Das Wetter und der Klimawandel

During 1922 and 1923 astronomer Edwin Hubble succeeded for the first time to identify single stars in the famous spiral nebula Andromeda, even visible with the naked eye. For this detection Hubble used world’s largest telescope at that time, the 2,5m Hooker Telescope at Mt. Wilson Observatory.

Andromeda Galaxy (M31) Source: Palomar Observatory

Several of these new-found stars were Cepheids, large and bright stars, pulsating and thus varying luminosity. Typical Cepheids pulsate with periods from a few days through to months. There is a quite relationship between cycle duration and absolute luminosity of these variable stars. As longer the period as higher the luminosity.

That is why cepheids are workable standard candles for cosmic distance measurements. It is merely necesssary to calibrate the distance of the cepheids with other techniques like geometric parallax (difference in the apparent position of an object viewed along two different lines of sight against a much more distant background) and spectroscopic parallax (comparing the luminosity of main sequence stars in Hertzsprung-Russel-Diagrams).

Edwin Hubble (1889-1953) and 2,5m (100 inch) Hooker-Teleskope at Mt.Wilson Observatory Source: Wikipedia, www.astro.caltech.edu/

Using the period-luminosity-relationship of Cepheids in Andromeda, Hubble calculated a distance of nearly one million light years (ly), too much this nebula could be a part of the Milky Way. And Hubble even undervalued Andomeda´s distance due to calibration errors. Today`s reading ist about more than two million light years (ly).

Previously most astronomers took the view that Milky Way and universe were the same. But in fact, our Milky Way was only one galaxy among many galaxies in the universe. Hubble had found the ultimate proof and from then on the world became much larger than before.

Hubble also devised a system for classifying galaxies according to their optical appearance  in a diagram, resembling a tuning fork ,  also known as the Hubble sequence.

Hubble´s Tuning-Fork-Diagram for classification of galaxies. Source: Wikipedia

In the following years Hubble searched out a direct proportionality of the galaxies’ distances with redshifts in their spectra. This redshift is a consequence of the Doppler effect and hence a clear evidence for a flight of galaxies away from the Milky Way.  The received frequency of a moving light source increases during approach (blueshift), remains constant at the moment of passing by, and decreases during recession (redshift). stretched. At first electromagnetical waves are compressed due to approach,  afterwards they are stretched due to recession. Accordingly direct proportionality of galaxies’ distances with redshifts also means a direct proportionality of galaxies’ distances with the galaxies’ escape velocity.

Hubble´s Law Source: Edwin Hubble (www.pnas.org/)

The redshift of almost galaxies does not mean that Milky Way is centre of the universe. Universe acts like a proving yeast dough of a plum cake before baking. From the viewpoint of every raisin all the other raisins are going away as faster as longer the distance between raisins are. That´s because the dough itself is expanding.

In almost the same manner the space between galaxies expands, leading to an expansion of the whole universe. This discovery of Hubble was a complete surprise at that time.  In place of a stable and eternal Universe there was an  evolving universe with it´s own history, leading to big bang theory.

Next up Hubble wanted to know, if universe is open or closed.

In other words: Does the entire universe have enough matter and energy to stop it´s own expansion by gravitational force, warping space to a closed (four-dimensional) space-time bubble? Or will expansion last to all eternity, leading to an open universe?

Hubble tried to solve the problem by counting the galaxies as a function of their distance. He assumed in average a relationship between luminosity and distance of galaxies. If the nummber of galaxies increased overproportional with their distance, the space should have a positive curvature, leading to a closed universe and vice versa.

A two-dimensional analogy for better understanding: A spherical surface has a positive curvature, a riding saddle (hyperboloide) has a negative curvature and a flagstone is flat.

Jens Christian Heuer

Sources: Lonely Hearts of the Cosmos: The Story of the Scientific Quest for the Secret of the Universe, Dennis Overbye, Wikipedia

On May 27th 2012 european weather satellite MeteoSat took a nice picture of full disk earth displaying some intersting weather action. Meteosat circles Earth in a geostationary orbit (36.000 km altitude) delivering daily current views frome same fixed position above surface of the planet.

