Das Wetter und der Klimawandel

Beiträge mit Schlagwort ‘Rossby-Wellen’

Kältere Winter durch weniger Meereseis in der Arktis

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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Entstehen Tiefdruckwirbel auch im Subtropenjetstream?

Am 10. Dezember 2011 entwickelte sich ein ungewöhnlicher Tiefdruckwirbel über dem Atlantik in der östlichen Karibik. Auf dem Satellitenbild scheint er irgendwie – zumindest optisch – mit dem Subtropenjetstream verbunden, der als auffälliges Wolkenband quer über den Arlantik und Nordafrika bis zur Iberischen Halbinsel  erscheint.

Die Höhenströmung des Subtropenjetstreams schraubt sich in Bewegungsrichtung von West nach Ost. Dabei werden die Luftmassen auf der wärmeren Südseite gehoben, wodurch sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit Wolken bilden, um dann auf der kühleren Nordseite wieder abzusinken. Der Subtropenjetstream wird vor allem durch latente Wärme aus der tropischen Hadley-Zirkulation angetrieben. Der Temperaturkontrast zwischen warmen und kalten Luftmassen spielt – anders als bei dem Polarfrontjetstream der mittleren Breiten – nur eine untergeordnete Rolle. Auch die Bildung von Tiefdrucksystemen wird in der meteorologischen Literatur im Zusammenhang mit dem Subtropenjetstream nirgendwo beschrieben, jedenfalls soweit ich weiß.

Satellitenbild vom 10. Dezember 2011 06:00 UTC ((RGB-Airmass; grün = tropische Warmluft, blau = polare Kaltluft, weiß = hohe Wolken, ockergelb = mittelhohe Wolken, rot = absinkende Luftmassen in der Stratosphäre zeigen Tiefdruckgebiete. Diese „saugen“ die Luft nicht nur von unten an, sondern auch von oben. Dadurch bildet sich eine Tropopausenfalte und die darüber befindliche stratosphärische Luft beginnt abzusinken): Die Frontalzone liegt relativ weit im Norden. Mit der starken westlichen Höhenströmung des Polarfrontjetstreams gelangen immer wieder Tiefdruckwirbel und milde Meeresluft nach Europa. Im Nordwesten der Iberischen Halbinselund sieht man einen Kaltlufttropfen ( Cut-Off-Tief mit Polarluft), der sich von der Frontalzone abgeschnürt hat. Der Tiefdruckwirbel ganz weit im Westen, schon nahe der Karibik, erscheint mit dem Subtropenjetstream verbunden, der als langestrecktes Wolkenband quer über den Atlantik und Nordafrika bis zur Iberischen Halbinsel erkennbar ist. Quelle: EUMETSAT

Und doch sieht es auf dem Satellitenbild so aus, als ob genau das passiert ist. Könnte es also sein, daß der optische Eindruck nicht täuscht und das Tiefdrucksystem tatsächlich aus dem Subtropenjetstream hervorgegangen ist? Vielleicht indem eine der Rossby-Wellen des Subtropenjetstreams bricht und daraus der Tiefdruckwirbel entsteht!?

Wetterlage am 10. Dezember 2011 06:00 UTC. Auf der Satellitenaufnahme ist die Höhenströmung der Jetstreams durch Windpfeile eingezeichnet. Die Farben der Pfeile zeigen die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten an. Über dem Osten der Karibik hat sich innerhalb des von West nach Oste strömenden Subtropenjetstreams in einem kleinen Bereich eine gegenläufige Strömung ientgegen dem Uhrzeigersinn ausgebildet, ein Tiefdruckwirbel, der vielleicht durch das Brechen einer Rossby-Welle entstanden ist. Innerhalb eines Jetstreams bilden sich immer wieder Rossby-Wellen und pflanzen sich in Strömungsrichtung fort. Quelle: Naval Research Laboratory 

Dieser Tiefdruckwirbel ist an den Luftdruckverhältnissen in Meeresspiegelhöhe nicht zu erkennen, denn die Isobaren zeigen lediglich ein ausgedehntes Hochdruckgebiet an. Bei den Isohypsen der 500hPa – Fläche gibt es dagegen eine kleine Auffälligkeit im Bereich des Tiefs.

Wetterlage am 10. Dezember 2011 06:00 UTC. Links: Die auf dem Satellitenbild eingezeichneten hellblauen Isobaren zeigen den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe (Bodenluftdruck). Die Isobaren verbinden Orte gleichen Luftdrucks miteinander. Rechts: Die auf dem Satellitenbild hellblau eingezeichneten 500 hPa-Isohypsen zeigen indirekt den Verlauf der Höhenluftströmung in ca. 5,5 – 6 km Höhe.  und die Höhenströmng. Die 500 hPa- Isohypsen beschreiben eine Fläche, entsprechend der Höhe über dem Boden, in welcher der Luftdruck auf 500 hPa gefallen ist (Höhenangaben in Dekametern). In warmer Luft, die sich in der Vertikalen mehr ausdehnt als kalte Luft nimmt der Luftdruck mit  der Höhe entsprechend weniger ab, so daß die 500 hPa-Fläche also erst in größerer Höhe erreicht wird. Die Isohypsen verbinden Orte miteinander, die jeweils in derselben Höhe liegen. Liegen die Isohypsen eng beieinander, dann besteht ein starkes Temperatur- und Druckgefälle zwischen den Luftmassen. Da dieses Temperatur- und Druckgefälle die Höhenströmung antreibt, zeigen die Isohypsen auch den Verlauf und die Stärke dieser Strömung. Quelle: Naval Research Laboratory 

Ein ähnlicher Entstehungsmechanismus wie hier für den Tiefdruckwirbel des Subtropenjetstreams vorgeschlagen, wird auch für die Hoch- und Tiefdrucksysteme der Gasriesen angenommen. In unserem Sonnensystem sind das die Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. In den mächtigen Atmosphären dieser Planeten gibt es Jetstreams, die wie der Subtropenjetstream der Erde hauptsächlich  durch latente Wärme angetrieben werden. Innerhalb der Jetstreams bilden sich Rossby-Wellen. Wenn diese brechen, dann entstehen gewaltige Hoch- und Tiefdruckwirbel, welche wesentlich länger überdauern als die der Erde,  da es auf den Gasriesen keine feste Planetenoberfläche gibt und daher die Bodenreibung fehlt. Die innere Reibung lässt die Wirbel schließlich zerfallen, doch das dauert.

Gasriesen verfügen über eine starke innere Wärmequelle, welche die ganze Planetenatmosphäre von unten her aufheizt. Die Energie dazu liefert der Kelvin-Helmholtz-Effekt: Wenn ein vorwiegend aus Gasen bestehender Planet durch die Abgabe von Wärme in den Weltraum langsam abkühlt, dann sinkt der innere Druck und durch die nun überwiegende Schwerkraft zieht sich der ganze Planet nach und nach zusammen. Diese Kompression erzeugt die innere Wärme. Dadurch entwickelt sich, trotz der Sonnenferne in der Planetenatmosphäre eine starke Konvektion. So wie auf der Erde enstehen daher in einem sich durch die Freisetzung latenter Wärme selbstverstärkenden Prozeß hochreichende Quellwolken. Immer wieder gibt es Gewitter, Hagel, Schnee und Regen. Wolken und Niederschläge bestehen aber nicht nur aus Wasser, sondern in höheren Atmosphärenschichten auch aus Amminiak und Methan.

Jens Christian Heuer

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