Betrachtet man allerdings die globalen Temperaturen während des letzten Winters (auf der Nordhalbkugel), so ergibt sich ein überraschendes Bild.

Auf der Internetseite des Goddard Institute for Space Studies der NASA kann der Besucher ganz leicht aus den dort vorliegenden GISS-Daten eine Karte der globalen Temperaturanomalien oder -trends selbst erstellen. Dabei kann er zu vergleichende Zeiträume und die Auflösung der Karte frei wählen.

Vergleicht man die Wintermonate Dezember, Januar und Februar 2009/2010 mit der klimatischen Referenzperiode 1961-1990, so fällt sofort auf, daß es in den meisten Regionen positive Temperaturanomalien gab, und das trotz der schwachen Sonne! Es gibt allerdings auffällige Kälteinseln in Nordamerika, Asien und Westeuropa, genau dort wo es den langanhaltenden, kalten und schneereichen Winter tatsächlich gab.

Bei einem Vergleich mit der Karte der Temperaturanomalien für den ausgesprochen milden Winter 2007/2008 sieht man dann auch deutliche Unterschiede:

In Westeuropa, Asien, Afrika und dem Pazifik sind die Temperaturanomalien  beinahe spiegelverkehrt zum letzten Winter.

Ein ähnliches Bild erhält man auch dann, wenn über einen längeren Zeitrum von 1991-2008 gemittelt wird. Der milde Winter 2007/2008 war also kein positiver Ausreisser:

Global gesehen, war es während der Wintermonate 2009/2010 also schon bemerkenswert kühl, wenn man die Winter der Jahre davor als Vergleich heranzieht. Trotzdem war es aber eben doch noch überdurchschnittlich warm. Die schwache Sonne hat das nicht verhindern können!

ENSO

Einen interessanten Erklärungsansatz für den kalten Winter ergaben die Untersuchungen von Prof. Brönnimann (ETH Zürich) über die meteorologischen Fernwirkungen von El Nino und la Nina (El Nino Southern Oscillation ENSO), einer Druckschaukel über dem tropischen Pazifik auf den europäischen Raum. Dabei befasste er sich u.a. mit einer spektakulären Folge von Extremwintern in den Jahren 1940-1942. Diese Kältewinter hatten bekanntlich historische Auswirkungen, denn sie trugen entscheidend zum Scheitern des Rußlandfeldzuges der deutschen Wehrmacht im 2.Weltkrieg bei. So brachte der extreme Kälteeinbruch im Winter 1941/42 die deutsche Offensive erstmals kurz vor Moskau zum Stillstand. Die unzureichend ausgerüsteten Wehrmachtssoldaten erfroren zu Zehntausenden.

El Nino Southern Oscillation (ENSO)

La Nina-Phase: Sehr starke Passatwinde treiben das warme pazifische Oberflächenwasser westwärts, wodurch an den Westküsten Nord- und Südamerikas kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser hervorquillt und der Pazifik in weiten Bereichen kühler wird.

El Nino-Phase: Sinkt der Druckgradient zwischen Subtropenhochs und dem äquatorialen Wärmetief der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im Westpazifik, so werden die Passate schwächer. Dann strömt das im Westpazifik aufgestaute warme Oberflächenwasser nach Osten zurück, wodurch die Wasseroberfläche des Pazifik grossflächig wärmer wird (El Nino). Quelle: http://www.soest.hawaii.edu/MET/Enso/

Brönnimann fand eine sehr plausible Erklärung für diese außergewöhnlich kalten Winter über einen Zusammenhang zwischen ENSO (El Nino Southern Oscillation) und NAO (North Atlantic Oscillation); vgl. Nature 431, 21.Oktober 2004.

Ein ausgeprägtes El Nino Ereignis mit deutlich erhöhten Wassertemperaturen im äquatorialen Pazifik sorgte über eine gesteigerte Wasserverdunstung (vermehrte Zufuhr latenter Wärme) für eine Intensivierung der konvektive Prozesse der tropischen Hadley-Zirkulation.

Die latente Wärme wird bei der Wolkenbildung als Kondensationswärme freigesetzt und durch die intensivierte Hadley-Zirkulation in der oberen Troposphäre vermehrt polwärts transportiert. Ein erhöhter meridionaler Wärmetransport bewirkt eine deutlich äquatornähere Frontalzone (Polarfront) mit einem ebenfalls deutlich stärkeren Temperatur- und Druckgradienten. Das bedeutet einen verstärkten Antrieb für den Jetstream, aus dessen turbulenter Strömung die außertropischen Tiefdruckwirbel hervorgehen. Es bildet sich ein deutlich ausgeprägteres Aleutentief, welches wiederum vermehrt feuchtwarme Meeresluft in das nordwestliche und arktische Amerika befördert. Das schwächt den ansonsten im Winter starken Temperaturgegensatz zwischen Festland (Nordamerika, Kanada) und nordwestlichem Atlantik deutlich ab. Das Aufeinandertreffen von kontinentaler Kaltluft und der vom Golfstrom angewärmten Meeresluft ist aber für den Aufbau der nordatlantischen Frontalzone (Polarfront) ganz entscheidend, so daß sich über dem Nordatlantik weniger und schwächere Tiefdruckwirbel bilden, wovon auch das Island-Tief betroffen ist.

Die Nordatlantische Oszillation (NAO), eine Druckschaukel über dem Nordatlantik, kippt in den negativen Modus, was gleichbedeutend ist mit einer ausgeprägt meridionalen Zirkulation. Blockierende Hochdruckgebiete über Europa zwingen die nordatlantischen Tiefdruckwirbel auf deutlich südlichere Zugbahnen. Sie erreichen nun den Mittelmeerraum oder sogar Nordafrika. In den ausgedehnten nahezu wolkenfreien Hochdruckzonen kühlt die Luft immer weiter ab. Das meridionale Zirkulationsmuster begünstigt Vorstösse polarer Kaltluft aus nördlichen und östlichen Richtungen bis weit in den Süden. Im Gegenzug gelangt aber auch (sub)tropische Warmluft hoch in den Norden. Aus diesem Grund wechseln kalte und warme Zonen entlang verlief der in Westeuropa so kalte Winter 2009/10 in Grönland ausgesprochen milde.

Die ausgeprägt meridionale Zirkulation betrifft aber nicht nur den troposphärischen Jetstream, sondern beeinflusst auch den darüber befindlichen stratosphärischen Jetstream. Infolgedessen schwächt sich der Polarwirbel deutlich, was wiederum die meridionale Zirkulation (negativer Modus der Nordatlantischen Oszillation NAO – ) verstärkt und verstetigt („Gedächtnis der Stratosphäre“). Deshalb ist der Winter nicht nur kalt sondern auch langandauernd.

Schauen wir nun noch auf die Karte der Temperaturanomalien für die Winter 1940-1942:
<Photo 4>

und vergleichen noch einmal mit dem letzten Winter 2009/2010…
<Photo 1>

Beide Muster ähnelt einander schon bemerkenswert, vor allem wenn man bedenkt, daß die Atmosphäre ihr Wetter ein ausgesprochen chaotisches System darstellen.
Sowohl in den Wintern 1940-1942 als auch im Winter 2009/2010 gibt es deutliche „Kälteinseln“ über Europa und Asien, deren Fläche allerdings 1940-1942 noch größer war. So gehörte damals das gesamte komplette China und Japan dazu und auch Osteuropa, wo es dagegen im letzten Winter überdurchschnittlich warm war.

In beiden Fällen gab es ein  womöglich auslösendes El Nino – Ereignis.

Bleibt noch die Frage, warum nicht bei jedem El Nino ein kalter Winter mit negativem NAO-Index folgte.
Brönnimann erklärt diese Fälle vorangehenden Vulkanausbrüchen, deren Auswirkungen den Effekt von EL Nino auf NAO maskierten:
Bei Vulkanausbrüchen gelangen winzige Ascheteilchen bis in die Stratosphäre, wo sie das Sonnenlicht absorbieren. Dadurch erwärmt sich die sonnenbeschienene Stratosphäre, wodurch im Winter der stratosphärische Temperaturgradient zwischen Pol (Polarnacht!) und mittleren Breiten zunimmt. Das verstärkt den stratosphärischen Jet und den Polarwirbel, welche wiederum verstärkend auf den troposphärischen Jetstream wirken. Die Folge ist eine eher zonale Zirkulation, also ein positiver NAO-Index und damit ein milder Winter, vor allem in Europa.

<b>Fazit: Es spricht sehr viel dafür, daß der langanhaltend kalte Winter 2009/2010 auf ein El Nino – Ereignis zurückgeht.
Das muss aber nicht heissen, daß die Sonne aus dem Spiel ist, denn es gibt Hinweise auf einen direkten Sonneneinfluß auf ENSO vermittelt über die Hadley-Zirkulation (<b><a><a href=“http://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090716113358.htm“>Science Daily</a></a></b> und <b><a><a href=“http://wkserv.met.fu-berlin.de/Beilagen/2009/WK-ENSO_1.pdf“>Malberg</a></a></b>).

Bemerkenswert ist aber auch der nach wie vor global positive Temperaturtrend, trotz einer ausgesprochenen Schwächeperiode der Sonnenaktivität. Dafür kann eigentlich nur die Zunahme der Treibhausgase (CO2, CH4) verantwortlich sein.</b>

Jens Christian Heuer

Globale Durchschnittstemperatur und CO2. Trotz weiter ansteigendem CO2 sinken die globalen Temperaturen in den letzten Jahren anscheinend wieder etwas. Quelle: http://www.climate4you.com/

Tatsächlich ist die Sonnenaktivität seit 2003 deutlich zurückgegangen und verharrt seitdem auf einem ungewöhnlich niedrigem Niveau. Im letzten Jahr erschienen über Monate hinweg praktisch überhaupt keine Sonnenflecken mehr. Auch danach haben sich bis heute nur einige wenige gebildet. Hinter vorgehaltener Hand wird bereits über ein neues Maunder-Minimum spekuliert. Diese Periode stark verringerter Sonnenfleckenaktivität in den Jahren zwischen 1645 und 1715 war für die bis zum Ende des 18.Jahrhunderts währende „Kleine Eiszeit“ verantwortlich in der sich ausgesprochen kalte Winter und kühle Sommer einander abwechselten. Immer wieder gab es Mißernten und Hungersnöte. Das Maunder Sonnenflecken-Minimum ist nach dem englischen Astronom Edward Walter Maunder benannt, dem als Erster im Nachhinein die geringe Anzahl der Sonnenflecken in jenem Zeitraum auffiel.

Die dem  IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change,Weltklimarat) nahestehenden Klimaforscher bestreiten zumeist , daß es derzeit  überhaupt eine Abkühlung gibt  und sprechen von Zufallsschwankungen bei einem nach wie vor nach oben weisenden Trend bei den globalen Durchschnittstemperaturen. Stellvertretend für diese Ansicht sei Prof. Stefan Rahmsdorf  genannt, Ozeanograph am Potsdamer Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und einer der Leitautoren des letzten, 2007 veröffentlichten Sachstandsberichtes des Weltklimarates (IPCC). Es gibt aber auch Klimaforscher, die eine vorübergehende Abkühlung anerkennen. Dazu zählt Prof. Mojib Latif, Meteorologe und Ozeanograph am Institut für Meereskunde in Kiel (IFM Geomar). Latif geht von einer vorübergehenden Abschwächung der Abschwächung der “Meridional Overturning Circulation” (MOC)im Nordatlantik aus (vgl. http://www.nature.com/). Meridional Overturning Circulation steht für meridionale Umwälzbewegung des Meerwassers (entlang der Längengrade in Nord-Süd-Richtung, also meridional) erfolgt. Die MOC im Nordatlantik entspricht weitestgehend dem Golf- bzw. Nordatlantikstrom und wird durch Winde, aber auch durch Unterschiede in der Temperatur- und Salzkonzentration (und damit auch in der Dichte des Wassers) zwischen den nördlichen und südlichen Regionen des Nordatlantik (thermohaline Zirkulation; von griechisch thermos für Wärme und halas für Salz)angetrieben. Die von der MOC erwärmte milde und feuchte Meeresluft gelangt mit den in mittleren Breiten vorherrschenden Westwinden und den sich in der Luftströmung ab einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit bildenden Tiefdruckwirbeln nach Europa und sorgt dort vor allem im Winter für deutlich höhere Temperaturen als sie sich normalerweise aus der geographischen Lage ergeben würden. Bei einer Abschwächung der MOC wird es dann natürlich dementsprechend kälter.

Eine Gruppe von Klimaforschern  der  US-amerikanischen National Atmospheric and Oceanic Administration (NOAA) unter der Leitung der renomierten Atmosphärenchemikerin Susan Salomon ist nun auf eine weitere mögliche Ursache für die derzeitige Abkühlung gestossen. Die Wissenschaftler fanden bei der Auswertung von Datenmatrial aus Messungen durch Satelliten und Wetterballons heraus, daß der Wasserdampfgehalt der Stratosphäre seit dem Jahre 2000 um immerhin 10% abgenommen hat.

Dr. Susan Salomon, Klimaforscherin am Earth System Research Laboratory (http://www.esrl.noaa.gov/ ). Quelle: NOAA

Wasserdampf ist ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als CO2 und für einen Großteil des natürlichen Treibhauseffektes der Erde verantwortlich. Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre in welcher sich das Wetter hauptsächlich abspielt. Die Stratosphäre enthält erhebliche Mengen Ozon, das die für das Leben auf der Erde gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung (UV) absorbiert. Dadurch erwärmt sich die Stratosphäre deutlich gegenüber der oberen Troposphäre, so daß es an der Grenze zwischen den beiden Atmosphärenschichten (Tropopause) zu einer Temperaturinversion kommt.

