Klimawandel

Angetrieben durch die hochstehende Sonne kommt es in den Tropen zu der sogenannten Hadley-Zirkulation, bei der am Äquator erwärmte Luftmassen aufsteigen, sich in der Höhe polwärts bewegen, über den Wendekreisen wieder absinken, zum Äquator zurückströmen, hier konvergieren und wieder aufsteigen. Aufgrund der unterschiedlichen Land-Meer-Verteilung auf der Nord- und der Südhalbkugel ist die Zirkulation nicht ganz symmetrisch, so dass die Konvergenz nicht genau am Äquator, sondern bei 8-10 ^oN liegt. Die durch die Erddrehung bedingte Corioliskraft lenkt die von den Wendekreisen zum Äquator strömende Luft nach Westen ab, woraus auf der Nordhalbkugel der Nordost-Passat und auf der Südhalbkugel der Südost-Passat entstehen.

Abb. 1: Die "normalen" Zirkulationsverhältnisse im äquatorialen Pazifik. Die Verteilung der Hoch- und Tiefdruckzellen treiben die Nordost- und Südost-Passate an, die wiederum kalte und warme Meeresströmungen erzeugen.²

Die Passate treiben wiederum Meeresoberflächenströmungen an, die durch weitere Ablenkung in Äquatornähe als Nord- und Süd-Äquatorialstrom in Ost-West-Richtung fließen. Vor der südamerikanischen Westküste entsteht der Süd-Äquatorialstrom aus dem Humboldtstrom, der aus höheren Breiten kaltes Wasser mitführt, zunächst küstenparallel strömt und dann unter dem Einfluss des Südost-Passats nach Westen abdriftet. Diese Westdrift bewirkt, dass vor der Küste Perus aus der Tiefe kaltes Auftriebswasser nachströmt, das aufgrund seines hohen Nährstoffgehalts für den Fischreichtum der peruanischen Küstengewässer verantwortlich ist.

Das nach Westen geschobene Oberflächenwasser erwärmt sich zunehmend, und die Luft darüber nimmt durch Verdunstung Feuchtigkeit auf. Dadurch entsteht zum einen ein Temperaturunterschied in der Wasseroberflächentemperatur von nahezu 10^o C ( bis zu 30^o C im westlichen Pazifik und nur 20^o C vor der peruanischen Küste). Zum anderen kommt es zu starken Niederschlägen über dem australisch-indonesischen Raum, da die warmen und feuchten Luftmassen über dem Westpazifik aufsteigen und sich abregnen. In der Höhe strömt diese Luft wieder nach Osten zurück, sinkt über dem Ostpazifik ab und fließt dann wieder nach Westen. Die über dem Ostpazifik absinkende Luft bewirkt hier ein sehr trockenes Klima bis hin zur Ausbildung von Wüsten im südamerikanischen Küstenstreifen. Diese quer zur Hadley-Zirkulation liegende atmosphärische Zirkulationszelle längs des Äquators wird als "Walker-Zelle" bezeichnet.

Der Wassertransport durch die Passate nach Westen staut das Oberflächenwasser am pazifischen Westrand auf, wodurch der Meeresspiegel hier einen halben Meter höher liegt als vor der südamerikanischen Ostküste. In der Tiefe kommt es zu einer Schrägstellung der Thermokline, der Grenzfläche zwischen warmem Oberflächenwasser und kaltem Tiefenwasser, die im Osten dicht unterhalb der Meeresoberfläche bei 30 m Tiefe liegt, im Westen dagegen bei 150 m Tiefe.

Abb. 2: Die Zirkulationsverhältnisse bei "normaler" und El-Niño-Wetterlage. Bei "normaler" Wetterlage liegt der aufsteigende Ast der Walker-Zelle über dem Westpazifik und sorgt hier für reichlich Niederschläge, bei El-Niño-Wetterlage liegt er über dem Ostpazifik.²

Während eines El-Niños ändern sich die Zirkulationsverhältnisse im äquatorialen Pazifik grundlegend. Der Luftdruckgegensatz zwischen dem Tief über Indonesien und dem Hoch im südöstlichen Pazifik schwächt sich ab bzw. kann sich sogar umkehren. Infolgedessen flauen die Passatwinde ab oder verschwinden völlig und werden durch Westwinde ersetzt. Die Abschwächung der Passatwinde setzt eine positive Rückkopplung in Gang. Durch den verringerten Windschub wird weniger Oberflächenwasser aus dem Ostpazifik nach Westen gedrückt und der Auftrieb des kalten, nährstoffreichen Wassers vor der peruanischen Küste reduziert. Die Folge ist eine Erwärmung der Kaltwasserzunge, die normalerweise von der südamerikanischen Westküste weit nach Westen reicht, um über 5^o C, wodurch der Temperaturgegensatz zwischen West- und Ostpazifik deutlich verringert wird und die Passate sich noch weiter abschwächen bzw. ganz aufhören zu wehen. Durch die Erwärmung hebt sich der Meeresspiegel im östlichen Pazifik um 20 cm an, und die Thermokline senkt sich um 50 m ab. Auf dem Höhepunkt der Entwicklung kommt es zu einer Umkehr der Walker-Zirkulation. Durch die Erwärmung der Meeresoberflächentemperatur über dem Ostpazifik steigt feuchte Luft auf und bewirkt hier und über der südamerikanischen Küstenregion starke Niederschläge. Über dem Westpazifik, Australien und Indonesien dagegen bilden sich absinkende Luftmassen, die zu starker Trockenheit und Dürren führen.

Nach einer Übergangsphase folgt auf ein El-Niño-Ereignis gewöhnlich eine La Niña. Dieses kalte Ereignis ist im wesentlichen durch eine Verstärkung des "normalen" Zustands charakterisiert. Der Luftdruckgegensatz und der Gradient der Meeresoberflächentemperatur zwischen Öst- und Westpazifik verstärken sich. Das treibt die Passatwinde an, wodurch wiederum eine positive Rückkopplung in Gang gesetzt wird, mit weiter absinkender Meeresoberflächentemperatur vor der Ostküste Südamerikas, noch stärkeren Passatwinden usw.

Die grundlegenden Vorgänge von El-Niño- und La-Niña-Ereignissen sind heute bekannt. Vor allem gilt als gesichert, dass der zugrundeliegende Mechanismus durch Wechselwirkungen im tropischen Ozean-Atmosphäre-System bestimmt wird. Noch nicht endgültig geklärt sind allerdings die Ursachen dieser Wechselwirkungen, vor allem nicht der Phasenumschwung zu einem neuen El-Niño-Ereignis. Während über frühere große El-Niño-Ereignisse nur ungenügende Beobachtungsdaten vorliegen, die letztlich auch für die Validierung von Modellrechnungen, die ansonsten einen bedeutenden Beitrag für die Erforschung von El-Niño geleistet haben, entscheidend sind, ließ sich der "Jahrhundert"-El-Niño von 1997/98 zum ersten Mal mit einem weitgespannten Beobachtungsnetz erfassen. Aus diesen Beobachtungen ließen sich weitere wichtige Erkenntnisse ableiten.

Anmerkungen:
1. Norbert Noreiks, Max-Planck-Institut für Meteorologie Hamburg
2. Eigene Darstellung