Professor Tiffany Shaw, Professor, Abteilung für Geowissenschaften, Universität von Chicago
Die südliche Hemisphäre ist ein sehr turbulenter Ort. Winde in verschiedenen Breiten wurden als "brüllende vierzig Grad", "wütend fünfzig Grad" und "60 Grad" beschrieben. Wellen erreichen satte 24 Meter (78 Fuß).
Wie wir alle wissen, kann nichts in der nördlichen Hemisphäre mit den schweren Stürmen, Wind und Wellen in der südlichen Hemisphäre mithalten. Warum?
In einer neuen Studie, die in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, stellen meine Kollegen und ich auf, warum Stürme auf der südlichen Hemisphäre häufiger als in der Norden häufiger sind.
Unsere Ergebnisse kombinieren mehrere Beweislinien aus Beobachtungen, Theorien und Klimamodellen und weisen auf die grundlegende Rolle der globalen ozeanischen „Förderbänder“ und großen Berge in der nördlichen Hemisphäre hin.
Wir zeigen auch, dass im Laufe der Zeit Stürme in der südlichen Hemisphäre intensiver wurden, während diejenigen auf der nördlichen Hemisphäre dies nicht taten. Dies steht im Einklang mit der Modellierung des Klimamodells der globalen Erwärmung.
Diese Veränderungen sind wichtig, da wir wissen, dass stärkere Stürme zu schwereren Auswirkungen wie extremen Winden, Temperaturen und Niederschlägen führen können.
Lange Zeit wurden die meisten Beobachtungen des Wetters auf der Erde aus Land gemacht. Dies gab Wissenschaftlern ein klares Bild des Sturms in der nördlichen Hemisphäre. In der südlichen Hemisphäre, die etwa 20 Prozent des Landes abdeckt, erhielten wir jedoch kein klares Bild von Stürmen, bis Satellitenbeobachtungen Ende der 1970er Jahre verfügbar wurden.
Aus jahrzehntelanger Beobachtung seit Beginn der Satellitenzeit wissen wir, dass Stürme in der südlichen Hemisphäre etwa 24 Prozent stärker sind als die in der nördlichen Hemisphäre.
Dies wird in der folgenden Karte gezeigt, 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 an der Spitze des Vergleichs zwischen den ersten und letzten Karten steht.)
Die Karte zeigt die anhaltend hohe Intensität der Stürme im Südlichen Ozean in der südlichen Hemisphäre und ihre Konzentration im pazifischen und atlantischen Ozeane (orange) in der nördlichen Hemisphäre. Die Differenzkarte zeigt, dass Stürme in der südlichen Hemisphäre in den meisten Breiten stärker sind als in der nördlichen Hemisphäre (Orangenschattierung).
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 kann man ein so komplexes System verstehen, das Tausende von Kilometern wie die Atmosphäre erstreckt? Wir können die Erde nicht in ein Glas legen und sie studieren. Dies ist jedoch genau das, was Wissenschaftler, die die Physik des Klimas untersuchen, tun. Wir wenden die Gesetze der Physik an und nutzen sie, um die Erdatmosphäre und das Klima zu verstehen.
Das berühmteste Beispiel für diesen Ansatz ist die Pionierarbeit von Dr. Shuro Manabe, der den Nobelpreis 2021 in Physik „für seine verlässliche Vorhersage der globalen Erwärmung“ erhielt. Die Vorhersagen basieren auf physikalischen Modellen des Erdklimas, die von den einfachsten eindimensionalen Temperaturmodellen bis hin zu vollwertigen dreidimensionalen Modellen reichen. Es untersucht die Reaktion des Klimas auf steigende Kohlendioxidniveaus in der Atmosphäre durch Modelle unterschiedlicher körperlicher Komplexität und Monitore, die aufkommende Signale aus zugrunde liegenden physikalischen Phänomenen sind.
Um mehr Stürme in der südlichen Hemisphäre zu verstehen, haben wir mehrere Beweislinien gesammelt, einschließlich Daten aus physikalischen Klimamodellen. Im ersten Schritt untersuchen wir Beobachtungen in Bezug darauf, wie Energie auf die Erde verteilt wird.
Da die Erde eine Sphäre ist, erhält ihre Oberfläche eine Sonnenstrahlung ungleichmäßig von der Sonne. Der größte Teil der Energie wird am Äquator empfangen und absorbiert, wo die Sonnenstrahlen direkter auf die Oberfläche treffen. Im Gegensatz dazu erhalten Stangen, die Licht in steilen Winkeln trifft, weniger Energie.
