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Alle Jahre wieder – Ein starker El Niño wirbelt derzeit das Weltklima durcheinander. Potsdamer Forscher untersuchen das Phänomen seit Langem

Wissenschaftler der Universität Potsdam am Lake Challa, Kenia. Foto: Stephan Opitz.

Wissenschaftler der Universität Potsdam am Lake Challa, Kenia. Foto: Stephan Opitz.

Es bringt Hitze, Dürre, Überflutungen, Rekordniederschläge und Waldbrände – das Wetterphänomen „El Niño“ hat unterschiedliche Auswirkungen auf verschiedene Weltregionen. In diesem Winter soll es besonders heftig ausfallen, wie Klimamodelle vorhersagen. Während Hitze und Trockenheit hauptsächlich Nordaustralien und Indonesien heimsuchen werden, soll es In Südamerika zu Überschwemmungen und Erdrutschen kommen. An der Uni Potsdam befassen sich verschiedene Arbeitsgruppen mit der Wetteranomalie, deren Intensität und Häufigkeit in den kommenden Jahren wohl noch zunehmen wird.

Helle und dunkle Linien wechseln sich ab und bilden ein unregelmäßiges Muster. Es wirkt fast wie das gestreifte Fell eines Tieres oder wie die Maserung eines Baumes. Doch die dunklen und hellen Abschnitte sind das Ergebnis von Sedimentation. Über Jahrtausende rieselten totes organisches Material und chemische Verbindungen durch die Wassersäule hinab auf den Grund eines Sees und bildeten dort eine mächtige Schicht. Für Klima- und Geowissenschaftler ist diese Sedimentationsschicht eine Schatzkiste.

Seesedimente enthalten Informationen über die klimatische Vergangenheit

Denn wie Eiskerne oder Baumringe speichern Seesedimente Informationen über die klimatische Vergangenheit. In diesen Klimaarchiven lesen Forscher wie in einem Buch von extremen Dürren, steigenden Temperaturen oder besonderen Niederschlagsereignissen. Auch das El Niño-Phänomen hinterlässt hier regelmäßig seine Spuren. Etwa alle zwei bis acht Jahre tritt ein El Niño auf – für Klimaforscher und Geowissenschaftler gleicht diese Zeitspanne einem Wimpernschlag. „Um die Daten analysieren zu können, benötigen wir Klimaarchive, die eine sehr hohe Auflösung haben“, erklärt Christian Wolff, der sich als Geowissenschaftler am Institut für Erd- und Umweltwissenschaften intensiv mit dem Phänomen beschäftigt.

Ein solches fanden die Forscher am Fuße des Kilimandscharo in Kenia. Der Lake Challa ist ein Kratersee, aus dessen Sedimentschichten sich jedes einzelne El Niño-Ereignis ablesen lässt. Denn auch hier sind seine Auswirkungen enorm. Im südlichen Kenia fallen normalerweise rund 500 Millimeter Niederschlag im Jahr – das meiste davon im November und Dezember. Während El Niño-Jahren steigt die Regenmenge in diesen Monaten mitunter auf das Dreifache an, mit extremen Auswirkungen für die Bevölkerung.

Im Jahr 2005 holten Wissenschaftler einen Bohrkern vom Grund des Sees. Sie bohrten bis in eine Tiefe von 25 Metern, bargen jeweils zwei Meter lange Sedimentkerne, versiegelten sie und transportierten sie nach Deutschland. Nun lagern sie eingeschweißt bei vier Grad Celsius in den Kühlräumen des Deutschen GeoforschungsZentrums (GFZ) in Potsdam. Die untersten Schichten des Kerns sind etwa 25.000 Jahre alt. Viele Wissenschaftler nutzen dieses Archiv, um die unterschiedlichsten Fragestellungen zu bearbeiten. Christian Wolff verwendet es, um einen Blick in die Geschichte des El Niños zu werfen.


Unter dem Mikroskop vermisst der Wissenschaftler die Dicke der dunklen und hellen Schichten. Zentimeter für Zentimeter untersucht er die Sedimentablagerungen der letzten 25.000 Jahre. Eine zeitraubende Fleißarbeit, die tagelanges Mikroskopieren erfordert. „Für 100 Jahre benötigt man ungefähr vier Stunden“, so Christian Wolff. Die gewonnenen Daten wertet er statistisch aus und sucht nach Zusammenhängen zwischen der Dicke der einzelnen Schichten und den Oberflächentemperaturen des Pazifiks. Die Daten zeigen: Es besteht eine Beziehung zwischen beiden Größen.


