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August 1986: El Niño

Diese anomale Erwärmung der Meeresoberfläche im äquatorialen Pazifik geht mit großräumigen Veränderungen im atmosphärischen Zirkulationsmuster einher. Vielleicht beeinflußt sie auch das Wettergeschehen in anderen Regionen und läßt sich für jahreszeitliche Witterungsprognosen heranziehen.
Palme im Sturm

Von allen Umweltwissenschaften betrifft die Meteorologie die Menschen am unmittelbarsten. Umgekehrt hat das allgemeine Interesse an Wettervorhersagen aber auch einen maßgeblichen Einfluß auf die meteorologische Forschung. Nehmen wir zum Beispiel die Frage danach, wie der nächste Sommer oder Winter wird. Das Interesse der Öffentlichkeit an solchen langfristigen Witterungsprognosen ist groß, doch lagen ihre Trefferquoten bisher nicht wesentlich über der von reinem Raten (oder von Bauernregeln).

Den Eingeweihten kann das nicht sonderlich überraschen. Wenn man Phänomene wie das Heranziehen einer Regenfront derzeit höchstens über einen Zeitraum von drei bis fünf Tagen Vorhersagen kann, wie soll sich die Witterung für eine ganze Jahreszeit, die ja auch nur die Summe einzelner Wetterlagen ist, Monate im voraus ermitteln lassen? Dennoch werden solche Vorhersagen von vielen gewünscht. Also bemühen sich die Meteorologen, den Vorhersagezeitraum immer weiter auszudehnen.

Dabei suchen sie nach Wegen, das unlösbare Problem langfristiger Vorhersagen einzelner Wetterereignisse zu umgehen. So halten sie Ausschau nach großräumigen oder gar globalen Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation, die das Wetter auf regionaler Ebene beeinflussen könnten. Ihre Hoffnung dabei ist, aus den Vorboten und Auswirkungen der großräumigen Änderungen Rückschlüsse auf künftige Wetterentwicklungen ziehen zu können.

Das bekannteste (und als Wetterindikator aussichtsreichste) großräumige meteorologische Phänomen ist der sogenannte El Niño: eine anomale Erwärmung der Meeresoberfläche im äquatorialen Pazifik. Er tritt in unregelmäßigen Zeitabständen auf und ist vom jähen Kippen einer Art Luftdruckschaukel zwischen dem südöstlichen und dem westlichen tropischen Pazifik begleitet, die man als Southern Oscillation bezeichnet.

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Beide Phänomene sind Ozeanographen und Meteorologen seit Jahrzehnten bekannt. Da sie jedoch in einem der am dünnsten besiedelten Gebiete der Erde auftreten, stießen sie nur bei wenigen Forschern auf Interesse.

Das wäre weiter so geblieben, wenn sich nicht gezeigt hätte, daß der Niño auch das Wetter in anderen Regionen – beispielsweise auch in so weit nördlich gelegenen Ländern wie den USA – beeinflußt. Bei seinem Auftreten in den Jahren 1982/83 wurde Kalifornien zum Beispiel von Überschwemmungen heimgesucht, während in Afrika die Dürre zunahm. Diese Zusammenhänge weckten den Verdacht, daß die ozeanischen und atmosphärischen Anomalien, die im äquatorialen Pazifik während eines Niño zu beobachten sind, den Schlüssel zu genaueren langfristigen Wetterprognosen in anderen Gebieten liefern könnten. Obwohl sich das bisher nicht bestätigen ließ, hat uns das Interesse der Öffentlichkeit an solchen Prognosen immerhin dem Verständnis dieser Anomalien wesentlich näher gebracht.

Allgemeines über den Verlauf

Seit über einem Jahrhundert bezeichnen südamerikanische Fischer mit El Niño, dem spanischen Wort für Christkind, die Erscheinung, daß sich alljährlich zur Weihnachtszeit – also im Sommer der südlichen Hemisphäre – das Meerwasser vor der Küste von Ecuador und Nordperu erwärmt. Normalerweise ist die Meeresoberfläche dort, gemessen an der äquatorialen Lage, ziemlich kalt. Das liegt daran, daß der nordwärts fließende Humboldt-Strom das oberflächennahe Wasser vom Land forttreibt, so daß kühles Wasser aus der Tiefe nach oben kommt. Es ist reich an Nährstoffen, vor allem an Phosphaten und Nitraten, von denen sich das pflanzliche Plankton ernährt. Auf dem Planktonreichtum beruht letztlich die peruanische Anschovis-Fischerei, die das größte Fangaufkommen der Welt hat.

