Professor Tiffany Shaw, Professorin, Abteilung für Geowissenschaften, University of Chicago
Die südliche Hemisphäre ist ein sehr turbulenter Ort.Winde in verschiedenen Breitengraden wurden als „brüllende vierzig Grad“, „rasende fünfzig Grad“ und „schreiende sechzig Grad“ beschrieben.Die Wellen erreichen satte 78 Fuß (24 Meter).
Wie wir alle wissen, kann nichts auf der Nordhalbkugel mit den heftigen Stürmen, Winden und Wellen auf der Südhalbkugel mithalten.Warum?
In einer neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, entdecken meine Kollegen und ich, warum Stürme auf der Südhalbkugel häufiger vorkommen als auf der Nordhalbkugel.
Unsere Ergebnisse kombinieren mehrere Beweislinien aus Beobachtungen, Theorien und Klimamodellen und weisen auf die grundlegende Rolle globaler ozeanischer „Förderbänder“ und großer Berge in der nördlichen Hemisphäre hin.
Wir zeigen auch, dass Stürme auf der Südhalbkugel im Laufe der Zeit stärker wurden, während dies auf der Nordhalbkugel nicht der Fall war.Dies steht im Einklang mit der Klimamodellmodellierung der globalen Erwärmung.
Diese Veränderungen sind wichtig, weil wir wissen, dass stärkere Stürme zu schwerwiegenderen Auswirkungen wie extremen Winden, Temperaturen und Niederschlägen führen können.
Lange Zeit wurden die meisten Beobachtungen des Wetters auf der Erde vom Land aus durchgeführt.Dadurch erhielten Wissenschaftler ein klares Bild des Sturms auf der Nordhalbkugel.Allerdings erhielten wir auf der Südhalbkugel, die etwa 20 Prozent der Landfläche bedeckt, kein klares Bild von Stürmen, bis Ende der 1970er Jahre Satellitenbeobachtungen verfügbar wurden.
Aus jahrzehntelanger Beobachtung seit Beginn des Satellitenzeitalters wissen wir, dass Stürme auf der Südhalbkugel etwa 24 Prozent stärker sind als auf der Nordhalbkugel.
Dies ist in der Karte unten dargestellt, die die beobachtete durchschnittliche jährliche Sturmintensität für die südliche Hemisphäre (oben), die nördliche Hemisphäre (Mitte) und den Unterschied zwischen ihnen (unten) von 1980 bis 2018 zeigt. (Beachten Sie, dass der Südpol bei liegt oben im Vergleich zwischen der ersten und der letzten Karte.)
Die Karte zeigt die anhaltend hohe Intensität von Stürmen im Südpolarmeer auf der Südhalbkugel und ihre Konzentration im Pazifik und Atlantik (orange schattiert) auf der Nordhalbkugel.Die Differenzkarte zeigt, dass Stürme auf der Südhalbkugel in den meisten Breitengraden stärker sind als auf der Nordhalbkugel (orangefarbene Schattierung).
Obwohl es viele verschiedene Theorien gibt, bietet niemand eine endgültige Erklärung für den Unterschied in den Stürmen zwischen den beiden Hemisphären.
Die Gründe herauszufinden scheint eine schwierige Aufgabe zu sein.Wie versteht man ein so komplexes System wie die Atmosphäre, das sich über Tausende von Kilometern erstreckt?Wir können die Erde nicht in ein Glas stecken und sie studieren.Doch genau das tun Wissenschaftler, die sich mit der Physik des Klimas befassen.Wir wenden die Gesetze der Physik an und nutzen sie, um die Atmosphäre und das Klima der Erde zu verstehen.
Das berühmteste Beispiel für diesen Ansatz ist die bahnbrechende Arbeit von Dr. Shuro Manabe, der 2021 den Nobelpreis für Physik „für seine zuverlässige Vorhersage der globalen Erwärmung“ erhielt.Seine Vorhersagen basieren auf physikalischen Modellen des Erdklimas, die von einfachsten eindimensionalen Temperaturmodellen bis hin zu vollwertigen dreidimensionalen Modellen reichen.Es untersucht die Reaktion des Klimas auf steigende Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre anhand von Modellen unterschiedlicher physikalischer Komplexität und überwacht aufkommende Signale zugrunde liegender physikalischer Phänomene.
Um mehr Stürme in der südlichen Hemisphäre zu verstehen, haben wir mehrere Beweislinien gesammelt, darunter Daten aus physikbasierten Klimamodellen.Im ersten Schritt untersuchen wir Beobachtungen hinsichtlich der Energieverteilung auf der Erde.
Da die Erde eine Kugel ist, empfängt ihre Oberfläche die Sonnenstrahlung von der Sonne ungleichmäßig.Der Großteil der Energie wird am Äquator aufgenommen und absorbiert, wo die Sonnenstrahlen direkter auf die Oberfläche treffen.Im Gegensatz dazu erhalten Pole, auf die Licht in einem steilen Winkel trifft, weniger Energie.