Die Stratosphäre ist im Gegensatz zur Tropsphäre sehr trocken, da die Temperaturinversion eine Wolkenbildung bis in die Stratosphäre unterbindet. Wolken bilden ja nur, wenn erwärmte, feuchte Luft aufsteigt und abkühlt. Bei Erreichen des Kondensationsniveaus entstehen an Kondensationskeimen (Minerale, Staub- und Rußteilchen, Sulfataerosole) winzige Wassertröpfchen, die zusammen die Wolke bilden. Die dabei freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme)gibt der aufsteigenden Luft zusätzlichen Auftrieb und verstärkt wiederum die Wolkenbildung. In größeren Höhen besteht die Wolke nicht mehr aus Wassertröpfchen sondern aus Eiskristallen (Cirren). Trifft die aufsteigende Luft auf eine Temperaturinversion, so wirkt diese als Sperrschicht, da der Temperaturunterschied zwischen aufsteigender Luft und Umgebungsluft verschwindet oder sich sogar umkehrt. Nur die allerstärksten Quellwolken, wie sie sich vor allem in der Innertropischen Konvergenzone  (ITCZ) oder in tropischen Wirbelstürmen  bilden (manchmal aber auch in außertropischen Tiefdruckwirbeln) können, sind mitunter in der Lage mit ihrer eisigen Oberseite (Cloud-Top) die Tropopause zu durchbrechen (Overshooting Cloud-Tops) und die Stratosphäre ein wenig anzufeuchten. 

Je mehr Wasserdampf in die Stratosphäre gelangt, umso stärker der Treibhauseffekt, desto mehr erwärmt sich also die darunter liegende Troposphäre und umgekehrt.

Der gemessene Rückgang des Wasserdampfs in der Stratosphäre seit dem Jahre 2000 wirkt demzufolge tendenziell abkühlend auf die Troposphäre und hat nach den Berechnungen der Wissenschaftler die globale Erwärmung um etwa 1/4 gebremst. In den 1980er und 1990er Jahren hatte der Wasserdampfgehalt der Stratosphäre dagegen deutlich zugenommen und die globale Erwärmung erheblich (um bis zu 30%) beschleunigt.

Die Ursache für den Anstieg und anschließenden Rückgang des Wasserdampfs in der Stratosphäre sei noch nicht bekannt, so die Wissenschaftler. Vermutet wird aber ein verringerter Wasserdampfeintrag im Zusammenhang mit der tropischen Hadley- und Brewer-Dobson-Zirkulation. Das könnte in etwas so funktionieren: Eine verstärkte Sonneneinstrahlung führt beispielsweise zu einer erhöhten Wasserverdunstung, vor allem in den wolkenarmen Subtropen.Die zusätzlich angefeuchtete Luft gelangt mit den Passatwinden in die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) und sorgt dort über eine vermehrte Zufuhr latenter Wärme für eine verstärkte tropische Konvektion und Wolkenbildung. Die gesamte Hadley-Zirkulation wird angekurbelt und damit auch die Passatwinde und die Absinkbewegung der Luftmassen in den Subtropen. Dadurch entstehen noch weniger Wolken in den Subtropen usw. usf.. Eine schöne positive Rückkopplung also! Infolge der verstärkten Konvektion über den Tropen gelangt automatisch auch mehr Wasserdampf in die Stratosphäre. Bei einer abgeschwächten Sonneneinstrahlung läuft alles genau umgekehrt.

Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) kommt es im Rahmen der Hadley-Zirkulation, begünstigt durch die hohe Luftfeuchtigkeit in den Tropen, zu einer verstärkten Wolkenbildung. Die aus Eiskristallen bestehenden Cloud-Tops (Cirrenschirme) der stärksten Quellwolken können zuweilen in die Stratosphäre durchbrechen Overshooting Cloud-Tops). Die Eiskristalle verdampfen und befeuchten die Stratosphäre. Die Cirrenschirme reflektieren das Sonnenlicht und wirken dadurch tagsüber abkühlend. Andererseits lässt die starke Bewölkung über der ITCZ (zusammen mit dem Wasserdampf) auch nur relativ wenig Infrarotstrahlung des von der Sonne erwärmten Erdboden in den Weltraum entweichen, so daß in der Nacht die Temperaturen kaum absinken. Die Hadley-Zirkulation treibt ihrerseits die Brewer-Dobson-Zirkulation an, welche den stratosphärischen Wasserdampf (und das Ozon!) von den Tropen in höhere Breiten transportiert. Wasserdampf ist ein starkes Treibhausgas und erwärmt mit seiner infraroten Gegenstrahlung die Troposphäre. Quelle: NOAA

Denkbar erscheint eine natürliche Variabilität im Wassergehalt der Stratosphäre, aber vielleicht auch ein negativer Feedback-Mechanismus:

Eine natürliche Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Stratosphäre könnte meines Erachtens direkt auf der schwankenden Sonnenaktivität  beruhen. Eine geringere Sonneneinstrahlung geht mit einer verminderten Wasserverdunstung und weil dadurch weniger latente Wärme zur Verfügung steht, auch mit einer schwächeren Hadley-Zirkulation einher. Die Wasserdampfzufuhr in die Stratosphäre nimmt ab und damit auch der erwärmende Treibhauseffekt. Bei einer stärkeren Sonneneinstrahlung verhält es sich natürlich genau umgekehrt. Tatsächlich war die  Sonnenaktivität in den 1980ern und 1990ern auf einem recht hohen Niveau und ging danach erst allmählich, seit 2003 aber sehr deutlich zurück. Die Sonne könnte also auch über den Wasserdampf in der Stratosphäre das Klima erheblich beeinflussen, eine natürliche Variabilität, die den anhaltenden treibhausgasbedingten Aufwärtstrend der globalen Durchschnittstemperaturen nicht aufhebt, sondern lediglich überlagert.

Denkbar erscheint aber auch ein negativer Feedback-Mechanismus. Die globale Erwärmung durch die andauernden Treibhausgasemissionen ging mit einer allgemein erhöhten Verdunstungsrate einher. Der zusätzliche Wasserdampf in der Troposphäre, so berechnen es die Klimamodelle und so wurde es auch durch Messungen bestätigt (http://www.sciencedaily.com/releases/2005/11/051109091359.htm), verstärkt den relativ geringen Treibhauseffekt durch das zusätzliche CO2 ganz erheblich (Wasserdampfverstärkung).

Richard Lindzen, Professor der Meteorologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) verweist nun aber zu Recht auf die Tatsache, daß die Luftfeuchtigkeit in der Troposphäre genau dort am höchsten ist, wo sich auch die meisten Wolken bilden. Wolken sind also die Hauptquellen der Luftfeuchtigkeit. Das hat nach Lindzen einschneidende Konsequenzen, denn Regentropfen in einer aufquellenden Wolke wachsen umso schneller, je mehr Luftfeuchtigkeit zur Verfügung steht. Überschreiten die Tropfen jedoch ein kritisches Gewicht, so können sie nicht mehr von den konvektiven Aufwinden innerhalb der Quellwolke in grössere Höhen getragen werden, um zu Eiskristallen zu gefrieren und als Material für die hohen Cirrenschirme zu dienen.

Riesige Quellwolke (Cumulonimbus) über Afrika mit Cirrenschirm und Overshooting-Cloudtop. Quelle: ISS, NASA

Weniger Cirruswolken wirken aber abkühlend, da sie im Gegensatz zu tiefen Wolken einen geringeren Anteil des Sonnenlichtes reflektieren, aber die Infrarotabstrahlung des Erdbodens sehr effektiv abblocken, somit insgesamt also eine erwärmende Wirkung haben. Diesen Effekt konnte Lindzen anhand von Satellitenbildern der Tropen tatsächlich nachweisen. Nahmen die Wassertemperaturen und damit auch die Luftfeuchtigkeit etwa infolge verstärkter Sonneneinstrahlung zu, so nahm der Anteil der hohen Eiswolken (Cirrenschirme) im Verhältnis zu den sie hervorbringenden tieferen Wolken ab. Dadurch gingen die hohen Wassertemperaturen wieder zurück. Lindzen verglich den Effekt mit dem Verhalten einer Irisblende, die sich bei zunehmendem Lichteinfall immer weiter schliesst und so eine Überbelichtung verhindert (Iris-Effekt).

Der Iris-Effekt nach Lindzen hat aber womöglich auch Auswirkungen auf den Treibhauseffekt der Stratosphäre, denn eine verminderte Bildung von Cirrenschirmen bei den hohen Quellwolken der Tropen läuft auf einen verringerten Wasserdampfeintrag in die Stratosphäre hinaus (s.o.).

Das wäre dann aber ein zusätzlicher, sehr effektiver negativer Feedback-Mechanismus, der die globale Erwärmung bis zu einem gewissen Grade abmildern könnte.

Jens Christian Heuer

Quellen: http://www.noaanews.noaa.gov/, http://physicsworld.com/cws/article/news/

Auslöser für diese Wetterlage ist ein El Nino im äquatorialen Pazifik, der mit deutlich erhöhten Wassertemperaturen einhergeht. Die infolgedessen gesteigerte Wasserverdunstung verstärkt durch vermehrte Zufuhr latenter Wärme konvektive Prozesse und damit auch die tropische Hadley-Zirkulation.

Wetterlage 23.Januar 2010 03:00 GMT Eine Reihe von Sturmtiefs zieht von Westen kommend über den Südwesten der USA, wo es zu sehr ergiebigen Niederschlägen kommt. Die Tiefs verwirbeln Kaltluft aus dem Norden und feuchtwarme Luft aus dem Süden. Die zellulare Bewölkung über dem nördlichen Pazifik entsteht wenn kühle Luft aus dem Norden über die relativ wärmere Luft direkt oberhalb der warmen Wasseroberfläche strömt. Infolge der labilen Luftschichtung entstehen zahlreiche Konvektionszellen, in denen Wolkenbildung einsetzt. Quelle: http://wekuw.met.fu-berlin.de/

Die latente Wärme wird bei der Wolkenbildung als Kondensationswärme freigesetzt und durch die Hadley-Zirkulation in der oberen Troposphäre polwärts transportiert. Durch diesen verstärkten meridionalen Wärmetransport baut sich der für die Herausbildung eines Jetstreams erforderliche Temperaturgradient deutlich stärker und auch näher am Äquator auf als zuvor.

El Nino Southern Oscillation (ENSO)

La Nina-Phase: Sehr starke Passatwinde treiben das warme pazifische Oberflächenwasser westwärts, wodurch an den Westküsten Nord- und Südamerikas kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser hervorquillt und der Pazifik in weiten Bereichen kühler wird.

El Nino-Phase: Sinkt der Druckgradient zwischen Subtropenhochs und dem äquatorialen Wärmetief der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im Westpazifik, so werden die Passate schwächer. Dann strömt das im Westpazifik aufgestaute warme Oberflächenwasser nach Osten zurück, wodurch die Wasseroberfläche des Pazifik grossflächig wärmer wird (El Nino). Quelle: http://www.soest.hawaii.edu/MET/Enso/

Die Folge: Der Jetstream und damit auch die Zugbahnen der aus seinen Verwirbelungen hervorgehenden Sturmtiefs verlagern sich äquatorwärts. Außerdem nimmt auch die Stärke und Häufigkeit der Sturmtiefs zu. Diese verstärken ihrerseits durch Übertragung von Drehimpuls wiederum den Jetstream.

Die südlicheren Zugbahnen der Sturmtiefs in Verbindung mit der durch diese Tiefdruckwirbel aus südwestlichen Richtungen herangeführten warmen und feuchten Meeresluft bescheren dem Südwesten der USA die langanhaltenden Unwetter mit Starkregen und heftigen Gewittern.

Jens Christian Heuer

Link: „Kalifornien-Unwetter“ von Frank Abel auf Wetter24. Sehr lesenswerter Beitrag! Frank Abel ist Meteorologe bei der Meteogroup.

„Schneechaos – Klimawandel auf Eis?“

Auf der einen Seite ein sehr gut aufgelegter Prof.Malberg, der seine wissenschaftlichen Argumente auch für den Laien gut verständlich vortrug; auf der anderen Seite eine engagierte Bärbel Höhn, die das Thema eher von der politischen Seite anging. Beide Kontrahenten gingen fair miteinander um und liessen den jeweils anderen ausreden, leider keine Selbstverständlichkeit mehr bei kontroversen Diskussionen im Fernsehen.

Prof. Horst Malberg und Bärbel Höhn, GRÜNE Quelle: Wetter Journal, http://nuv-online.de/

Malberg erklärte nach einer kurzen Einleitung durch den Moderator sehr schön das Zustandekommen der augenblicklichen winterlichen Wetterlage und wie das Tief Daisy für den Schnee sorgte. Das Tief bildete sich über dem Mittelmeer, nahm dort viel Feuchtigkeit auf und zog dann (mit der Höhenströmung) nach Norden, wo es dann den vielen Schnee ablud.  (vgl. Das Tief Daisy und der Schnee). Dann ging er auf die bestimmende Rolle des Islandtiefs für unser Wettergeschehen ein. Ein kräftiges Islandtief sorgt für eine westliche Strömung relativ warmer atlantischer Meeresluft und damit auch für milde Winter (zonale Luftzirkulation). Schwächelt das Islandtief so bleibt die mildernde westliche Strömung aus, und das Russische Kältehoch bekommt die Überhand. Dann sorgt Sibirische Kaltluft aus dem Osten dafür, daß es bei uns harte Winter gibt (meridionale Zirkulation). Dieser Wechsel der Stärke des Islandtiefs, die sogenannte Nordatlantische Oszillation, ist der entscheidende Taktgeber für Wetter und Klima bei uns in Europa, so Malberg. Zurzeit haben wir ein schwaches (oder gar kein) Islandtief und deshalb auch einen kalten Winter.

Malberg erklärte dann die aus seiner Sicht (fast alles) entscheidende Rolle der Sonne für unser Klima und die Auswirkungen der natürlicherweise schwankenden Sonnenaktivität, welche sich wiederum an der Zahl der Sonnenflecken ablesen lässt.