Wenn zur Weihnachtszeit ein warmer südlicher Strom das kalte Wasser verdrängt und den Aufstieg der Nährstoffe hemmt, geht der Fischfang stark zurück. Allerdings reicht die Erwärmung nicht weiter südwärts als bis zum Nordrand Perus und endet gewöhnlich im März oder April. Gelegentlich aber ist der Niño viel ausgeprägter, dehnt sich weiter aus und hält länger an. Die Meeresoberfläche erwärmt sich dann entlang der gesamten peruanischen Küste sowie im östlichen und mittleren äquatorialen Pazifik und kühlt auch nicht im März oder ) April wieder ab. Unter Umständen können die Temperaturen über ein Jahr lang hoch bleiben.

Solche relativ starken Niños wurden 1953, 1957/58, 1965, 1972/73, 1976/ 77 und zuletzt 1982/83 beobachtet. Dabei erwärmte sich die Meeresoberfläche westlich von Peru jeweils um mehr als sieben Grad, verglichen mit ein bis zwei Grad in normalen Jahren. Die Auswirkungen der besonders starken Niños auf die Anschovis-Fischerei seit 1972 waren verheerend: Die jährliche Fangmenge sank von mehr als zwölf Millionen Tonnen im Rekordjahr 1970 auf weniger als eine halbe Million 1983. In der Wissenschaft wird der Ausdruck El Niño heute nur noch für diese ausgeprägten Ereignisse gebraucht.

Den ersten großen Schritt zum Verständnis des El Niño-Phänomens machte 1966 Jacob Bjerknes an der Universität von Kalifornien in Los Angeles. Er erkannte den Zusammenhang zwischen der ungewöhnlichen Meereserwärmung und der Southern Oscillation. Diese war zuerst 1924 von Sir Gilbert Walker beobachtet worden. Es handelt sich um eine Kopplung der Luftdrucksysteme über den ganzen Pazifik hinweg. Wenn zum Beispiel der Druck im Hoch über den Osterinseln steigt, fällt er im Tiefdrucksystem über Indonesien und Nord-Australien und umgekehrt. Um das Phänomen zu quantifizieren, hat Walker einen Index definiert, der die Differenz zwischen dem Luftdruck im West-Pazifik und dem im Ost-Pazifik beinhaltet. Er ist positiv, wenn die Differenz höher, und negativ, wenn sie geringer ist als normal.

Die Ursache der Southern Oscillation kennt man bisher nicht. Unter dem Aspekt der Klimavorhersage ist dieses Phänomen jedoch vor allem wegen der markanten Fluktuationen interessant, die über die Jahre hinweg auftreten. Dabei weichen sowohl Temperaturen als auch Niederschläge weiträumig von den Normalbedingungen ab. So hat Walker selbst bereits bemerkt, daß die Niederschläge des Sommermonsuns in Indien oft gering ausfallen oder ganz ausbleiben, wenn der Walker-Index klein ist, und umgekehrt.

Vier Jahrzehnte später stellte Bjerknes fest, daß auch Niños mit einem niedrigen Index verbunden sind. Ein Niño beginnt mit dem Fallen des Index und erreicht seinen Höhepunkt bei dessen Tiefststand. So sank während des Niño von 1972/73, der die peruanische Anschovis-Fischerei ruinierte, der Walker-Index auf einen der tiefsten Werte, die jemals beobachtet wurden. Zugleich wurde Indien von einer schweren Dürre heimgesucht. Unter ungewöhnlicher Trockenheit litten auch die Sowjetunion sowie Neu-Guinea und Hawaii, während in Peru, in Kalifornien und auf den Philippinen schwere Überschwemmungen auftraten. Offenbar wirkt sich ein El Niño/Southem Oscillation-Ereignis (im folgenden werde ich zur Abkürzung nur noch pauschal vom Niño reden) auch weit außerhalb des äquatorialen Pazifik aus. Da das Ereignis von 1972/73 schon kurz nach seinem Beginn erkannt worden war, schöpften die Meteorologen Hoffnung, künftige Niños und ihre globalen Auswirkungen auf das Wetter schon einige Monate im voraus konstatieren zu können.

Der Schulbuch-El Niño

Mitte der siebziger Jahre war man zu einer allgemein akzeptierten Vorstellung davon gelangt, was vor Einsetzen und während eines typischen Niño, auch Schulbuch-El Niño genannt, passiert. Die Grundlage bildeten Bjerknes’ Beschreibung der Southern Oscillation sowie ein Modell der ozeanischen Zirkulation, das Klaus Wyrtki an der Universität von Hawaii in Honolulu entwickelt hatte. Die Modelle selbst waren aus monatlich gemittelten Werten für Parameter wie Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Temperatur der Meeresoberfläche abgeleitet, die man an verschiedenen Stellen im Pazifik während der Niños von 1957/58, 1965 und 1972/73 gemessen hatte.

