Atmosphärenforschung: Ozonschwund und Klimaschaukel in Europa
Warum hat die Ozonschicht über Island in den letzten dreißig Jahren so gut wie gar nicht, im Alpenraum dagegen stärker als erwartet abgenommen? Die Antwort hat mit den milden Wintern in Europa zu tun.
In den letzen Jahren gab es gar keine richtigen Winter mehr", ist eine landläufige Feststellung. Dass "früher" (in den sechziger Jahren) die Winter über Mitteleuropa kälter waren, können auch die Klimatologen bestätigen. Natürliche Klimaschwankungen, die ganze Erdregionen erfassen können, spielen für das Auftreten von kälteren oder wärmeren Jahrzehnten eine wichtige Rolle. Ein Beispiel einer solchen mehrjährigen Klimaschwankung ist als El-Niño-Southern-Oscillation (ENSO) bekannt. Eine Kopplung von Meeres- und Luftströmungen im äquatorialen Pazifik beeinflusst dabei die Witterung in Süd- und Nordamerika.
Für das europäische Klima gibt es eine ähnliche mehrjährige Schwankung: die Nordatlantische Oszillation (NAO), die vor allem im Winterhalbjahr klimawirksam ist. Sie geht mit Temperaturänderungen im gesamten nordatlantischen Bereich einher und zeigt sich in vielen wichtigen atmosphärischen, ozeanischen und ökologischen Größen, zum Beispiel in der Temperatur der Meeresoberfläche, den Niederschlagsmengen und der Länge der Vegetationsperioden. Meteorologen drücken sie durch einen Index aus, der über die Druckdifferenz zwischen dem Islandtief und dem Azorenhoch definiert ist. Ein hoher NAO-Index entspricht einem großen Druckunterschied. Als Folge davon wehen kräftigere Winde über dem Atlantik als im langjährigen Mittel und führen vom Ozean angewärmte Luft zum Europäischen Kontinent. In solchen Jahren sind die mittel- und nordeuropäischen Winter deshalb relativ mild. Bei niedrigem NAO-Index herrscht dagegen eine geringe Luftdruckdifferenz zwischen Island und Azoren. Statt einer warmen Westströmung vom Atlantik herrscht im Winter vermehrt eine kalte Strömung aus Russland nach Mitteleuropa vor und sorgt für frostige Temperaturen.
Folgen der Luftdruckverteilung über dem Nordatlantik
Die Nordatlantische Oszillation zeigte in den letzten dreißig Jahren eine Tendenz zu vermehrt positiven Phasen. Damit hat sie sowohl zur beobachteten Erwärmung in Europa als auch zu Trends in anderen Klimagrößen beigetragen. Doch das ist noch nicht alles: Wie wir zeigen konnten, beeinflusst die NAO auch die Dicke der Ozonschicht, die das Leben auf der Erde vor der schädlichen UV-Strahlung der Sonne schützt. (Geophysical Research Letters, Bd. 27, S. 1131).
Das Ozonloch über der Antarktis sorgt seit Mitte der achtziger Jahre fast jeden Herbst für neue Rekordmeldungen. Auch in unseren Breiten ist die Ozonschicht dünner geworden, allerdings weniger spektakulär. Der beobachtete Ozonrückgang seit den siebziger Jahren stimmt im Großen und Ganzen mit der Wirkung Ozon zerstörender Substanzen wie der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) überein, die sich aus chemischen Modellen ableiten lässt.
Allerdings gab es auch einige unerklärliche Abweichungen von den Aussagen der Modelle. Im Zeitraum von 1978 bis 1991 wurde zum Beispiel in der Schweizer Messstation Arosa im Monat März eine Abnahme der Ozonschicht von fünf Prozent pro Jahrzehnt festgestellt. Über Island (Messstation Reykjavik) ging die Ozonschicht im gleichen Zeitraum dagegen überhaupt nicht zurück, ja schien sogar anzusteigen. Dies steht in deutlichem Widerspruch zu den Aussagen der chemischen Modelle, wonach die Ozonzerstörung in hohen Breiten größer sein sollte als im Alpenraum. Wie lässt sich dieser Gegensatz erklären?
Wie wir feststellten, hängt er mit Veränderungen in der Dynamik der Atmosphäre zusammen, die mit der NAO gekoppelt sind und bisher nicht berücksichtigt wurden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Lage der so genannten Tropopause. Das ist eine Luftschicht in etwa acht bis zehn Kilometern Höhe, welche die ozonarme Troposphäre, in der sich das tägliche Wetter abspielt, von der ozonreichen Stratosphäre trennt. Die genaue Höhenlage der Tropopause kann sich wetterabhängig nach oben oder unten verschieben. Diese Bewegung entspricht einer Veränderung des Tropopausendrucks, das heißt der Luftmasse pro Fläche über der Tropopause.
