E10 Externe Kräfte auf das System

Thema

Externe Antriebe sind Störungen, die von außerhalb der gekoppelten internen Dynamik des Klimasystems wirken und nicht aus der Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Ozean und Kryosphäre entstehen. Es gibt vier Hauptarten externer Antriebe: die solare Einstrahlung, die sowohl einem elfjährigen Zyklus als auch langsameren langfristigen Veränderungen unterliegt; die Milankovitch-Orbitalparameter, die die Verteilung der in den verschiedenen Breitengraden empfangenen Sonneneinstrahlung auf Zeitskalen zwischen zehntausend und hunderttausend Jahren modulieren; Vulkanausbrüche, die Schwefeldioxid in die Stratosphäre freisetzen und dort Sulfataerosole bilden, die einen negativen Einfluss auf die Temperatur haben; und anthropogene Antriebe, zu denen Kohlendioxid, Aerosole, Landnutzung und Ozon gehören. Die Trennung des Signals dieser externen Antriebe von der internen Variabilität des Klimasystems ist das zentrale Problem der Klimaerfassung und -attribution. Die Methode der räumlichen Signatur sucht in den Klimasystembeobachtungen nach dem charakteristischen räumlichen Muster jedes externen Antriebs – seiner Signatur – und gewichtet dieses charakteristische räumliche Muster mit der erwarteten internen Variabilität in derselben Region. Ein charakteristisches räumliches Muster, das mit Beobachtungen in einer Region mit geringer erwarteter interner Variabilität übereinstimmt, gilt daher als stärkerer Beleg für diese externe Antriebskraft als dieselbe Übereinstimmung in einer Region mit hoher erwarteter interner Variabilität.

Vulkanausbrüche erzeugen unter den vier externen Antriebskräften eine vorübergehende Antriebskraft von ein bis drei Jahren Dauer. Die Reaktion des Klimasystems auf diese vorübergehende vulkanische Antriebskraft klingt exponentiell ab, sobald die Antriebskraft abklingt. Da diese vorübergehende vulkanische Antriebskraft kurz ist und ihre Stärke gut bekannt ist, ermöglicht uns die Art und Weise, wie das Klimasystem darauf reagiert und sich anschließend erholt, die vorübergehende Klimasensitivität des aktuellen Klimasystems abzuschätzen, ohne auf das Erreichen eines neuen, vollständigen Gleichgewichts warten zu müssen.

Die Antriebskraft der Milankovitch-Orbitalparameter, die andere eingangs erwähnte sehr langskalige externe Antriebskraft, erklärt den Rhythmus der Eiszeit- und Warmzeitzyklen, die das Klimasystem in seiner Geschichte wiederholt durchlaufen hat. Die alleinige Wirkung der Milankovitch-Orbitalparameter reicht jedoch nicht aus, um die gesamte Amplitude der beobachteten Eis- und Warmzeiten zu erklären: Das Klimasystem muss diese geringe orbitale Wirkung durch zusätzliche Rückkopplungen, insbesondere durch Kohlendioxid- und Eisrückkopplungen, verstärken, damit die tatsächliche Temperaturamplitude zwischen einer Eiszeit und einer Warmzeit der im Paläoklimaarchiv beobachteten Temperaturamplitude entspricht.

Die vier beschriebenen externen Antriebskräfte – Sonneneinstrahlung, Milankovitch-Orbitalparameter, Vulkanausbrüche und anthropogene Einflüsse – wirken auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen: vom elfjährigen Zyklus der Sonneneinstrahlung und den ein bis drei Jahren eines Vulkanausbruchs bis hin zu den zehntausenden Jahren der Milankovitch-Wirkung. Sie alle weisen jedoch ein gemeinsames Merkmal auf, das sie von der internen Variabilität des Klimasystems unterscheidet: Es handelt sich um Störungen, die außerhalb der gekoppelten internen Dynamik des Klimasystems entstehen. Aus diesem Grund lassen sie sich mithilfe der zuvor beschriebenen Methode der räumlichen Charakteristik von dieser internen Variabilität trennen. Dies ist ein notwendiger Schritt, um zu verstehen, welcher Anteil der beobachteten Veränderungen im Klimasystem auf die einzelnen externen Antriebe und welcher Anteil auf die interne Variabilität des Klimasystems selbst zurückzuführen ist.

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