Der Abstand Erde-Sonne verändert die Jahreszeiten im äquatorialen Pazifik in einem 22.000-Jahres-Zyklus dramatisch

Wetter- und Klimamodellierer verstehen ziemlich gut, wie saisonale Winde und Meeresströmungen die El Niño-Muster im östlichen äquatorialen Pazifik beeinflussen und das Wetter in den Vereinigten Staaten und manchmal weltweit beeinflussen.

Aber neue Computersimulationen zeigen, dass ein Treiber der jährlichen Wetterzyklen in dieser Region – insbesondere eine kalte Zunge aus Oberflächengewässern, die sich entlang des Äquators von der Küste Südamerikas nach Westen erstreckt – unerkannt geblieben ist: die sich ändernde Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Die kalte Zunge wiederum beeinflusst die El Niño-Southern Oscillation (ENSO), die das Wetter in Kalifornien, in weiten Teilen Nordamerikas und oft weltweit beeinflusst.

Der Abstand Erde-Sonne ändert sich im Laufe des Jahres langsam, da die Erdbahn leicht elliptisch ist. Gegenwärtig ist die Erde an ihrer engsten Annäherung – dem Perihel – etwa 3 Millionen Meilen näher an der Sonne als an ihrem entferntesten Punkt oder Aphel. Infolgedessen ist das Sonnenlicht am Perihel etwa 7% intensiver als am Aphel.

Untersuchungen unter der Leitung der University of California, Berkeley, zeigen, dass die geringfügige jährliche Änderung unserer Entfernung von der Sonne einen großen Einfluss auf den Jahreszyklus der kalten Zunge haben kann. Dies unterscheidet sich von der Auswirkung der axialen Neigung der Erde auf die Jahreszeiten, von der derzeit angenommen wird, dass sie den jährlichen Zyklus der kalten Zunge verursacht.

Da die Periode des Jahreszyklus, die sich aus den Neigungs- und Entfernungseffekten ergibt, leicht unterschiedlich ist, variieren ihre kombinierten Effekte im Laufe der Zeit, sagte der leitende Forscher John Chiang, Professor für Geographie an der UC Berkeley.

„Das Merkwürdige ist, dass der Jahreszyklus des Entfernungseffekts etwas länger ist als der für die Neigung – derzeit etwa 25 Minuten –, also gehen die beiden Jahreszyklen über eine Zeitspanne von etwa 11.000 Jahren von in Phase zu außer Phase. und die Netto-Saisonalität erfährt infolgedessen eine bemerkenswerte Veränderung“, sagte Chiang.

Chiang bemerkte, dass der Entfernungseffekt bereits in Klimamodellen enthalten ist – obwohl seine Wirkung auf den äquatorialen Pazifik bisher nicht erkannt wurde – und seine Ergebnisse Wettervorhersagen oder Klimaprojektionen nicht ändern werden. Aber der 22.000-jährige Phasenzyklus könnte langfristige, historische Auswirkungen gehabt haben. Es ist beispielsweise bekannt, dass die Präzession der Erdumlaufbahn den zeitlichen Ablauf der Eiszeiten beeinflusst hat.

Der Entfernungseffekt – und seine 22.000-jährige Schwankung – kann auch andere Wettersysteme auf der Erde beeinflussen. Das ENSO, das seinen Ursprung ebenfalls im äquatorialen Pazifik hat, ist wahrscheinlich betroffen, da seine Funktionsweise eng mit dem saisonalen Zyklus der kalten Zunge verknüpft ist.

„Die Theorie sagt uns, dass der saisonale Zyklus der kalten Zunge eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und Beendigung von ENSO-Ereignissen spielt“, sagte Alyssa Atwood, eine ehemalige Postdoktorandin der UC Berkeley, die jetzt Assistenzprofessorin an der Florida State University in Tallahassee ist. „Aus diesem Grund sind viele der wichtigsten Merkmale von ENSO mit dem saisonalen Zyklus synchronisiert.“

Zum Beispiel neigen ENSO-Ereignisse dazu, in den Wintern der nördlichen Hemisphäre ihren Höhepunkt zu erreichen, sagte sie, und sie dauern normalerweise nicht über die nördlichen oder borealen Frühlingsmonate hinaus an, die Wissenschaftler als „Vorhersagbarkeitsbarriere des Frühlings“ bezeichnen. Aufgrund dieser Verknüpfungen ist zu erwarten, dass der Distanzeffekt auch einen großen Einfluss auf ENSO haben könnte – etwas, das in zukünftigen Studien untersucht werden sollte.

