Professor Tiffany Shaw, Professorin, Abteilung für Geowissenschaften, Universität Chicago
Die südliche Hemisphäre ist ein sehr turbulentes Gebiet. Winde in verschiedenen Breitengraden werden als „brüllende vierzig Grad“, „rasende fünfzig Grad“ und „schreiende sechzig Grad“ beschrieben. Die Wellen erreichen satte 24 Meter.
Wie wir alle wissen, kann nichts auf der Nordhalbkugel mit den heftigen Stürmen, Winden und Wellen der Südhalbkugel mithalten. Warum?
In einer neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, decken meine Kollegen und ich auf, 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 Gebirge in der nördlichen Hemisphäre hin.
Wir zeigen außerdem, dass die Stürme auf der Südhalbkugel im Laufe der Zeit intensiver wurden, während dies auf der Nordhalbkugel nicht der Fall war. Dies steht im Einklang mit der Modellierung der globalen Erwärmung durch Klimamodelle.
Diese Änderungen sind wichtig, da wir wissen, dass stärkere Stürme schwerwiegendere Auswirkungen wie extreme Winde, Temperaturen und Niederschläge haben können.
Lange Zeit wurden die meisten Wetterbeobachtungen auf der Erde vom Land aus durchgeführt. Dadurch erhielten Wissenschaftler ein klares Bild der Stürme auf der Nordhalbkugel. Auf der Südhalbkugel, die etwa 20 Prozent der Landmasse bedeckt, erhielten wir jedoch erst Ende der 1970er Jahre ein klares Bild der Stürme, als Satellitenbeobachtungen verfügbar wurden.
Aus jahrzehntelangen Beobachtungen seit Beginn des Satellitenzeitalters wissen wir, dass Stürme auf der Südhalbkugel etwa 24 Prozent stärker sind als jene auf der Nordhalbkugel.
Dies ist in der folgenden Karte dargestellt, die die beobachtete durchschnittliche jährliche Sturmintensität für die Südhalbkugel (oben), die Nordhalbkugel (Mitte) und den Unterschied zwischen ihnen (unten) von 1980 bis 2018 zeigt. (Beachten Sie, dass der Südpol im Vergleich zwischen der ersten und der letzten Karte oben steht.)
Die Karte zeigt die anhaltend hohe Intensität der Stürme im Südpolarmeer auf der Südhalbkugel und ihre Konzentration im Pazifik und Atlantik (orange schattiert) auf der Nordhalbkugel. Die Differenzkarte zeigt, dass die Stürme auf der Südhalbkugel in den meisten Breitengraden stärker sind als auf der Nordhalbkugel (orange schattiert).
Obwohl es viele verschiedene Theorien gibt, bietet niemand eine endgültige Erklärung für die Unterschiede bei den Stürmen in den beiden Hemisphären.
Die Ursachen herauszufinden, scheint eine schwierige Aufgabe zu sein. Wie soll man ein so komplexes System wie die Atmosphäre verstehen, das sich über Tausende von Kilometern erstreckt? Wir können die Erde nicht in ein Glas stecken und untersuchen. Doch genau das tun Wissenschaftler, die sich mit der Physik des Klimas beschäftigen. Wir wenden die Gesetze der Physik an und nutzen sie, um die Atmosphäre und das Klima der Erde zu verstehen.
Das bekannteste Beispiel für diesen Ansatz ist die Pionierarbeit 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. Manabe untersucht die Reaktion des Klimas auf steigende Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre anhand von Modellen unterschiedlicher physikalischer Komplexität und beobachtet neu auftretende Signale der zugrunde liegenden physikalischen Phänomene.
Um mehr Stürme in der südlichen Hemisphäre zu verstehen, haben wir verschiedene Belege gesammelt, darunter Daten aus physikalischen Klimamodellen. Im ersten Schritt untersuchen wir Beobachtungen zur Energieverteilung auf der Erde.
Da die Erde eine Kugel ist, erhält ihre Oberfläche die Sonnenstrahlung ungleichmäßig. Die meiste Energie wird am Äquator aufgenommen und absorbiert, wo die Sonnenstrahlen direkter auf die Oberfläche treffen. Im Gegensatz dazu erhalten Pole, die in steileren Winkeln auftreffen, weniger Energie.
