Sechzehn Jahre nach dem mysteriösen „Treibhauseffekt“ stellen die Wissenschaftler eine Erklärung zusammen.
Das größte Mysterium der heutigen Klimaforschung könnte ohne irgendjemanden begonnen haben, mit einer subtilen Schwächung der tropischen Passatwinde, die Ende 1997 über den Pazifischen Ozean wehen. Diese Winde drücken normalerweise sonnengebackenes Wasser nach Indonesien. Als sie nachließen, strömte das warme Wasser zurück nach Südamerika, was zu einem spektakulären Beispiel eines Phänomens namens El Niño führte. Die globalen Durchschnittstemperaturen erreichten 1998 ein Rekordhoch – und dann kam die Erwärmung ins Stocken.
Seit einigen Jahren schreiben Wissenschaftler den Stall als Lärm im Klimasystem ab: die natürlichen Variationen in der Atmosphäre, den Ozeanen und der Biosphäre, die warme oder kalte Zauber rund um den Globus antreiben. Aber die Pause hat sich fortgesetzt und eine kleine Vertrauenskrise in diesem Bereich ausgelöst. Obwohl es Sprünge und Einbrüche gegeben hat, sind die durchschnittlichen atmosphärischen Temperaturen seit 1998 nur wenig gestiegen. Sie scheinen den Projektionen von Klimamodellen und den ständig steigenden Treibhausgasemissionen zu trotzen. Klimaskeptiker haben die Temperaturentwicklung als Beweis dafür gewertet, dass die globale Erwärmung zum Erliegen gekommen ist. Klimaforscher wissen inzwischen, dass sich irgendwo im Klimasystem noch Wärme aufbauen muss, aber sie haben sich bemüht, zu erklären, wohin es geht, wenn nicht in die Atmosphäre. Einige haben angefangen sich zu fragen, ob etwas an ihren Modellen nicht stimmt.
Jetzt, wo die Klimaerwärmung in ihr sechzehntes Jahr eintritt, machen die Wissenschaftler endlich Fortschritte bei der fehlenden Hitze. Einige haben auf die Sonne, Vulkane und sogar die Umweltverschmutzung aus China als potenzielle Täter hingewiesen, aber neuere Studien deuten darauf hin, dass die Ozeane der Schlüssel zur Erklärung der Anomalie sind. Der jüngste Verdächtige ist der El Niño von 1997-98, der ungeheure Mengen an Wärme aus den Ozeanen in die Atmosphäre pumpte – vielleicht genug, um den äquatorialen Pazifik in einen länger anhaltenden kalten Zustand zu stürzen, der die globalen Temperaturen seither unterdrückt hat.
„Das El Niño-Ereignis von 1997 bis 1998 war ein Auslöser für die Veränderungen im Pazifik, und ich denke, dass dies sehr wahrscheinlich der Beginn der Hiatus ist“, sagt Kevin Trenberth, ein Klimaforscher am National Center for Atmospheric Research (NCAR) Boulder, Colorado. Nach dieser Theorie sollte der tropische Pazifik in den kommenden Jahren aus seiner anhaltenden Kälteperiode ausbrechen. „Schließlich“, sagt Trenberth, „wird er in die andere Richtung zurückkehren.“
Starker Kontrast
Auf einem Diagramm der globalen atmosphärischen Temperaturen steht der Hiatus in starkem Gegensatz zur raschen Erwärmung der beiden vorangegangenen Jahrzehnte. Simulationen, die im Vorfeld der Bewertung 2013-2014 des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) durchgeführt wurden, legen nahe, dass die Erwärmung von 1998 bis 2012 durchschnittlich 0,21 ° C pro Jahrzehnt betragen hätte. Stattdessen die beobachtete Erwärmung in diesem Zeitraum Laut dem britischen Met Office in Exeter und der Climatic Research Unit an der Universität von East Anglia in Norwich, Großbritannien, betrug die Abweichung nur 0,04 ° C pro Dekade.