Jeweils eine dunkle und eine helle Schicht bilden ein sogenanntes saisonales Jahr. „Die dunklen Streifen im Seesediment entstehen durch die Ablagerung von Kalzit in den eher niederschlagsreichen Monaten, wohingegen die hellen Lagen in den trockenen Monaten gebildet werden – aus den Überresten abgestorbener Kieselalgen“, erklärt Christian Wolff. Die Mächtigkeit dieser Schichten gibt an, wie feucht oder trocken ein Jahr war. Die breiteren Streifen sind Spuren trockener Jahre: Starke Winde wirbeln dann Nährstoffe vom Seegrund auf, und es gibt kaum Niederschläge, die das Wasser verdünnen. Als Folge des üppigen Nahrungsangebots treten heftige saisonale Algenblüten auf. Sterben diese ab, sinken sie auf den Grund und hinterlassen im Laufe der Zeit dickere helle Sedimentschichten. Dagegen hungern El Niño-Jahre die Algen aus. Viel Regen verdünnt dann das Seewasser. Die Algenblüte bleibt gering und hinterlässt einen viel schmaleren hellen Streifen im Sediment.

In einem weiteren Schritt untersuchen die Forscher nun die Isotopenverteilung des Sauerstoffes im Kalzit. Sie fanden heraus, dass die Zusammensetzung des Kalzits im Challa-See mit der Oberflächentemperatur des Pazifiks auf der anderen Seite der Erde korreliert und ebenfalls eine Rekonstruktion der Temperaturen und El Niño-Ereignisse ermöglicht.

Die Analysen der Seesedimente verraten indes nicht nur, wann es zu El Niño-Ereignissen kam. Auch die Stärke des Wetterphänomens können die Forscher ablesen. Dabei zeigte sich: In den letzten 3.000 Jahren, die klimageschichtlich als warme Jahre gelten, trat El Niño nicht nur häufiger auf, sondern war oft auch stärker als während der letzten Eiszeit vor 18.500 bis 21.000 Jahren. Ein insgesamt relativ warmes Weltklima scheint besonders heftige Auswirkungen der Wetteranomalie – etwa starke Überschwemmungen oder lange Dürren – zu begünstigen, während ein relativ kühles Weltklima diese dämpft. Dies gilt auch für das Gegenstück des El Niños – das La Niña-Phänomen, das meist direkt danach auftritt und die gegenteiligen Effekte hat. Daher sei zu befürchten, dass mit der Erderwärmung zukünftig auch häufiger starke El Niños und La Niñas auftreten, erläutert Christian Wolff.

Im zweiten Schritt werden Klimaszenarien der Zukunft simuliert

Die Erkenntnisse, die der Blick in die klimatische Vergangenheit ermöglicht, nutzen andere Forscher, um Prognosen für die Zukunft erstellen und auch konkrete Handlungsempfehlungen daraus ableiten zu können. Klimamodellierung ist das Stichwort. Um aussagekräftige Klimamodelle zu generieren und mit diesen verschiedene Szenarien darzustellen, werden Daten genutzt, die Forscher wie Christian Wolff erzeugen.

Franziska Hanf hat es dabei hauptsächlich auf Niederschläge abgesehen. Die Doktorandin, die mit Wissenschaftlern der Uni Potsdam und des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung zusammenarbeitet, betrachtet in ihren Simulationen die Indische Halbinsel und den angrenzenden Indischen Ozean. Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) stellt die meteorologischen Daten zur Verfügung, mit denen Franziska Hanf ihr Modell „füttert“. Diese globalen Wetterdaten, wie etwa Temperatur, Feuchte, Wind und Druck, stammen aus Analysen von Rechenmodellen des ECMWF zu deren Berechnung Beobachtungsdaten verwendet werden. Auf diese Weise können auch – aufgrund der regional begrenzten Dichte des globalen Messnetzes fehlende – meteorologische Daten berechnet und verfügbar gemacht werden. Mit diesen Eingangsdaten bringt Franziska Hanf ihr regionales Klimamodell zum Laufen.

Die Oberflächentemperaturen des Pazifiks und des Indischen Ozeans sind dabei wichtige Eingangsgrößen. Und hier kommt El Niño ins Spiel. „Die Pazifiktemperaturen haben auch Einfluss auf den Indischen Ozean und umgekehrt“, erklärt die Wissenschaftlerin. Dies hat wiederum Folgen für die Niederschläge, die auf den Indischen Subkontinent niedergehen. Vor einem El Niño sind die Sommermonsunniederschläge meist schwächer ausgeprägt als normal, viele Landstriche leiden dann häufiger unter einer Dürre. Mit ihrem Modell kann Franziska Hanf berechnen, wie viel es in verschiedenen Regionen in Indien regnet –in Abhängigkeit von Oberflächentemperaturen der Ozeane und den übrigen Wetterdaten. Jedoch sind mit den von Franziska Hanf erstellten Simulationen keine Projektionen für die Zukunft möglich, da diese auf aktuellen und in der Vergangenheit gemessenen Wetterdaten basieren. Dennoch stellen sie einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einem besseren Verständnis der komplexen Ozean-Atmosphären-Kopplung im Südasiatischen Monsunsystem und dessen zeitliche Variabilität dar.

