu Hochwasser in Flüssen, veränderten Ernteerträgen, häufiges Auftreten von Schädlingen, über die Aufzeichnungen in Archiven zu finden sind. Außerdem wurde über sehr hohe Temperaturen in den Küstenstädten berichtet. Mit Hilfe dieser Aufzeichnungen, die seit dem 16. Jahrhundert vorliegen, kann man den Verlauf eines El Niños rekonstruieren.

Jedoch sind geschichtliche Quellen zum Teil ungenau und unvollständig und berichten nur über besonders ausgeprägte Ereignisse. Man kann also keine genaue Anzahl der El Niños festlegen. Trotzdem sind diese Berichte sehr wertvoll, da sie zum Vergleich mit anderem Datenmaterial dienen. Es existieren Berichte über El Niños in den Jahren 1674/95, 1782 bis 1784, 1790 bis 1793, 1844 bis 1846, 1876 bis 1878, 1899/1900 und 1940/41.

Verschiedene Autoren haben - basierend auf der Auswertung der Literatur über Naturkatastrophen - Listen von El Niño- und auch La Niña-Ereignissen zusammengestellt. Dazu gehören Quinn et al. (1987), Whetton und Rutherford (1994) sowie Caviedes und Waylen (1991).

Francisco Pizarros Eroberung des Inka-Reiches (1531-32) soll sich während einer El Niño-Episode vollzogen haben. Zwar behinderten Starkniederschläge und überbordende Flüsse, die in Peru typischerweise nur während El Niños auftreten, Pizarros Vorankommen. Andererseits sorgten die gleichen Niederschläge für ausreichendes Futter und Tränkwasser für seine Pferde, die neben den Schwertern den wohl wichtigsten taktischen Vorteil gegenüber den Eingeborenen verkörperten. Zudem war bereits sein Vorstoß nach Süden auf See von ungewöhnlichen Rücken-, d.h. Nordwinden begünstigt.

Es finden sich aus jener Zeit auch erste historische Hinweise auf Fernwirkungen: Während spanische Archivberichte aus dem Jahr 1552 über zerstörerische Regenfälle an der Pazifikküste Perus berichten, klagten auf der Ostseite Südamerikas die Portugiesen, die dabei waren, ihre ersten Siedlungen anzulegen, über Trockenheit in den Jahren 1552 und 1553. Diese Koinzidenz ist insofern interessant, als die Zusammenhänge zwischen Dürren in NO-Brasilien und El Niño-Ereignissen im Pazifik erst zwischen 1970 und 1980 allmählich verstanden wurden.

Pegelmessungen/Hochwasserstände

Quinn (1992) verglich die Daten der Hochwasserstände am Nil (622 - 1900), die in Kairo aufbewahrt werden, und Pegel-Messungen am Blauen Nil und am Atbara (ab 1900) mit den Phasen der Südlichen Oszillation. Beide Ströme nehmen Zuflüsse aus dem westlichen Eritrea und aus dem äthiopischen Hochland auf, d.h. sie spiegeln die dortigen Niederschlagsschwankungen wider.
Da man weiß, dass die Dürreperioden in Ostafrika und im Sahel durch das Ausbleiben des Sommermonsuns im Westindischen Ozean verursacht werden und dass die Dürreperioden in der östlichen Hälfte von Afrika mit einer Änderung in der Sommerzirkulation in SO-Asien zusammenhängen, lassen sich Telekonnektionen mit der Südlichen Oszillation im Pazifik vermuten. Man nimmt an, dass die in historischen Quellen erwähnten ungewöhnlich niedrigen Niveaus des Nils in Zusammenhang standen mit den negativen Phasen der Südlichen Oszillation und die hohen Niveaus mit deren positiven Phasen. Als Ergänzung der Korrelationen zog man Berichte über Dürren, Überschwemmungen, Epidemien und Hungersnöte heran.