Die einfachste Erklärung sowohl für den Hiatus als auch für die Diskrepanz in den Modellen ist die natürliche Variabilität. Ähnlich wie die Schwankungen zwischen warm und kalt im täglichen Wetter können chaotische Klimaschwankungen die globalen Temperaturen von Jahr zu Jahr und von Jahrzehnt zu Jahrzehnt steigen oder senken. Aufzeichnungen des vergangenen Klimas zeigen einige lang anhaltende globale Hitzewellen und Kälteeinbrüche, und Klimamodelle deuten darauf hin, dass beides eintreten kann, wenn die Welt unter dem Einfluss von Treibhausgasen wärmt.
Aber keine der Klimasimulationen, die für den IPCC durchgeführt wurden, erzeugte zu dieser bestimmten Zeit diese besondere Lücke. Das hat Skeptiker – und einige Wissenschaftler – zu der kontroversen Schlussfolgerung geführt, dass die Modelle die Wirkung von Treibhausgasen möglicherweise überschätzen und dass die zukünftige Erwärmung möglicherweise nicht so stark ist, wie befürchtet wird. Andere sagen, dass diese Schlussfolgerung den langfristigen Temperaturtrends sowie den Paläoklima-Daten entgegensteht, die dazu verwendet werden, den Temperaturrekord weit in die Vergangenheit zu verlängern. Und viele Forscher warnen davor, Modelle auf der Grundlage eines relativ kurzfristigen Klimas zu bewerten. „Wenn Sie sich für den globalen Klimawandel interessieren, sollte Ihr Fokus auf Zeitrahmen von 50 bis 100 Jahren liegen“, sagt Susan Solomon, eine Klimawissenschaftlerin am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.
Aber selbst jene Wissenschaftler, die sich auf die zugrunde liegenden Modelle verlassen, erkennen an, dass der Druck wächst, herauszufinden, was gerade passiert. „Vor ein paar Jahren haben Sie die Pause gesehen, aber sie konnte entlassen werden, weil sie sich im Lärm befand“, sagt Gabriel Vecchi, Klimawissenschaftler am Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration in Princeton, New Jersey. „Jetzt ist es etwas zu erklären.“
Die Forscher haben in den letzten Jahren verschiedene Spuren verfolgt und sich dabei hauptsächlich auf drei Faktoren konzentriert: die Sonne1, atmosphärische Aerosolpartikel2 und die Ozeane3. Der Ausstoß von Energie von der Sonne tendiert dazu, in einem 11-jährigen Zyklus zu wachsen und zu schwinden, aber die Sonne ging um die Jahrtausendwende in eine längere Flaute. Der natürliche 11-Jahres-Zyklus nähert sich gerade seinem Höhepunkt, aber bisher war es das schwächste solare Maximum in einem Jahrhundert. Dies könnte helfen, sowohl den Hiatus als auch die Diskrepanz in den Modellsimulationen zu erklären, die eine höhere Solarleistung als die Erde seit 2000 beinhalten.
Ein unerwarteter Anstieg der Anzahl stratosphärischer Aerosolpartikel könnte ein weiterer Faktor sein, der die Erde kühler hält als vorhergesagt. Diese Teilchen reflektieren das Sonnenlicht zurück in den Weltraum und Wissenschaftler vermuten, dass kleine Vulkane – und vielleicht sogar die Industrialisierung in China – während der letzten 16 Jahre zusätzliche Aerosole in die Stratosphäre gepumpt haben könnten, was die globalen Temperaturen drückte.
Einige haben argumentiert, dass diese beiden Faktoren primäre Auslöser des Hiatus sein könnten, aber Studien, die in den letzten Jahren veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass ihre Auswirkungen wahrscheinlich relativ gering sind4, 5. Trenberth beispielsweise analysierte ihre Auswirkungen auf der Grundlage von Satellitenmessungen der Energie, die in den Planeten eintritt und ihn verlässt, und geschätzt, dass Aerosole und Sonnenaktivität nur 20% der Pause ausmachen. Das lässt den Großteil der Lücke in den Ozeanen, die als riesige Schwämme für Wärme dienen. Und hier fällt der Blick auf den äquatorialen Pazifik.
Weht heiß und kalt
Kurz vor dem Stillstand hatte sich diese Region während des El Niño von 1997-98 ungewöhnlich erwärmt, was extremes Wetter auf dem ganzen Planeten hervorrief, von Überschwemmungen in Chile und Kalifornien bis hin zu Dürren und Waldbränden in Mexiko und Indonesien. Aber es endete ebenso schnell wie es begonnen hatte, und gegen Ende 1998 waren kalte Wasser – ein Zeichen von El Niños Schwestereffekt, La Niña – mit einer Rache in den östlichen äquatorialen Pazifik zurückgekehrt. Noch wichtiger ist, dass der gesamte Ostpazifik in einen kühlen Zustand überging, der sich bis heute ungefähr fortsetzt.