Im Schulbuchmodell des Niño liegt der Schwerpunkt auf dem Verhalten der Passatwinde über dem tropischen Pazifik. Im zentralen und östlichen Pazifik sind die Passatwinde Teil einer Zirkulation um zwei beständige Hochdruckzellen herum: das südpazifische Hoch bei den Osterinseln und das nordpazifische Hoch mit Zentrum vor der kalifornischen Küste. Um das Zentrum einer Hochdruckzelle zirkulieren die Luftmassen antizyklonal: im Uhrzeigersinn auf der Nord- und entgegen dem Uhrzeigersinn auf der Südhalbkugel. Folglich blasen die Passatwinde an der nord- und südamerikanischen Küste jeweils in Richtung Äquator.

Der Nordost- und der Südostpassat treffen sich in der sogenannten innertropischen Konvergenzzone, die sich gewöhnlich zwischen 4 Grad nördlicher Breite im April und 8 Grad nördlicher Breite im September hin- und herbewegt. Da Niños in der Nähe des Äquators beginnen (der Grund dafür ist nicht ganz klar), spielt der Südostpassat für ihren Verlauf eine besonders wichtige Rolle.

Entlang der südamerikanischen Küste treibt der Südostpassat den Humboldt- Strom an und schiebt das oberflächennahe Meerwasser von der Küste fort. Dadurch gelangt kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser an die Oberfläche. Die passatbedingte Westdrift hält über den östlichen und mittleren Pazifik hinweg an. Folglich wird nach Wyrtkis Modell im westlichen Pazifik Wasser aufgestaut und der Meeresspiegel angehoben. Das herangeführte Wasser läßt die warme Oberflächenschicht im Westpazifik anschwellen, so daß die Thermokline, die Grenze zwischen dem gut durchmischten, oberflächennahen Bereich und den kälteren, tieferen Schichten, absinkt. (In Wahrheit ist die Thermokline keine scharfe Grenze, sondern nur eine stabile Zone, in der ein hohes vertikales Temperaturgefalle herrscht.) Während an der südamerikanischen Küste die Thermokline nur 50 Meter unter der Meeresoberfläche liegt (deshalb ist das aufsteigende Wasser kalt), verläuft sie im westlichen Pazifik in einer Tiefe von etwa 200 Metern.

Der Südostpassat selbst wird letztlich durch das Luftdruckgefälle zwischen dem südpazifischen Hoch und der Tiefdruckzone über Indonesien und Australien erzeugt. Mithin ist der Walker-Index, in den die Differenz zwischen diesen beiden Drucksystemen eingeht, zugleich ein Maß für die Stärke des Passats. Bei großem Index herrscht ein hohes Druckgefälle, und der Passat weht kräftig.

Ein Niño kündigt sich durch einen jähen Abfall des Walker-Index an, begleitet von einem Zusammenbruch des Passatwindsystems im West-Pazifik. Das geschieht in der Regel so um den Oktober herum. Vom Druck des Passats entlastet, flutet das im westlichen Pazifik angehäufte warme Wasser zurück nach Osten und läßt den Meeresspiegel östlich der Datumsgrenze (dem 180. Längengrad) ansteigen. Dabei strömt es gewöhnlich unter der Oberfläche in Form von Wellen, die man als Kelvin- Wellen bezeichnet. Diese wandern den Äquator entlang und erreichen nach zwei bis drei Monaten schließlich die Küste von Südamerika.

Die Kelvin-Wellen haben zwei Effekte: Sie erzeugen anomale ostwärts gerichtete Strömungen, und sie drücken die Thermokline nach unten. Beides bewirkt eine Erwärmung der Meeresoberfläche, weil zum einen warmes Wasser nach Osten verfrachtet und zum anderen das Aufdringen kalten Wassers von der Thermokline oder darunter unterbunden wird.

Der zweite Effekt ist der wichtigere. Das gilt besonders für Südamerika, wo die Thermokline gewöhnlich dicht unter der Oberfläche liegt. Im Dezember oder Januar, wenn die ersten Kelvin- Wellen die Küste erreichen, beginnt sich dort also die Meeresoberfläche zu erwärmen. Zu diesem Zeitpunkt ist normalerweise noch nicht klar, ob dies nur ein Teil des gewöhnlichen jährlichen Zyklus ist oder ob ein richtiger Niño bevorsteht.

Bei einem echten Niño flauen die Passatwinde bei Indonesien weiter ab und schlagen schließlich sogar in bodennahe Westwinde um. Diese setzen verstärkt Kelvin-Wellen in Gang, welche die Thermokline bei Südamerika noch mehr absenken.

Obwohl der Südostpassat an der südamerikanischen Küste nicht zusammenbricht und weiter Wasser aufquellen läßt, ist dieses jetzt wesentlich wärmer (und ärmer an Nährstoffen). Folglich wird die westliche Strömung vor der Küste des äquatorialen Südamerika nicht nur von den anrollenden gegenläufigen Kelvin-Wellen abgeschwächt, sondern sie ist auch noch wesentlich wärmer als vorher.