Ziel ist es, ein Frühwarnsystem aufzubauen

Am Institut für Biologie und Biochemie betrachtet Istem Fer EL Niño schließlich aus einer weiteren Perspektive. In der Arbeitsgruppe für Vegetationsökologie und Naturschutz untersucht die Doktorandin, welche Auswirkungen ein sich änderndes Klima auf die Vegetation Ostafrikas hat und welche Rolle die Wetteranomalie dabei spielt. Und zwar ebenfalls mithilfe eines Computermodells. Dieses stellt dar, wie sich die Vegetation in Abhängigkeit von klimatischen Verhältnissen entwickelt. „Ostafrika ist ein ziemlich trockenes Gebiet, da die östlichen Gebirgsketten die feuchte Luft des Atlantiks fernhalten“, erklärt Istem Fer. Wälder haben es hier schwer. Stattdessen wachsen in den vorherrschenden Savannen Gräser und nur vereinzelt Bäume oder Büsche.

Auf der Grundlage von Pollendaten und aktuellen Vegetationskarten kann Istem Fer überprüfen, ob die von ihrem Modell berechneten Informationen mit der Wirklichkeit übereinstimmen – in der Vergangenheit und in der Gegenwart. Hat sie das Modell soweit geeicht, dass es korrekte Simulationen durchführt, kann sie es verschiedene Zukunftsszenarien durchlaufen lassen. Was geschieht etwa, wenn durch häufigere El Niños das Klima in Ostafrika insgesamt kühler und feuchter wird? Welche Pflanzenarten profitieren, welche werden verdrängt? Die Antworten auf diese Fragen, die Istem Fer mit ihrem Modell zu finden hofft, sind für die Menschen in der Region von existenzieller Bedeutung. Bisher basiert die dortige Landwirtschaft hauptsächlich auf Viehhaltung. In der Savannenlandschaft finden die Rinder ausreichend Weidemöglichkeiten. Wird das Gras durch Buschvegetation verdrängt, müssten sich auch die Landwirte umstellen.

„Insgesamt geht es darum, ein Frühwarnsystem aufzubauen“, erklärt Christian Wolff die Absicht, die hinter den einzelnen Forschungsprojekten steckt. „Wenn wir das gesamte System verstehen und die einzelnen Puzzle-Teile zusammensetzen können, dann sind wir dazu in der Lage.“

 
ENSO
Durchschnittlich alle zwei bis acht Jahre wiederholt sich das Muster: Die Südostpassatwinde über dem Pazifik, die normalerweise warmes Oberflächenwasser in Richtung Südostasien und Australien treiben und vor den Westküsten Südamerikas einen kalten, nährstoffreichen Zustrom von Tiefenwasser ermöglichen, schlafen ein oder verlieren an Stärke. Der Warmwassersee, der sich im indonesischen Raum angesammelt hat, schwappt zurück an die südamerikanische Küste, der kalte Humboldtstrom wird schwächer oder versiegt. Als El Niño – das Christkind – wird dieses Phänomen bezeichnet. Es ist eine Erscheinungsform des sogenannten ENSO (El Niño/Southern Oscillation), das ein gekoppeltes Zirkulationssystem zwischen Ozean und Atmosphäre darstellt. Meist folgt auf El Niño ein La Niña. Dann sind die Passatwinde besonders stark und drücken das warme Oberflächenwasser zurück an die Westküste Südamerikas. Die Folgen der veränderten Meeresströmungen sind auch an Land spürbar. Statt ergiebigem Monsunregen herrscht in Südostasien bei einem El Niño Trockenheit, während es in Südamerika zu extremen Niederschlägen mit Überschwemmungen und Erdrutschen kommen kann. Umgekehrt verursacht La Niña Überschwemmungen in Südostasien und Dürren in Südamerika. Und auch in anderen Teilen der Welt verschieben sich die Wettermuster. Die Ursachen für die Wetteranomalie sind noch nicht vollständig geklärt.

Die Wissenschaftler

Dr. Christian Wolff studierte Geowissenschaften in Trier und promovierte in Potsdam. Am Institut für Erd- und Umweltwissenschaften untersucht er mit geowissenschaftlichen Methoden den Klimawandel der letzten 25.000 Jahre.

Kontakt

Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
E-Mail: christian.wolff@geo.uni-potsdam.nomorespam.de

Franziska Hanf studierte Meteorologie an der Freien Universität Berlin und promoviert derzeit am Alfred-Wegner-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung und an der Universität Potsdam. Sie beschäftigt sich mit der Variabilität des Südasiatischen Sommermonsuns und feucht-dynamischen Prozessen von Monsununterbrechungsphasen und den Auswirkungen von atmosphärischen Aerosolen auf das Klima Südostasiens.

Kontakt

E-Mail: franziska-hanf@web.nomorespam.de

Istem Fer studierte Molekularbiologie, Genetik und Computerwissenschaften in Istanbul. In ihrer Promotion untersucht sie, wie sich die Vegetation Ostafrikas in den letzten Jahrtausenden in Abhängigkeit von klimatischen Faktoren verändert hat.

Kontakt

E-Mail: fer.istem@gmail.nomorespam.com

Text: Heike Kampe
Online gestellt: Agnes Bressa
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktion@uni-potsdam.nomorespam.de