Jahrzehntelange Forschung hat gezeigt, dass die Stärke eines Sturms von diesem Energieunterschied abhängt. Im Wesentlichen wandeln sie die in diesem Unterschied gespeicherte „statische“ Energie in „kinetische“ Bewegungsenergie um. Dieser Übergang erfolgt durch einen Prozess, der als „barokline Instabilität“ bekannt ist.
Diese Ansicht legt nahe, dass die höhere Anzahl von Stürmen auf der Südhalbkugel nicht durch einfallendes Sonnenlicht erklärt werden kann, da beide Hemisphären gleich viel Sonnenlicht erhalten. Unsere Beobachtungsanalyse legt vielmehr 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 Äquator und Polen als auf der Nordhalbkugel, was zu heftigeren Stürmen auf der Südhalbkugel führt.
Der zweite Faktor sind die hohen Berge der nördlichen Hemisphäre, die, wie Manabes frühere Arbeiten nahelegten, Stürme dämpfen. Luftströmungen über großen Gebirgszügen erzeugen feste Höhen und Tiefen, die die für Stürme verfügbare Energiemenge reduzieren.
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 prüfen.
Dazu müssen wir Klimamodelle verwenden, um zu untersuchen, wie sich Stürme verändern, wenn verschiedene Faktoren wegfallen.
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, verschwand die andere Hälfte des Sturmunterschieds. 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, müssen wir die wichtige Frage beantworten, ob zukünftige Stürme stärker oder schwächer sein werden.
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Ein wichtiges Instrument zur Vorbereitung der Gesellschaft auf die Auswirkungen des Klimawandels sind Prognosen auf Grundlage von Klimamodellen. Eine neue Studie deutet darauf hin, dass die durchschnittliche Stürmeintensität in der südlichen Hemisphäre gegen Ende des Jahrhunderts zunehmen wird.
Im Gegenteil, die Veränderungen der durchschnittlichen jährlichen Sturmintensität in der nördlichen Hemisphäre werden voraussichtlich moderat ausfallen. Dies ist teilweise auf konkurrierende saisonale Effekte zurückzuführen: die Erwärmung in den Tropen, die die Stürme stärker macht, und die schnelle Erwärmung in der Arktis, die sie abschwächt.
Das Klima verändert sich jedoch hier und jetzt. Betrachtet man die Veränderungen der letzten Jahrzehnte, stellt man fest, dass die durchschnittlichen Stürme auf der Südhalbkugel im Jahresverlauf intensiver geworden sind, während die Veränderungen auf der Nordhalbkugel vernachlässigbar waren, was mit den Vorhersagen der Klimamodelle für den gleichen Zeitraum übereinstimmt.
Obwohl die Modelle das Signal unterschätzen, deuten sie auf Veränderungen hin, die aus denselben physikalischen Gründen entstehen. Das heißt, Veränderungen im Ozean verstärken Stürme, weil wärmeres Wasser in Richtung Äquator strömt und kälteres Wasser an die Oberfläche rund um die Antarktis gelangt, um es zu ersetzen. Dies führt zu einem stärkeren Kontrast zwischen Äquator und Polen.
Auf der Nordhalbkugel werden die Veränderungen der Ozeane durch den Verlust von Meereis und Schnee ausgeglichen, was dazu führt, dass die Arktis mehr Sonnenlicht absorbiert und der Kontrast zwischen dem Äquator und den Polen abgeschwächt wird.
Die richtige Antwort zu finden, ist von großer Bedeutung. Für zukünftige Arbeiten wird es wichtig sein, herauszufinden, warum die Modelle das beobachtete Signal unterschätzen. Genauso wichtig ist es aber, die richtige Antwort aus den richtigen physikalischen Gründen zu erhalten.
Xiao, T. et al. (2022) Stürme in der südlichen Hemisphäre aufgrund von Landformen und Meereszirkulation, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, doi: 10.1073/pnas.2123512119
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