Für Prof. Malberg ist die Sonne hauptsächlich für den Klimawandel verantwortlich. Treibhausgase spielen nur eine Nebenrolle. Quelle: SOHO, NASA

Bei seinen Untersuchungen, für die er die Hand ins Feuer legen könne, habe er nicht nur wie die Wissenschaftlern des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change,Weltklimarat) eine 150 Jahre zurückreichende globale Klimareihe benutzt, sondern mitteleuropäische Klimabeobachtungen, die mehr als 300 Jahre zurückreichen. Dabei habe sich herausgestellt, daß Temperaturen und Sonnenaktivität ein paralleles Verhalten zeigen. Zu Beginn des 18.Jahrhunderts währte noch die spätmittelalterliche „Kleine Eiszeit“, die durch das Maunder-Sonnenfleckenminimum ausgelöst wurde. Damals war die Sonnenaktivität ausgesprochen gering. Im Verlauf des 18. Jahrhunderts stiegen Sonnenaktivität und Temperaturen an und erreichten um 1800 ein Maximum. Damals war es nahezu genauso warm wie in den 1990er Jahren, ohne nennenswerten anthropogenen Treibhauseffekt. Nach 1800 ging die Sonnenaktivität wieder deutlich zurück (Dalton-Sonnenfleckenminimum) und schon fielen die Temperaturen drastisch. Es wurde so kalt, daß große Teile der Getreideernten ausfielen und mitten in Europa Hungersnöte ausbrachen. Ab 1850 begann bei wieder ansteigender Sonnenaktivität, die derzeit diskutierte globale Erwärmung. Die globalen Temperaturreihen des IPCC beginnen also ausgerechnet in einer globalen Kälteperiode, die viel Not und Elend brachte. Soll diese Zeit wirklich der Maßstab für die richtige globale Temperatur sein?

Als Ergebnis seiner Untersuchungen, so Malberg, könne man 70% des derzeitigen Klimawandels mit Veränderungen der Sonnenaktivität erklären, lediglich 30% gehen danach auf das Konto anthropogener CO2-Emissionen. Frau Höhn widersprach entschieden und verwies auf die überwiegende Mehrheit der Klimaforscher, die da zu ganz anderen Ergebnissen kämen. Auch die Klimaforscher des IPCC würden die Sonne mit berücksichtigen; ihr Einfluss liege danach immerhin bei etwa 10%. aber eben nicht mehr. Die derzeitige globale Erwärmung gehe also eindeutig auf das anthropogene CO2 zurück und nicht auf die Sonne. Malberg vertrete eine absolute Einzelmeinung. Malberg bestritt das und verwies auf viele Wissenschaftler, die seine Sichtweise teilen, aber kaum gehört würden. In dem letzten Bericht des IPCC werde der Einfluss der Sonne bewußt kleingerechnet. Malberg verwies darauf, daß das IPCC in der Hauptsache kein wissenschaftliches, sondern ein politisches Gremium sei. Wissenschaftlicher, die den menschengemachten Klimawandel hinterfragen würden ausgegrenzt.seien eher unerwünscht. Malberg spielte in diesem Zusammenhang auch auf den Climategate-Skandal an. Klimadaten seien verfälscht und die Veröffentlichungen unerwünschter wissenschaftlicher Arbeiten unterbunden worden. Höhn widersprach: Die Vorwürfe wären übertrieben und änderten nichts am Grundsätzlichen. Es gebe auch kein politisches Interesse an einer besonders dramatischen Darstellung des Klimawandels, ganz im Gegenteil: Die klimawissenschaftlichen Ergebnisse seien von den am IPCC-Bericht beteiligten Politikern für den Abschlußbericht vielmehr noch entschärft worden.

Als Politikerin, so Höhn, habe sie möglichen schweren Schaden von der Bevölkerung abzuwenden. Es wäre daher einfach zu riskant, auf Einzelmeinungen wie die von Malberg zu hören und dafür die Stimmen der weltweit führenden Klimaforscher zu ignorieren.

Malberg verwies demgegenüber auf die Unsicherheit der Klimamodelle. Diese seien Versuche mit dem derzeitigen Kenntnisstand die Natur zu verstehen und daher nie perfekt. Modellergebnisse würden wie Prognosen behandelt, obwohl es in Wirklichkeit nur („wenn dann“) Szenarien sind. Es führe politisch leicht in die Irre, wenn man sich bei seinen Entscheidungen (blind) auf Simulationsrechnungen verlasse. Das zeige beispielsweise auch die derzeitige Weltwirtschafts- und Bankenkrise.

Derzeit gehen global die Temperaturen wieder zurück, so Malberg. Parallel dazu ist auch die Anzahl der Sonnenflecken zurückgegangen, zurzeit gebe es nur noch selten welche.

Szene aus der „Kleinen Eiszeit“, Pieter Brueghel the Ältere (1525-1569). Steht uns das wieder bevor? Quelle: http://www.zeno.org/Kunstwerke

Die Sonnenaktivität sei so gering, daß eher eine drastische Abkühlung drohe als eine globale Erwärmung, so Malberg weiter. Kälteperioden seien immer schlechte Zeiten für die Menschen gewesen.

Malberg und Höhn konnten aber auch inhaltliche Übereinstimmungen feststellen: Beide gehen davon aus, daß die Ressourcen fossiler Brennstoffe begrenzt sind und schon von daher ein Umstieg auf alternative Energien unbedingt anzustreben ist. Klar wurde aber auch, daß Malberg einige dieser Alternativen eher skeptisch sieht, so etwa die Sonnenenergie. Diese mache zwa durchaus Sinn, aber im Winter könne man in unseren Breiten damit nun wirklich kein Haus beheizen. Auch die immer wieder propagierten nachwachsenden Brennstoffe seien nicht unproblematisch. Die Heizung mit Holzpellets etwa, ginge mit einer erheblichen Feinstaubbelastung einher. Höhn sah das anders und verwies auf moderne Technologien, die mit derartigen Problemen fertig werden. Alternative Energien seien auch ein wichtiger Wirtschaftsfaktor und schaffen viele Arbeitsplätze, so Höhn.

Malberg betonte am Schluß noch einmal ausdrücklich, daß er für effektiven Umweltschutz eintrete. Klimaschutz sei aber eine zweifelhafte Angelegenheit, denn Klimawandel habe es immer gegeben und werde es immer geben.

Heiner Bremer moderierte die Diskussion ausgesprochen fair. Beide Kontrahenten wurden nur selten unterbrochen und konnten daher ihre Gedanken im Zusammenhang und für das Publikum nachvollziehbar darlegen. Auffällig war aber auch eine gewisse Sympathie für die Argumentation Malbergs. Dazu hat sicherlich das Verhalten der Professoren Schellhuber und Rahmsdorf mit beigetragen. Diese hatten vor einiger Zeit, worauf Bremer im Verlaufe der Sendung mehrfach hinwies, eine Einladung zu einem Streitgespräch (auf gleicher Augenhöhe) mit Prof.Malberg ausgeschlagen. Ein nicht nur für den Moderator befremdliches Verhalten!

Nach meiner Einschätzung war die Sendung sehr interessant und informativ. Sie war aber auch ein Vorbild für eine faire Diskussionskultur. Viele Fragen rund um den Klimawandel blieben aber trotzdem offen. Um diese zu besprechen hätte Prof. Malberg aber nicht auf einen Politiker, sondern auf einen anderen Klimaforscher(der nicht zu den Klimaskeptikern gehört!) treffen müssen, der es ebenso wie Malberg versteht, seine Argumente allgemeinverständlich vorzubringen und auch nicht vor kontroversen Debatten kneift. Mir fällt da spontan Prof. Mojib Latif ein. Mojib, bitte übernehmen Sie!

Jens Christian Heuer

Links:
Beiträge von Prof.Malberg in der Zeitschrift Berliner Wetterkarte
Homepage von Bärbel Höhn

Eine Divergenz in der Höhenströmung auf der Vorderseite eines bis in den Mittelmeerraum reichenden Troges löste die Bildung des Tiefs Daisy aus. Quelle: MeteoGroup

Begünstigt wurde die Entstehung des Tiefs durch die labile Luftschichtung – kalte Luft aus dem Trog strömte über die noch relativ warme Wasseroberfläche des Mittelmeeres – und die reichliche Zufuhr von latenter Wärme durch das verdunstende Mittelmeerwasser.

Wetterlage am 7.Januar 2010 09.00 UTC Quelle: EUMETSAT

Die Höhenströmung lenkte das Tief Daisy nach Nordosten in Richtung Mitteleuropa. Seine weiten Ausläufer erstreckten sich von West- über Mittel-bis nach Osteuropa.

Wetterlage am 8.Januar 2010 07:00 UTC Quelle: EUMETSAT

Auf seiner Westseite lenkte das Tief Daisy polare Kaltluft, auf seiner Ostseite feuchtwarme Mittelmeerluft nach Europa. Überall dort, wo das Tief auf seiner Zugbahn kalte und warme Luftmassen verwirbelte, entwickelte sich eine hochreichende Quellbewölkung und es kam zu teilweise sehr ergiebigen Schneefällen, so etwa in Spanien, Frankreich und Deutschland, ja sogar in Nordafrika. In Deutschland sorgten starke Winde vor allem an den Ostseeküsten für meterhohe Schneeverwehungen.

Schneeverwehungen auf der B96 nahe der Insel Rügen. Quelle. DPA

Hinzu kam noch ein Sturmflut die vor allem an der schleswig-holsteinischen Ostseeküste teilweise zu Überschwemmungen führte.

Über dem Atlantik entwickelte sich, im Gegenzug zu dem Höhentrog mit polarer Kaltluft, ein Hochkeil mit warmen subtropischen Luftmassen, die bis nach Grönland gelangten, wo deshalb auch überdurchschnittlich hohe Temperaturen herrschten. Das ist typisch für eine meridionale Luftzirkulation. 

Eine Wetterlage, bei der sich über dem westlichen Mittelmeer ein Tiefdruckgebiet bildet, das dann, mit viel Feuchtigkeit beladen, mit der übergeordneten Höhenströmung über die Alpen nach Europa driftet, nennen die Meteorologen Vb-Lage nach dem Meteorologen Wilhelm Jacob van Bebber, der Ende des 19.Jahrhunderts eine Übersicht der häufigsten Zugbahnen von Tiefdruckgebieten über Europa veröffentlichte.

Die wichtigsten Zugbahnen der Tiefdruckgebiete über Europa nach van Bebber. Quelle: Wikipedia

Das Tief Daisy ist inzwischen nach Osteuropa abgezogen und dabei sich aufzulösen. Ein Hochdruckkomplex über Frankreich und Nordeuropa blockiert die aus Westen herankommenden Tiefdruckgebiete und zwingt sie auf weit südliche Zugbahnen über den Mittelmeerraum.  Zwischen den Hochs über Nordeuropa und dem langsam nach Osten driftenden Tief über dem Balkan gelangt mit einer nordöstlichen Strömung kalte und durch die Ostsee angefeuchtete Luft in die nördliche Hälfte Deutschlands. Im Süden dagegen schwache Westwinde durch das Hoch über Frankreich.

Wetterlage am 10. Januar 2010 16:00 Uhr UTC Quelle: EUMETSAT

Die Nordhemispherische Luftzirkulation bleibt vorest weiter meridional, denn der Polarwirbelsplit vom Dezember 2009 hält auch Anfang Januar noch an. Die beiden Polarwirbel rücken allerdings langsam einander näher.

Der Polarwirbel ist in zwei Wirbel aufgespalten. Das begünstigt eine meridionale Luftzirkulation. Quelle: Wetterzentrale

Sollten sich die beiden Polarwirbel wieder vereinen, so könnte sich wieder eine mehr zonale Zirkulation einstellen, bei der aus Westen heranziehende Tiefdruckgebiete für eine Wettermilderung in West- und Mitteleuropa sorgen würden. Der troposphärische beinflusst den stratosphärischen Jetstream und damit auch den Polarwirbel, aber eben auch umgekehrt!

Zum bessern Verständnis noch ein paar ergänzende Erläuterungen: 

Über dem Nordpol der Erde bildet sich im Winter (während der Polarnacht) in der Stratosphäre ein abwärtsgerichteter, kalte Tiefdruckwirbel, der bis in die mittlere Troposphäre hinabreicht.

Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, der Atmosphärenschicht in der sich fast alle Wettervorgänge abspielen. Die Stratosphäre enthält im Gegensatz zur Troposphäre nur wenig Wasserdampf, dafür aber grössere Mengen Ozon, das die schädlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dabei erwärmt sich die Stratosphäre gegenüber der oberen Troposphäre (Temperaturinversion).

Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen ausreichend kalt ist. Das ist über dem Nordpol nur im Winter während der Polarnacht so. Dann kann sich ein stratosphärischer Temperaturgradient aufbauen. Dieser treibt den Stratosphärenjetstream an, die äußere Begrenzung des Polarwirbels. Der Stratosphärenjetstream ist wiederum ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream, der sich an der Polarfront infolge des Temperaturgradienten zwischen (sub)tropischen und polaren Luftmassen bildet. Aus Turbulenzen in dem mäandernden troposphärischen Jetstream entstehen die wetterbestimmenden dynamischen Hoch- und Tiefdruckwirbel der mittleren Breiten.  

Ein starker Polarwirbel begünstigt also eine zonale Luftzirkulation (entlang der Breitengrade) durch einen starken, nur wenig mäandernden troposphärischen Jetstream. Ein schwacher (oder gar gespaltener) Polarwirbel begünstigt dagegen über einen dann ebenfalls schwachen, stark mäandernden troposphärischen Jetstream eine meridionale Luftzirkulation (entlang der Längengrade).