Die Erwärmung der Meeresoberfläche beginnt sich daher am Äquator entlang nach Westen fortzusetzen. Im mittleren Pazifik, wo die Oberfläche gewöhnlich gleichfalls durch den wind-erzeugten Aufstrom kalten Wassers abgekühlt wird, verstärkt sich die Erwärmung dadurch, daß sich der Passat hier erheblich abschwächt und der kalte Aufstrom somit nachläßt.

Die normale Windzirkulation am Äquator kann sich während eines Niño sogar völlig umkehren. Normalerweise wehen die östlichen Passatwinde den Äquator entlang und führen zunehmend wärmere und feuchtere Luft in die Tiefdruckzone bei Indonesien. Dort stoßen sie auf bodennahe Westwinde. Infolgedessen steigt die warme Luft auf, die enthaltene Feuchtigkeit kondensiert, und es kommt zu starken Regenfällen. Die ausgeregnete Luft strömt in der unteren Troposphäre (in Höhen zwischen 9 und 12 Kilometern) nach Osten zurück, kühlt sich ab und sinkt über dem mittleren und östlichen äquatorialen Pazifik wieder nach unten. Dort herrscht daher gewöhnlich sonniges und trockenes Wetter.

Nach dem Modell von Wyrtki wird während eines Niño die Strömungsrichtung dieser Zirkulation jedoch umgedreht. Das geschieht durch eine positive Rückkopplung zwischen Atmosphäre <5 und Meeresoberfläche. Die bodennahen Westwinde, die sich östlich von Indonesien entwickeln, erzeugen Kelvin-Wellen, die den mittleren Pazifik erwärmen. Da Luft über warmem Wasser aufsteigt, bewirkt die anomal warme Meeresoberfläche, daß sich der aufsteigende Ast der Zirkulationszelle nach Osten verlagert. Die Westwinde folgen, verstärken sich und erzeugen weitere Kelvin-Wellen. Schließlich hat sich der aufsteigende Ast somit ganz zum mittleren bis östlichen Pazifik verschoben. Er ruft dann schwere Regenfälle in normalerweise trockenen Regionen hervor. (Bei dem außergewöhnlich starken Niño von 1982/83 erstreckte sich die Zone aufsteigender Luftmassen bis zur südamerikanischen Küste.) In der oberen Troposphäre strömt die Luft nun nach Westen statt nach Osten und sinkt über Indonesien ab. Dort herrscht daher eine ungewöhnliche Trockenheit.

Von Juni bis August läßt der Niño vorübergehend nach, so daß zwei bis drei Monate später die Meeresoberfläche bei Südamerika wieder kälter wird. Gegen Ende des Jahres aber erwärmt sie sich erneut. Kurz danach steigt der Walker-Index, und die östlichen Passatwinde frischen auf. Im März oder April, also etwa 15 Monate nach Beginn des Niño, haben sich die Verhältnisse im äquatorialen Pazifik schließlich weitgehend wieder normalisiert.

Wenig treffsichere Vorhersagen

Obwohl kein Niño genau nach Schulbuch verläuft, stimmten die am besten untersuchten Fälle doch in Vorgeschichte und Verlauf so weit überein, daß eine Vorhersage künftiger Niños möglich schien. Insbesondere müßte nach Wyrtkis Ansicht erst der Walker- Index ansteigen und der Passat sich verstärken, so daß sich Wasser im westlichen Pazifik anstaut, bevor das Windsystem zusammenbrechen und so einen Niño auslösen könnte. Wyrtkis Modell basierte größtenteils auf dem Niño von 1972/73, und bei diesem waren alle genannten Voraussetzungen in der Tat erfüllt.

Eine Arbeit von Eugene M. Rasmusson und T. H. Carpenter vom Climate Analysis Center der amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) stützte die Vermutung, daß ungewöhnlich kräftige Passatwinde verläßliche Vorboten eines Niño seien. Rasmusson und Carpenter erstellten zusammengesetzte Anomalie- Karten für die sechs Niños zwischen 1949 und 1973. Ihre Annahme war, daß sich bei der Mittelung über vergleichbare Zeitabschnitte innerhalb verschiedener Niños die allen gemeinsamen Vorboten gegenüber den zufälligen Unterschieden zwischen den Einzelfällen (dem Hintergrundrauschen) abheben müßten. Als eines der brauchbarsten Vorzeichen erwies sich ein starker Passat im westlichen Pazifik in den Monaten vor dem Einsetzen des Niño.