Jetstream and dynamical weather systems: A band of cloud across Northern Atlantic (from Greenland to Scandinavia) indicates behaviour of jetstream, driven by gradient in air-temperature (and gradient in air pressure arising thereby, respectively) between polar regions and mid latitudes.

Jetstream is crucial to weather forecast:

Like the vortexes in a raging river high and low pressure systems – weather-determining in mid latitudes – arise from turbulences in jetstream and are moved by flow of jetstream after that.

Weather on 27th May, 2012, 16:00 UTC . Innertropical Convergence Zone, the deserts of Subtropical High Pressure Belt and the weather systems (cyclones and anticyclones) of the mid – latidudes are easily dercernable. Natural Color RGB images makes use of three solar channels: red, green and blue. In this color scheme vegetation appears greenish because of its large reflectance in the green beam channel compared to the red and blue beam channels. Water clouds with small droplets have large reflectance at all three channels and hence appear whitish, while snow and ice clouds appears cyan because ice strongly absorbs in red. Bare ground appears brown because of the larger reflectance in the red beam channel than at the blue one, and the ocean appears black because of the low reflectance in all three channels. Source: Meteosat, EUMETSAT

The two vortexes over middle Northern Atlantic, one of them in the southwest of British Isles, another one further westward, are cut-off  lows. They have separated from jetstream some time ago, triggered by a large blocking high pressure system widespread over parts of Northern, Western and Central Europe and German Sea. Blocking highs occur if the flow of  jetstream slows down or even breaks so that a moving high pressure systeme comes to a deadlock. The two Cut-off lows over middle Northern Atlantic are following a pathway southward blocking high.

Inside high pressure systems (anticyclones), spinning arount clockwise, air sinks and nearly all clouds decay, because water in the condensed form tends to evaporate into water vapor. Thus high pressure systems lead to fair weather at most times.

Inside low pressure systems (cyclones), spinning around counterclockwise, air rises and cools, so that water vapor condenses, forming clouds made of tiny water droplets or ice crystals. Latent heat (thermal energy of condensation) released thereby, powers cloud formation for her part by warming the rising air. Low pressure systems imply bad weather with rainfall an thunderstorms many a time. 

Tropical-subtropical Hadley-Circulation:  Away from almost cloud-free subtropical belt of high pressure systems air flows to equator going along surface. These tradewinds are turning westward due to Earth´s rotation. Throughout the region of equator there´s a buildup of low pressure, called Innertropical Convergence Zone (ITCZ). Heated by the sun, equatorial air rises and cools, forcing whatever water vapor it holds to condense into clouds. The ascended air moves poleward, turning eastward by Earth´s rotation soon after. As moving poleward, air flow comes closer to the axis of earth’s rotation. That´s why it goes faster, often forming a subtropical jetstream that rotates more rapidly than the Earth itself. In addition air descends closing the circulation in this way. This so called Hadley-Circulation is breaking up in a row of cloud-rich convective cells around the whole planet Earth.

Jens Christian Heuer

Rußemissionen und troposphärisches Ozon spielen bei dem Anstieg der Temperaturen auf der Nordhalbkugel eine wesentlich größere Rolle als bisher gedacht. Beide Stoffe zusammen übertreffen dabei sogar die Wirkung des Treibhausgases CO2!

Zu diesem Ergebnis kommen Prof. Robert J. Allen und Kollegen (University of California, Riverside, USA) in ihrem neuen Paper “Recent Northern Hemisphere tropical expansion primarily driven by black carbon and tropospheric ozone”(Nature, 17. Mai 2012):

Our analysis strongly suggests that recent Northern Hemisphere tropical expansion is driven mainly by black carbon and tropospheric ozone, with greenhouse gases playing a smaller part.

Die Wissenschaftler beschäftigten sich mit der schon seit mehreren Jahrzehnten stattfindenden Expansion der Tropen. Um durchschnittlich 0,36° Breitengrade pro Jahrzehnt dehnt sich die tropische Klimazone nach Norden aus. Die sich daraus ergebende “Verbreiterung” der Hadley-Zirkulation verschiebt ihrerseits die trockenen Gebiete des Subtropengürtels in Richtung Nordpol. Und auch die Zugbahnen der dynamischen Tiefdruckwirbel, welche in den mittleren breiten das Wetter bestimmen, verlagern sich polwärts.