Wie kommt es nun aber überhaupt zu einem Polarwirbelsplit?  Auslöser ist eine meridionale Luftzirkulation, bei der sich die Rossby-Wellen des stark mäandernden troposphärischen Jetstreams nach oben hin zur Stratosphäre fortpflanzen und an dem zum Polarwirbel gehörenden stratosphärischen Jetstream zerren. Dieser wird dadurch langsamer, instabiler und durchlässiger, so daß Warmluft in die Stratosphäre über der Polarregion vorstossen kann. Diese Stratosphärenerwärmung (major warming) spaltet den Polarwirbel in zwei selbstständige Wirbel (Polarwirbelsplit). Damit fällt aber ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream aus, was wiederum die meridionale Luftzirkulation begünstigt und weiter erhält.

Jens Christian Heuer

Vor 13 Jahren, im August 1996, machte ein kleiner Meteorit vom Mars weltweit Schlagzeilen. Ein Wissenschaftlerteam der NASA, darunter der Geologe, Geochemiker und Astrobiologe David S. McKay, die Geologen Everett K.Gibson und Christopher S.Romanek, die Biochemikerin Kathie L. Thomas-Keprta und dem Physikochemiker Richard N.Zare, ein Experte für Laser-Chemie (Analyse von Substanzen auf molekularer Ebene mit Lasersatrahlen) gab nach einer näheren Untersuchung des etwa 2kg schweren Gesteinsbrocken auf einer Pressekonferenz bekannt, sie hätten mehrere, recht eindeutige Hinweise auf ehemaliges bakterielles Leben gefunden. Damit war die Sensation perfekt. Zum ersten Mal direkte Anhaltspunkte für Leben außerhalb der Erde!

Der Mars. Quelle: Hubble-Teleskop, NASA

Der kleine Meteorit mit der wissenschaftlichen Bezeichnung ALH 84001 war schon Ende 1984 im Rahmen einer Expedition in die südliche Ostantarktis auf dem Alan Hills Eisfeld entdeckt worden. ALH steht für Alan Hills, 84 für das Entdeckungsjahr 1984 und 001 bedeutet, daß der Meteorit der erste auf der Liste der in diesem Jahr auf dem antarktischen Alan Hills Eisfeld gefundenen Meteoriten war. Auf schneebedeckten Eisfeldern wie Alan Hills lassen sich Meteoriten natürlich besonders leicht entdecken.

Der Marsmeteorit ALH 84001. Quelle: NASA

Durch beim Eintritt in die Erdatmosphäre entwickelnde Reibungswärme ist ALH 84001 wie alle Meteoriten von einer glasartigen Schmelzkruste überzogen.

Herkunft und Lebensgeschichte

Erst 1993 stellte sich heraus das ALH 84001 vom Mars stammt.Das gelang durch eine genaue Untersuchung der Isotopenzahlen in dem Gesteinsbrocken. Die Isotopenzahlen der verschiedenen Elemente variieren im Weltall von Ort zu Ort, unterscheiden sich also bei Gesteinen, welche beispielsweise von der Erde, vom Mond, von verschiedenen Asteroiden, Kometem oder vom Mars stammen. Es stellte sich nun heraus, daß ALH 84001 die für den Mars typischen Isotopenzahlen besaß. Darüber hinaus fand man Gaseinschlüsse mit der Isotopenzusammensetzung der Marsatmosphäre. Die Isotopenzahlen des Mars kannte man wiederum aus Untersuchungen der beiden amerikanischen Viking-Sonden, die 1976 weich auf dem Mars landeten.

Die Analyse der Isotope war auch der Schlüssel, um das Alter des Marsmeteoriten ALH 84001 zu ermitteln und seinen „Lebensweg“ zu rekonstruieren.Dabei sieht man sich die radioaktiven Isotope näher an, welche (als Elternisotope) mit unterschiedlichen Halbwertszeiten (in Tochterisotope) zerfallen. Für die Langzeitdatierung eigenen sich insbesondere Rubidium-87, das zu Strontium-87 und Kalium-40, das zu Argon-40 (ein flüchtiges Edelgas) zerfällt. Das Verhältnis zwischen den jeweiligen Eltern- und Tochterisotopen erlaubt eine recht genaue Altersbestimmung. Mit Rubidium-87/Strontium-87 ergab sich ein Alter von 4,5 Milliarden, mit Kalium-40/Argon-40 dagegen nur ein Alter von 4 Milliarden Jahren. Daraus folgerte man, daß sich das Gestein des Meteoriten ALH 84001 vor 4,5 Milliarden Jahren gebildet hatte, aber vor 4 Milliarden Jahren noch einmal aufgeschmolzen wurde. Dabei war alles bisher gebildete Argon-40 ausgegast und so die Kalium-40/Argon-40 Uhr wieder auf Null gestellt, d.h. es gab zu diesem Zeitpunkt nur noch Elternisotope (Kalium-40), aber keine Tochterisotope (Argon-40) mehr!

Vor 15 Millionen Jahren wurde ALH 84001 durch den Einschag eines Asteroiden vom Mars weggesprengt und umkreiste seitdem die Sonne bis er schließlich vor 13000 Jahren von der Erde eingefangen wurde und über der Antarktis abstürzte. Im freien Weltraum war ALH 84001 ungeschützt der kosmischen Partikelstrahlung ausgesetzt. Unter dem Beschuß dieser schnellen Partikel (Protonen, Heliumkerne, weitere vollständig ionisierte Atomkerne und Elektronen) bilden sich im Gestein neue radioaktive Isotope und später auch ihre Zerfallsprodukte, aus deren Anzahl sich die Dauer des Weltraumaufenthalts bestimmen lässt.

Carbonate

Der Marsmeteorit ALH 84001 besteht zwar vor allem aus Orthopyroxen, einem Magnesium-Eisen-Silikatgestein, enthält aber mit 1% der Gesamtmasse auch einen erstaunlich hohen Carbonatanteil, der von außen nach innen zunimmt. Das spricht übrigens auch eindeutig gegen eine nachträgliche Kontamination auf der Erde. ALH 84001 ist förmlich von Carbonaten durchsetzt, die sich als winzige Kügelchen (0,025-0,25mm Durchmesser), gelegentlich auch als flache Scheibchen, in den im Meteoriten zahlreich vorhanden feinen Spalten abgelagert haben. Carbonate bilden sich auf der Erde fast immer unter Wasser und meistens aus den Schalen (auch einzelliger) Meeresorganismen, daneben aber auch anorganisch durch Ausfällung. Die meisten Carbonatkügelchen sind orangefarben, da sie eisenhaltige Mineralien enthalten (s.u.). Die Kügelchen haben einen schwarz-weissen Rand.In Gestalt und Struktur ähneln die Carbonatkügelchen bakteriell erzeugten Carbonatablagerungen auf der Erde.

Die Carbonateinschlüsse in ALH 84001. Quelle: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume 73, Issue 21, 1 November 2009

Die Isotopenanalyse ergab ein Alter von 3,6 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit gab es viel Wasser auf dem Mars, Flüsse und Seen, ja sogar Ozeane. Die Marsatmosphäre war wesentlich dichter als heute, die Temperaturen deutlich höher (bis auf die Polarregionen meist über dem Gefrierpunkt) und der Planet besaß ein intaktes globales Magnetfeld, das die gefährliche kosmische Strahlung von der Oberfläche fernhielt. Kurzum der Mars war im Gegensatz zu heute eine lebensfreundliche Welt.

Magnetische Kristalle

Der schwarz-weisse Rand der Carbonatkügelchen enthält die magnetischen Mineralien Eisensulfid (Pyrrhotit, Greigit) und Eisenoxid (Magnetit).Es handelt sich um eindomänige magnetische Kristalle, die perlschnurartig aufgereiht erscheinen.

Magnetit kann entstehen, wenn eisenhaltiges, geschmolzenes Gestein abkühlt oder eisenhaltige Carbonate stark erhitzt werden (wobei CO2 entweicht) und die dann auskristallisierenden Eisenmineralien durch das Magnetfeld des Planeten magnetisiert werden. Aber es gibt zumindest auf der Erde auch (magnetotaktische) Bakterien, die enzymatisch magnetische Kristalle erzeugen und für die Orientierung am äußeren planetaren Magnetfeld nutzen. Die Magnetkristalle werden jeweils von einer Biomembran umhüllt. Jede Bakterienzelle enthält mehrere solcher Magnetosomen, die darin Ketten bilden wie Perlen auf einer Schnur (so.).

Magnetische Kristallkette in irdischen (magnetotaktischen) Bakterien (oben und mitte links) und im Marsmeteoriten ALH 84001 (unten). Quelle: NASA (verändert)

Typisch für die biologische Entstehung sind eindomänige, für die abiologische thermische Entstehung (s.o.)dagegen mehrdomänige magnetische Kristalle. Innerhalb einer magnetischen Domäne sind alle Elementarmagnete (magnetische Dipolmomente der Atome bzw.deren Hüllelektronen) parallel ausgerichtet.Ein mehrdomäniger Kristall enthält mehrere Bezirke unterschiedlicher magnetischer Ausrichtung. Die Magnetkristalle in den Carbonatkügelchen des Meteoriten waren eindomänig, was ja eher auf eine biologische Entstehungsweise hindeutet (s.o). Nur direkt unter der Kruste des Meteoriten fand man mehrdomänige Kristalle, denn hier wurde das Material beim Eintritt in die Erdatmosphäre stark erhitzt und aufgeschmolzen. Dabei zerfällt die einheitlichen Domänen in mehrere Bezirke mit unterschiedlicher Ausrichtung der Elementarmagnete, werden also mehrdomänig.

Die magnetische Kristalle in ALH 84001 sind in einer Kette angeordnet und eindomänig, ein deutlicher Hinweis auf einen biologischen Ursprung! Auch die ungewöhnliche Verteilung der magnetischen Kristalle, die sich im äusseren Rand konzentrieren, aber kaum im Inneren der Carbonatkügelchen vorkommen, spricht dafür.

Die neuesten Untersuchungen im Jahre 2009 zeigen zudem, daß die Magnetkristalle in ALH 84001 keinerlei Verunreinigungen enthalten, was (nach derzeitigem Kenntnisstand) nur mit einer biologischen Entstehungsweise zu erklären ist. 

Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe

Die Carbonatkügelchen enthalten auch organische Substanzen, vor allem Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH), aber auch Aminosäuren und zwar immer in direkter Nachbarschaft zu den magnetischen Kristallen.PAHs, die aus mehreren miteinander verbundenen aromatischen Ringsystemen bestehen, bilden sich bei der Zersetzung oder unvollständigen Verbrennung (Pyrolyse) von organischem Material. Es könnte sich hier also um die Überreste von (magnetotaktischen) Bakterien handeln. Diese Erklärung liegt nahe, wenn man bedenkt, daß die räumliche Verteilung der PAHs in den Carbonatkügelchen ziemlich genau mit derjenigen der magnetischen Kristalle übereinstimmt.

PAHs findet man allerdings auch in kohlenstoffhaltigen Meteoriten, Kometen und interstellaren Wolken, feinen Gas- und Staubschleiern zwischen den Sternen, wo sie (wahrscheinlich) anorganisch entstehen.

Die PAHs in ALH 84001 wurden in einer Vakuumkammer ohne jeden unmittelbaren Kontakt laserchemisch analysiert. Mit einem Infrarotlaser wurde von einer mit dem Mikroskop sorgfältig ausgewählten Stelle etwas Material abgesprengt. Direkt danach wurde ein ultravioletter Laserstrahl auf die Materiewolke abgefeuert und dadurch einige Moleküle ionisiert. Durch die Wahl der Ultraviolettfrequenz des Lasers konnte man die zu ionisierende Molekülklasse bestimmen. Durch ein elektisches Feld wurden die unterschiedlichen schweren ionisierten Molkeküle einer Klasse unterschiedlich stark beschleunigt. Auf diese Weise konnte man die Häufigkeitsverteilung innerhalb der zu untersuchenden Molekülklasse bestimmen (Massenspektroskopie).Die meisten PAHs in AL 84001 enthielten nur zwei, drei oder vier Benzolringe und einige wenige auch noch Kohlenwasserstoffseitenketten.Im Gegensatz dazu ist das Verteilungsmuster der PAHs, wie sie auf der Erde in Kohle,Erdöl und industriellen Abgasen vorkommen wesentlich komplexer.Auch Seitenketten sind hier häufiger.Das einfache Verteilungsmuster der PAHs in AL 84001 ist so, wie man es bei der Zersetzung von Bakterien erwarten würde.Es unterscheidet sich auch deutlich von dem Verteilungsmuster in interstellarer Materie und Kometen.

Das Verteilungsmuster der PAH im Marsmeteoriten ALH 84001 ist einfach, wie man es auch bei zersetzten Bakterien erwarten würde. Es überwiegen PAHs mit zwei, drei oder vier aromatischen Ringsystemen. Die Konzentration der PAHs nimmt von außen nach innen zu. Bei einer Kontamination auf der Erde wäre es genau umgekehrt. Quelle:  Science 16 August 1996: Vol. 273. no. 5277, pp. 924 – 930 (und http://www.daviddarling.info/).

Die Konzentration der PAHs nimmt im Marsmeteoriten ALH 84001 von außen nach innen zu.Zusammen mit dem andersartigen Verteilungsmuster spricht das eindeutig gegen eine äußere Kontamination auf der Erde.

Fossilien

Die für den Uneingeweihten beeindruckensten Hinweise auf mögliches außerirdisches Leben fanden die Wissenschaftler mit dem Elektronenmikroskop in Form von Strukturen auf der Oberfäche der Carbonatkügelchen, die an versteinerte Überreste (Fossilien) von Bakterien erinnern, wie man sie auch in irdischem Gestein gefunden hat. Es sind mehr oder weniger längliche, ovale, teilweise auch segmentierte Strukturen. Oftmals treten sie auch in grösseren Anhäufungen auf, wobei es sich um ehemalige Bakterienkolonien handeln könnte.

