E6 Ozean-Atmosphäre-Kryosphäre-Kopplungen

Thema

Das Klimasystem ist fundamental gekoppelt: Ozean, Atmosphäre und Kryosphäre tauschen kontinuierlich Energie, Impuls und Masse aus, und keine Komponente dieses gekoppelten Klimasystems lässt sich ohne die beiden anderen vollständig verstehen. Der am besten untersuchte Prototyp dieser Ozean-Atmosphäre-Kopplung ist die El Niño-Südliche Oszillation (ENSO), bei der eine geringfügige Störung der Windschubspannung entlang des Äquators eine massive Reorganisation des gesamten gekoppelten Systems auf hemisphärischer Ebene auslöst.

Ein klassisches Modell dieser Ozean-Atmosphäre-Kopplung, formuliert 1987, und die später entwickelten vereinfachten Versionen erfassen das Wesen der El Niño-Südlichen Oszillation durch zwei sich gegenseitig verstärkende Beziehungen: Der Oberflächenwind reagiert auf den Meeresoberflächentemperaturgradienten entlang des Äquators, und die Meeresoberflächentemperatur wiederum reagiert auf die durch denselben Oberflächenwind angetriebene Meereszirkulation. Wenn sich Oberflächenwind und Meeresoberflächentemperatur gegenseitig verstärken, anstatt sich zu stabilisieren, kann diese wechselseitige Rückkopplungsinstabilität einen sich selbst erhaltenden Zyklus mit einer Periode von drei bis sieben Jahren erzeugen. Genau dieser Zyklus charakterisiert die El Niño-Southern Oscillation (ENSO).

Die Kryosphäre, die dritte Komponente des eingangs beschriebenen gekoppelten Klimasystems, wirkt in hohen Breiten als Signalverstärker: Meereis reflektiert etwa 80 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung, während der nach dem Verschwinden des Meereises freiliegende offene Ozean nur etwa 7 Prozent derselben Sonnenstrahlung reflektiert. Aufgrund dieses enormen Unterschieds im Reflexionsanteil der Sonnenstrahlung zwischen Meereis und offenem Ozean erzeugt der Verlust von Meereis eine starke lokale positive Rückkopplung: Je mehr Meereis verloren geht, desto mehr offenes Meer mit geringer Reflexion wird freigelegt. Dieses offene Meer mit geringer Reflexion absorbiert deutlich mehr Sonnenstrahlung als das Meereis zuvor, was die Region weiter erwärmt und zu noch mehr Meereisverlust führt. Auf Zeitskalen, die weit über den drei- bis siebenjährigen El-Niño-Southern-Oscillation-Zyklus oder die lokale Rückkopplung durch Meereis hinausgehen, wirkt der Tiefsee dank seiner enormen Wärmespeicherkapazität als thermischer Bremser des gekoppelten Klimasystems: Er absorbiert und gibt Wärme deutlich langsamer ab als die Atmosphäre, die Meeresoberfläche oder die Kryosphäre und verzögert so die vollständige Reaktion des gekoppelten Klimasystems auf Störungen um mehrere Jahrzehnte. Auf diese Weise tauschen die drei eingangs beschriebenen Komponenten des gekoppelten Klimasystems – Ozean, Atmosphäre und Kryosphäre – Energie, Impuls und Masse auf drei sehr unterschiedlichen Zeitskalen aus: Die Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre erzeugt Zyklen von wenigen Jahren wie El Niño-Southern Oscillation, die Kryosphäre verstärkt dieses Signal lokal nahezu unmittelbar, und der Tiefsee verzögert und glättet es über Jahrzehnte.

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