Diese Veränderung der Ozeantemperatur, bekannt als Pacific Decadal Oscillation (PDO), kann ein entscheidendes Element des Hiatus-Puzzles sein. Der Zyklus kehrt sich alle 15 bis 30 Jahre um, und in seiner positiven Phase begünstigt die Schwingung El Niño, das dazu neigt, die Atmosphäre zu erwärmen (siehe „Der wankelmütige Ozean“). Nach einigen Jahrzehnten der Freisetzung von Wärme aus dem östlichen und zentralen Pazifik kühlt sich die Region ab und tritt in die negative Phase der gU ein. Dieser Zustand tendiert zu La Niña, das kühles Wasser aus den Tiefen entlang des Äquators bringt und dazu neigt, den Planeten zu kühlen. Die Forscher identifizierten das PDO-Muster im Jahr 1997, haben aber erst in jüngster Zeit zu verstehen begonnen, wie es zu breiteren Ozeanzirkulationsmustern passt und wie es helfen kann, den Hiatus zu erklären.
Ein wichtiges Ergebnis kam 2011, als ein Forscherteam um NCAR unter der Leitung von Gerald Meehl berichtete, dass die Einführung eines PDO-Musters in globale Klimamodelle zu Dekaden der globalen Erwärmung führt3. Meerestemperaturdaten aus der kürzlichen Pause zeigen warum: In einer späteren Studie zeigten die NCAR-Forscher, dass nach 1998 mehr Wärme in die Tiefsee gelangt ist, was dazu beigetragen hat, die Erwärmung der Atmosphäre zu verhindern6. In einer dritten Arbeit dokumentierte die Gruppe Computermodelle, um die Kehrseite des Prozesses zu dokumentieren: Wenn die PDO in ihre positive Phase schaltet, heizt sie den Ozean und die Atmosphäre der Oberfläche auf und trägt so dazu bei, dass Jahrzehnte schneller Erwärmung gedeihen7.
Ein wichtiger Durchbruch kam letztes Jahr von Shang-Ping Xie und Yu Kosaka an der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Kalifornien. Das Duo ging einen anderen Weg, indem es ein Modell mit tatsächlichen Meeresoberflächentemperaturen der letzten Jahrzehnte im östlichen äquatorialen Pazifik programmierte und dann sah, was mit dem Rest der Welt geschah8. Ihr Modell stellte nicht nur die globale Temperaturminimierung wieder her, sondern reproduzierte auch einige der saisonalen und regionalen Klimatrends, die den Stillstand markiert haben, einschließlich der Erwärmung in vielen Gebieten und kühleren Nordwinterperioden.
„Es war wirklich eine Offenbarung für mich, als ich diese Zeitung sah“, sagt John Fyfe, ein Klimamodellierer am kanadischen Zentrum für Klimamodellierung und -analyse in Victoria. Aber es hat nicht alles erklärt. „Was es hinterließ, war die Frage, was die tropische Kühlung antreibt.“
Hut wurde von Trenberth und John Fasullo, ebenfalls am NCAR, untersucht, die Wind- und Ozeandaten mitbrachten, um zu erklären, wie das Muster entsteht4. Ihre Studie dokumentiert, wie tropische Passatwinde im Zusammenhang mit La Niña-Bedingungen dazu beitragen, warmes Wasser westwärts und letztendlich tief in den Ozean zu treiben, während gleichzeitig das Aufsteigen von kühlem Wasser entlang der östlichen Äquatorialregion gefördert wird. In extremen Fällen, wie der La Niña von 1998, könnte dies den Ozean in eine kühlere Phase der gU bringen. Eine Analyse historischer Daten unterstützte diese Schlussfolgerungen und zeigte, dass die Abkühlungsphase der PDO mit einigen Jahrzehnten kühlerer Temperaturen nach dem Zweiten Weltkrieg zusammenfiel (siehe „Die globale Reichweite des Pazifiks“), und dass die warme Phase mit der scharfen zusammenhängt Anstieg der globalen Temperaturen zwischen 1976 und 1998 (Ref. 4).