Robert J. Allen Quelle: UCR Today

Diese beobachtbaren Änderungen konnten mit einem Klimamodell, das Rußemissionen und troposphärisches Ozon berücksichtigt, erfolgreich nachvollzogen werden. Bisherige Klimamodelle hatten das so nicht geschafft.

Rußaerosole und troposphärisches Ozon absorbieren die Strahlung der Sonne und erwärmen dann die Atmosphäre. Beide Stoffe werden verstärkt mit zunehmender Industrialisierung vor allem in den niedrigeren und mittleren Breiten freigesetzt; Schwerpunkt Südostasien. Nur über großen Teilen Europas haben die Rußemissionen infolge von Umweltschutzmaßnahmen abgenommen. Das troposphärische Ozon hat aber auch dort wie fast überall (bis auf die Südpolregion) stark zugenommen. Es entsteht durch sekundäre photochemische Prozesse unter Beteiligung von Stickoxiden und flüchtigen organischen Substanzen, welche nicht nur industriell (Formaldehyd, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe), sondern auch durch die Natur (Terpene aus Pflanzen, insbesondere aus Bäumen, sie sind für den “Waldgeruch” verantwortlich) erzeugt werden. Allein in Gegenwart von Stickoxiden halten sich photochemischer Ozonaufbau und Ozonabbau die Waage. Kommen aber die flüchtigen organischen Substanzen hinzu, so verschieben diese nachdem sie oxidativ umgebaut wurden, das Gleichgewicht in Richtung Ozonaufbau.

Trends bei den Rußemissionen und dem troposphärischem Ozon (1970-2009) Quelle: Allen et al. 2012

Noch einmal zurück zu dem Vergleich von Modellen und Wirklichkeit:

Nur unter Einbeziehung der Rußemissionen und des Ozons funktionierten die Modelle. Genauer gesagt, sie näherten sich der Wirklichkeit an. Bei den Modellen ohne Ruß und Ozon schrumpften die Tropen (bis auf die Wintermonate) sogar anstatt zu expandieren!

Aber es bleibt bis heute immer noch eine beachtliche Lücke, auch bei den “guten” Modellen! Daher muß es noch weitere Faktoren geben, welche für die Expansion der Tropen sorgen!

Expansion der Tropen: Ein Beispiel für den Vergleich von Modellen mit der Realität Quelle: Allen et al. 2012

Vielleicht spielt ja die fortgesetzte Abholzung des tropischen Regenwaldes dabei mit?

Die Hadley-Zirkulation in den Tropen wird ganz wesentlich durch latente Wärme aus der Verdunstung von Wasser angetrieben. In den Gebieten des feuchtwarmen tropischen Regenwaldes verdunsten große Mengen an Wasser über die Blätter der Bäume. Es bilden sich Quellwolken, bei der Kondensation der kleinen Wassertröpfchen wird die latente Wärme frei, verstärkt die Konvektion und fördert damit die Wolkenbildung. Ein sich selbst verstärkender Prozess, der zur Bildung der mächtigen Wolkentürme der Innertropischen Konvergenzzone führt, die ja Bestandteil der Hadley-Zirkulation ist. Die Wolken über dem Regenwald wirken abkühlend, denn sie reflektieren einen erheblichen Teil des Sonnenlichts. Damit schützen sie gleichzeitig den Regenwald vor der Austrocknung durch Überhitzung.

Jens Christian Heuer

Quelle: Robert J.Allen, Stephen C. Sherwood, Joel R. Norris, Charles S. Zender “Recent Northern Hemisphere tropical expansion primarily driven by black carbon and tropospheric ozone”, Nature 485 (17 May 2012). Vielen Dank an Herr Prof. Robert J.Allen für die Zusendung des Papers!

From 22. – 27. April 2012 General Assembly of European Geosciences Union (EGU) takes place in Vienna. During this meeting climate scientist Michael E. Mann received the Oeschger-Medal for his research! Hans Oeschger (1927) was a Swiss scientist, famous because of his ice core research. Together with Willi Dansgaard he discovered a series of abrupt climate changes (Dansgaard-Oeschger Events) during the last glacial period by analysis of Greenland ice cores. Also he measured first the glacial-interglacial change of atmospheric CO2 encased in ice core´s tiny air bubbles.