Mögliches Bakterienfossil in ALH 84001 mit segmentierter Struktur. Quelle: NASA Johnson Space Center

Die Strukturen sind aber deutlich kleiner als gewöhnliche Bakterien auf der Erde.Kritiker bezweifelten daher, daß der Platz für die biochemische Maschinerie einer Zelle überhaupt reicht.

Mögliche Bakterienkolonie in ALH 84001. Quelle: NASA Johnson Space Center

Allerdings wurden inzwischen auch in irdischem Gestein winzige Bakterien, die sogenannten Nanobakterien gefunden, die in Größe und Aussehen den möglichen Bakterien vom Mars ähneln.

Kugelförmige Mikrofossilien im Nakhla-Marsmeteoriten. Quelle: Johnson Space Center

Inzwischen fanden die Wissenschaftler auch in einem weiteren Marsmeteoriten, dem im Jahre 1911 in Ägypten niedergegangenen, 1,2 Milliarden Jahre alten Nakhla-Meteoriten mögliche fossile Spuren.Genauere Untersuchungen laufen.

Leben auf dem Mars heute?

Vor einiger Zeit entdeckten der europäische Marsorbiter „Mars Express“ und dann auch erdgestützte Teleskope konnten zur allgemeinen Überraschung sowohl mittels , als auch durch den europäischen Marssatelliten „Mars Express“ Spuren von Methan in der Marsatmosphäre. Eine Riesenüberraschung, denn Methan ist sehr instabiles Gas, das unter Marsbedingungen schon innerhalb nur weniger Marsjahre abgebaut wird (http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2008/11/mars-science-la.html). Es muß also natürliche Quellen geben, die ständig Methan nachliefern.Infrage kommen aktive Vulkane in größerem Umfang oder methanproduzierende Mikroorganismen (methanogene Bakterien). In der Marsatmosphäre wurden aber keine messbaren Mengen an Schwefeldioxid gefunden, was man bei aktiven Vulkanen eigentlich erwarten würde. Interessanterweise ist das Methan auch nicht gleichmäßig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern es gibt eindeutig auszumachende Quellen, wo erhöhte Konzentrationen gemessen werden. Dort wo die Marsatmosphäre viel Methan enthält, gibt es gleichzeitig auch relativ viel Wasserdampf, der aus ausgedehnten Eisfeldern unter der Planetenoberfläche stammt (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Könnte das ein Hinweis auf methanproduzierende Bakterien sein, die unter dem Eis recht annehmbare Lebensbedingungen vorfinden?

Fazit

Der Marsmeteorit ALH 84001 weist drei Besonderheiten auf, die in ihren Zusammentreffen auf engstem Raum eigentlich nur den Schluß zulassen, daß es zumindestens früher auf dem Mars mikrobielles Leben gab:

Der Meteorit ist mit Carbonatkügelchen durchsetzt, die sich in seinen zahlreichen Haarrissen abgelagert haben, als der Gesteinsbrocken auf dem Mars von Wasser umspült wurde. Die Carbonatkügelchen enthalten vor allem in ihrer äußeren Schicht magnetische Kristalle, welche in dieser Form (soweit bekannt) eigentlich nur durch Bakterien produziert sein können, um sich mit Hilfe des globalen planetaren Magnetfeldes zu orientieren (magnetotaktische Bakterien).

Die Carbonatkügelchen enthalten Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH), welche möglicherweise beim Zerfall von Bakterien entstanden sind. Dafür ihr Verteilungsmuster und vor allem auch ihre räumliche Verteilung in den Carbonaten, die mit derjenigen der Magnetkristalle übereinstimmt.

Auf der Oberfläche der Carbonatkügelchen entdeckte man auf Elektronenmikroskopaufnahmen Strukturen, die an fossilierte Bakterien erinnern und teilweise auch in Kolonien vorkommen.Dabei könnte es sich um Nanobakterien handeln. 

Es sieht tatsächlich so aus, als ob der Marsmeteorit die konkretesten Hinweise auf außerirdisches Leben enthält, die jemals gefunden wurden!

Jens Christian Heuer

Quellen: 1)“Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH84001″David S. McKay, Everett K. Gibson Jr., Kathie L. Thomas-Keprta, Hojatollah Vali, Christopher S. Romanek, Simon J. Clemett, Xavier D. F. Chillier, Claude R. Maechling, Richard N. Zare; Science 16 August 1996: Vol. 273. no. 5277, pp. 924 – 930 2)“Origins of magnetite nanocrystals in Martian meteorite ALH84001″ Kathie L. Thomas-Keprta, Simon J. Clemett,David S. McKay, Susan.J.Wentworth; Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 73, iss. 21, p. 6631-6677. 3)“Life on Mars: New evidence from Martian Meteorites“ David S. McKay, Kathie L. Thomas-Keprta, Simon J. Clemett, Lauren Spencer, Susan.J.Wentworth; Proc.of Spie Vol.7741 744102-1 4)“Die Jagd nach Leben auf dem Mars“ Dr. Donald Goldsmith Scherz-Verlag 1996 5)NASA Johnson Space Center(http://www.nasa.gov/centers/johnson/news/releases/) 6)Wikipedia

In den mittleren Breiten treffen tropische Warmluft und polare Kaltluft aufeinander. Der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen führt zu einem mit der Höhe zunehmenden Druckgradienten, der unter dem Einfluss der Erdrotation ein mehr oder weniger mäanderndes Starkwindband erzeugt, den Jetstream. Bei den hohen Windgeschwindigkeiten wird die Strömung häufig turbulent, und es  entwickeln sich (wiederum unter dem Einfluss der Erdrotation) aufwärtsgerichtete  Tiefdruckwirbel (Cyclonen, Wolkenbildung) und abwärtsgerichtete Hochdruckwirbel (Anticyclonen, Wolkenauflösung). Beide Druckgebilde verwirbeln tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander. Cyclonen und Anticyclonen bewegen sich mit der westlichen Höhenströmung und sorgen unter ihren Zugbahnen für ein mildes, aber  wechselhaftes Wetter. Die Höhenströmung eines stark mäandernden Jetstream bricht immer wieder zusammen, so dass sich cyclonale und anticyclonale Wirbel abspalten können (Cut Off). Zwischendurch erneuert sich die Höhenströmung polwärts wieder als nur schwach mäandernder Jetstream . Quelle: MeteoGroup 

Tropische Wirbelstürme entstehen normalerweise nur über dem offenen warmem Meer, wenn die Luft darüber kalt genug ist, also infolge eines ausreichenden vertikalen Temperaturgradienten. Die Wasserverdunstung liefert dem Wirbelsturm Energie in Form von latenter Wärme: Die warme, feuchte Luft wird steigt auf und kühlt dabei ab. Eine Divergenz innerhalb der Höhenströmung ist das auslösende Moment. Die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert in Form winziger Wassertröpfchen aus. Es bilden sich Wolken, wobei die für die Verdunstung des Wassers zuvor verbrauchte Energie als Kondensationswärme (latente Wärme) wieder freigesetzt wird und ihrerseits den Auftrieb der Luft und damit auch die Wolkenbildung verstärkt. Tropische Wirbelstürme bilden gewaltige Wolkentürme, die bis in die obere Troposphäre reichen, ja sogar in die Stratosphäre durchbrechen können.

Die Geburt von Grace. Nahe der Azoren ist bereits ein kleiner Wirbel erkennbar. Quelle: EUMETSAT

Die aufsteigende Luft wird unter dem Einfluss der Erdrotation abgelenkt, so dass eine Wirbelstruktur entsteht, welche ein sich verstärkendes Tiefdruckgebiet bildet, das immer mehr feuchtwarme Luft von allen Seiten ansaugt (bodennahe Konvergenz).

Die Wirbelstruktur von Grace ist voll ausgebildet. Quelle EUMETSAT

Die Drehbewegung beschleunigt sich bei Zufuhr von immer mehr latenter Wärme und nimmt in Richtung Zentrum zu. Die Zentrifugalkräfte werden schliesslich so gross, dass sich ein beinahe windstilles, wolkenarmes Auge bildet, in dessen Aussenrand (Eyewall), der Auftrieb der feuchtwarmen Luftmassen besonders stark ist.

Ein Auge hat sich ausgebildet. Quelle: EUMETSAT

Das Auge entsteht, weil aus der Höhe Luft angesaugt wird, die sich auf ihrem Weg nach unten immer mehr erwärmt, wobei sich die Wolken auflösen. Tropische Wirbelstürme bewegen sich in Abhängigkeit von der jeweils vorherrschenden Luftströmung.

Nahaufnahme des tropischen Wirbelsturms Grace nahe bei den Azoren. Quelle: NASA, Terra

Am 5. Oktober stuft die amerikanische Wetterbehörde den Tiefdruckwirbel auch offiziell als tropischen Wirbelsturm ein und gibt ihm den Namen „Grace“. Grace kann sich trotz relativ niedriger Wassertemperaturen  im Nordatlantik (knapp über 20°C) bilden, da die Höhenluft offenbar sehr kalt und der vertikale Temperaturgradient daher ausreicht.

Die von der NOAA am 5.Oktober 2009 berechnete Zugbahn von Grace. Quelle: NOAA, National Hurricane Center

Grace bewegt sich weiter in nordöstlicher Richtung westlich der Iberischen Halbinsel und dann westlich der französichen Atlantikküste in Richtung Britische Inseln.

Im Bereich der Eyewall (kleiner hellblauer Bogen, links im Bild) bilden sich infolge der starken Konvektion besonders hohe Wolkentürme, deren Oberseite dementsprechend kalt ist. Quelle: Meteosat (Meteoliguria)

Grace erreicht mittlere Windgeschwindigkeiten von 111 km/h (Windstärke 11) und verpasst so nur knapp den Status eines Hurrikans der Kategorie 1 (ab 118 km/h, Windstärke 12). Die Windspitzengeschwindigkeiten liegen sogar bei 140 km/h.

Je weiter nach Norden Grace kommt, umso mehr schwächt sich der Wirbelsturm  jedoch wegen der fallenden Wassertemperaturen ab. Grace verschmilzt sehr bald mit einem normalen aussertropischen Tief, bleibt aber als eigenständiges Muster weiterhin erkennbar.

Grace nahe der Südspitze von Irland. Quelle: EUMETSAT

Am 6. Oktober 2009 passiert Grace die südirische Küste und wandert weiter in Richtung Südengland.

Grace bewegt sich nahe der südirischen Küste Kurs Südengland. Das Auge und die Eyewall sin immer noch erkennbar. Quelle: Sat 24

Als Grace am späten Abend schliesslich Südengland erreicht, löst sich der Sturm langsam auf. Über Land fehlt einfach der notwendige Nachschub an latenter Wärme. Im Süden Englands werden zum Teil heftige Regenfälle gemeldet.

Seitdem Satelliten ab 1960 das Wetter beobachten, hat sich noch nie ein tropischer Wirbelsturm soweit nordöstlich auf dem Atlantik gebildet und erstmals erreichte ein tropischer Wirbelsturm Westeuropa, wenn auch in stark abgeschwächter Form.

Jens Christian Heuer

Quellen: EUMETSAT (http://www.eumetsat.int/, MeteoGroup (http://www.meteogroup.de/)NOAA (http://www.nhc.noaa.gov/),  NASA( http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov/), Sat 24 (http://www.sat24.com/)

Anfang der 1960er Jahre nahm der englische Wissenschaftler James Ephraim Lovelock an einem Projekt des Jet Proplsion Laboratory (Pasadena, California)der NASA zur Suche nach Leben auf dem Mars teil. Lovelock, ein begabter Erfinder hatte die Aufgabe Instrumente zum Nachweis von Leben für eine geplante unbemannte Marssonde zu entwickeln. Da Leben auf dem Mars sich durchaus vollkommen von irdischem Leben unterscheiden könnte, hielt es Lovelock für sinnvoll, nach möglichst allgeneinen Eigenschaften des Lebens bzw. deren Auswirkungen zu suchen: Leben nimmt unter Energieverbrauch notwendige Stoffe aus seiner Umgebung auf und scheidet Abfallstoffe wieder aus.  Dabei wird zwangsläufig auch die Atmosphäre des betreffenden Planeten verändert. Man müsste demzufolge, allein schon durch eine spektroskopische Untersuchung der Marsatmosphäre, Hinweise auf mögliches Leben finden können, auch ohne Raumschiff mit Instrumenten von der Erde aus.

James Ephraim Lovelock (geb.1919) Quelle: http://www.ecolo.org/

James Lovelock und seine Kollegin Diane Hitchcock begannen mit der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Marsatmosphäre und verglichen sie mit derjenigen der Erde, die ja nun ohne Zweifel ein belebter Planet ist. 

Dabei entdeckten sie einen interessanten Unterschied: Die Atmosphäre des Mars bestand, wie die des anderen, inneren Nachbarplaneten Venus hauptsächlich (zu 95%) aus Kohlendioxid (CO2).Daneben gab es noch etwas Stickstoff (N2, 2,7%), Spuren von Sauerstoff (O2, 0,13%) und das Edelgas Argon (Ar, 1,6%). Ganz anders als auf der Erde, deren Atmosphäre als Hauptbestandteil Stickstoff (N2, 78%), grosse Mengen Sauerstoff (O2, 21%); Argon (Ar, 1%) und in deutlichen Spuren Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) enthält. 

Mars ist ein Wüstenplanet, verfügt aber auch über grössere Wasser(eis)vorkommen. Auf der Nordhalbkugel sieht man einen Wirbelsturm, ähnlich den Hurrikanen auf der Erde. Quelle: Hubble, NASA

Während sich die Marsatmosphäre danach praktisch im chemischen Gleichgewicht  befand, gab es in der Erdatmosphäre Gase, die leicht miteinander chemisch reagieren können, wie etwa Sauerstoff und Methan und das auch noch in beachtlichen Mengen. Um eine gleichbleibende Konzentration dieser Gase in der Atmosphäre aufrecht zu erhalten, musste es eine aktive Quelle geben, welche ständig die durch chemische Reaktionen verbrauchten Gase nachlieferte. Diese Quelle ist eindeutig das Leben auf der Erde schloss Lovelock.

