Southern Oscillation, positive Rückkopplungen und der Wasserstau im Westpazifik

Um El Niño zu verstehen,  muss man die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean betrachten. Eine frühe Erklärung sieht den Passat-Wind als primären Antrieb und den sich daraus ergebenden Wasserstau im Westpazifik als verantwortlich für den Wechsel von den "normalen" Verhältnissen in eine El-Niño-Phase.

Southern Oscillation, positive Rückkopplungen und der Wasserstau im Westpazifik

Von der Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre, die für die Entstehung von El-Niño-Ereignissen verantwortlich ist, wurde zuerst die atmosphärische Komponente meteorologisch erforscht. Bereits in den 1920er Jahren beschrieb der britische Meteorologe Sir Gilbert Walker die Southern Oscillation, eine Art Luftdruckschaukel zwischen dem Rossbreiten-Hoch über dem Südostpazifik und dem Tief über Indonesien, unter deren Einfluss die Passate stehen. Entscheidend ist dabei der Druckunterschied zwischen dem Hochdruckgebiet im südöstlichen Pazifik (als Messwert wird der Bodendruck von Tahiti genommen) und dem asiatisch-australischen Tiefdrucksystem (Messwert von Djakarta, Indonesien). Dieser Druckunterschied unterliegt charakteristischen Schwankungen, die als Southern Oscillation bezeichnet werden. Abb. 1 zeigt die Korrelation der globalen Luftdruckverhältnisse mit dem Luftdruck über Djakarta. Die positiven Werte zeigen die Intensität der gleichsinnigen Korrelation an (Djakarta=1), die negativen Werte die einer gegenläufigen Korrelation. D.h. bei einem steigenden Luftdruck in dem Tiefdruckgebiet über Indonesien fällt der Luftdruck in dem südostpazifischen Hochdruckgebiet und die Differenz zwischen beiden Drucksystemen verringert sich; im umgekehrten Fall nimmt der Druckunterschied zu. Den Druckunterschied zwischen Tahiti und Djakarta bezeichnet man als Southern Oscillation Index (SOI). Der SOI weist zum El Niño eine negative Korrelation auf, d.h. dass in El-Niño-Phasen der SOI eine negative Abweichung vom Mittelwert zeigt, also gering ist, und in La-Niña-Phasen eine positive Abweichung. Abb.5 zeigt das sehr auffällig an dem El Niño von 1982/83. Da der El Niño eng mit der Southern Oscillation verknüpft ist, spricht man auch vom El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Phänomen.

Luftdruckkorrelation der Southern Oscillation.
Abb. 1:
Luftdruckkorrelation der Southern Oscillation. Dargestellt ist die Korrelation der jährlichen Oberflächendruckanomalien mit denen in Djakarta (Indonesien). Rote Linien deuten positive, blaue Linien negative Korrelationen an. "1" bedeutet vollständige positive Korrelation, "-1" vollständige negative Korrelation.1

Dass es zwischen dieser Luftdruckschaukel und dem Ozean eine Verbindung gab, war Walker allerdings noch unbekannt. Diese Verbindung wurde erst in den 1960er und 1970er Jahren von dem norwegischen Meteorologen Jacob Bjerknes entdeckt. Bjerknes erkannte erstens neben der Hadley-Zirkulation der Passate eine atmosphärische Ost-West-Zirkulation, der er den Namen Walker-Zirkulation gab, und war zweitens der erste, der die Kopplung zwischen Veränderungen im Ozean und der atmosphärischen Zirkulation erkannte. In dem Konzept von Bjerknes verstärken sich kalte und warme Phasen, La Niñas und El Niños, durch eine positive Rückkopplung: Eine Abkühlung der Meeresoberflächentemperatur im Ostpazifik verstärkt die Walkerzirkulation, die den Auftrieb antreibt, wodurch die Meeresoberflächentemperatur sich weiter abkühlt. Eine ostpazifische Erwärmung schwächt die Walkerzirkulation und unterdrückt den Auftrieb, wodurch die Ostwinde weiter geschwächt werden usw. D.h. eine großes Temperaturgefälle zwischen West- und Ostpazifik verstärkt die Passate, die wiederum das Temperaturgefälle verstärken, und umgekehrt. Dieser positive Feedback-Mechanismus erklärte wesentliche Vorgänge des ENSO-Phänomens. Es blieb allerdings unklar, wodurch die eine Phase in die andere übergehen konnte. Was stoppt z.B. die sich durch positive Rückkopplung ständig steigernde Erwärmung während eines El Niños? Warum dauert ein El Niño typischerweise nur 12-18 Monate? Und warum endet ein El Niño-Ereignis dann plötzlich und wird von einem kalten Ereignis, einer La Niña, abgelöst?

Den Übergangsmechanismus von einer ENSO-Phase in die nächste versucht das Erklärungsmodell des deutschen Ozeanographen Wyrtki verständlich zu machen. Hiernach sind Aufbau und Abbau von warmen Wassermassen am Westrand des Pazifik die entscheidenden Antriebskräfte. Bei starken Passaten transportiert der Windschub mit dem Nord- und Südäquatorialstrom warmes Oberflächenwasser an den Westrand des Pazifiks, wo infolgedessen der Meeresspiegel bis zu 50 cm über dem des Ostpazifik liegt. Wenn sich hier eine kritische Menge von Warmwasser angesammelt hat, kann eine leichte Abschwächung der Passate das warme Wasser zum Abfluss nach Osten veranlassen und zur weiteren Schwächung der Passatwinde führen. Hat das warme Oberflächenwasser den südamerikanischen Kontinent erreicht, weicht es vor der Küste nach Norden und Süden aus, wodurch dem tropischen Ozean große Wärmemengen verloren gehen. Eine Abkühlung des äquatorialen Oberflächenwassers im Ostpazifik, und das heißt eine La Niña, ist nach dem Versiegen des Zuflusses von Warmwasser von Westen her die Folge. Über dem kalten Wasser kühlt sich auch die Luft ab, wodurch die Passate wiederbelebt werden. Erst ein erneuter Stau von Warmwasser am Westrand des Pazifik durch die wieder stärkeren Passatwinde schafft die Voraussetzung für ein erneutes Warm-Ereignis, den nächsten El Niño.

Anmerkungen:
1. Eigene Darstellung nach Berlage, H. P., 1957: Fluctuations in the general atmospheric circulation of more than one year, their nature and their prognostic value. K. Ned. Meteor. Inst. Meded. Verh., 69

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