Eine neue Analyse der Art und Weise, wie sich die Luft zwischen zwei Schichten der Erdatmosphäre bewegt, offenbart ein tiefgründiges System, das langfristige Wettervorhersagen und bessere Klimamodelle ermöglichen könnte.
Wenn man den Verlauf des Jetstreams vorhersagen kann (einen Windstrom in der oberen Erdatmosphäre), dann kann man das Wetter vorhersagen – nicht nur für eine oder zwei Wochen, sondern für eine gesamte Jahreszeit. Eine neue Studie der Stanford University geht in Richtung dieser Vorhersagemöglichkeiten, indem sie einen physikalischen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit und Position des Jetstreams und der Stärke des Nordpolarwirbels herstellt. Dabei handelt es sich um einem Luftwirbel, der sich normalerweise über der Arktis befindet.
“Der Jetstream steuert alles”, sagte Aditi Sheshadri, Assistenzprofessorin für Geowissenschaften an der School of Earth, Energy & Environmental Sciences (Stanford Earth) und Hauptautorin der neuen Studie. “Stürme ziehen mit ihm. Sie interagieren mit ihm. Wenn sich der Jetstream verschiebt, werden sich die Orte, an denen die Stürme am stärksten sind, ebenfalls verschieben.”
Die Forschungsarbeit, veröffentlicht im Journal of Atmospheric Sciences, identifiziert zwei verschiedene Muster, wie die Luft innerhalb des Jetstreams und innerhalb der Schichten strömt, die den Jetstream einschließen.
Das tiefgreifende System der Atmosphäre
Bei dem einen Modus beginnen die Veränderungen von Windgeschwindigkeit und -richtung nahe des Äquators in der Troposphäre, der feuchten, stürmischen Atmosphärenschicht unterhalb des Jetstreams, die der Erdoberfläche am nächsten ist. Verschiebungen des Windes in diesem Modus breiten sich rasch durch den Jetstream und bis in den Nordpolarwirbel in der trockenen, oberen Atmosphärenschicht aus, der sogenannten Stratosphäre.
Bei dem anderen Modus beeinflusst die Stärke des Nordpolarwirbels in der Stratosphäre den Verlauf und die Stärke des Jetstreams und wie er mit Stürmen in der Troposphäre interagiert. In diesem Modus schickt der Nordpolarwirbel ein Signal wie einen Impuls bis runter auf die Oberfläche. Ein schwächerer Nordpolarwirbel erzeugt einen schwächeren Jetstream, der in Richtung Äquator abgleitet. Ein stärkerer Nordpolarwirbel verstärkt den Jetstream, während er ihn polwärts zieht.
“Diese tiefen, vertikalen Strukturen wurden bisher nicht gezeigt”, sagte Sheshadri. “Es ist etwas Grundlegendes über das System selbst.” Ihre Analyse könnte helfen, die Folgen eines Oberflächenwetterereignisses zu erklären, das Anfang 2018 stattfand: Der Nordpolarwirbel schwächte sich so weit ab, dass er auseinanderbrach. Das ist ein Phänomen, von dem bekannt ist, dass es bis zu zwei Monate mit extremen Wetterbedingungen nach Westeuropa bringen kann. Bis jetzt basierte das Verständnis dieser Wechselwirkungen auf Beobachtungen und statistischen Modellen und weniger auf dem Wissen über ihre physikalische Grundlage.
Diese Modelle könnten der Schlüssel zur Vorhersage von langfristigen Auswirkungen auf bestimmte Umweltveränderungen auf der Erdoberfläche sein. Obwohl man davon ausgeht, dass die Luft in normalen Wintern relativ unabhängig innerhalb der Troposphäre und der Stratosphäre strömt, können angesammeltes Ozon, hohe Konzentrationen von Treibhausgasen, die Erwärmung der Ozeane, reduzierte Schneebedeckung und andere Störungen diese Unabhängigkeit erschüttern und sowohl den Nordpolarwirbel als auch den Jetstream auf komplexe Weise beeinflussen. Die Emission von Treibhausgasen kann beispielsweise den Nordpolarwirbel stärken und gleichzeitig Wellen erzeugen, die sich von der Troposphäre nach oben ausbreiten und den Nordpolarwirbel beim Brechen schwächen.
“Wir wissen nicht, welche dieser beiden Effekte von ansteigenden Treibhausgasemissionen gewinnen wird”, sagte Sheshadri.
Bessere Klimamodelle erstellen
Um Antworten zu finden, machte sich das Team daran, das Klima als System zu verstehen, das auf eine vorhersagbare Weise auf bekannte Kräfte reagiert – trotz innerer Dynamiken, die aus einem Gemisch von zufälligen und systematischen Fluktuationen bestehen. Die Forscher nahmen ein mathematisches Theorem, das seit fast einem Jahrhundert für scheinbar zufälliges Verhalten in quantenmechanischen Systemen verwendet wird und wandten es auf Daten an, die die Erdatmosphäre zur Winterzeit repräsentierten.
“Wir haben 35 Jahre mit Winddaten”, sagte Sheshadri. “Können wir irgendetwas nur aus diesen Beobachtungen ableiten, etwa wie sich der Wind bei ansteigender Kohlenstoffdioxid-Konzentration verändern wird? Das ist es, was die ganze Sache ins Rollen gebracht hat.”
Aktuelle Klimamodelle zeichnen sich dadurch aus, dass sie Temperaturveränderungen in den Atmosphärenschichten im Laufe der Zeit und mit veränderlichen Konzentrationen verschiedener Substanzen zeigen, zum Beispiel Ozon oder Kohlenstoffdioxid. “Wir sind ziemlich sicher bezüglich dessen, wie sich die Temperaturstruktur der Atmosphäre verändern wird”, sagte Sheshadri. “Wenn man allerdings Veränderungen bei Dingen wie Wind, Regen oder Schnee betrachtet (alles, was eine dynamische Menge ist), dann haben wir tatsächlich nur sehr wenig Ahnung von dem, was passiert.”
Dennoch sind das einige der wichtigsten Maße für ein sich veränderndes Klima. “Niemand fühlt die globale Durchschnittstemperatur”, sagte Sheshadri. “Wie oft in den kommenden zehn Jahren müssen wir mit Fluten oder Kälteperioden in einer bestimmten Region rechnen? Das ist die Art von Fragen, bei deren Beantwortung das hier helfen könnte.”
Durch die Offenbarung der physikalischen Prozesse, die einigen dieser dynamischen Variablen zugrunde liegen, könnte die im Rahmen dieser Studie entwickelte Methode außerdem helfen, Fehler in Klimamodellen zu beseitigen.
“Die Art und Weise, wie wir das momentan tun, sieht so aus, dass wir ein Modell nehmen und es vorwärts laufen lassen und die Vorhersagen des Modells mit den Beobachtungsdaten vergleichen”, sagte Sheshadri. Aber viele Modelle, die auf denselben historischen Daten basieren, produzieren unterschiedliche Vorhersagen für die Zukunft. Das liegt teilweise daran, dass sie verschiedene Annahmen darüber voraussetzen, wie die Troposphäre und die Stratosphäre interagieren und wie der Jetstream fluktuiert. Bis jetzt gab es keine Möglichkeit, diese Annahmen gegen die tatsächliche Veränderlichkeit der Atmosphäre zu prüfen.
“Wir müssen sicher sein, dass die Modelle korrekt sind – und zwar aus den richtigen Gründen”, sagte Sheshadri. Die neue Arbeit bietet eine Möglichkeit, diese Unsicherheit zu beseitigen und Stürme für Monate in der Zukunft vorauszusagen.
(THK)
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