Gaia, der lebendige Planet

Das Leben auf der Erde hat vor mindestens 3,5 Milliarden begonnen, wie Mikrofossilien in den ältesten auffindbaren Gesteinen belegen und in dieser Zeit die Zusammensetzung der Atmosphäre tiefgreifend verändert.   

Die Erde, Natural Color RGB: Diese Bilder werden in 3 Wellenlänenbereichen aufgenommen:rot, gün und blau. Vegetation erscheint grün, da das Chlorophyll der Pflanzen grün deutlich besser reflektiert als rot und blau. Wolken aus kleinen Wassertröpfchen reflektieren alle Wellenlängen und sind daher hellweiss,  Eiswolken  jedoch cyanblau, weil  Eis rotes Licht stark absorbiert. Der unbewachsene Boden erscheint braun, denn rot wird besser reflektiert als blaues. Die Ozeane absorbieren alle Wellenlängen und sind daher beinahe schwarz. Quelle: MeteoSat, EUMETSAT

Algen und später auch Landpflanzen entfernten durch Photosynthese (Umwandlung von Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen unter Verwendung vonKohlendioxid und Wasser) Kohlendioxid (CO2) direkt aus der Atmosphäre und setzten Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt frei. Wie Lovelock gemeinsam mit der amerikanischen Mikrobiologin Lynn Margulis herausfand, beschleunigen Bakterien und Landpflanzen bei ihrer Atmung (s.u.) die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser mit gelöstem CO2, Kohlensäüre) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung (um das 1000 fache!), indem sie Säuren freisetzen und das Kohlendioxid (CO2) am Boden konzentrieren. Die dabei gebildeten Carbonate (und Silikate) gelangen in Wasser gelöst in die Ozeane, wo sie in Kalkschalen von ein- und mehrzelligen Meeresorganismen eingebaut werden, um nach deren Tode bis auf weiteres am Meeresgrund abgelagert zu werden.Im Rahmen der Plattentektonik gelangen die Carbonate durch Subduktion (Untertauchen einer Erdkrustenplatte unter die andere) ins Erdinnere und werden aufgeschmolzen. Das dabei freigesetzte Kohlendioxid (CO2) löst sich im Magma. Über Vulkane und Sea-floor spreading(tektonischer Prozess bei dem durch aufsteigendes Magma Erdkrustenplatten auseinandergeschoben werden und gleichzeitig neuer Meeresboden entsteht) kehrt es später dann wieder in die Erdatmosphäre zurück. Der Kohlenstoffkreislauf ist damit geschlossen.

Es gibt auch Bakterien, die andere abgestorbene Organismen zerlegen und dabei aus den abgebauten organischen Verbindungen die Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) freisetzen. Bei diesem Fäulnisprozess wird aber nicht der gesamte  Kohlenstoffs in gasförmiger Form in die Atmosphäre entlassen, sondern ein kleiner Teil in fester oder flüssiger Form deponiert und so dem Kohlenstoffkreislauf (vorerst) entzogen. Auf diese Weise entstanden auch die fossilen Brennstoffe Kohle und Erdöl. Zuweilen werden Methan und andere flüchtige Kohlenwasserstoffe auch als Erdgas unterirdisch mit eingeschlossen.

Das Leben gestaltet also aktiv die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und bietet damit gleichzeitig die Voraussetzungen für mindestens drei Lebensweisen:

Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien, die unter Nutzung der Sonnenenergie aus Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) energiereiche organische Verbindungen herstellen und aus diesen durch Vergärung oder durch Atmung, also die kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2) die zum Leben notwendige Energie gewinnen;

Fäulnisbakterien (methanogene Bakterien), die unter Freisetzung von Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) durch Zersetzung organischer Verbindungen abgestorbenen Lebewesen Energie gewinnen und

Konsumenten (Tiere), die andere Lebewesen oder ihre Ausscheidungen fressen und die enthaltenen organischen Verbindungen durch Atmung verwerten (kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2)).

Gleichzeitig beeinflusst das Leben, indem es ganz wesentlich die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt, aber auch die Temperatur und sorgt dafür, dass sie im lebensfreundlichen Bereich bleibt.

Alles keine Selbstverstänlichkeit, denn es ist keinesfalls so, dass die Erde durch einen glücklichen Zufall von Anfang die Sonne in einem Abstand umrundete, so dass der Planet stets die richtige Strahlungsenergie bekam, um milde Temperaturen aufrecht zu erhalten, die dem Leben förderlich waren.

Ganz im Gegenteil, als das Leben vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren begann (s.o.), war die Leuchtkraft der Sonne um beinahe 1/3  geringer als heute. Unter diesen Bedingungen hätte der Planet eigentlich komplett zugefroren sein müssen. Stattdessen tummelte sich aber schon das erste Leben in Form von Bakterien und Algen in flüssigen Ozeanen. Seitdem hat die Leuchtkraft der Sonne kontinuierlich zugenommen. Das ist ganz normal im Lebenslauf eines durchschnittlichen Sterns wie der Sonne. Durch die energieliefernden Kernfusionsprozesse im Sonneninneren werden Wasserstoffatomkerne fortlaufend in die schwereren Heliumatomkerne umgewandelt. Die Dichte im Sonnenkern nimmt zu, der sich daraufhin unter dem Einfluss der Schwerkraft langsam immer weiter zusammenzieht. Dabei steigen Kerntemperatur, Kernfusionsrate und infolgedessen auch die Leuchtkraft der Sonne.

Das die Erde in der Anfangszeit des Lebens wegen der schwachen Sonne nicht zugefroren war lag am überreichlich vorhandenen Kohlendioxid (CO2), das als Treibhausgas die Erde so warm hielt, dass Wasser in flüssiger Form auf der Oberfläche des Planeten existieren konnte. Hinzu kam später noch Methan (CH4), ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid (CO2), das von den methanogenen Bakterien durch Zersetzung abgestorbenen Lebens freigesetzt wurde (s.o.). Methan (CH4) ersetzte bis zu einem gewissen Grade das Kohlendioxid ( CO2), welches durch die von Bakterien und Landpflanzen beschleunigte chemische Verwitterung aus der Atmosphäre entfernt wurde und verhinderte so eine zu starke Abkühlung der Erde durch den beschleunigten CO2-Schwund.

Bei der Photosynthese wurden grössere Mengen Sauerstoff (O2) frei, die jedoch zunächst (fast) vollständig durch reduzierende Substanzen (Wasserstoff (auch in organischen Verbindungen), Eisen u.a.m.) an der Erdoberfläche gebunden wurden. Später reicherte sich der Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre an, wo es für das meiste Leben tödlich wirkte. Erst das Aufkommen sauerstoffatmender Pflanzen und der Konsumenten brachte Erleichterung. Diese waren in der Lage den Sauerstoff zur Energiegewinnung aus organischen Substanzen zu nutzen, was wesentlich effektiver ist als diese einfach nur zu vergären. bei der Atmung findet im Gegensatz zur Gärung ein vollständiger Abbau (bis zu Kohlendioxid und Wasser) statt, wobei mehr Energie frei wird. Die methanbildenden Bakterien, die überhaupt keinen Sauerstoff ( O2) vertrugen, zogen sich in sauerstofffreie Nischen im Untergrund zurück (z.B. Sümpfe). Später besiedelten sie auch die Därme von Tieren.

Dem Leben auf der Erde gelang  jedenfalls das Kunststück, immer soviel von den Treibhausgasen Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) aus der Atmosphäre zu entfernen, wie notwendig war, eine Überhitzung des Planetens durch die zunehmende Leuchtkraft der Sonne zu vermeiden. Eine mehr als bemerkenswerte Tatsache, die so zu erklären ist:

Wird es wärmer, so wachsen Algen, Bakterien und Landpflanzen besser. Durch gesteigerte Photosynthese der Algen und Landpflanzen wird mehr Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre „abgepumpt“. Wegen der erhöhten Wasserverdunstung fällt mehr (kohlensaurer)Regen, was zusammen mit der grösseren Aktivität von Bodenbakterien und Landpflanzen die chemische Verwitterung beschleunigt und so den CO2-Gehalt der Atmosphäre weiter verringert. Der Rückgang des Teibhausgases Kohlendioxid (CO2) bringt dann die Abkühlung. Dieser Mechanismus funktioniert natürlich auch umgekehrt.

Das Leben auf der Erde kontrolliert also die Atmosphäre, die Temperatur und damit auch das Klima. es sorgt dafür das der Planet trotz sich verändernder Sonneneinstrahlung bis heute lebensfreundlich blieb. Für James Lovelock bildet die Erde mit ihren Lebensformen eine Art Superorganismus, der sich selbst reguliert, um seine Weiterexistenz zu sichern. Lovelock  nannte diesen Superorganismus Erde „Gaia“, die lebendige Erde, so wie es ihm sein Nachbar und Freund, der Schriftsteller William Golding vorgeschlagen hatte, nach der griechischen Erdgöttin. Im Jahre 1979 machte Lovelock seine neue Gaia-Theorie mit dem Buch „Gaia: A New Look at Life on Earth“ einer breiten Öffentlichkeit bekannt.

Lovelock entdeckte später noch weitere Rückkopplungen, mit denen Gaia für lebensfreundliche Bedingungen sorgt.

Da wäre beispielsweise die Sache mit dem Salzgehalt der Ozeane.  Für Meeresorganismen ist das im Meereswasser gelöste Salz eine echte Herausforderung. Der Salzgehalt liegt bei knapp 3,5%. Damit kommen sie noch zurecht. Schon bei etwas über 4% würde allerdings die elektrische Ladung der gelöstenSalzionen den Zusammenhalt der Zellmembranen gefährden, welcher ebenfalls auf elektrischen Kräften beruht. Dasselbe gilt für die Funktionstüchtigkeit wichtiger Enzyme des Stoffwechsels. Bei einem noch höheren Salzgehalt würden (fast) alle Meereslebewesen absterben. Doch es hat zumindest während der letzten 500 Millionen Jahre niemals ein Massenaussterben wegen zuviel Salz gegeben. Stattdessen lag der Salzgehalt der Ozeane immer um die gut verträglichen 3,5%. Das ist schon erstaunlich, wenn man bedenkt das durch chemische Verwitterung und Sea-floor spreading ein ständiger Salzeintrag stattfindet. Auch hier ist wieder ein selbstregulierender Mechanismus am Werke.  Mikrorganismen des Meeres mit Schalen aus Kieselsäure nehmen über ihre Zelloberflächen in Wasser gelösten Salze auf, um nach ihrem Tode abzusinken und so die überschüssigen Salze so auf dem Meeresboden zu deponieren. Insgesamt stellen Mikroorganismen nur 10-40% der Biomasse in den Ozeanen, doch wegen ihrer grossen Oberfläche im Vergleich zum Volumen 70-90& der biologisch aktiven Oberflächen.

Um mit dem normalen Salzgehalt von 3,5% fertig zu werden, benutzen vor allem mehrzellige Meeresorganismen membranständige Pumpen mit denen sie eindingende Salzionen wieder aus ihren Zellen herausbefördern. Da dies energetisch sehr aufwendig ist, behelfen sich die einzelliegen Meeresalgen auf andere Weise.  Sie bilden Dimethylsulfonpropionat (DMSP), eine ionische Verbindung, deren Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, welche sich beide aber nach aussen hin neutralisieren. Daher ist DMSP für die Algen unschädlich. Indem sie  Salze durch DMSP ersetzen halten die Meeresalgen ihren Salzgehalt niedrig, denn DMSP verringert den osmotischen Druckgradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem. Sterben Meeresalgen ab, so wird DMSP freigesetzt und im Wasser bakteriell abgebaut. Dabei entsteht gasförmiges Dimethylsulfid (DMS). DMS gelangt an die Luft und wird durch den atmosphärischen Sauerstoff (O2) zu Sulfaten oxidiert. Diese ziehen als Sulfataerosole Wasser an und wirken dadurch  als Kondensationskeime für die Wolkenbildung . Dadurch bilden sich mehr Wolken mit kleineren Wassertröpfchen, die das Sonnenlicht verstärkt reflektieren und so direkt abkühlend wirken.

Meeresalgen fördern die Wolkenbildung. Quelle: Wikipedia

Die intensivierte Wolkenbildung begünstigt darüber hinaus durch Freisetzung von mehr latenter Wärme die Entstehung von Tiefdruckwirbeln. Deren Winde durchmischen die oberen und unteren Wasserschichten und verbessern so wiederum die Mineral- und Nährstoffzufuhr für die Meeresalgen und andere Meeresorganismen.  

Daisyworld

Die Gaia-Theorie erweckte grosses Aufsehen in der Öffentlichkeit und löste kontroverse Debatten unter den interessierten Wissenschaftlern aus. Kritiker wandten ein, eine Selbstregualtion der Erde erfordere eine Absprache aller beteiligten Lebewesen, also absichtsvolles Handeln. Das sei ein absurder Gedanke, ein absoluter Widerspruch zur Darwinschen Evolution durch zufällige (genetische) Variationen, Anpassung und Selektion.

Um dieser Kritik zu begegnen entwickelte Lovelock das Daisyworld-Modell, um zu zeigen wie die Selbstregulation eines Planeten auch ohne bewusste Absicht seiner Bewohner funktionieren kann.

Daisyworld ist ein durch mathematische Gleichungen beschriebener Modellplanet, der in seinen Eigenschafte der Erde ähnelt. Allerdings existieren auf ihm nur zwei Lebensformen, helle und dunkle Gänseblümchen (Daisies). Die Gänseblümchen können nur in einem Temperaturbereich zwischen +5°C und +40°C überleben. Optimal sind 22°C. Der Planet umrundet einen durchschnittlichen Stern, dessen Leuchtkraft wie bei der Sonne allmälich zunimmt.