Aber noch bevor Rasmusson und Carpenter ihre Anomalie-Karten fertiggestellt hatten, wertete der Niño von 1976/77 – oder genauer: das Ausbleiben eines solchen Ereignisses im Jahre 1975 – die Passatverstärkung von einem hinreichenden zu einem allenfalls notwendigen Kriterium ab. Im Jahre 1974 war der Walker-Index gestiegen, und der Passat hatte sich verstärkt; folglich wurde für 1975 ein Niño erwartet. Doch nichts geschah. Statt dessen stieg nach einem kurzen Absinken der Index erneut an und fiel erst 1976. Da trat dann ein – allerdings nur mäßig starker – Niño auf.

Der Niño von 1982/83 erschütterte die Vermutung, ein starker Passat sei ein brauchbarer Vorbote, noch mehr. Seit 1976 blieb die Thermokline bei Südamerika ziemlich tief und die Nährstoffzufuhr zur Oberfläche entsprechend gering. Die Anschovis-Bestände konnten sich daher nicht erholen. Gleichzeitig bewegte sich der Walker-Index um den Normalwert. Der Passat verstärkte sich also nicht, und das hieß gemäß dem Modell von Wyrtki, daß kein Niño bevorstand.

Daher waren alle Beobachter überrascht, als der Index im März 1982 jäh abfiel. Im Juni hatte er ein Rekordtief erreicht, und der stärkste Niño dieses Jahrhunderts stand vor der Tür. Verheerende Überschwemmungen suchten die Westküste Nord- und Südamerikas heim. Eine Dürre breitete sich über Australien aus, und die Trockenheit in der afrikanischen Sahel-Zone verschlimmerte sich. Dagegen litten die Inseln von Französisch-Polynesien und im mittleren Südpazifik unter Rekordregenfällen. Während Polynesien gewöhnlich nur alle drei Jahre von einem tropischen Zyklon heimgesucht wird, verwüsteten 1983 allein sechs solcher Wirbelstürme zwischen Februar und April die Inseln.

Die Katastrophe von 1982/83 zeigte, daß starke Passatwinde nicht nur keine hinreichende, sondern nicht einmal eine notwendige Bedingung für Niños sind. Die Versuche, für dieses Phänomen zuverlässige Vorzeichen zu finden, waren fehlgeschlagen, weil sie, wie man inzwischen weiß, auf einem Datensatz beruhten, der nicht alle möglichen El Niño-Varianten umfaßte. Der außerordentlich starke Niño von 1982/83 scheint nämlich keineswegs ohne Parallele gewesen zu sein: George Kiladis und Henry Diaz vom Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences der NOAA und der Universität von Colorado haben herausgefunden, daß er dem von 1877/78 stark ähnelte. Leider sind die Daten von damals zu spärlich, als daß man sie für zusammengesetzte Anomalie-Karten oder andere detaillierte Statistiken verwenden könnte.

Der Mißerfolg bei der El Niño-Vorhersage unterstreicht, daß man die Entwicklung dieser Anomalie noch immer nicht ausreichend versteht. Was einst als ziemlich einfacher Kreislauf mit der stets gleichen Folge von Ereignissen erschien, erweist sich als ziemlich variables Geschehen.

Abweichung als Regel

Nach Wyrtkis Modell sollte das System Pazifischer Ozean – Atmosphäre jeweils einen von nur zwei stabilen Zuständen einnehmen: einen mit niedrigem Walker-Index, der dem Niño entspricht, und einen mit hohem Index, den man als »Anti-El Niño« bezeichnen könnte. Nach dem Einsetzen eines Niño würde – so die Annahme – eine positive Rückkopplung zwischen Ozean und Atmosphäre den Zyklus verstärken und verlängern. Nach Beendigung des Zyklus sollte die gleiche Wechselwirkung die Rückkehr zu Anti-El Niño-Bedinungungen fördern.

In den letzten Jahren hat sich mit der Entdeckung vielfältiger Zwischenstadien die Unterscheidung zwischen den beiden Situationen jedoch immer mehr verwischt. So galten früher sommerliche Dürren in Indien und übernormale Regenfälle im zentralen Pazifik als Merkmale eines Niño. Aber die schwere Dürre in Indien im Jahre 1979 und der Rekord-Monatsniederschlag auf Canton Island (einem bei 2,8 Grad Süd und 171,7 Grad West gelegenen, zu den Phönixinseln zählenden Atoll) im Dezember 1977 traten beide in Jahren ohne Niño auf.

Irgendwie scheint die Veränderlichkeit des El Niño-Zyklus durch die Methoden, mit denen man ihn erforscht hat, verdeckt worden zu sein. Ein schwerer Mangel bei fast allen Untersuchungen war, daß man sich ganz auf die Niños selbst – einzeln oder in ihrer Gesamtheit – konzentriert hatte. Die viel längeren Zeitabschnitte dazwischen wurden großenteils vernachlässigt. Ein theoretisches Modell, das eine anomal warme Meeresoberfläche im äquatorialen Pazifik beispielsweise mit dem Ausbleiben des Monsuns in Indien in Verbindung bringt, sollte auch erklären können, warum der Regen manchmal auch dann ausbleibt, wenn die Temperatur der Meeresoberfläche normal oder unternormal ist. Die gegenwärtigen Modelle können das nicht.