In einem Tiefdruckgebiet liegt die Tropopause tiefer als normal, sodass sich mehr stratosphärische und weniger troposphärische Luft in einer Säule befindet, die vom Erdboden bis zur Obergrenze der Atmosphäre reicht. Da die stratosphärische Luft mehr Ozon enthält, ist die Gesamtozon-Konzentration in einem Tiefdruckgebiet höher als in einer Hochdruckzone. Schon 1929 hatten Gordon M. B. Dobson und Kollegen gezeigt, dass die tägliche Variation des Gesamtozons in den mittleren Breiten stark von der Verteilung der Hochs und Tiefs abhängt.
Diese Argumentation läßt sich auch auf langfristige Klimaänderungen anwenden. Indem die NAO die Luftdruckverteilung über der Nordatlantik-Region im Winter bestimmt, beeinflusst sie auch die mittlere Lage der Tropopause über den verschiedenen Gebieten Europas. Wenn in Jahren mit positivem NAO-Index das Islandtief besonders ausgeprägt ist, verläuft die Tropopause über dem Nordatlantik tiefer als im Durchschnitt. Über Mitteleuropa ist die Situation dagegen genau umgekehrt. Hier herrscht überdurchschnittlich hoher Luftdruck, sodass die Tropopause höher liegt als im langjährigen Mittel. Demnach sollte in Jahren mit positivem NAO-Index die Ozonkonzentration über dem Nordatlantik besonders hoch, in Mitteleuropa dagegen besonders niedrig sein.
Um diese theoretische Erwartung zu prüfen, werteten wir die Ozonmeßreihe von Arosa aus. Sie ist die längste der Welt. Da sie bereits Anfang der dreißiger Jahre beginnt, reicht sie bis in eine Zeit zurück, in der es noch keine Ozon zerstörenden FCKWs gab. Ergänzend dazu analysierten wir die Ozonmessungen der Station Reykjavik.
Das Ergebnis war eindeutig: In Jahren mit positivem NAO-Index wurde im Winter in Arosa weniger Gesamtozon registriert als in Jahren mit negativem NAO-Index; umgekehrt treten bei der Station Reykjavik in den Jahren mit positivem NAO-Index höhere und bei negativem NAO-Index niedrigere Ozonwerte auf.
Anthropogener Anteil am Ozonabbau
Demnach variieren die Gesamtozonwerte in der theoretisch vorhergesagten Weise mit der NAO. Nicht alle langfristigen Änderungen müssen somit auf menschliche Einflüsse zurückgehen. Das heißt freilich nicht, dass kein anthropogener Ozonabbau in mittleren Breiten stattgefunden hat. Er entspricht jedoch nicht einfach direkt der gemessenen Ozonabnahme. Um ihn bestimmen zu können, muss man vielmehr die natürlichen Fluktuationen berücksichtigen – insbesondere die Tatsache, dass der NAO-Index in den letzten Jahrzehnten überwiegend stark positive Werte hatte.
Wie unsere genauen Analysen ergaben, lässt sich ungefähr ein Drittel der Ozonschwankungen von Winter zu Winter auf die Variabilität der NAO zurückführen. Um den anthropogenen Anteil am Ozonschwund zu ermitteln, entwickelten wir ein statistisches Modell, das den NAO-Index (beziehungsweise den Tropopausendruck) explizit berücksichtigt; außerdem bezieht es andere Faktoren ein, von denen bekannt ist, dass sie den Ozongehalt der Atmosphäre beeinflussen – so den elfjährigen Sonnenfleckenzyklus, die quasi-biennale Oszillation und hochreichende Vulkanausbrüche.
Für Arosa konnten wir damit den vom Menschen verursachten Ozontrend neu berechnen. Für die Winter der letzten dreißig Jahre belief er sich auf 2,4 Prozent pro Jahrzehnt. Frühere Trendanalysen hatten die anthropogene Ozonzerstörung in Mitteleuropa um etwa ein Viertel überschätzt, weil sie die langfristigen Veränderungen in der Struktur der Atmosphäre nicht berücksichtigten.
Revidiert werden müssen – allerdings in umgekehrter Richtung – auch die Trendberechnungen im nordatlantischen Gebiet, wo frühere Analysen keinen nennenswerten Ozonschwund ergeben hatten. Nach unserem Modell beträgt die um natürliche Effekte bereinigte Ozonabnahme in Reykjavik im Winter nun 3,8 Prozent pro Jahrzehnt. Damit verschwindet zugleich der scheinbare Widerspruch zu den Vorhersagen der chemischen Modelle: Im Einklang mit ihnen ist der Wert für Reykjavik größer als der für Arosa.
Natürliche Schwankungen über Zeiträume von mehreren Jahren oder Jahrzehnten hinweg können anthropogene Einflüsse also maskieren oder auch verstärken. Eine andere interessante Frage ist, worauf die langfristige Verschiebung der NAO zu positiven Phasen beruht. Auch sie könnte letztlich anthropogen verursacht sein – etwa durch die Emission von Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder durch den Ozonabbau selbst. Ob das zutrifft, lässt sich bisher allerdings nicht entscheiden.
Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2001, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
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