Im Südpolarmeer mittlerer bis hoher Breite (30° S südlich) herrschen Westwinde vor, die stärksten mittleren Meeresoberflächenwinde auf der Erde, die in einem breiten zirkumpolaren Ring Meerwasser aus einer Tiefe von unter 2–3 km anheben. Dieses Zirkulationssystem übt einen großen Einfluss auf das Klima während der Treibhauserwärmung aus, da das aufsteigende Wasser das letzte Mal Hunderte von Jahren zuvor mit der Atmosphäre in Kontakt kam und, sobald es an die Oberfläche gelangt, große Mengen anthropogener Wärme und Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnimmt.
Basierend auf den neuesten Klimamodellen sind jedoch selbst bei demselben Emissionsszenario große Unterschiede zwischen den Modellen in der simulierten Wärmemenge, die vom Südpolarmeer absorbiert wird. „Die große Ausbreitung ist besorgniserregend und hat enorme Auswirkungen, unter anderem auf das Schmelzen des antarktischen Meereises, der Eisschilde und Eisschelfs (mittleres Bild unten), den Strahlungshaushalt des Klimasystems, die Niederschlagsverteilung auf der Hemisphäre und den globalen Anstieg des Meeresspiegels.“ sagt Dr. Cai, Erstautor der in veröffentlichten Studie Wissenschaftsbulletin
Dr. Cai und sein Team versuchten herauszufinden, was die großen Unterschiede zwischen den Modellen verursacht, indem sie aktuelle Fortschritte synthetisierten und die verfügbaren Ergebnisse der neuesten Modelle untersuchten, die an Phase 6 des Coupled Model Intercomparison Project teilnahmen. Das Team untersuchte eine große Menge an Literatur und führte eine umfassende Analyse der Daten von rund 30 teilnehmenden Modellen durch.
Das Team stellte fest, dass die große Streuung zwischen den Modellen nicht einfach auf Unterschiede in der Klimasensitivität zurückzuführen ist, die die Menge an Strahlungswärme misst, die erforderlich ist, um die Erdoberflächentemperatur um 1,0 °C zu erhöhen. Frühere Studien deuten darauf hin, dass die Speicherung der Wärme im Südpolarmeer hauptsächlich durch die mittlere Zirkulation erfolgt, die die Aufnahme zusätzlicher Wärme erleichtert, und dass Zirkulationsänderungen aufgrund der Treibhauserwärmung eine relativ geringe Rolle spielen.
Die neue Analyse zeigt stattdessen, dass Zirkulationsänderungen zu einem Großteil der Unterschiede zwischen den Modellen beitragen, die darüber hinaus auf die Klimasensitivität zurückzuführen sind. Beispielsweise verstärkt sich unter der Treibhauserwärmung der vorherrschende westliche Südpolarmeer in Richtung Antarktis, aber die Windveränderungen sind in den verschiedenen Modellen sehr unterschiedlich.
Die Windverstärkung führt zu Veränderungen in der Intensität und Verteilung des Auftriebs mit schwerwiegenden Folgen. Eine Zunahme des Auftriebs beschleunigt das Abschmelzen der antarktischen Eisschilde und Eisschelfs, und der damit verbundene Schmelzwasserfluss in den Ozean führt zu einer stärker geschichteten oberen Ozeanschicht, was wiederum die Wärme- und Kohlenstoffaufnahme durch den Südpolarmeer verlangsamt. „Es gibt viele solcher komplexen Wechselwirkungen, von denen einige nur unzureichend verstanden und nicht in Modellen dargestellt werden, was zu der großen Unsicherheit beiträgt“, sagt Cai.
Die Forscher fanden auch heraus, dass die Unsicherheit durch eine Reaktion eines entfernten Prozesses auf die Treibhauserwärmung entstehen kann, wie etwa El Niño, die folgenreichste Klimavariabilität des Erdklimas. Es ist bekannt, dass ein El Niño in den westlichen Pazifikländern Dürren und in den östlichen Pazifikregionen Überschwemmungen auslöst. Weniger bekannt ist, dass El Niño auch dazu führt, dass die vorherrschenden Westwinde in den hohen Breiten des Südlichen Ozeans geschwächt werden, was sich im Laufe einer Erwärmungsperiode auf die Erwärmung der Schelfmeere sowie auf das Schmelzen von Meereis, Eisschelfs und Eisschilden auswirkt.
Überraschenderweise beeinflussten inerte Modellunterschiede in der Reaktion von El Niño auf die Treibhauserwärmung systematisch die Unterschiede zwischen den Modellen bei der Erwärmung des Südlichen Ozeans. Aber die Veränderungen bei El Niño unter der Treibhauserwärmung selbst unterscheiden sich von Modell zu Modell erheblich. „Neue Perspektiven wie diese tragen zur wachsenden Erkenntnis bei, dass die Prognose der Erwärmung des Südlichen Ozeans eines der komplexesten Themen der Klimawissenschaft ist“, sagt Cai.
Die Studie legt nahe, dass die Wissenschaft der Erwärmung des Südlichen Ozeans die angemessene Darstellung der Wechselwirkungen von Eisschelfs und Eisschilden mit dem sich erwärmenden Ozean, Wechselwirkungen sich ändernder Zirkulationen mit Kohlenstoffkreisläufen, die die Zirkulationsänderungen überhaupt erst erzwingen, und polar-tropischer Wechselwirkungen umfasst, um nur einige zu nennen nur ein paar. Da jeder dieser Bereiche eine Herausforderung darstellt, wird die Unsicherheit wahrscheinlich noch einige Zeit anhalten. Die Identifizierung solcher Herausforderungen ist jedoch ein Anfang bei allen Bemühungen, die Wissenschaft voranzubringen.
Diese Studie wird von Dr. Wenju Cai (Umwelt, Commonwealth Scientific Industrial Research Organization, Australien) geleitet und umfasst Wissenschaftler aus China, Australien und den Vereinigten Staaten.
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Wenju Cai et al., Erwärmung des Südlichen Ozeans und ihre klimatischen Auswirkungen, Wissenschaftsbulletin (2023). DOI: 10.1016/j.scib.2023.03.049