Ein zweiter Mangel der Modelle ist, daß sie auf monatlich oder jahreszeitlich gemittelten Werten für die atmosphärischen und ozeanischen Parameter fußen. Kurzfristige Abweichungen von den Normalbedingungen bleiben somit verdeckt: Sie gehen in den Mittelwerten unter. Nach Roger B. Lukas und seinen Mitarbeitern an der Universität von Hawaii in Manoa aber könnten die fünf bis sieben Tage andauernden Großwetterlagen für die Entwicklung eines Niño sogar bedeutsamer sein als monatliche Strukturen.

Lukas und seine Mitarbeiter haben ein Szenario entworfen, bei dem ein Niño durch spontan auftretende Westwinde ausgelöst wird, die etwa eine Woche andauern und sich über ein paar hundert Kilometer im westlichen Pazifik erstrecken. Meiner Meinung nach werden diese ungewöhnlichen Westwinde häufig von tropischen Wirbelstürmen hervorgerufen.

Zu Beginn der meisten El Niño-Jahre bilden sich in den zwei Tiefdruckrinnen an der Erdoberfläche beiderseits des Äquators, die zu der ausgedehnten indonesischen Tiefdruckzone gehören, solche tropischen Zyklone. Da die Winde von Tiefs auf der Nordhalbkugel entgegen dem Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn wehen, sind sie auf der äquatorialen Seite von Wirbelstürmen stets nach Osten gerichtet. Ihre Stärke reicht aus, um Kelvin-Wellen zu erzeugen, die das warme Wasser ostwärts treiben und es im mittleren Pazifik auftürmen. Die Kelvin-Wellen erwärmen auch die Küste Südamerikas, indem sie die Thermokline absenken.

Die Tiefdruckrinnen und die von ihnen erzeugten tropischen Wirbelstürme liegen da, wo die Meeresoberfläche am wärmsten ist; denn warmes Wasser erwärmt die Luft, so daß sie sich ausdehnt und der Luftdruck sinkt. Demnach folgen die Tiefdruckrinnen der im Lauf des Jahres zwischen nördlichem und südlichem Wendekreis hin und her wandernden Sonne, hinken ihr allerdings etwas nach.

Von Juni bis August ist die südpazifische Tiefdruckrinne daher nicht vorhanden. Die tropischen Wirbelstürme aus der nordpazifischen Tiefdruckrinne befinden sich dagegen zu weit nördlich vom Äquator, um Kelvin-Wellen erzeugen zu können. (Diese Wellen sind ein rein äquatoriales Phänomen. Ihre Amplitude nimmt mit der Entfernung vom Äquator rasch ab, da sie umgekehrt proportional zur Corioliskraft ist, die von der Erdrotation herrührt und mit der Entfernung vom Äquator steigt.) Das Fehlen von Kelvin-Wellen im westlichen Pazifik im Sommer macht sich ein paar Monate später durch ein Abkühlen der Meeresoberfläche an der südamerikanischen Küste bemerkbar.

Ab September folgt die nordpazifische Tiefdruckrinne der Sonne wieder nach Süden. Dabei überquert sie jene warmen Meeresgebiete im mittleren Pazifik, die noch von der Hochsaison der Kelvin-Wellen im letzten Frühjahr übriggeblieben sind. Dieser Warmwasserpool verstärkt die Tiefdruckrinne. Infolgedessen entwickeln sich tropische Wirbelstürme und erzeugen Kelvin- Wellen, die das warme Wasser weiter nach Osten drücken.

Die Warmwasserzone hat nun aber die Tendenz, den tiefen Luftdruck und die Zyklone mit sich zu ziehen. So entstehen in El Niño-Jahren auch noch weiter östlich als sonst tropische Wirbelstürme. Im November 1957 und November 1982 haben sich beispielsweise auch tropische Zyklone nahe den Linien-Inseln (entlang dem Fanningrücken bei ungefähr 160 Grad West) entwickelt – in einer Gegend, die von Wirbelstürmen normalerweise völlig verschont bleibt.

Nach diesem Szenario sind tropische Zyklone nötig, um Niños sowohl auszulösen als auch zu verlängern. Die anomalen Westwinde, die sie im westlichen Pazifik erzeugen, rufen die ozeanische Anomalie spontan hervor. Der Passat braucht sich dazu nicht vorher verstärkt zu haben.