Jahrzehnte Forschung haben gezeigt, dass die Stärke eines Sturms aus diesem Energieunterschied beruht. Im Wesentlichen wandeln sie die in diesem Unterschied gespeicherte „statische“ Energie in „kinetische“ Bewegungsergie um. Dieser Übergang erfolgt durch einen Prozess, der als „baroklinische Instabilität“ bezeichnet wird.
Diese Ansicht deutet darauf hin, dass ein infallendes Sonnenlicht nicht die größere Anzahl von Stürmen auf der südlichen Hemisphäre erklären kann, da beide Hemisphären die gleiche Menge an Sonnenlicht erhalten. Stattdessen legt unsere Beobachtungsanalyse nahe, dass der Unterschied in der Sturmintensität zwischen Süd und Norden auf zwei verschiedene Faktoren zurückzuführen sein könnte.
Erstens der Transport von Ozeanenergie, oft als „Förderband“ bezeichnet. Die Wasserversuche in der Nähe des Nordpols fließt entlang des Meeresbodens um die Antarktis und fließt entlang des Äquators nach Norden und trägt Energie damit. Das Endergebnis ist die Energieübertragung von der Antarktis in den Nordpol. Dies schafft einen größeren Energiekontrast zwischen dem Äquator und den Polen in der südlichen Hemisphäre als in der nördlichen Hemisphäre, was zu schwereren Stürmen in der südlichen Hemisphäre führt.
Der zweite Faktor sind die großen Berge in der nördlichen Hemisphäre, die, wie Manabes frühere Arbeiten vermutet hatte, die Stürme dämpften. Luftströmungen über großen Bergketten erzeugen feste Höhen und Tiefen, die die für Stürme zur Verfügung stehende Energie reduzieren.
Die Analyse beobachteter Daten allein kann diese Ursachen jedoch nicht bestätigen, da zu viele Faktoren gleichzeitig funktionieren und interagieren. Außerdem können wir die individuellen Ursachen nicht ausschließen, um ihre Bedeutung zu testen.
Dazu müssen wir Klimamodelle verwenden, um zu untersuchen, wie sich Stürme verändern, wenn verschiedene Faktoren entfernt werden.
Als wir die Erdberge in der Simulation glätten, war der Unterschied in der Sturmintensität zwischen den Hemisphären halbiert. Als wir den Förderband des Ozeans entfernten, war die andere Hälfte des Sturmunterschieds verschwunden. So entdecken wir zum ersten Mal eine konkrete Erklärung für Stürme in der südlichen Hemisphäre.
Da Stürme mit schweren 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 wesentliches Instrument zur Vorbereitung von Gesellschaften zur Bewältigung der Auswirkungen des Klimawandels ist die Bereitstellung von Prognosen auf der Grundlage von Klimamodellen. Eine neue Studie legt nahe, dass die durchschnittlichen Stürme der südlichen Hemisphäre gegen Ende des Jahrhunderts intensiver werden werden.
Im Gegenteil, Veränderungen der durchschnittlichen jährlichen Stürmerintensität in der nördlichen Hemisphäre werden voraussichtlich moderat sein. Dies ist teilweise auf konkurrierende saisonale Auswirkungen zwischen Erwärmung in den Tropen zurückzuführen, was Stürme stärker macht, und die schnelle Erwärmung in der Arktis, was sie schwächer macht.
Das Klima hier und jetzt ändert sich jedoch. Wenn wir uns in den letzten Jahrzehnten mit Veränderungen befassen, stellen wir fest, dass durchschnittliche Stürme im Laufe des Jahres in der südlichen Hemisphäre intensiver geworden sind, während Veränderungen in der nördlichen Hemisphäre vernachlässigbar waren, was mit den Vorhersagen des Klimamodells im gleichen Zeitraum übereinstimmt.
Obwohl die Modelle das Signal unterschätzen, zeigen sie Veränderungen an, die aus den gleichen physikalischen Gründen auftreten. Das heißt, Veränderungen im Ozean erhöhen die Stürme, weil sich wärmeres Wasser in Richtung Äquator bewegt und kälteres Wasser um die Antarktis an die Oberfläche gebracht wird, um es zu ersetzen, was zu einem stärkeren Kontrast zwischen dem Äquator und den Polen führt.
In der nördlichen Hemisphäre werden Ozeanänderungen durch den Verlust von Meereis und Schnee ausgeglichen, wodurch die Arktis mehr Sonnenlicht absorbiert und den Kontrast zwischen dem Äquator und den Polen schwächt.
Die Einsätze, die richtige Antwort zu bekommen, sind hoch. Es wird wichtig für die zukünftige Arbeit sein zu bestimmen, warum die Modelle das beobachtete Signal unterschätzen, aber es wird aus den richtigen physikalischen Gründen gleichermaßen wichtig sein, die richtige Antwort zu erhalten.
Xiao, T. et al. .
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