„Dem saisonalen Zyklus der kalten Zunge wurde sehr wenig Aufmerksamkeit geschenkt, weil die meisten Leute denken, dass er gelöst ist. Daran gibt es nichts Interessantes“, sagte Chiang. „Was diese Forschung zeigt, ist, dass es nicht gelöst ist. Es gibt dort immer noch ein Rätsel. Unser Ergebnis wirft auch die Frage auf, ob andere Regionen der Erde möglicherweise auch einen signifikanten Beitrag zum Abstandseffekt zu ihrem saisonalen Zyklus leisten.“

„Wir lernen im naturwissenschaftlichen Unterricht bereits in der Grundschule, dass die Jahreszeiten durch die Neigung der Erdachse verursacht werden“, fügte Co-Autor Anthony Broccoli von der Rutgers University hinzu. „Dies ist sicherlich richtig und seit Jahrhunderten gut verstanden. Obwohl der Effekt des Abstands Erde-Sonne ebenfalls erkannt wurde, zeigt unsere Studie, dass dieser ‚Abstandseffekt‘ einen wichtigeren Effekt auf das Klima haben könnte als bisher angenommen. „

Chiang, Atwood und Broccoli und ihre Kollegen berichteten heute in der Zeitschrift über ihre Ergebnisse Natur.

Zwei unterschiedliche Jahreszyklen beeinflussen die Pazifische Kaltzunge

Der Haupttreiber globaler Wetteränderungen ist der jahreszeitliche Wechsel. Der Äquator der Erde ist relativ zu ihrer Umlaufbahn um die Sonne geneigt, sodass die nördliche und die südliche Hemisphäre unterschiedlich beleuchtet werden. Wenn die Sonne im Norden direkt über uns scheint, ist es im Norden wärmer und im Süden kälter und umgekehrt.

Diese jährlichen Änderungen haben große Auswirkungen auf die äquatorialen Passatwinde des Pazifiks, die von Südosten nach Nordwesten über den Süd- und Äquatorialpazifik wehen und Oberflächenwasser nach Westen drücken, wodurch kaltes Wasser entlang des Äquators aufsteigt, wodurch eine Zunge aus kaltem Oberflächenwasser entsteht, die sich erstreckt Ecuador über den Pazifik – fast ein Viertel des Erdumfangs.

Die jährlichen hemisphärischen Änderungen der saisonalen Temperatur verändern die Stärke der Trades und verursachen somit einen jährlichen Zyklus in der Temperatur der kalten Zunge. Dies wiederum hat einen großen Einfluss auf ENSO, das typischerweise im Winter auf der Nordhalbkugel seinen Höhepunkt erreicht.

Das Auftreten von El Niño – oder seinem Gegenteil, La Niña – trägt dazu bei, zu bestimmen, ob Kalifornien und die Westküste einen nassen oder trockenen Winter haben werden, aber auch, ob der Mittlere Westen und Teile Asiens Regen oder Dürre haben werden.

„Bei der Untersuchung vergangener Klimazonen wurde viel Mühe darauf verwendet, zu verstehen, ob sich die Variabilität im tropischen Pazifik – das heißt der El Niño/La Niña-Zyklus – in der Vergangenheit verändert hat“, sagte Broccoli. „Wir haben uns entschieden, uns stattdessen auf den Jahreszyklus der Meerestemperaturen in der östlichen pazifischen Kaltzunge zu konzentrieren. Unsere Studie ergab, dass der Zeitpunkt des Perihels – also der Punkt, an dem die Erde der Sonne am nächsten ist – einen wichtigen Einfluss auf das Klima hat im tropischen Pazifik.“

Im Jahr 2015 verwendeten Broccoli, Co-Direktor des Rutgers Climate Institute, zusammen mit seinem damaligen Doktoranden Michael Erb ein Computer-Klimamodell, um zu zeigen, dass die durch die elliptische Erdumlaufbahn verursachten Abstandsänderungen den Jahreszyklus der kalten Zunge dramatisch veränderten. Aber Klimamodellierer ignorierten das Ergebnis größtenteils, sagte Chiang.

„Unser Feld konzentriert sich auf El Niño, und wir dachten, dass der saisonale Zyklus gelöst sei. Aber dann stellten wir fest, dass das Ergebnis von Erb und Broccoli diese Annahme in Frage stellte“, sagte er.

Chiang und seine Kollegen, darunter Broccoli und Atwood, untersuchten ähnliche Simulationen mit vier verschiedenen Klimamodellen und bestätigten das Ergebnis. Aber das Team ging noch weiter, um zu zeigen, wie der Distanzeffekt funktioniert.