Prof. Michael E. Mann holding a tree grate with tree rings Source: Homepage Michael E. Mann

Michael E. Mann came to be known for his “hockeystick”-curve. This curve was the result of a reconstruction of average temperatures last millenium-round on northern hemisphere, published by Mann and his colleagues in 1999 (M.E.Mann,R.S.Bradley, M.K.Hughes: “Northern Hemisphere Temperatures During the Past Millennium: Inferences, Uncertainties, and Limitations”, Geophysical Research Letters, 1999) It was really a pioneering feat!

The team of scientists used proxy data from tree rings, corals and ice cores on the one hand and instrumental temprature data on the other hand such as it was. The „hockeystick” demonstrated at first how extraordinary (human-made) global warming during 20th century really was! For that reason all climate skeptics dislike this curve up to the present day.

The Hockeystick-Curve. The graph resembles a hockeystick in shape: with a long part of curve declining slightly as the shaft and with a short part of curve upturning suddenly as the blade.   Source: Mann, Bradley und Hughes 1999

Assembling and evaluation of all data for “hockeystick” happened in a very sophisticated way. The proxy-data, mainly tree rings extending to 1980 were validated by instrumental data back to 1854, occasional to 18th century yet. Long proxy record and shorter instrumental record overlapped a good way. Using only instrumental data from time intervall 1902 to 1980 for calibration of proxy data, Mann and his collegues were able to use leftover intervall from 1854 to 1901 (and the rare earlier instrumental data from 18th century) to verify this calibration. Calibration and validation of proxy data  worked accurately, meaning that „hockeystick“ is correct in this regard.

CO2 is a greenhouse gas but it also acts as a fertilizer, especially for trees in high elevations. More CO2 let tree ring width and tree ring density (of summerly late wood) mimic an additional rise in temperature that does not really exist. Thus the tree ring data were readjusted.

Above: Records of two tree ring data series (ITRDB Millenial, North American Treeline), which diverged from 19th century on due to influence of CO2. ITRDB Millenial includes trees in high elevations much sensitive to dunging effect of CO2. Below: Variations in atmospheric CO2 and residual between the two data series, used for readjustment. Source: Mann, Bradley und Hughes, 1999 

Two examples how carefully Mann and his team had gone about it! All that and then some you can read in original paper, downloadable on Mann´s homepage (see sources below). It´s worth it! Michael E. Mann was also a lead author of 3rd. IPCC-Report about global warming in 2001. Again and again some climate sceptics tried to discredit Mann scientifically and also personally. Fortunately they failed yet.  I hope it stays that way!

