Seeleute, die auf der ganzen Welt unterwegs waren, wussten seit Jahrhunderten, wo die furchterregendsten Stürme lauern: die südliche Hemisphäre. „Die Wellen liefen berghoch und drohten zu überwältigen [the ship] bei jeder Rolle“, schrieb ein Passagier auf einer Reise im Jahr 1849, die die Spitze Südamerikas umrundete.
Viele Jahre später konnten Wissenschaftler, die über Satellitendaten brüteten, endlich Zahlen hinter die Intuition von Seeleuten bringen: Die südliche Hemisphäre ist tatsächlich stürmischer als die nördliche, tatsächlich um etwa 24 %. Aber niemand wusste warum.
Eine neue Studie unter der Leitung der Klimawissenschaftlerin Tiffany Shaw von der University of Chicago liefert die erste konkrete Erklärung für dieses Phänomen. Shaw und ihre Kollegen fanden zwei Hauptschuldige: die Ozeanzirkulation und die großen Bergketten in der nördlichen Hemisphäre.
Die Studie fand auch heraus, dass diese Sturmasymmetrie seit Beginn der Satellitenära in den 1980er Jahren zugenommen hat. Sie fanden heraus, dass der Anstieg qualitativ mit den Prognosen zum Klimawandel aus physikbasierten Modellen übereinstimmte.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Eine Geschichte zweier Hemisphären“
Lange Zeit wussten wir nicht viel über das Wetter in der südlichen Hemisphäre: Die meisten Arten, wie wir das Wetter beobachten, sind landbasiert, und die südliche Hemisphäre hat viel mehr Ozean als die nördliche Hemisphäre.
Aber mit dem Aufkommen der satellitengestützten globalen Beobachtung in den 1980er Jahren konnten wir quantifizieren, wie extrem der Unterschied war. Die Südhalbkugel hat einen stärkeren Jetstream und intensivere Wetterereignisse.
Ideen waren in Umlauf gebracht worden, aber niemand hatte eine endgültige Erklärung für diese Asymmetrie gefunden. Shaw hatte – zusammen mit Osamu Miyawaki (jetzt am National Center for Atmospheric Research) und Aaron Donohoe von der University of Washington – Hypothesen aus ihren eigenen und anderen früheren Studien, aber sie wollten den nächsten Schritt machen. Dies bedeutete, mehrere Beweislinien aus Beobachtungen, Theorien und physikbasierten Simulationen des Erdklimas zusammenzuführen.
„Man kann die Erde nicht in ein Glas stecken“, erklärte Shaw, „also verwenden wir stattdessen Klimamodelle, die auf den Gesetzen der Physik basieren, und führen Experimente durch, um unsere Hypothesen zu testen.“
Sie verwendeten ein numerisches Modell des Erdklimas, das auf den Gesetzen der Physik aufbaute und die Beobachtungen reproduzierte. Dann entfernten sie nacheinander verschiedene Variablen und quantifizierten den Einfluss jeder einzelnen auf die Stürme.
Die erste Variable, die sie testeten, war die Topographie. Große Bergketten stören den Luftstrom auf eine Weise, die Stürme reduziert, und es gibt mehr Bergketten auf der Nordhalbkugel.
Als die Wissenschaftler jeden Berg auf der Erde dem Erdboden gleichmachten, verschwand etwa die Hälfte des Unterschieds in der Stürmigkeit zwischen den beiden Hemisphären.
Die andere Hälfte hatte mit der Ozeanzirkulation zu tun. Wasser bewegt sich rund um den Globus wie ein sehr langsames, aber leistungsstarkes Förderband: Es sinkt in der Arktis, wandert am Grund des Ozeans entlang, steigt in der Nähe der Antarktis auf und fließt dann nahe der Oberfläche nach oben, wobei es Energie mit sich führt. Dadurch entsteht ein Energieunterschied zwischen den beiden Hemisphären. Als die Wissenschaftler versuchten, dieses Förderband zu eliminieren, sahen sie, wie die andere Hälfte des Unterschieds in der Stürmigkeit verschwand.
Wird noch stürmischer
Nach der Beantwortung der grundlegenden Frage, warum die südliche Hemisphäre stürmischer ist, untersuchten die Forscher, wie sich die Stürme verändert haben, seit wir sie verfolgen konnten.
Beim Blick auf die Beobachtungen der letzten Jahrzehnte stellten sie fest, dass die Sturmasymmetrie im Laufe der Satellitenära ab den 1980er Jahren zugenommen hat. Das heißt, die Südhalbkugel wird noch stürmischer, während die Veränderung im Durchschnitt auf der Nordhalbkugel vernachlässigbar war.
Die Stürme der südlichen Hemisphäre waren mit Veränderungen im Ozean verbunden. Sie fanden heraus, dass ein ähnlicher Ozeaneinfluss auf der Nordhalbkugel auftritt, aber seine Wirkung wird durch die Absorption von Sonnenlicht auf der Nordhalbkugel aufgrund des Verlusts von Meereis und Schnee aufgehoben.
Die Wissenschaftler überprüften und stellten fest, dass Modelle, die zur Vorhersage des Klimawandels im Rahmen des Bewertungsberichts des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen verwendet wurden, dieselben Signale zeigten – zunehmende Stürme auf der Südhalbkugel und vernachlässigbare Veränderungen auf der Nordhalbkugel – was als wichtige unabhängige Überprüfung dient die Genauigkeit dieser Modelle.
Es mag überraschen, dass eine so täuschend einfache Frage – warum eine Hemisphäre stürmischer ist als eine andere – so lange unbeantwortet blieb, aber Shaw erklärte, dass das Gebiet der Wetter- und Klimaphysik im Vergleich zu vielen anderen Bereichen relativ jung ist.
Erst nach dem Zweiten Weltkrieg begannen Wissenschaftler mit dem Bau von Modellen der Physik, die Wetter und Klima im großen Maßstab antreibt (zu denen Prof. Carl-Gustaf Rossby an der University of Chicago maßgebliche Beiträge leistete).
Ein tiefes Verständnis der physikalischen Mechanismen hinter dem Klima und seiner Reaktion auf vom Menschen verursachte Veränderungen, wie sie in dieser Studie dargelegt werden, ist jedoch entscheidend für die Vorhersage und das Verständnis dessen, was passieren wird, wenn sich der Klimawandel beschleunigt.
„Indem wir diese Grundlage des Verständnisses legen, stärken wir das Vertrauen in Prognosen zum Klimawandel und helfen dadurch der Gesellschaft, sich besser auf die Auswirkungen des Klimawandels vorzubereiten“, sagte Shaw. „Einer der Hauptaspekte meiner Forschung ist es zu verstehen, ob Modelle uns jetzt gute Informationen liefern, damit wir darauf vertrauen können, was sie über die Zukunft sagen. Es steht viel auf dem Spiel und es ist wichtig, die richtige Antwort aus dem richtigen Grund zu erhalten.“
Mehr Informationen:
Tiffany A. Shaw, Stormier Southern Hemisphere induziert durch Topographie und Ozeanzirkulation, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2123512119. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2123512119