Umweltphysiker diskutiert über Hitzewellen im Meer

Eine außergewöhnliche Hitzewelle erfasst die Weltmeere mit einer Intensität, die Klimaforscher überrascht. Der Umweltphysiker Nicolas Gruber liefert den Kontext.

Rekordtemperaturen im Mittelmeer. Riesige Hitzewelle im Nordatlantik. Die Temperatur der Ozeane ist auf einem Allzeithoch. Die Fieberkarte des Ozeans wird seit Frühsommer in den Medien behandelt. Obwohl dies wahrscheinlich das erste Mal war, dass viele Menschen in der Schweiz von Hitzewellen im Meer hörten, waren diese Berichte für mich keine Überraschung.

Als Klimawissenschaftler verstehen wir sehr gut, wie die vom Menschen verursachte globale Erwärmung auch die Meerestemperaturen in die Höhe treibt. Der Ozean ist der primäre Wärmepuffer im Klimasystem der Erde und absorbiert mehr als 90 % der zusätzlichen Wärme, die durch Treibhausgase wie CO2 entsteht.

Daher ist es an sich nicht verwunderlich, dass Hitzewellen im Meer häufiger und intensiver werden. Aber ich muss zugeben, dass ich nicht auf das vorbereitet war, was derzeit in den Ozeanen passiert: Die Intensität und das Ausmaß der Hitzewellen sind enorm, und die Geschwindigkeit der Erwärmung erfüllt mich mit Sorge.

Auf unbekanntem Terrain

In den letzten Wochen erreichte die globale Durchschnittstemperatur der Meeresoberfläche 21,1° Celsius – den höchsten jemals gemessenen Wert. Das sind 0,3° wärmer als die bisherige Rekordtemperatur zu dieser Jahreszeit. Seit dem Frühjahr liegt die Temperaturkurve für 2023 etwa 1° über dem Durchschnitt der Jahre 1982–2011.

Zweifellos sind die aktuellen Meeresoberflächentemperaturen außergewöhnlich. Der Ozean bewegt sich auf unbekanntem Terrain – und die Klimawissenschaft hat Mühe, diese Bewegungen vorherzusehen.

Wir verstehen die Faktoren, die dazu geführt haben, dass die Meerestemperaturen diese neuen Höchstwerte erreicht haben, noch nicht vollständig. Sicherlich ist das sich abzeichnende El-Niño-Ereignis ein wichtiger Treiber. Aus früheren Erfahrungen wissen wir, dass ein El Niño die globale durchschnittliche Meeresoberflächentemperatur um etwa 0,1 bis 0,2° Celsius erhöht. Allerdings tritt dieser Effekt tendenziell später im Jahr auf, wenn El Niño um den Jahreswechsel herum seinen Höhepunkt erreicht.

Darüber hinaus beobachten wir derzeit zwei große Hitzewellen im Nordpazifik und im Nordatlantik, die zu Beginn des Jahres begonnen haben und sich in den letzten Monaten verstärkt und ausgeweitet haben. Diese Kombination aus El Niño und außertropischen Hitzewellen treibt die globalen Meerestemperaturen enorm in die Höhe, zumal es derzeit in kaum einer Meeresregion deutlich kühler als normal ist.

Ein perfekter Sturm

Die Frage ist, ob diese Kombination von Faktoren zufällig aufgetreten ist – oder gibt es etwas, das sie antreibt? Meiner Einschätzung nach ist vieles davon tatsächlich Zufall. El Niño hat möglicherweise die Hitzewelle im Nordpazifik verstärkt, ähnlich wie es während der riesigen Hitzewelle im Nordpazifik, bekannt als „The Blob“, von 2013 bis 2015 geschah. Es gibt jedoch keine Beweise dafür, dass El Niño mit der Hitzewelle im Nordatlantik in Verbindung gebracht wird.

Ich behaupte daher, dass wir es mit einem perfekten Sturm zu tun haben – einer außergewöhnlichen Situation, in der verschiedene Faktoren so zusammenkommen, dass sie sich gegenseitig verstärken. Es ist jedoch auch wichtig zu beachten, dass dieser perfekte Sturm ohne die vom Menschen verursachte globale Erwärmung niemals so hohe Temperaturen hätte erzeugen können.