Jens Christian Heuer

Sources: European Geosciences Union (EGU) , Homepage Michael E. Mann

Im Rahmen der globalen Erwärmung steigen die Temperaturen in der Arktis überproportional. Das liegt vor allem an dem Rückgang des arktischen Meereises, das mehr und mehr von der dunklen Wasseroberfläche freigibt, welche das Sonnenlicht nicht reflektiert wie das helle Eis, sondern hervorragend absorbiert. Das führt zu einer erheblichen zusätzlichen Erwärmung. Es handelt sich um einen umgekehrt ablaufenden Eis-Albedo Effekt.
Eine in den Geophysical Research Letters im April 2012 veröffentlichte Studie der beiden Wissenschaftler Jennifer A. Francis und Stephen J. Vavrus, “Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes”,  fand nun einen Zusammenhang zwischen dieser arktischen Erwärmung und der Zunahme von Extremwetterereignissen. Die überproportionale Erwärmung der hohen arktischen Breiten im Vergleich zu den mittleren Breiten bedeutet eine Abnahme des Temperaturgefälles an der Polarfront, der Grenze zwischen warmen und kalten Luftmassen. Da dieses Temperaturgefälle mit einem Druckgefälle einhergeht das den Jetstream antreibt, wird der Jetstream schwächer und seine Strömung langsamer.
Saisonale Abweichungen der 1000-500 hPa Schichtdicke (m) nördlich 40°N zwischen der Periode 2000–2010 und der Periode 1970–1999: (a) Herbst (OND), (b) Winter (JFM), (c) Frühling (AMJ) und (d) Sommer (JAS). Die weissen Sternchen zeigen die Bereiche, wo die Wahrscheinlichkeit, daß es sich um Zufallsergebnisse handelt kleiner ist als 5% (p < 0.05). Das Ergebnis ist hier also satistisch eindeutig signifikant .  Schichtdicke 1000-500 hPa meint die Höhendifferenz zwischen den Flächen wo der Luftdruck 1000 hPa und wo der Luftdruck nur noch 500 hPa beträgt. Je wärmer die Luft ist, umso mehr dehnt sie sich in die Höhe aus und um so größer ist diese Schichtdicke und umgekehrt. Quelle: Francis and Vavrus, 2012
Der Jetstream verhält sich so ähnlich wie ein Fluss. Die Strömung ist mal schneller, mal langsamer, mehr oder weniger turbulent und immer wieder bilden sich Wirbel, welche mit der Strömung davongetragen werden. Bei den Wirbeln des Jetstreams handelt es sich um die das Wetter bestimmenden dynamischen Hochs und Tiefs.
Da die Strömung des Jetstreams infolge des verringerten Temperaturgefälles abnimmt bewegen sich auch die Hochs und Tiefs langsamer und damit hält auch extremes Wetter wie Hitzewellen und Trockenheit (Hochs) oder Unwetter (Tiefs) länger an. Noch etwas kommt aber hinzu. Der Jetstream wird nicht nur langsamer, er wird auch “welliger”, er mäandert stärker, die Amplitude der Rossby-Wellen nimmt zu. Über die tiefen Wellentäler – die Meteorolgen nennen sie “Tröge” – gelangt polare Kaltluft bis weit in den Süden. Die tieferen Wellentäler erklären zum Beispiel die gehäuften kalten Episoden der letzten Winter auf der Nordhalbkugel. Über die  Wellenberge – die “Rücken” – gelangt im Gegenzug allerdings auch Warmluft bis weit in den Norden. Deshalb war es in den letzten kalten Wintern in Grönland so überraschend milde, oft sogar deutlich wärmer als bei uns in Europa.

Jens Christian Heuer


A brand-new paper from Jennifer A. Francis and Stephen J. Vavrus “Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes”, (GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 39, 2012)
sheds new light on the issue of extreme weather events due to global warming!
The two scientists found evidence that enhanced Arctic warming relative to mid latitudes (Arctic amplification, AA) leads to prolonged extreme weather events, like droughts, heat waves (such as in Russia, summer 2010!), heavy rain and cold spells (remember persistent chilly conditions in recent winters!).

Arctic Amplification means enhanced arctic warming relative to mid latitudes due to a sort of inverse Ice-Albedo-Feedback. Decreasing bright, highly reflective sea ice is replaced by dark open water, absorbing sunlight strongly. Open water also releases a lot of moisture and latent heat in artctic atmosphere.
Due to the fact that jetstream is driven by gradient in air-temperature (and gradient in air pressure arising thereby, respectively) between polar regions and mid latitudes, jetstream slows down and becomes wavier.

Seasonal anomalies in 1000-500 hPa thicknesses (m) north of 40°N during 2000–2010 relative to 1970–1999: (a) autumn (OND), (b) winter (JFM), (c) spring (AMJ), and (d) summer (JAS). White asterisks indicate significance with chance level p < 0.05. 1000-500 hPa thickness reveals aerial vertical thermal expansion by means of distance between 1000 hPa- and 500 hPa isobaric surface. Source: Francis and Vavrus, 2012

As a result high and low pressure systems moved by jetstream slow down, too.
These weather systems arise from turbulence in jetstream like the vortexes of a raging river do.

A wavy jetstream results in cold spells via wave troughs (in reverse warm spells via wave crests, respectively), whereas high air moisture makes possible  a lot of snow.

