Das heute größte Rätsel der Klimawissenschaft hat vielleicht Ende 1997 begonnen, ohne dass es damals jemand mitbekommen hätte: Die tropischen Passatwinde wehten in jenem Jahr etwas schwächer als sonst über den Pazifik. Diese Winde befördern normalerweise von der Sonne aufgeheiztes Wasser gen Indonesien. Lassen sie nach, schwappt das warme Wasser zurück nach Südamerika, was damals zu einem eindrucksvollen Beispiel des Wetterphänomens El Niño führte. Die globalen Durchschnittstemperaturen erreichten 1998 ein Rekordhoch – danach geriet die Erwärmung ins Stocken.

Etliche Jahre lang taten Wissenschaftler diesen Stillstand als "Hintergrundrauschen" im Klimasystem ab: Natürliche Schwankungen in der Atmosphäre, den Ozeanen und der Biosphäre sorgen rund um den Globus für Wärme- oder Kälteperioden. Doch die Pause dauerte an und löste eine minderschwere Vertrauenskrise unter Klimaforschern aus. Auch wenn es einige Aufs und Abs gab, stiegen die Durchschnittstemperaturen seit 1998 kaum mehr an – in scheinbarem Widerspruch zu den Vorhersagen von Klimamodellen und den stetig steigenden Emissionen von Treibhausgasen.

Klimaskeptiker legten diesen Temperaturverlauf als Beweis dafür aus, dass die globale Erwärmung zum Erliegen gekommen war. Irgendwo im Klimasystem muss die Wärme aber nach wie vor zunehmen, wissen Klimaforscher mittlerweile. Doch wohin die Wärme geht, wenn nicht in die Atmosphäre, war alles andere als einfach zu beantworten. Einige Wissenschaftler stellten ihre Klimamodelle selbst in Frage.

Inzwischen hält der Stillstand der globalen Erwärmung – oder wie Fachleute sagen: der Temperaturhiatus – seit 16 Jahren an. Und Klimaforscher machten Fortschritte im Fall der verschwundenen Wärme. Manche identifizierten die Sonne, Vulkane und auch die Luftverschmutzung durch China als mögliche Ursachen. Die jüngsten Studien deuten aber darauf hin, dass die Ozeane der Schlüssel zum Verständnis der Anomalie sind. Der neueste Verdächtige ist der El Niño von 1997 und 1998, der ungeheure Wärmemengen aus den Ozeanen in die Atmosphäre pumpte – vielleicht reichte das aus, um den äquatorialen Pazifik in einen länger anhaltenden kalten Zustand zu versetzen, der seither die globalen Temperaturen absenkt.

La Niña im Ostpazifik
© NASA Earth Observatory / Jesse Allen
(Ausschnitt)
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Vor Südamerikas Westküste herrschen normalerweise kühle Wassertemperaturen vor. In La-Niña-Jahren verstärkt sich dieser Effekt noch und die kühlen Temperaturen breiten sich aus (blau markiert Temperaturabweichungen nach unten, rot nach oben), während im Westen vor Indonesien warmes Wasser vorherrscht. Seit 16 Jahren sollen nun eher La-Niña-Bedingungen im Ostpazifik vorherrschen und die globale Erwärmungspause mitverursachen.

"Das El-Niño-Ereignis von 1997 und 1998 löste die Veränderungen im Pazifik aus und das markierte, denke ich, sehr wahrscheinlich den Beginn der Lücke", sagt Kevin Trenberth vom National Center for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, Colorado. Dieser Theorie zufolge sollte der tropische Pazifik seine ausgedehnte Kälteperiode in den kommenden Jahren hinter sich lassen. "Irgendwann", so Klimawissenschaftler Trenberth, "wird sich diese Entwicklung wieder umkehren."

Starker Gegensatz

Stellt man die globalen Temperaturen in einem Diagramm dar, hebt sich die Pause stark von der schnellen Erwärmung in den vorausgegangenen zwei Jahrzehnten ab. Laut Simulationen, die man im Vorfeld des Weltklimaberichts 2013/2014 vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) durchgeführt hatte, sollten die Temperaturen von 1998 bis 2012 durchschnittlich um 0,21 Grad Celsius pro Jahrzehnt ansteigen. Doch Messungen des britischen Met Office in Exeter und der Climatic Research Unit an der University of East Anglia in Norwich, England, kommen zu einem anderen Ergebnis: In diesem Zeitraum stiegen die Temperaturen nur um 0,04 Grad Celsius pro Jahrzehnt.