„Ich glaube, die Beweise sind ziemlich klar“, sagt Mark Cane, Klimatologe an der Columbia University in New York. „Es geht nicht um Aerosole oder stratosphärischen Wasserdampf; Es geht darum, im östlichen äquatorialen Pazifik ein Jahrzehnt kühlerer Temperaturen zu haben. “
Hitzige Debatte
Cane war der erste, der die derzeitige Abkühlung im Pazifik vorhergesagt hat, obwohl die Implikationen zu dieser Zeit nicht klar waren. Im Jahr 2004 fanden er und seine Kollegen heraus, dass ein einfaches regionales Klimamodell eine warme Verschiebung im Pazifik vorhersagte, die um 1976 begann, als die globalen Temperaturen stark anstiegen9. Fast im Nachhinein schlossen sie ihre Arbeit mit einer einfachen Prognose ab: „Für das, was es wert ist, sagt das Modell voraus, dass der El Niño von 1998 die tropische Pazifik-Warmzeit nach 1976 beendete.“
Es ist ein unheimlich genaues Ergebnis, aber die Arbeit bleibt hart umkämpft, teilweise weil es auf einem partiellen Klimamodell basiert, das sich allein auf den äquatorialen Pazifik konzentriert. Cane behauptet weiter, dass der Trend im vergangenen Jahrhundert zu wärmeren Temperaturen im westlichen Pazifik im Vergleich zu denen im Osten gewesen ist. Das öffnet ihm die Tür zu der Möglichkeit, dass die Erwärmung durch Treibhausgase La Niña-ähnliche Bedingungen antreibt und dies auch in Zukunft tun könnte, um die globale Erwärmung zu unterdrücken. „Wenn all das stimmt, ist es ein negatives Feedback, und wenn wir es nicht in unseren Modellen erfassen, werden sie die Erwärmung überbewerten“, sagt er.
Es gibt zwei mögliche Löcher in seiner Einschätzung. Erstens sind die historischen Meerestemperaturdaten bekanntlich ungenau, was viele Forscher dazu bringt, Canes Behauptung zu bestreiten, dass sich der äquatoriale Pazifik im letzten Jahrhundert in Richtung eines La-Niña-ähnlichen Zustands verschoben hat10. Zweitens haben viele Forscher das umgekehrte Muster in Simulationen mit Vollklimamodellen gefunden, die das Spektrum atmosphärischer und ozeanischer Wechselwirkungen jenseits des äquatorialen Pazifiks berücksichtigen. Diese zeigen tendenziell einen Trend zu mehr El Niño-ähnlichen Bedingungen als Folge der globalen Erwärmung. Der Unterschied scheint zum Teil darin zu liegen, wie die Erwärmung die Verdunstung in Gebieten des Pazifiks beeinflusst, so Trenberth. Er sagt, dass die Modelle darauf hindeuten, dass die globale Erwärmung einen größeren Einfluss auf die Temperaturen im relativ kühlen Osten hat, da die zunehmende Verdunstung der Atmosphäre dort Wasserdampf hinzufügt und die Erwärmung der Atmosphäre fördert; Dieser Effekt ist im wärmeren westlichen Pazifik, wo die Luft bereits mit Feuchtigkeit gesättigt ist, schwächer.
Wissenschaftler könnten ihre Theorien bald genug testen. Gegenwärtig drängen starke tropische Passatwinde immer wärmeres Wasser nach Westen in Richtung Indonesien, was Stürme wie den Taifun Haiyan im November anheizt und den Meeresspiegel im westlichen Pazifik stößt; Sie sind jetzt etwa 20 Zentimeter höher als im östlichen Pazifik. Früher oder später wird sich der Trend zwangsläufig umkehren. „Im Westpazifik kann man nicht immer warmes Wasser auftürmen“, sagt Trenberth. „Irgendwann wird das Wasser so hoch werden, dass es einfach zurückschwimmt.“ Und wenn das der Fall ist, wenn die Wissenschaftler auf dem richtigen Weg sind, wird die fehlende Wärme wieder auftauchen und die Temperaturen werden wieder steigen.