Finally a nice animation of the jetstream of northern hemisphere from NASA/Goddard Space Flight Center (Scientific Visualization Studio):

Jens Christian Heuer

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Jiping Liu (Abb.1) am New Yorker Columbia University Center for Climate Systems Research fand in Satellitendaten au den Jahren 1979-2010 deutliche Hinweise auf einen engen Zusammenhang zwischen dem Abschmelzen des Meereseises in der Arktis und den in den letzten Jahren wieder kälteren und schneereicheren Wintern auf großen Teilen der Nordhalbkugel. Vor allem Nordamerika, ganz Europa und große Teile  Ostasiens waren betroffen. Es gab dort wiederholt Kältewellen wie schon lange nicht mehr, sehr ergiebige Schneefälle, oft auch Schneestürme und Schneeverwehungen.

Abb. 1 Dr. Jiping Liu  Quelle: Wikipedia Russia

Die Temperaturen in der Arktis haben im Rahmen der globalen Erwärmung überproportional zugenommen. Hauptgrund ist ein umgekehrt ablaufender Eis-Albedo-Effekt.

Die schwindenden hellen Eisflächen über den arktischen Meeren (Abb. 2 oben)geben mehr und mehr von der dunklen Wasseroberfläche frei, die das Sonnenlicht nicht reflektiert wie das Eis, sondern hervorragend absorbiert. Das bedeutet eine erhebliche zusätzliche Erwärmung.

Vor allem im Sommer speichert das Wasser im Sommer mehr Wärme, die es dann verzögert über den Herbst und Winter wieder abgibt. Große Mengen an Feuchtigkeit und damit auch an latenter Wärme gelangen durch Verdunstung in die Atmosphäre über der Arktis. Die latente Wärme ist die Energie, die notwendig war, um das Wasser zu verdunsten. Sie wird wieder frei, wenn die Luftfeuchtigkeit bei der Wolkenbildung in kleinen Tröpfchen kondensiert (Kondensationswärme). Die Neubildung von Meereseis im Winter verringert sich. Der hohe Eintrag von latenter Wärme über der Arktis verringert den Temperargradienten an der Polarfront und damit auch die atmosphärische Luftzirkulation der mittleren Breiten. Der von dem Temperaturgradienten zwischen (sub)tropischer Warmluft und polarer Kaltluft angetriebene Jetstream wird schwächer und dadurch die Auslenkung der sich in ihm bildenden Rossby-Wellen größer (Abb. 3, oben links).

Die nun vorwiegend meridionale Luftzirkulation bringt gehäufte Vorstöße polarer Kaltluft nach Süden über die Tröge, die Wellentäler des Jetstreams. Im Gegenzug gelangt mancherorts aber auch Warmluft bis weit in den Norden, über die Rücken, die Wellenberge des Jetstreams (Abb. 3, unten links). Die erhöhte Feuchtigkeit der kalten Polarluft – durch die stärkere Verdunstung über den zunehmend eisfreien arktischen Meeren – führt zu mehr und ergiebigeren Schneefällen (Abb.2 unten).

Abb.2 Oben: Anomalien der Meereseisbedeckung in der Arktis und Arktische Oszillation (AO). Es gibt nur eine geringe Übereinstimmung (Korrelation 0,28). Unten: Zusammenhang zwischen den Anomalien der arktischen Meereseisdeckung und der Schneedecke im Winter (lineare Regression). In den rotgefärbten bereichen fiel deutlich mehr Schnee. Quelle: Jiping Liu et al.

Der Nachweis, daß die erhöhte Luftfeuchtigkeit tatsächlich aus den arktischen Meeren stammt, konnte über die Bestimmung des Deuterium-Exzesses geführt werden.

(Der Deuterium-Exzess ist definiert als: Gehalt an Wassermolekülen mit dem schweren Wasserstoffisotop Deuterium H2 minus Gehalt an Wassermolekülen mit dem schweren Sauerstoffisotop O18. Beim Verdunsten findet eine Fraktionierung statt, da beide nicht so leicht in die Gasphase übergehen wie die sehr viel häufigeren Wassermoleküle mit dem jeweils leichteren Isotopen H1 und  O16. Je niedriger die Temperatur umso besser funktioniert das. Der Wasserdampf enthält danach verringerte Mengen an Wassermolekülen mit den schwereren Isotopen H2 und O18. Aber auch untereinander gibt es eine Fraktionierung und deshalb auch einen Deuteriumexzess. Da spielen neben der unterschiedlichen Beweglichkeit der jeweiligen Wassermoleküle, wiederum vor allem die Temperatur, aber auch die Luftfeuchtigkeit eine Rolle.)