Die einfachste Erklärung – sowohl für den Hiatus als auch für die Diskrepanz zwischen Modellvorhersagen und Messdaten – bieten natürliche Schwankungen. Ähnlich wie in der gewöhnlichen Wettervorhersage warme und kalte Tagen einander abwechseln, können chaotische Klimaschwankungen die globalen Temperaturen von Jahr zu Jahr und Jahrzehnt zu Jahrzehnt nach oben oder unten treiben. Klimaaufzeichnungen aus der Vergangenheit zeugen von einigen lang anhaltenden globalen Hitzewellen und Kälteeinbrüchen. Laut Klimamodellen kann es zu beiden Phänomenen kommen, während sich die Erde unter dem Einfluss der Treibhausgase erwärmt.

Dennoch kann keine der im Rahmen des IPCC erstellten Klimasimulationen genau diesen speziellen Hiatus in genau diesem speziellen Zeitraum reproduzieren. Das führte Skeptiker – und einige Wissenschaftler – zu dem umstrittenen Schluss, dass die Modelle die Wirkung von Treibhausgasen möglicherweise überschätzen und die künftige Erwärmung vielleicht nicht so stark wie befürchtet ausfallen wird. Diese Schlussfolgerung stehe im Widerspruch zu den langfristigen Temperaturentwicklungen sowie zu paläoklimatischen Daten, so die anderen. Letztere dienen dazu, die Temperaturaufzeichnungen möglichst weit in die Vergangenheit hinein fortzuführen. Viele Wissenschaftler warnen zudem davor, die Modelle auf der Grundlage eines relativ kurzen Phänomens in der Klimageschichte zu bewerten. "Wenn man sich für den globalen Klimawandel interessiert, sollte man sich vor allem auf Zeiträume von fünfzig bis hundert Jahren konzentrieren", meint Klimaforscherin Susan Solomon vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.

Doch herauszufinden, was gerade geschieht, scheint immer dringlicher. Das räumen sogar diejenigen Wissenschaftler ein, die weiterhin von den zu Grunde liegenden Modellen überzeugt sind. "Vor ein paar Jahren sah man den Hiatus zwar, aber man konnte ihn vernachlässigen, da er innerhalb des Rauschens lag", berichtet Klimawissenschaftler Gabriel Vecchi vom Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration in Princeton, New Jersey. "Jetzt müssen wir uns damit auseinandersetzen."

Klimaforscher verfolgten in den vergangenen Jahren verschiedene Ansätze, wobei sie sich vor allem auf drei Einflussfaktoren konzentrierten: die Sonne, atmosphärische Aerosolpartikel und die Ozeane. Die von der Sonne abgestrahlte Energie schwankt üblicherweise in einem Elf-Jahres-Zyklus. Um die Jahrtausendwende herum trat die Sonne aber in eine längere Ruhephase ein. Der natürliche Elf-Jahres-Zyklus nähert sich derzeit zwar seinem Höhepunkt, doch bisher handelt es sich um das schwächste Sonnenmaximum in den vergangenen hundert Jahren. Dieser Umstand könnte für den Hiatus, aber auch für die Diskrepanz in den Simulationen verantwortlich sein – denn die Modelle gingen von einer höheren Sonnenaktivität aus als seit 2000 tatsächlich vorhanden.

Eine unerwartete Zunahme von Aerosolteilchen in der Stratosphäre könnte ebenfalls dazu beitragen, dass die Temperaturen auf der Erde weniger ansteigen als vorhergesagt. Diese Partikel reflektieren das Sonnenlicht zurück in den Weltraum und Wissenschaftler vermuten, dass in den vergangenen 16 Jahren kleine Vulkane – und vielleicht sogar die Industrialisierung in China – zusätzliche Partikel in die Stratosphäre gepumpt haben könnten, was die globalen Temperaturen absinken ließ.

Einige Wissenschaftler hielten diese beiden Faktoren für die treibende Kraft hinter der Pause. Studien aus den vergangenen Jahren schätzen ihren Effekt aber eher relativ gering ein. Trenberth untersuchte die Auswirkungen beispielsweise auf der Basis von Satellitenmessungen, bei denen man die auf den Planeten ein- und von ihm abgestrahlte Energie erfasste. Demzufolge tragen Aerosole und Sonnenaktivität nur zu zwanzig Prozent zur Lücke bei. Der Löwenanteil entfällt auf die Ozeane, die ähnlich riesigen Schwämmen die Wärme aufnehmen können. Im Fokus steht dabei der äquatoriale Pazifik.

