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Meteorologie

Es wird Regen geben!

Seit geraumer Zeit verzeichnen Klima- und Atmosphärenforscher eine unerklärliche Abhängigkeit zwischen Wetterveränderungen und dem Aktivitätszyklus der Sonne. Eine neue Studie zeigt, wie erst das Zusammenspiel zweier Effekte zu den beobachteten Phänomenen führt.
Innertropische Konvergenzzone
"Führt der Schlag eines Schmetterlingflügels in Brasilien zu einem Tornado in Texas?" Diese Frage verdeutlicht die Komplexizität der Meteorologie, denn die Menge an Faktoren, die es für ausreichend genaue Berechnungen zu berücksichtigen gilt, ist unermesslich. So konnten Wissenschaftler bislang auch nicht erklären, warum eine nur 0,1-prozentige Änderung der Sonneneinstrahlung während ihres alle elf Jahre stattfindenden Aktivitätsmaximums deutliche Änderungen im großräumigen atmosphärischen Zirkulationsmuster auf der Erde bewirkt – insbesondere in den Luftbewegungen der Tropen und Subtropen.

Innertropische Konvergenzzone
Innertropische Konvergenzzone | Parallel zum Äquator treffen Passatwinde aus nördlichen und südlichen Gefilden aufeinander, und es bildet sich Quellbewölkung.
Ein internationales Team um Gerald Meehl vom National Center for Atmospheric Research in Boulder (US-Bundesstaat Colorado) verwendete jetzt zwei Computermodelle, um der Sache auf den Grund zu gehen. Eigentlich berechnen diese allerdings Prozesse, die vom fraglichen Geschehen in der Troposphäre – also einige Kilometer über dem Boden – eine Ecke weg sind.

Gesamteinstrahlung der Sonne
Gesamteinstrahlung der Sonne | Mit zunehmender Sonnenaktivität – gekennzeichnet durch eine höhere Anzahl von Sonnenflecken – erhöht sich der energiereiche Anteil an Strahlung von der Sonne. Dies führt zu einer Zunahme der Wärmeleistung auf der Erde von rund 0,1 Prozent. Exemplarisch dargestellt sind die letzten drei 11-Jahres-Zyklen.
Denn das erste, in Fachkreisen Community Climate System Model version 3 (CCSM3) genannt, berücksichtigt die Entwicklung der Temperaturen an der Meeresoberfläche und der unteren Atmosphäre in Abhängigkeit von der gesteigerten Sonneneinstrahlung. Darin stellt sich – speziell über dem pazifischen Ozean – in der Tat mehr Verdunstung während des solaren Maximums ein, was letztlich zu mehr Regen führt. Der Effekt ergibt sich in der Simulation jedoch schwächer als beobachtet.

Das zweite Modell, das Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM), berechnet den Ozonhaushalt in der Stratosphäre, also in einer Höhe von 20 bis 50 Kilometern. Während des Sonnenmaximums mit seiner erhöhten UV-Strahlung wird hier mehr Ozon gebildet, die Moleküle absorbieren wiederum mehr Licht, und die Hochatmosphäre heizt sich auf.
"Es bedarf der gegenseitigen Verstärkung dieser beiden Prozesse, um das Maß an Temperatur- und Niederschlagsabweichungen zu reproduzieren"
(Gerald Meehl)
Auf Grund einer komplexen Wechselwirkung mit den Passatwinden prognostiziert auch dieses Modell einen Anstieg der Niederschläge, jedoch ebenfalls in einem geringeren Maße als gemessen.

"Wir haben zum ersten Mal beide Mechanismen in einer gemeinsamen Berechnung ausgewertet. Erst dadurch ergaben sich Veränderungen in den beobachteten Größenordnungen", erläutert Meehl. Seine Kollegin Katja Matthes vom Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam und der FU Berlin ergänzt: "Bisher wurde nur spekuliert, es gäbe beide Beiträge. Wir zeigen zum ersten Mal, dass das tatsächlich so ist." Es bedürfe also der gegenseitigen Verstärkung dieser beiden Prozesse, um das Maß an Temperatur- und Niederschlagsabweichungen zu reproduzieren, erklären die Forscher.

IBM BlueIce
IBM BlueIce | Superrechner, wie der "IBM BlueIce" am National Center for Atmospheric Research, sind mit ihrer Leistung im Teraflop-Bereich (Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde) unerlässlich für die Auswertung von Klimamodellen.
Die Berechnungen gestalteten sich in der Praxis enorm aufwändig. Bereits eines der Modelle verschlinge Unmengen an Computerzeit, die Kombination von zweien, verbunden mit der Analyse von Wetterdaten aus mehr als hundert Jahren, machten gar drei Supercomputer notwendig. "Ich kann nicht genau sagen, wie viel Computerzeit da zusammenkam, aber die drei Läufe benötigten jeweils etwa zwei Monate", so Meehl.

Der Aufwand hat sich jedenfalls gelohnt, denn die Wissenschaftler sind nun in der Lage, den Einfluss des Sonnenzyklus auf das Klima besser zu verstehen. Dies betrifft nicht nur den Monsun in Indien oder die Niederschläge im Pazifikraum, sondern auch Phänomene wie La Niña und El Niño, die in diesen Regionen ihren Ursprung haben und das Wetter auf etwa drei Vierteln des Globus beeinflussen.

"Die Studie ist wichtig für das Verständnis der natürlichen Klimavariabilität, die ganz maßgeblich von der Sonne bestimmt wird", schließt Matthes. "Um den vom Menschen herbei geführten Klimawandel besser zu verstehen und verlässlichere Vorhersagen machen zu können, ist es sehr wichtig, die darunter liegende natürliche Klimavariabilität zu kennen."
35. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 35. Woche 2009

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  • Quellen
Meehl, G. A. et al.: Amplifying the Pacific climate system response to a small 11 year solar cycle forcing. In: Science 325, S. 1114–1118, 2009.

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