Die hellen Daisies reflektieren das Sonnenlicht und kühlen sich damit ab, die dunklen Daisies absorbieren das Sonnenlicht und halten sich damit warm. Das Wachstum beider Arten hängt von den herrschenden Temperaturverhältnissen, der Populationsdichte, dem noch vorhandenen unbewachsenen Flächen und der natürlichen Lebensdauer der Pflanzen ab. Lovelock benutzte dafür Gleichungen, die das Leben wirklicher Gänseblümchen (Daisies) angemessen beschreiben. Die Wachstumsrate der beiden Arten passen sich den jeweils herrschenden Verhältnissen an.

Zunächst ist der Planet zu kalt und es gab kein Leben. Ist die Leuchtkraft der Sonne hoch genug, um auf Daisyworld +5°C zu erreichen entwickeln sich in der Äquatorregion die ersten dunklen Daisies, die es verstehen sich ausreichend warm zu halten. Ist ihre Anzahl gross genug, so erwärmen sie durch ihre den gesamten Planeten, dessen Albedo abnimmt. Die hellen Daisies haben allerdings noch keine Chance. Mit zunehmender Leuchtkraft der Sonne und fortschreitender Erwärmung breitet sich die dunkle Variante in Richtung der Pole aus und bald erscheinen am Äquator auch die ersten hellen Daisies, die hier nach und nach wegen ihrer kühlenden Eigenschaften einen Vorteil bekommen. In den gemässigten Breiten mit optimaler Temperatur koexistieren helle und dunkle Daisies. Wird der Planet noch wärmer, so ziehen sich die dunklen Daisies in die Polregionen zurück, während die helle Variante den übrigen Planeten beherrscht, seine Albedo erhöht und ihn deshalb abkühlt. Über die gesamte Zeit, in der die gesamte Planetenoberfläche bewohnt ist, halten sich auch die Temperaturen in einem lebensverträglichen Bereich. Mit noch weiter fortschreitender Erwärmung wird die Äquatorregion von Daisyworld zu heiss und unbewohnbar. Es verbleiben die hellen Daisies die sich immer weiter in die Polregionen zurückweichen müssen. Schliesslich wird die Population der hellen Daisies so gering, dass sie den Planeten nicht mehr ausreichend kühlen können. Der gesamte Planet wird zu heiss und stirbt.

Der Modellplanet Daisyworld mit Leben kann trotz zunehmender Leuchtkraft der Sonne über einen langen Zeitraum milde, lebensfreundliche Temperaturen aufrecht erhalten. Ohne Leben gelingt ihm das nicht.

Trotzdem gelingt es Daisyworld mit seinen hellen und dunklen Daisies über einen langen Zeitraum lebensfreundliche Temperaturen aufrecht zu erhalten, was ohne Leben niemals möglich wäre.

Das Daisyworld-Modell zeigte eindrücklich, dass prinzipiell ein lebendiger Planet selbst für lebensfreundliche Bedingungen sorgen kann, ganz ohne bewusste Absicht! Erst wenn die Leuchkraft der Sonne einen kritischen Wert überschreitet ist das System mit der Selbstregulation überfordert und bricht zusammen. Obwohl alle Lebewesen nur mit dem eigenen Überleben beschäftigt sind, dienen sie wie von einer Unsichtbaren Hand gelenkt dem Gesamtwohl des Planeten.

Auch realitätsnähere Varianten von Daisyworld in denen mehr Gänseblümchenarten vorkommen, aber auch Pflanzenfresser und Fleischfresser, welche sich wiederum von den Pflanzenfressern ernähren, funktionieren einwandfrei.

Gaia und Klimawandel

Die Gaia-Theorie ist auch für die laufende Diskussion über den menschengemachten Klimawandel durch die fortgesetzte Emission fossiler Brennstoffe von hohem Erkenntniswert.  Der Erde ist es vor allem durch das Abpumpen und des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre gelungen, einer Überhitzung infolge der immer weiter ansteigenden Leuchtkraft der Sonne zu entgehen. Und genau dieses Kohlendioxid (CO2) setzt die Menschheit jetzt wieder durch die Nutzung fossiler Brennstoffe im Rekordtempo frei. Das sollte eigentlich auch die Klimaskeptiker nachdenklich stimmen, die immer wieder behaupten, die Sonne bestimme (fast) allein das Klima und bei der Sache mit den Treibhausgasen handele es sich um ein Scheinproblem!

In den Abschätzungen des International Panel on Climate Change (IPCC,  http://www.ipcc.ch/) wird von einem allmälichen Temperaturanstieg bei zunehmender Treibhausgaskonzentration ausgegangen. Vergleicht man etwa die Projektionen des IPCC mit der seitdem tatsächlich stattgefundenen Entwicklung, so befinden wir uns derzeit nahe dem oberen Rand dieser Szenarien. das gilt nicht nur für die global gemittelte Temperatur, sondern auch für den globalen Meeresspiegelanstieg.

Mit einem Klimamodell, das auf den Prinzipien von Daisyworld basiert, aber auch den entscheidenden Einfluss der Meeresalgen (Beeinflussung der Wolkenbildung) und Landpflanzen (Abpumpen des CO2) auf das Klima  mit einbezieht, fand Lovelock schon im Jahre 1994 heraus, dass sich der Klimawandel zu einer wärmeren Welt nicht langsam und gemächlich, sondern sehr abrupt vollziehen könnte.

Überschreiten die Wassertemperaturen der Ozeane einen kritischen Wert so nimmt die Dichte der oberen Schichten derart ab, dass sich eine stabile Schichtung ausbildet (Stratifizierung). Ein Austausch mit den mineral- und nährstoffreichen Schichten ist dann kaum mehr möglich. Die Meeresalgenpopulationen, die ja nur in den oberen Schichten existieren können, wo es hell genug für ihre Photosynthese ist, sterben zu grossen Teilen ab.

In dem Klimamodell von Lovelock passierte nun folgendes: Bei einer atmosphärischen CO2-Konzentration von 500 ppm (parts per million) – heute sind es bereits 390 ppm(!)-  erreichten die Wassertemperaturen der Ozeane so hohe Werte, dass die meisten Meeresalgen starben und damit ihre klimaregulierenden, abkühlenden Fähigkeiten verloren. Die Wolkenbedeckung ging zurück, und es kam zu einem abrupten globalen Temperaturanstieg um 6°C ! Ein neues Gleichgewicht stellte sich ein, das auch bei einem weiteren CO2 Anstieg (vorerst) stabil blieb. Die Landpflanzen allein übernahmen nun die Hauptrolle bei der Regulation des Klimas. Ein globaler Temperaturanstieg von 6°C hätte natürlich katastrophale Folgen. Der Meeresspiegel würde vor allem durch das Abschmelzen des Festlandeises in Grönland und in der Westantarktis um mehrere Meter ansteigen und weltweit die meisten Hafenstädte früher oder später in den Fluten versinken.

 Doch Leben auf dem Mars?

Zur allgemeinen Überraschung fanden vor wenigen Jahren der europäische Marssatellit „Mars Express“ und später auch erdgebundene Teleskope beachtliche Mengen an Methan (CH4) in der Marsatmosphäre. Methan (CH4) ist, worauf  Lovelock während seiner Zeit bei der NASA ja bereits hingewiesen hatte, ein sehr reaktives Gas, das mit dem vorhandenen Sauerstoff binnen kurzen zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) reagiert. Es muss also natürliche Quellen geben, welche ständig Methan (CH4) nachliefern. Das Gas ist interessanterweise nicht gleichmässig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern weist ein charakteristisches Muster erhöhter Konzentrationen auf: Genau dort wo es viel Methan(CH4) gibt, treten auch hohe Wasserdampfkonzentrationen und genau dort gibt es auch Wassereisvorkommen unter der Marsoberfläche (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Es liegt nahe auf die Existenz methanogener Bakterien zu schliessen, die unter dem Eis vielleicht recht erträgliche Lebensbedingungen vorfinden.

Und noch etwas wurde womöglich bisher übersehen. Der Sauerstoffgehalt der Marsatmosphäre ist zwar nur gering, aber immerhin 30.000 mal höher als bei allen anderen Planeten unseres Sonnensystems ausser der Erde. Gibt es auch hier natürliche Quellen? Könnten es Algen sein, die ebenfalls unter schützendem Eis ihr Dasein fristen?

 Algen in der Südpolarregionn des Mars? Quellen: NASA, ESA, Mars Astrobiology Group ( http://www.colbud.hu/esa/), verändert.

Wissenschaftler der ESA (European Space Agency) halten das für möglich. In den Dünenfeldern der Südpolarregion des Mars erscheinen und verschwinden mit dem Wechsel der Jahreszeiten dunkle Flecken, die so genannten “Dark Dune Spots”(DDS) Die Flecken tauchen zu Frühlingsbeginn auf, werden dann kräftiger (Maximum im späten Frühling), um mit dem beginnenden Sommer wieder zu verblassen. Die DDS werden vor allem auf der Südhalbkugel bis hinauf zu -60° SÜD angetroffen, genau dort, wo auch grössere Wassereisvorkommen gefunden wurden.

So könnte der Lebenszyklus möglicherweise algenähnlicher Marsorganismen (Mars Surface Organism, MSO) aussehen. Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Das gleichzeitige Vorhandensein nennenswerter Mengen an Sauerstoff (O2) und Methan (CH4), zwei sehr reaktiver Gase darf nach der Gaia-Theorie als Indiz für Leben auf dem Mars gewertet werden. Allerdings würde es nur ein Leben auf Sparflamme sein, zu schwach, um den Planeten in Richtung lebensfreundlicher Bedingungen zu regulieren, vielleicht die Überreste einer einstigen Gaia auf dem Mars, deren gute Zeit schon vorüber ist.

Jens Christian Heuer

Bücher von James E. Lovelock: 1) Gaia: A New Look at Life on Earth; TB Oxford University Press  2) Ages of Gaia: A Biography of Our Living Earth; TB Oxford University Press (dt. Das Gaia- Prinzip. Die Biographie unseres Planeten.; Insel TB)  3)The Revenge of Gaia: Earth’s Climate Crisis & the Fate of Humanity; Basic Books (dt. Gaias Rache: Warum die Erde sich wehrt; TB Ullstein) 4)The Vanishing Face of Gaia: A Final Warning; Basic Books

Das neue Modell mit dem Namen sCast dient der saisonalen Langfristwettervorhersage  und wurde von dem US-amerikanischen Meteorologen Judah Cohen und seinen Kollegen bei dem privaten Wetterdienst und Klimaforschungsunternehmen Athmospheric Environmental Research Inc.(AER, http://www.aer.com/) in Lexington Massachusetts entwickelt. sCast nimmt als Ausgangspunkt ihrer Vorhersage die Schneebedeckung von Sibirien im Herbst.

Fällt im Oktober überdurchschnittlich viel Schnee, so sorgt die entsprechend ausgedehnte Schneedecke für besonders tiefe bodennahe Temperaturen. Das sich in dieser zeit aufbauende Kältehoch über Sibirien gewinnt dann überdurchschnittlich an Stärke. Das sibirische Kältehoch blockiert den von Westen nach Osten gerichteten troposphärischen Jetstream, der dann stark mäandert (Rossby-Wellen) und zwingt so die von ihm mitgeführten Tiefdruckwirbel zu grossen Umwegen. Die Zirkulation wird dadurch ausgesprochen meridional. Die Rossby-Wellen pflanzen sich nach oben hin zur Stratosphäre fort und versetzten den zum Polarwirbel gehörenden stratosphärischen Jetstream in Schwingungen. Die Windgeschwindigkeiten gehen immer weiter zurück bis rund 3 Monaten der Stratosphärenjet so instabil wird, dass Warmluft in die Stratosphäre über der Polarregion vorstossen kann. Diese Stratosphärenerwärmung (major warming) findet  also im Januar des Folgejahres statt und führt zum Zusammenbruch des Polarwirbels, der sich dann in zwei Wirbel aufspaltet (Polarwirbelsplit). Damit fällt ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream aus, so dass er zunehmend mäandert, seine Windgeschwindigkeiten sinken und er sich weiter nach Süden verlagert.

Der dem Wettervorhersagemodell sCast zugrundeliegende Mechanismus. Erklärungen im Text. Quelle: http://www.nsf.gov/news/

Die somit vorherrschende meridionale Zirkulation begünstigt Kaltluftausbrüche (Tröge und Kaltlufttropfen) gen Süden. In den betroffenen Regionen (Europa, Asien, östliches Nordamerika) gibt es dann einen kalten Winter. In einigen Gegenden der nördlichen Breiten fallen die Winter aber durch die im Gegenzug nach Norden vorstossende Warmluft relativ mild aus.

Beispiel einer gelungenen Vorhersage durch sCast. Quelle: Judah Cohen, http://www.aer.com/

Das Modell sCast hat sich schon bei immerhin 7(!) langfristigen Winnterwettervorhersagen und auch bei der Auswertung von 33 (!) Simulationen von Wintern der Vergangenheit bewährt.

Anhang 1 : Dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete

In den mittleren Breiten der Nordhalbkugel (und der Südhalbkugel) treffen (sub)tropische Warmluft und polare Kaltluft  direkt aufeinander. Der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen erzeugt auch einen mit zunehmender Höhe immer mehr anwachsenden Druckgradienten, da warme Luft sich (vertikal) mehr ausdehnt als kalte Luft, Daraus resultiert ein polwärts gerichteter Höhenwind, der unter dem Einfluss der Erdrotation  zu einem Westwind abgelenkt wird und sich bis zum Boden hin durchsetzt. In der oberen Troposphäre bildet sich wegen des hier besonders hohen Druckgradienten ein Starkwindband, der  troposphärische Jetstream, der ab einer kritischen Geschwindigkeit zu mäandern beginnt (Rossby-Wellen). In den Wellentälern (Höhentrögen) wird polare Kaltluft äquatorwärts, in den Wellenbergen (Hochkeilen, Rücken) tropische Warmluft polwärts transportiert (meridionaler Transport).