Stabile Hochdruckbedingungen begünstigen Hitzewellen

Während also der Zeitpunkt einer Meereshitzewelle weitgehend zufällig ist, gibt es Bedingungen, die ihre Entstehung begünstigen. Dazu gehören stabile Hochdruckgebiete – ausgedehnte Gebiete mit gutem Wetter, die über lange Zeiträume anhalten und so Hitzewellen begünstigen können, sowohl an Land als auch auf See.

Dabei spielen die atmosphärische und ozeanische Zirkulation außerhalb der Tropen eine wichtige Rolle. Mit „Zirkulation“ sind großräumige Strömungen gemeint, etwa der Jetstream in der Atmosphäre oder die meridionale Umwälzzirkulation im Nordatlantik.

In einer idealen Welt könnten wir zukünftige Zirkulationsmuster modellieren, um frühzeitig günstige Bedingungen für Hitzewellen zu erkennen. Leider können die Zirkulationsmuster, die stabilen Hochdrucksystemen zugrunde liegen, nicht viel länger als ein paar Tage oder höchstens ein paar Wochen vorhergesagt werden.

Dies ist vor allem auf kleinräumige Turbulenzen zurückzuführen, die dazu führen, dass zwei mögliche Wetterentwicklungen mit nur geringen Unterschieden in den Anfangs- oder Randbedingungen schnell weit auseinanderdriften können; Das Phänomen wird oft als Schmetterlingseffekt bezeichnet.

Wenn wir also einzelne Ereignisse nicht bestimmen können, sollten wir zumindest vorhersagen können, ob ein wärmeres Klima dazu führt, dass solche stabilen Zirkulationsmuster häufiger und über längere Zeiträume auftreten – mit anderen Worten, ob Bedingungen, die Hitzewellen begünstigen könnten, dies tun häufiger werden. Aber darin liegt der Haken.

Unscharfe Durchblutung

In dieser Frage herrscht unter Klimaforschern wenig Konsens, ebenso wenig können wir vorhersagen, ob El Niño in Zukunft häufiger oder seltener auftreten wird. Wir sind uns auch nicht wirklich einig darüber, ob sich die meridionale Umwälzzirkulation im Nordatlantik stark abschwächen wird oder nicht. Oder ob sich der Jetstream in der Atmosphäre verändert. Dies sind alles relevante Fragen, die einen starken Einfluss darauf haben, wie sich der Klimawandel genau auf verschiedene Regionen der Welt auswirken wird.

Allen diesen Fragen liegt eine gemeinsame Herausforderung zugrunde: Sowohl die atmosphärische als auch die ozeanische Zirkulation werden nicht nur durch großräumige Prozesse bestimmt, sondern auch durch kleinräumige Prozesse erheblich verändert. Dabei handelt es sich um Wetterprozesse wie Konvektion, Wolkenbildung, Gewitter oder Stürme – Prozesse, die auf Skalen von einem bis mehreren Kilometern ablaufen. Mit anderen Worten: Zirkulation ist ein Phänomen, das durch Wechselwirkungen zwischen allen räumlichen Skalen bestimmt wird.

Doch genau diese Skalenwechselwirkungen simulieren die Klimamodelle, die wir heute üblicherweise verwenden, nicht. Dies liegt vor allem daran, dass die Auflösung der Modelle zu gering ist.

Bei heutigen Gitterabständen von etwa hundert Kilometern sind die Modelle nicht fein genug, um viele elementare Wetterprozesse in der Atmosphäre oder im Ozean korrekt abzubilden. Und doch sind es genau solche kleinräumigen Wetterprozesse, die großräumige Wettersituationen stark beeinflussen (und umgekehrt). Derzeit müssen wir sie in der Regel schätzen oder mit stark vereinfachten Methoden modellieren, was zu erheblichen Unsicherheiten führt.

Die Herausforderung für Klima- und Wetterforscher besteht also weiterhin darin, ihre Modelle weiterzuentwickeln, insbesondere im Hinblick auf die Auflösung und Genauigkeit, mit der wir Änderungen in der Zirkulation und damit Änderungen im Wettergeschehen abbilden können. Daran arbeiten wir an der ETH Zürich gemeinsam mit MeteoSchweiz im Projekt EXCLAIM und auf internationaler Ebene mit EVE.

Wir erwarten, dass dies zu einem detaillierteren Verständnis der Zirkulation und letztendlich zu mehr Konsens über die großen Fragen der Klimaforschung führt. Und vor allem müssen wir die Genauigkeit lokaler und regionaler Bewertungen des Klimawandels erhöhen, damit wir herausfinden können, wie wir uns am besten anpassen können.

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