Auch nach seinem Einsetzen kann ein Niño freilich vorzeitig wieder ausklingen, wenn er nicht durch weitere Schübe von Westwinden aufrechterhalten wird. Ein kritischer Punkt seiner weiteren Entwicklung liegt am Ende des nördlichen Sommers, wenn die Tiefdruckrinne zurück zum Äquator wandert. Das warme Wasser dort begünstigt zwar die Bildung von tropischen Zyklonen; wenn dennoch aus irgendwelchen Gründen keine Wirbelstürme Zustandekommen, geht dem Niño jedoch buchstäblich die Luft aus.

Sofern dieses Modell zutrifft, läuft das Problem, Auftreten, Dauer und Stärke eines Niño vorauszusagen, darauf hinaus, die Entstehung tropischer Wirbelstürme zuverlässig vorherzusehen. Das aber ist eine ebenso schwierige Aufgabe wie die Wettervorhersage. Eine oberflächennahe Tiefdruckrinne über dem Ozean ist zwar fast immer eine Vorbedingung für die Bildung tropischer Zyklone; aber sie ist keineswegs auch hinreichend – anderenfalls gäbe es jährlich weltweit etwa 5000 tropische Wirbelstürme statt der rund 80, die im Durchschnitt beobachtet werden.

Genau die richtigen Wetterbedingungen für tropische Zyklone stellen sich nur selten ein, und sie sind bisher zudem kaum bekannt. Noch seltener geschieht es, daß ein Zyklon exakt zur rechten Zeit am rechten Ort auftritt, um einen Nifio auszulösen oder aufrechtzuerhalten. Die Wetterbedingungen für die Entstehung eines Wirbelsturms sind vom Niño selbst jedenfalls völlig unabhängig. Sie können beispielsweise durch Wechselwirkungen zwischen tropischen Winden und WettersySternen mittlerer Breiten Zustandekommen. Und deren Vorhersage war ja, wie eingangs erwähnt, einer der Gründe, sich überhaupt intensiv mit dem Niño zu beschäftigen.

Auswirkungen auf die mittleren Breiten

Auch wenn sich Niños vielleicht nicht Vorhersagen lassen, bleibt doch zumindest die Hoffnung, die Auswirkungen eines einmal eingetretenen solchen Ereignisses auf das Wetter außerhalb der Tropen im voraus angeben zu können. Ein Weg zur Vorhersage solcher Auswirkungen ist, auf Großrechnern jene Gleichungen zu lösen, die nach den Gesetzen der Physik die Vorgänge in der Atmosphäre beschreiben. Viele Wissenschaftler haben numerische Modelle entwickelt, um den Einfluß anomaler Westwinde und einer langanhaltenden Erwärmung der Meeresoberfläche im äquatorialen Pazifik auf die Atmosphäre zu simulieren.

Nach all diesen Modellen sollten intensive Regenfälle im zentralen und östlichen Pazifik die obere Troposphäre erwärmen. (Wenn Wasserdampf zu Regen kondensiert, wird die latente Wärme wieder frei, die benötigt wurde, um das Wasser von der Meeresoberfläche verdunsten zu lassen.) Die der oberen Troposphäre am Äquator zugeführte Energie wird auch an die höheren Breiten weitergegeben. Das geschieht über eine Verstärkung der sogenannten Hadley-Zirkulation – jener globalen »Umwälzpumpe«, die Luft vom Äquator in großer Höhe zu den Polen und an der Erdoberfläche zurück zum Äquator strömen läßt. Sie überträgt die zusätzliche Energie auf die ostwärts gerichteten Strahlströme, die die großen Tiefdrucksysteme der mittleren Breiten in Bewegung halten.

Nach John M. Wallace und John D. Horel von der Universität von Washington in Seattle sollte sich ein Niño auf das Wetter Nordamerikas am stärksten im Winter nach seinem Einsetzen auswirken. Leider ließ sich das bisher nicht sicher statistisch belegen. Nach Thomas R. Karl vom amerikanischen National Climatic Data Center fiel der moderate Niño von 1976/77 mit einem ungewöhnlich strengen Winter in Nordamerika zusammen. Dagegen ging der starke Niño von 1982/83 mit einem ungewöhnlich milden Winter einher. Auch ohne Niño gab es von 1975 bis 1982 vier weitere anomale Winter.

Ein Blick auf die Lufttemperaturwerte in Illinois während der Winter von 1894 bis 1983 ist noch ernüchternder. In diesem Zeitraum gab es 17 mäßige oder starke Niños. In neun Fällen war der Winter in Illinois wärmer und in acht kälter als normal. Sieben der 90 Winter wichen deutlich vom langjährigen Durchschnitt ab, aber nur einer dieser sieben (der von 1976/77) fiel mit einem Niño zusammen.