Mit den bei wachsenden Windgeschwindigkeiten immer häufiger auftretenden Turbulenzen entwickeln sich (unter der Einwirkung der Erdrotation) aufwärtsgerichtete dynamische Tiefdruckwirbel (Cyclonen) und abwärtsgerichtete dynamische Hochdruckwirbel (Anticyclonen). Innerhalb der Cyclonen wird die Luft gehoben und kühlt dabei ab, so dass sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit viele Wolken bilden können (Schlechtwetter). Bei den Anticyclonen verhält es sich genau umgekehrt (Schönwetter).

Beide Druckgebilde verwirbeln tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander. Die Cyclonen bewegen sich mit der Höhenströmung in Richtung Osten und sorgen unter ihren Zugbahnen (zusammen mit Zwischenhochs) für ein mildes, aber auch wechselhaftes Wetter. 

Bei einem sehr stark mäandernden Jetstream bricht die Höhenströmung oft teilweise zusammen, so dass sich cyclonale und anticyclonale Wirbel abspalten können (Cut Off). Später erneuert sich die Höhenströmung aber polwärts wieder.

Es verhält sich bei dem Jetstream und seinen Wirbeln so ähnlich wie bei einem Fluss mit Stromschnellen, die immer dann auftreten, wenn das Gefälle zunimmt oder Felsblöcke  das Flussbett verengen. In den Stromschnellen (turbulente Strömung) bilden sich Wirbel, die mit der Strömung davongetragen werden. Was beidem Fluss das wechselnde Gefälle, ist beim Jetstream der ebenfalls wechselnde Temperaturgradient (und damit Druckgradient) zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft. Die Rolle der das Flussbett verengenden Felsblöcke übernehmen hohe Gebirge, welche die Höhenströmung ebenfalls spürbar einengen.

Eine Strömung wird durch Wirbelbildung an einem Hindernis turbulent. Quelle: http://web.physik.rwth-aachen.de/

Cyclonen beziehen ihre Energie nicht nur aus ihrem Jetstream, sondern auch aus der latenten Wärme (Kondensationswärme), die bei der Wolkenbildung  frei wird. Die Cyclonen ihrerseits übertragen wieder einen Teil ihrer Energie  an ihren Jetstream.

Anhang 2: Polarwirbel

Über beiden Polen der Erde bilden sich in der Stratosphäre abwärtsgerichtete, kalte Tiefdruckwirbel, welche bis in die mittlere Troposphäre hinabreichen, die Polarwirbel.

Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, in welcher sich die meisten Wettervorgänge abspielen. Die Stratosphäre enthält nur wenig Wasserdampf, dafür aber grössere Mengen Ozon, das die für das Leben gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dadurch ist die Stratosphäre immer deutlich wärmer als die obere Troposphäre.

Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen ausreichend kalt ist. Während der Polarnacht nehmen die jeweils betroffenen Polarwirbel an Stärke zu. Dann ist der stratosphärische Temperaturgradient auf der Nordhalbkugel besonders hoch. Dieser treibt den Stratosphärenjetstream am äusseren Rand des Polarwirbels an, welcher wiederum ein Antriebsmotor des troposphärischen Jetstreams ist.

Ein starker Polarwirbel begünstigt eine eher polnähere (nördlichere), zonale Zirkulation (entlang der Breitengrade), ein schwacher und erst recht ein gespaltener Polarwirbel dagegen eine polfernere (südlichere) meridionale Zirkulation (entlang der Längengrade).

Quellen: http://www.nsf.gov/, http://www.sciencedaily.com/

Jens Christian Heuer

Die Abkühlung im Nordatlantik begann Anfang Juni in der Region der Azoren, setzt sich bis heute fort und dehnte sich dabei allmälich über eine immer grössere Fläche aus, wobei sich die Wassertemperturen zeitweise sogar noch immer weiter zurückgingen.

Die negative Temperaturanomalie im Nordatlantik am 30. Juli 2009…

… und eine Woche später am 7.August 2009 Quelle: http://weather.unisys.com/surface/sst_anom.html

Zeitgleich kam es an der gesamten US-Ostküste vollkommen überraschend zu einem drastischen Meeresspiegelanstieg um teilweise bis zu 60cm. Im Juli halbierten sich die Pegelstände allerdings wieder. Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) veröffentlichte sogar eine Alarmmeldung.

Die Alarmmeldung der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Screenshot.  Quelle:(http://tidesandcurrents.noaa.gov/press/EastCoastWaterLevelAnomaly.shtml).

Die beiden Ereignisse, vor allem aber auch ihr zeitliches Zusammentreffen entsprechen beunruhigenderweise genau dem Szenario, das Klimamodelle für den Fall einer einer drastischen Abschwächung des Golfstroms bzw. seines nordatlantischen Armes (Nordatlantikstrom) gerechnet haben. Dabei hat der Meeresspiegelanstieg zunächst strömungsdynamisches Gründe. Für den Fall einer Verlangsamung des Nordatlantikstroms staut sich das Wasser in Richtung der US-amerikanischen Ostküste zurück. Zu dieser Interpretation der Ereignisse passt sehr gut, dass die Abkühlung im Nordatlantik genau dort stattfindet, wo auch der aus dem Golfstrom entspringende Nordatlantikstrom verläuft. Auch eine auffällige Erwärmung der Wassertemperaturen entlang der US-Ostküste passt gut ins Bild, da mit dem Rückstau der Meeresströmung natürlich auch ein Wärmerückstau einhergeht.

Tatsächlich bestätigte die NOAA inzwischen, dass tatsächlich eine Verlangsamung des Golfstroms stattgefunden hat (http://www.27east.com/story_detail.cfm?id=224470&town=East%20Hampton&n=The%20sea%20is%20rising ).

Niemand kann zurzeit sagen, wie es weitergeht. Sollte  sich der Golfstrom wieder erholen, so wäre das kein Anlass zur Entwarnung. Denn auch für diesen Fall müsste man leider davon ausgehen, dass die thermohaline Zirkulation sich bereits in einem Bereich gefährlicher Instabilität bewegt.

Wie alle Meeresströmungen wird auch der Golfstrom  durch Winde, aber auch durch Veränderungen von Temperatur und Salzgehalt des Meereswassers  angetrieben (thermohaline Zirkulation).

Golfstrom: Die warme und turbulente Meeresströmung bildet immer wieder Wirbel aus, insbesondere dort, wo der Nordatlanikstrom auf den kalten Labradorstrom aus dem Norden trifft. Quelle: http://idw-online.de/

Das vom Äquator zu den Polen strömende Warmwasser gibt seine Wärme vor allem durch Verdunstung (latente Wärme) nach und nach an die darüberliegenden Luftschichten ab. Damit einhergehend erhöht sich der Salzgehalt des Wassers stetig.  Die Dichte des Wassers nimmt so immer weiter zu bis es schliesslich weit im Norden in abwärtsgerichteten Wirbeln abzusinken beginnt (Absinkzonen). Begünstigend wirkt hier im Winter auch  die Neubildung von Meereis. Da das Eis nur wenig Salz aufnehmen kann, wird das überschüssige Salz beim Gefrieren abgepresst, wobei sich der Salzgehalt des umgebenden Meerwassers natürlich weiter zunimmt. Ausserdem kühlt das Wasser bei Kontakt mit dem Eis noch weiter an. Absinkzonen befinden sich zum Beispiel südlich von Grönland oder bei Island. Die Bildung von kaltem und salzhaltigem Tiefenwasser, welches wieder in Richtung Äquator strömt, wirkt wie eine Pumpe und verstärkt so die Meeresströmung.

Da Meeresströmungen sowohl durch Unterschiede in der Wassertemperatur als auch im Salzgehalt angetrieben werden spricht man auch von einer thermohalinen Zirkulation.

Die vom Golf- und Nordatlantikstrom erwärmte feuchte Meeresluft gelangt mit den in mittleren Breiten vorherrschenden Westwinden (und den sich in der Luftströmung ab einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit bildenden Tiefdruckwirbeln) nach Europa und sorgt dort vor allem in den Wintermonaten für ein deutlich milderes Klima als es sich ansonsten aus der geographischen Lage ergeben würde. Eine Abschwächung des Golfstroms bedeutet also automatisch eine mehr oder weniger drastische Abkühlung.

Zu einer Abschwächung der thermohalinen Zirkulation des Golf- und Nordatlantikstroms kann es dann kommen, wenn grosse Mengen Süsswasser in den Nordatlantik gelangen, vor allem auch im Bereich der Absinkzonen:

Die globale Erwärmung als Folge der Emission von Treibhausgasen verstärkt die Wasserverdunstung. Die wärmere und feuchtere Luft gelangt durch die atmosphärische Zirkulation in höhere Breiten, wo es dann häufiger und mehr Niederschläge gibt.

Auch das Abschmelzen grösserer Eismassen erhöht den Süsswassereintrag in den Nordatlantik. Im Jahre 2007 erreichte die Eischmelze in der Arktis einen absoluten Rekord. 2008 gab es zwar eine leichte Erholung, aber in 2009 könnte der Rekordwert von 2007 (nahezu) wieder erreicht werden. Was vor zwei Jahren noch vielfach als ein Ausrutscher aufgrund einer besonderen Wetterlage angesehen wurde, wird offenbar sehr schnell zur Normalität.

Die Eisschmelze in der Arktis hat sich in den letzten Jahren stark beschleunigt. Grosse Mengen Süsswasser gelangen dadurch in den Nordatlantik. Quelle: http://nsidc.org/

Mit der globalen Erwärmung nehmen mit der Zeit natürlich auch die Wassertemperaturen zu.

Durch alle drei Vorgänge nimmt die Dichte des Oberflächenwassers immer mehr ab, bis schliesslich die Tiefenwasserbildung ins Stocken gerät, wodurch die Meeresströmung insgesamt langsamer wird oder sogar ganz zusammenbricht.

Golfstrom und Thermohaline Zirkulation. Quelle: SPIEGEL Online

Die Folgen einer deutlichen Abschwächung des Golf- und Nordatlantikstroms  wären dramatisch. Die Winter in Europa würden deutlich kälter und länger anhaltend. Im gesamten Nordatlantik würde der Meeresspiegel um bis zu 1 Meter ansteigen, im Südatlantik dagegen abnehmen. Wegen der mangelnden Durchmischung mit tieferen Wasserschichten würde sich das Oberflächenwasser immer mehr erwärmen und eine stabile Schichtung ausbilden(durch thermische Ausdehnung   leichter als das kühlere Tiefenwasser).  Die sich immer weiter erwärmenden und ausdehnenden oberflächennahen Wasserschichten würden erheblich zum schon erwähnten Anstieg des Meersspiegels beitragen. Infoge mangelnder Durchmischung gäbe es in den obersten Wasserschichten bald kaum noch Mineral- und Nährstoffe. Die nur in den oberen Wasserschichten vorkommenden Meeresalgen (nur  hier ist es hell genug für die Photosynthese) würden grösstenteils absterben. Darüber hinaus würden auch alle sich von den Algen direkt oder indirekt ernährenden Meeresbewohner ihre Lebensgrundlage verlieren.

Nach dem Absterben der Meeresalgen (Phytoplankton) könnten die Ozeane deutlich weniger CO2 aufnehmen und ein sich selbst verstärkter Treibhauseffekt durch mehr CO2 wäre die Folge.  

Aber das wäre leider noch nicht alles, denn Meeresalgen fördern auch die Wolkenbildung. Wolken wirken direkt abkühlend, denn sie reflektieren das Sonnenlicht.

Meeresalgen haben es schwer mit dem Salzwasser zurecht zu kommen, denn zuviel Salz ist für sie ein Gift. Meereswasser hat einen Salzgehalt von 3,5%. !Ein Salzgehalt von 4% ist aber schon  kritisch, denn die elektrischen Ladungen der Salzionen stören die inneren Bindungen ihrer Zellstrukturen. Bei 6% lösen sich die Biomembranen auf, was unmittelbar den Tod der Meeresalgen zur Folge hat.  Die Meeresalgen haben aber ein Gegenmittel. Sie bilden DMSP (Dimethylsulfonpropionat), eine ionische Verbindung, deren Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, die sich beide aber nach aussen hin neutralisieren.  DMSP ist deshalb für die Algen ungiftig. Indem sie  Salzionen durch DMSP ersetzen halten die Meeresalgen ihren Salzgehalt niedrig, denn DMSP verringert den osmotischen Druckgradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem. Wenn Meeresalgen sterben wird DMSP freigesetzt und durch Bakterien im Wasser abgebaut. Dabei entsteht das gasförmige DMS (Dimethylsulfid). DMS wird sehr rasch durch den atmosphärischen Sauerstoff zu Sulfaten oxidiert. Diese Sulfataerosole ziehen Wasser an und wirken so  als Kondensationskeime für die Wolkenbildung . Zusätzliche Wolken wirken direkt abkühlend, da sie das Sonnenlicht abschirmen (s.o.).

Einfluss der Meeresalgen (Phytoplankton)auf die Wolkenbildung. Quelle: http://www.icm.csic.es/bio/projects/basics/Project_objectives/Fig2.jpg

Ein Absterben der Meeresalgen im grossen Stil würde also für einen verstärkten Treibhauseffekt sorgen und ausserdem auch für weniger abkühlend wirkende Wolken. Beides zusammen liefe auf eine deutlich beschleunigte globale Erwärmung hinaus mit all ihren Folgen z.B. für den Meeresspiegel.  Die  Abkühlung in Europa wäre dann längerfristig nur eine vorübergehende Episode.

Jens Christian Heuer