Gletscher(eis)analysen

Durch Messungen der jährlichen Zunahme an Gletschern und Eiskappen von Bergen kann man wichtige Erkenntnisse im Zusammenhang mit El Niño gewinnen. Zum Beispiel sind die jährlichen Zuwachsraten von Andengletschern abhängig vom El Niño-Phänomen: In El Niño-Jahren wird ein deutlich geringerer Zuwachs an Eis verzeichnet. Ferner sind in der Eiskappe der Quelccaya in Südperu (NW des Titicacasees) vom Auftreten des El Niño abhängige Staubablagerungen erkennbar. Sie gehen auf die mit El Niño einhergehende Trockenheit in den Hochebenen Südperus zurück.

Für die Feststellung vergangener Temperaturverhältnisse ist das Verhältnis verschiedener Sauerstoffisotope in den Eisschichten von entscheidender Bedeutung. Wissenschaftler erwarten den Beleg für deutlich wärmere oder deutlich kältere Temperaturen während El Niño-Ereignissen, je nachdem, woher die Eisproben stammen.
Die Eisproben liegen den Wissenschaftlern als Eisbohrkerne vor.

Terrestrisch-Biologische Indikatoren

Ein weiterer "Messfaktor" für vergangene El Niño-Ereignisse ist die unterschiedliche Wachstumsstärke von Bäumen. Diese schlägt sich in den Wachstumsschichten ihrer Stämme, den Baumringen nieder. Breite Ringe stehen gewöhnlich für Niederschlagsreichtum während der Wachstumsperiode, schmale Ringe für Regenarmut. Besonders geeignet ist der Westen Nordamerikas, da er über Fernwirkungen von El Niño beeinflußt wird (s. Infoseite von NOVA Online). Mithilfe dieser Baumringdaten können Rückschlüsse bis Anfang des 17. Jahrhunderts gezogen werden.

Prinzipiell ist eine weit ältere Zeitreihe erzielbar. Ausgehend von einer prägnanten Ringsequenz eines lebenden Baumes sucht man in einem älteren toten Baum nach derselben Sequenz. Mit Hilfe solcher Überlappungen lässt sich die Chronologie immer weiter in die Vergangenheit verlängern. Die bisher älteste Baumring-Chronologie umfasst 10.000 Jahre.

Entwicklung von Korallenkolonien

Meereslebewesen müssen sich den Wetter- und Klimaverhältnissen und ihren schwankenden Bedingungen anpassen. Sie sind demnach "Zeitzeugen" der meteorologischen Veränderungen.

Bestimmte Korallenarten bilden Skelette und Riffe aus Kalk. Je nach chemischer Zusammensetzung des Ozeanwassers ändert sich auch deren Gehalt an Spurenstoffen wie Kadmium, Barium und Mangan. Die Menge der Spurenstoffe im Ozeanwasser hängt wiederum eng mit dessen Temperatur zusammen, bzw. ist abhängig vom Ausmaß von Auftriebsvorgängen aus großen Ozeantiefen und/oder dem Zustrom von Flußwasser.

Korallen absorbieren weniger Strontium, wenn die Temperatur steigt, und mit dem Strontium/Kalzium-Verhältnis können Temperaturen bis zu 0,5 K genau bestimmt werden.

Das Mengenverhältnis unterschiedlich schwerer Sauerstoffatome (δ18O/16O) im Korallenkalk lässt auf die Temperatur des umgebenden Ozeanwassers schließen. Für besonders alte Proben untersucht man das Verhältnis von Kohlenstoffisotopen (δ14C/12C).