Der Übergang zu einer meridionalen Luftzirkulation infolge des zurückgehenden Meereseises in der Arktis erinnert sehr an Vorgänge bei der Arktischen Oszillation (AO).

Dabei handelt es sich um eine Luftdruckschaukel zwischen Arktis und mittleren Breiten.

Ihre Erscheinungsform im Nordatlantik ist die Nordatlantische Oszillation (NAO), bei der es zu Schwankungen des Luftdruckgegensatzes zwischen dem arktischen Islandtief und dem subtropischen Azorenhoch kommt, die sogar bis hin zu einer Umkehrung der normalen Luftdruckverhältnisse gehen können.

Im positiven Modus der AO (bzw. NAO) mit einem großen Luftdruckgegensatz zwischen arktischen Tiefs (bzw. Islandtief im Nordatlantik) und subtropischen Hochs der mittleren Breiten (bzw. Azorenhoch im Nordatlantik) herrschen starke Westwinde und damit eine zonale Luftzirkulation entlang der Breitengrade vor (starker Jetstream). Im negativen Modus der AO (bzw. NAO) ist dieser Luftdruckgegensatz gering oder kehrt sich sogar um, so daß die Westwinde schwach bleiben oder ganz ausfallen und eine meridionale Luftzirkulation, entlang der Längengrade vorherrscht (schwacher Jetstream, Abb. 3, oben rechts). Dadurch gelangt dann polare Kaltluft weit in den Süden und im Gegenzug (sub)tropische Warmluft bis weit in den Norden (Abb. 3, unten rechts).

Abb.3 Oben links: Zusammenhang zwischen den Anomalien der Arktischen Meereseisbedeckung und des Luftdruckes auf Meereshöhe (lineare Regression). Rot zeigt einen erhöhten, blau einen veringerten Luftdruck an. Unten links: Zusammenhang zwischen den Anomalien der Arktischen Meereseisbedeckung  und der Temperatur (lineare Regression). In den blauen Regionen war es deutlich kälter als normal. Oben rechts: Zusammenhang zwischen AO-Index  und Anomalien des Luftdruckes auf Meereshöhe (lineare Regression) Unten rechts: Zusammenhang zwischen AO-Index und Anomalien der Temperatur (lineare Regression). Die jeweiligen Muster unterscheiden sich! Weitere Erklärungen im Text. Quelle: Jiping Liu et al.

Trotz der großen Ähnlichkeit zwischen dem negativen Modus der AO (bzw. NAO) und der Luftdruckanomalien infolge des Abschmelzens des Meereseises in der Arktis sind die beide Phänomene nicht ein und dasselbe, denn es gibt auch auffallende Unterschiede. So treten beide nicht immer zeitgleich auf. Ihre zeitliche Variabilität weicht also voneinander ab. Darüber hinaus sind bei den Luftdruckanomalien infolge der arktischen Meereseisschmelze die Rossby-Wellen im Jetstream deutlich ausgeprägter (Abb 3, oben links und oben rechts). Sie zeigen eine größere und breitere Auslenkung als bei einer negativen AO (bzw. NAO).

Die Wissenschaftler um Jiping Liu rechnen auch in Zukunft mit einem weiteren Rückgang des arktischen Meereseises und damit einhergehend auch weiterhin häufiger mit kälteren Wintern auf der Nordhalbkugel. Aus den Schwankungen der Meereseisbedeckung der Arktis im Herbst, lässt sich vielleicht schon bald das Wetter des kommenden Winters in den Grundzügen vorhersagen, so die Wissenschaftler.

Jens Christian Heuer

Quelle: Impact of declining Arctic sea ice on winter snowfall, Jiping Liu, Judith A. Curry, Huijun Wang, Mirong Song, and Radley M. Horton (PNAS January 17, 2012).

Herzlichen Dank an Herrn Dr. Jiping Liu, der mir netterweise die Originalarbeit zukommen ließ!



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