Es weht heiß und kalt

Kurz bevor der Hiatus einsetzte, hatte sich diese Region während des El Niño von 1997 und 1998 ungewöhnlich stark erwärmt. Das führte rund um den Globos zu extremen Wetterlagen – von Überschwemmungen in Chile und Kalifornien bis hin zu Dürren und Waldbränden in Mexiko und Indonesien. Doch der Spuk verschwand so schnell, wie er gekommen war: Bis Ende 1998 kehrte das kalte Wasser – ein Anzeichen für das El-Niño-Pendant La Niña – mit voller Wucht in den östlichen äquatorialen Pazifik zurück. Tatsächlich ging der gesamte östlichen Pazifik in einen kalten Zustand über, der sich mehr oder weniger bis zum heutigen Tag fortsetzt.

Erderwärmung
© NASA, Goddard Institute for Space Studies (GISS)
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Abweichungen der Durchschnittstemperaturen der Jahre 2005 bis 2009 verglichen mit der Zeit von 1951 bis 1980: Gelbe und rote Töne geben höhere, blaue Farben hingegen kühlere Werte wieder. Im globalen Rahmen zeichnet sich eine deutliche Erwärmung ab, die in der Arktis besonders ausgeprägt ausfiel.

Diese Schwankungen in der Ozeantemperatur, bekannt als Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO), könnten ein entscheidendes Puzzlestück im Klimarätsel darstellen. Der Kreislauf wiederholt sich alle 15 bis 30 Jahre und in seiner Warmphase begünstigt die PDO einen El Niño, der die Atmosphäre tendenziell erwärmt. Nachdem über einige Jahrzehnte Wärme aus dem östlichen und zentralen Pazifik abfloss, kühlte die Region ab und ging in die Kaltphase der PDO über. Dieser Zustand verstärkt das Wetterereignis La Niña, das entlang des Äquators kaltes Wasser aus der Tiefe aufströmen lässt und den Planeten tendenziell abkühlt. Forscher erkannten das Phänomen der Pazifischen Dekaden-Oszillation bereits 1997. Doch erst kürzlich verstand man, wie es mit großräumigeren Meeresströmungen zusammenhängt und wie es dabei helfen könnte, den Hiatus zu erklären.

2011 erlangte ein Forscherteam um Gerald Meehl vom NCAR eine entscheidende Erkenntnis. Bindet man die PDO-Anomalie in globale Klimamodelle ein, kommt es zu jahrzehntelangen Pausen in der globalen Erwärmung. Den Grund dafür zeigen Messungen der Ozeantemperatur während der Pause: Laut einer nachfolgenden Studie der Wissenschaftler am NCAR strömte nach 1998 mehr Wärme in die Tiefsee, wodurch sich die Atmosphäre weniger stark erwärmte. In einer dritten Publikation nutzte die Gruppe Computermodelle, um die Kehrseite des Prozesses zu zeigen: In der PDO-Warmphase erhitzen sich die Meeresoberfläche und die Atmosphäre, was eine Jahrzehnte andauernde schnelle Erwärmung unterstützt.

Ein wichtiger Durchbruch gelang im vergangenen Jahr auch Shang-Ping Xie und Yu Kosaka von der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Kalifornien. Die beiden entwickelten ein Klimamodell, das die tatsächlichen Oberflächentemperaturen im östlichen äquatorialen Pazifik im Lauf der vergangenen Jahrzehnte wiedergibt, und schauten, was infolgedessen mit dem Rest der Welt passiert. Ihr Modell bildete nicht nur den globalen Temperaturverlauf nach, sondern reproduzierte auch einige der saisonalen und regionalen Klimaentwicklungen, die den Hiatus kennzeichneten, darunter die Erwärmung in vielen Gebieten sowie kältere Winter im Norden.

"Es war wirklich eine Offenbarung für mich, als ich diese Studie sah", berichtet John Fyfe vom Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis in Victoria. "Doch sie kann nicht alles erklären", fügt er hinzu. "Die Frage danach, was die tropische Abkühlung antreibt, wurde umgangen."

Trenberth und John Fasullo vom NCAR übernahmen diese Aufgabe. Sie fügten auch Winde und Meeresdaten in das Modell ein, um zu verstehen, wie die Anomalie entstand. Unter dem Einfluss eines La Niña kann mit Hilfe tropischer Passatwinde warmes Wasser nach Westen und schließlich in die Tiefe strömen. Gleichzeitig begünstigen die Winde entlang der östlichen Äquatorregion den Auftrieb kalten Wassers. In Extremfällen, wie beim La Niña von 1998, geht der Ozean hierdurch möglicherweise in eine PDO-Kaltphase über. Eine Analyse historischer Daten untermauert diese Schlussfolgerungen: Demnach entsprechen ein paar Jahrzehnte mit kühleren Temperaturen nach dem Zweiten Weltkrieg der PDO-Kaltphase und das scharfe Maximum des globalen Temperaturverlaufs zwischen 1976 und 1998 stimmt mit der Warmphase überein.