Jahrzehntelange Forschung hat gezeigt, dass die Stärke eines Sturms von diesem Energieunterschied abhängt.Im Wesentlichen wandeln sie die in dieser Differenz gespeicherte „statische“ Energie in „kinetische“ Bewegungsenergie um.Dieser Übergang erfolgt durch einen Prozess, der als „barokline Instabilität“ bekannt ist.
Diese Ansicht legt nahe, dass einfallendes Sonnenlicht die größere Anzahl von Stürmen auf der Südhalbkugel nicht erklären kann, da beide Hemisphären die gleiche Menge Sonnenlicht erhalten.Stattdessen legt unsere Beobachtungsanalyse nahe, dass der Unterschied in der Sturmintensität zwischen Süden und Norden auf zwei verschiedene Faktoren zurückzuführen sein könnte.
Erstens der Transport von Meeresenergie, oft als „Förderband“ bezeichnet.Wasser sinkt in der Nähe des Nordpols, fließt am Meeresboden entlang, steigt um die Antarktis herum auf und fließt entlang des Äquators zurück nach Norden, wobei es Energie mit sich führt.Das Endergebnis ist der Energietransfer von der Antarktis zum Nordpol.Dadurch entsteht auf der Südhalbkugel ein größerer Energiekontrast zwischen dem Äquator und den Polen als auf der Nordhalbkugel, was zu heftigeren Stürmen auf der Südhalbkugel führt.
Der zweite Faktor sind die großen Berge auf der Nordhalbkugel, die, wie Manabes frühere Arbeit nahelegte, Stürme dämpfen.Luftströmungen über großen Gebirgszügen erzeugen feste Höhen und Tiefen, die die für Stürme verfügbare Energiemenge verringern.
Die Analyse beobachteter Daten allein kann diese Ursachen jedoch nicht bestätigen, da zu viele Faktoren gleichzeitig wirken und interagieren.Außerdem können wir einzelne Ursachen nicht ausschließen, um ihre Bedeutung zu testen.
Dazu müssen wir mithilfe von Klimamodellen untersuchen, wie sich Stürme verändern, wenn verschiedene Faktoren entfernt werden.
Als wir in der Simulation die Berge der Erde glätteten, halbierte sich der Unterschied in der Sturmintensität zwischen den Hemisphären.Als wir das Förderband des Ozeans entfernten, war die andere Hälfte der Sturmdifferenz verschwunden.Damit finden wir erstmals eine konkrete Erklärung für Stürme auf der Südhalbkugel.
Da Stürme mit schwerwiegenden sozialen Auswirkungen wie extremen Winden, Temperaturen und Niederschlägen verbunden sind, ist die wichtige Frage, die wir beantworten müssen, ob zukünftige Stürme stärker oder schwächer sein werden.
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Ein wichtiges Instrument, um Gesellschaften auf die Auswirkungen des Klimawandels vorzubereiten, ist die Bereitstellung von Prognosen auf der Grundlage von Klimamodellen.Eine neue Studie legt nahe, dass die durchschnittlichen Stürme auf der Südhalbkugel gegen Ende des Jahrhunderts stärker werden werden.
Im Gegenteil, die Veränderungen der durchschnittlichen jährlichen Intensität von Stürmen auf der Nordhalbkugel werden voraussichtlich moderat ausfallen.Dies ist teilweise auf konkurrierende saisonale Effekte zwischen der Erwärmung in den Tropen, die Stürme stärker macht, und der schnellen Erwärmung in der Arktis, die sie schwächer macht, zurückzuführen.
Allerdings verändert sich das Klima hier und jetzt.Wenn wir uns die Veränderungen in den letzten Jahrzehnten ansehen, stellen wir fest, dass die durchschnittlichen Stürme im Laufe des Jahres auf der Südhalbkugel stärker geworden sind, während die Veränderungen auf der Nordhalbkugel vernachlässigbar waren, was mit den Vorhersagen des Klimamodells für denselben Zeitraum übereinstimmt .
Obwohl die Modelle das Signal unterschätzen, deuten sie darauf hin, dass Änderungen aus denselben physikalischen Gründen auftreten.Das heißt, Veränderungen im Ozean verstärken Stürme, weil sich wärmeres Wasser in Richtung Äquator bewegt und kälteres Wasser an die Oberfläche rund um die Antarktis gebracht wird, um es zu ersetzen, was zu einem stärkeren Kontrast zwischen dem Äquator und den Polen führt.
Auf der Nordhalbkugel werden Ozeanveränderungen durch den Verlust von Meereis und Schnee ausgeglichen, was dazu führt, dass die Arktis mehr Sonnenlicht absorbiert und der Kontrast zwischen Äquator und den Polen schwächt.
Es steht viel auf dem Spiel, die richtige Antwort zu bekommen.Für zukünftige Arbeiten wird es wichtig sein, herauszufinden, warum die Modelle das beobachtete Signal unterschätzen, aber es wird ebenso wichtig sein, die richtige Antwort aus den richtigen physikalischen Gründen zu erhalten.
Xiao, T. et al.(2022) Stürme in der südlichen Hemisphäre aufgrund von Landformen und Ozeanzirkulation, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, doi: 10.1073/pnas.2123512119
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