Eine statistische Untersuchung von Tim P. Barnett von der Scripps Institution of Oceanography hat bestätigt, daß sich die Oberflächentemperatur des Pazifik schlecht für eine Vorhersage der winterlichen Lufttemperatur in den zentralen USA eignet. Eine bessere Korrelation besteht zu den Lufttemperaturen an der Küste von Südkalifornien und am Golf von Mexiko. Aber selbst in diesen Regionen wirkt sich eine Erwärmung des Pazifik manchmal anders aus als gedacht. So war der El Niño-Winter 1972/73 in Südkalifornien ungewöhnlich niederschlagsreich. Meteorologen, die das gleiche 1976/77 erwarteten, wurden von einer fast rekordverdächtigen Trockenheit überrascht.

Ausblicke

Ich will mit all dem keineswegs behaupten, daß sich der Niño nicht vielleicht doch als Grundlage für langfristige Witterungsvorhersagen nutzen ließe. Die Suche nach El Niño-Vorboten und kalkulierbaren Auswirkungen geht jedenfalls weiter. Eine große Hilfe beim Aufspüren von Vorboten ist eine umfangreiche Zusammenstellung ozeanischer und atmosphärischer Daten, die auf Initiative von Joseph O. Fletcher von der NOAA angelegt worden ist. Sie enthält mehr als 70 Millionen Wetterbeobachtungen von Schiffen aus der Zeit von 1854 bis 1979.

Statt die statistischen Daten nach Vorläufer-Phänomenen eines Niño zu durchforsten, versuchen einige Wissenschaftler, Vorhersagen aus numerischen Modellen des gekoppelten Systems tropischer Ozean – Atmosphäre zu gewinnen. Auf der Grundlage einer solchen Simulation haben Mark A. Cane, Stephen E. Zebiak und Sean C. Dolan vom Lamont-Doherty Geological Observatory der Columbia-Universität in Palisades (New York) vorhergesagt, daß in diesem Frühjahr ein mittelstarker Niño einsetzen sollte, der später im Jahr seinen Höhepunkt erreichen würde.

Das Modell der drei Wissenschaftler basiert im wesentlichen auf der Annahme, daß sich während eines Niño das warme Wasser nicht nur am Äquator entlang von Westen nach Osten, sondern auch vom Äquator weg nach Süden und Norden bewegt. Der nächste Niño kann also erst auftreten, wenn das äquatoriale Wärmereservoir wieder mit warmem Wasser aus höheren Breiten aufgefüllt worden ist. Nach diesem Modell ist der Wärmeinhalt des oberen äquatorialen Ozeans, ablesbar an der Tiefe der Thermokljne, ein Hauptindikator für die Wahrscheinlichkeit, daß ein Niño auftritt.

Da Daten über die Tiefe der Thermokline im äquatorialen Pazifik spärlich sind, werden diese im Lamont-Doherty-Modell aus Winddaten abgleitet. Allein anhand solcher Werte vermag das Modell dann die Entwicklung der Winde, die Tiefe der Thermokline, die Wasserströmungen und die Temperatur der Meeresoberfläche vorherzusagen, wobei es auch Rückkopplungen zwischen den einzelnen Variablen berücksichtigt.

Um die Güte des Modells zu prüfen, haben Cane und seine Kollegen für zwölf der letzten fünfzehn Jahre rückwirkend Vorhersagen gerechnet. (Die drei Jahre, in denen Niños schon eingesetzt hatten, blieben außer Betracht.) Wie die drei Wissenschaftler berichten, waren ihre Vorhersagen, ob ein Niño auftritt oder nicht, in neun der zwölf Jahre klar und zutreffend, in den übrigen drei dagegen nicht eindeutig. Im Herbst dieses Jahres wird sich herausgestellt haben, ob die erste Echtzeitprognose des Modells gestimmt hat. Es sei jedoch betont, daß das Modell nicht versucht, die Auswirkungen von Niños auf das Wetter der USA oder anderer Gebiete in den mittleren Breiten vorherzusagen.

Ob der Niño als Anhaltspunkt für jahreszeitliche Witterungsprognosen dienen kann, bleibt vorerst dahingestellt. Wenn schon nicht auf das Wetter, so hatte er zumindest auf die Meteorologie jedoch einen entschieden positiven Einfluß. Wegen des öffentlichen Interesses an langfristigen Wettervorhersagen waren die Meteorologen in der ungewöhnlichen, aber heilsamen Situation, ihre Vermutungen immer quasi sofort prüfen zu müssen. Fiel der Test – wie bisher stets – negativ aus, mußten die Hypothesen schneller geändert werden als ohne den äußeren Druck. Das wirkte ausgesprochen stimulierend auf den Erkenntnisprozeß. Wenn die routinemäßigen täglichen Wettervorhersagen auf die gleiche Weise in die meteorologische Forschung einbezogen würden, käme das beiden – Wettervorhersagen und Meteorologie – zugute.

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft August 1986

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