"Der Beweis ist ziemlich eindeutig, denke ich", so der Klimatologe Mark Cane von der Columbia University in New York. "Entscheidend sind nicht etwa Aerosole oder Wasserdampf in der Stratosphäre, sondern einzig, ob die Temperaturen im östlichen äquatorialen Pazifik in den vergangenen zehn Jahren kühler ausfielen."

Hitzige Debatte

Cane sagte die gegenwärtige Abkühlung im Pazifik erstmals vorher, auch wenn die Tragweite damals noch nicht klar war. 2004 berechneten er und seine Kollegen mit Hilfe eines einfachen regionalen Klimamodells, dass sich die Wärme im pazifischen Ozean ab etwa 1976 verlagern sollte, während die globalen Temperaturen stark anstiegen. Beinahe am Rande machten sie in den letzten Zeilen ihrer Publikation eine simple Prognose: "Unserer Meinung nach beschreibt das Modell, dass der El Niño von 1998 die Wärmeperiode im tropischen Pazifik nach 1976 beendete."

Obwohl das Ergebnis unheimlich genau scheint, bleibt die Studie sehr umstritten – unter anderem weil sie auf einem regionalen Klimamodell fußt, das ausschließlich den äquatorialen Pazifik betrachtet. Cane behauptet zudem, dass die Temperaturen in den vergangenen hundert Jahren im westlichen Pazifik tendenziell höher waren als diejenigen im Osten. Damit könnte die Erwärmung durch Treibhausgase für La-Niña-ähnliche Bedingungen sorgen und so auch zukünftig die globale Erwärmung unterdrücken. "Wenn all das stimmt, haben wir es mit einer negativen Rückkopplung zu tun. Und wenn wir die nicht in unseren Modellen berücksichtigen, werden diese die Erwärmung zu hoch einschätzen", so der Klimatologe.

Es gibt zwei mögliche Schwachstellen in seiner Hypothese. Zum einen sind die historischen Daten der Meerestemperatur bekanntermaßen ungenau und das lässt viele Forscher daran zweifeln, dass sich der äquatoriale Pazifik in den vergangenen hundert Jahren hin zu einem La-Niña-ähnlichen Zustand verschoben hat, so wie von Cane angenommen. Zum anderen stießen viele Wissenschaftler in Simulationen mit globalen Klimamodellen – die also auch die atmosphärischen und ozeanischen Wechselwirkungen außerhalb des äquatorialen Pazifiks einbeziehen – auf das entgegengesetzte Verhalten. Als Folge der globalen Erwärmung, so zeigen die Simulationen überwiegend, bilden sich eher El-Niño-ähnliche Bedingungen aus.

Der Unterschied scheint teilweise darin zu liegen, so Trenberth, wie sich die Erwärmung in verschiedenen Pazifikregionen auf die Verdunstung auswirkt. Laut den Modellen scheint die globale Erwärmung die Temperaturen im relativ kühlen Osten stärker zu beeinflussen, berichtet der Klimaforscher. Denn durch das vermehrte Verdunsten gelangt dort mehr Wasserdampf in die Atmosphäre und verstärkt so die Klimaerwärmung. Im wärmeren westlichen Pazifik, wo die Luft bereits mit Feuchtigkeit gesättigt ist, fällt dieser Effekt schwächer aus.

Vielleicht können Wissenschaftler ihre Theorien schon bald überprüfen. Derzeit drängen starke tropische Passatwinde immer mehr warmes Wasser westwärts gen Indonesien und nähren so Stürme wie im November Taifun Haiyan oder heben den Meeresspiegel im westlichen Pazifik an – momentan liegt dieser rund zwanzig Zentimeter über dem des östlichen Pazifik. Früher oder später wird sich diese Entwicklung zwangsläufig umkehren. "Man kann nicht beliebig viel warmes Wasser im westlichen Pazifik anhäufen", erklärt Trenberth. "Irgendwann steht das Wasser so hoch, dass es einfach zurückschwappt." Und wenn das passiert, wird die verlorene Wärme wieder auftauchen und die Temperaturen schnellen wieder nach oben – vorausgesetzt die Wissenschaftler liegen richtig.

Der Artikel erschien in Nature 505, S. 276–278, 2014 unter dem Titel "Climate change: The case of the missing heat".