Einzelne tropische Korallenkolonien entwickeln jährliche Dichtebänder vergleichbar mit Baumringen und können ein Alter von mehreren hundert Jahren erreichen. Die Beobachtung des jährlichen Zuwachses an Korallen verhilft zu neuen Erkenntnissen. So kann man beispielsweise eine zeitliche Auflösung der Vergangenheit mit einer Skalierung von etwa einem Jahr vornehmen. Ihr schnelles Wachstum ermöglicht die Entwicklung geochemischer Datenreihen mit saisonaler Auflösung, die in vor-anthropogene Zeiten zurückreichen. Das Verfahren ist allerdings in Äquatornähe problematisch, da hier die Variation des Korallenwachstums im Jahresverlauf geringer ist als in höheren Breiten.

Jedenfalls belegen die Untersuchungen von fossilen Korallen aus dem Pazifik (letztes Interglazial, 124.000 Jahre vor heute), dass der ENSO-Mechanismus mit seinen interannuellen Schwankungen auch in wärmeren Zeiten als heute schon funktionierte. Das gleiche gilt für Perioden mit niedrigeren Temperaturen (s.u. Sedimentschichten).

Neuere Untersuchungen an bis zu 7.600 Jahre alten Korallen vor der Nordküste Papua-Neuguineas zeigen, dass die mit El Niño zusammenhängenden Schwankungen teilweise stärker waren, als das El Niño-Ereignis von 1997/98, immerhin das stärkste des 20. Jahrhunderts. Dies steht teilweise im Widerspruch zu früheren Studien, die schwächere El Niños für die letzten 11.000 Jahre belegten.

Sedimentschichten

Die Flüsse Perus schwellen während eines starken El Niños an und hinterlassen typische Schlammterrassen, die durch Flutwellen und Sedimenttransport entstanden sind. Diese Sedimentschichten sind Indikatoren für El Niño-Ereignisse. Danach dürfte es im Holozän mindestens 15 und im späten Pleistozän mindestens 21 sehr starke El-Niños gegeben haben.

In Neu-England wurden Ende der neunziger Jahre Seesedimente mit Hilfe der Warvenchronologie untersucht. Die Analysen betrafen einen 4.000-jährigen Abschnitt (17.500-13.500 vor heute), während dem der kanadische Eisschild seinen Höchststand hatte und das Klima eiszeitlich geprägt war. Als Ergebnis fanden die Wissenschaftler, dass die untersuchte Zeit eine ähnliche Klimavariabilität aufwieß wie sie unter gegenwärtigen ENSO-Bedingungen anzutreffen ist.

Vergleichbare Untersuchungen von Seesedimenten wurden während der vergangenen zwei Dekaden auch in verschiedensten Seen der Anden durchgeführt.

Die ersten Versuche, prähistorische El Niño-Ereignisse nachzuweisen, unternahmen Archäologen und Sedimentologen vom Field Museum in Chicago in den siebziger Jahren des 20. Jh. Im Norden Perus beobachteten sie, wie die Flüsse im Gefolge eines El Niño-Ereignisses über die Ufer traten und schlossen daraus, dass die Spuren früherer Überschwemmungen dieser Art auch in verfestigten Sedimenten zu finden sein müssten. Damit begannen die Analysen von Küsten- und Flussablagerungen sowie von Eisbohrungen, anhand derer nicht nur Sequenzen starker El Niño-Ereignisse, sonderen auch deren Dauer nachgewiesen werden konnten. Quinns (s.o.) historische El Niño-Chronologie ließ sich auf diese Weise bis in prähistorische Zeiten zurück erweitern.

Treffen Wissenschaftler bei ihrer Suche nach Hinweisen auf besonders markante Ablagerungen, so ist zu vermuten, dass diese, nach so vielen Jahren noch deutlichen Spuren von Mega-El Niños stammen. Unklar ist noch, ob die prähistorischen Ereignisse im gleichen Rhythmus auftraten, d.h. im Abstand von drei bis sieben Jahren. Bei den meisten Geologen herrscht die Annahme, dass bis zu 5.000 Jahren vor unserer Zeit El Niño-Ereignisse seltener (etwa alle 15 Jahre), aber umso stärker auftraten und deshalb so markante Spuren hinterließen.