Die „Meeres“- und „Kontinental“-Hemisphären der Erde

Der Hauptunterschied besteht darin, dass Änderungen in der Entfernung der Sonne von der Erde die nördliche und die südliche Hemisphäre nicht unterschiedlich beeinflussen, was zu dem saisonalen Effekt aufgrund der axialen Neigung der Erde führt. Stattdessen erwärmen sie die östliche „kontinentale Hemisphäre“, die von den nord- und südamerikanischen sowie afrikanischen und eurasischen Landmassen dominiert wird, mehr als die westliche Hemisphäre – was er die Meereshemisphäre nennt, weil sie vom Pazifischen Ozean dominiert wird.

„Die traditionelle Denkweise über Monsun ist, dass sich die nördliche Hemisphäre relativ zur südlichen Hemisphäre erwärmt und Winde auf Land erzeugt, die Monsunregen bringen“, sagte Chiang. „Aber hier sprechen wir eigentlich von Ost-West-, nicht von Nord-Süd-Temperaturunterschieden, die die Winde verursachen. Der Entfernungseffekt wirkt durch denselben Mechanismus wie der saisonale Monsunregen, aber die Windänderungen kommen aus diesem Osten -Westmonsun.“

Die Winde, die durch diese unterschiedliche Erwärmung der marinen und kontinentalen Hemisphäre erzeugt werden, verändern die jährliche Schwankung der Ostpassate im westlichen Äquatorialpazifik und damit die kalte Zunge.

„Wenn die Erde der Sonne am nächsten ist, sind diese Winde stark. In der Nebensaison, wenn die Sonne am weitesten entfernt ist, werden diese Winde schwach“, sagte Chiang. „Diese Windänderungen werden dann durch die Thermokline in den Ostpazifik übertragen, und im Grunde treibt sie als Ergebnis einen jährlichen Zyklus der kalten Zunge an.“

Heute, sagte Chiang, ist der Distanzeffekt auf die kalte Zunge etwa ein Drittel der Stärke des Neigungseffekts, und sie verstärken sich gegenseitig, was zu einem starken Jahreszyklus der kalten Zunge führt. Vor etwa 6.000 Jahren hoben sie sich gegenseitig auf und ergaben einen gedämpften Jahreszyklus der kalten Zunge. In der Vergangenheit, als die Erdumlaufbahn elliptischer war, wäre der Abstandseffekt auf die kalte Zunge größer gewesen und hätte bei Phasenverschiebung zu einer vollständigeren Auslöschung führen können.

Obwohl Chiang und seine Kollegen die Auswirkungen einer solchen Absage nicht untersucht haben, hätte dies möglicherweise weltweite Auswirkungen auf die Wettermuster gehabt.

Chiang betonte, dass der Abstandseffekt auf das Klima, obwohl er in Klimamodellsimulationen klar ist, aus Beobachtungen nicht ersichtlich sei, da er nicht ohne weiteres vom Neigungseffekt zu unterscheiden sei.

„Diese Studie ist rein modellbasiert. Es handelt sich also um eine Vorhersage“, sagte er. „Aber dieses Verhalten wird von einer Reihe verschiedener Modelle reproduziert, mindestens vier. Und was wir in dieser Studie getan haben, ist zu erklären, warum dies passiert. Und dabei haben wir einen weiteren jährlichen Zyklus der kalten Zunge entdeckt, der davon angetrieben wird Exzentrizität der Erde.“

Atwood stellte fest, dass Änderungen an ENSO im Gegensatz zu den robusten Änderungen des saisonalen Zyklus der Kaltzunge tendenziell modellabhängig sind.

„Während ENSO eine Herausforderung für Klimamodelle bleibt, können wir über Klimamodellsimulationen hinaus auf die Paläoklimaaufzeichnung blicken, um den Zusammenhang zwischen Änderungen im Jahreszyklus der kalten Zunge und ENSO in der Vergangenheit zu untersuchen“, sagte sie. „Bisher wurden Paläoklimaaufzeichnungen aus dem tropischen Pazifik größtenteils im Hinblick auf vergangene Änderungen des ENSO interpretiert, aber unsere Studie unterstreicht die Notwendigkeit, Änderungen im Jahreszyklus der Kaltzunge von Änderungen des ENSO zu trennen.“

Neben Broccoli und Atwood sind Chiangs Kollegen Daniel Vimont von der University of Wisconsin in Madison; Paul Nicknish, ehemaliger Student der UC Berkeley, jetzt Doktorand am Massachusetts Institute of Technology; William Roberts von der Northumbria University in Newcastle-upon-Tyne im Vereinigten Königreich; und Clay Tabor von der University of Connecticut in Storrs. Chiang führte einen Teil der Forschung während eines Forschungssemesters am Forschungsinstitut für Umweltveränderungen der Academia Sinica in Taipei, Taiwan, durch.