Eis- und Schneebedeckung im Klimasystem

Transkript

1 Experiment-Beschreibung Eis- und Schneebedeckung im Klimasystem Autor: Manuel Linsenmeier Mitarbeit: Tobias Bayr, Dietmar Dommenget, Anne Felsberg, Dieter Kasang Motivation Die Eisbedeckung der Erde erfährt durch den Klimawandel in der Forschung wie in der Öffentlichkeit eine besondere Beachtung. Nirgends ist der Klimawandel so sichtbar wie bei den schmelzenden Gletschern der Hochgebirge und dem rapiden Rückgang des arktischen Meereises. Hinzu kommt: Der Rückgang von Eis- und Schneeflächen beschleunigt erheblich die Erwärmung in den hohen Breiten. Aktuelle Forschungsstudien führen auch die ungewöhnlichen Wetterlagen der mittleren Breiten in den letzten Jahren wie einige kalte Winter in Europa und den USA oder Hitzewellen in West- und Osteuropa auf das Abschmelzen des Meereises in der Arktis zurück. Offensichtlich spielen Eis und Schnee eine wichtige Rolle im Klimasystem, zeigen dessen Veränderungen und wirken wieder auf das Klimasystem zurück. Die folgenden Experimente mit dem Monash Klimamodell können dazu dienen, die vielfältigen Wirkungen und Wechselwirkungen von Eis und Schnee im Klimasystem verständlicher zu machen. Modelleinstellungen für die Experimente Das MSCM kann je nach Nutzer in unterschiedlichen Schwierigkeitsniveaus verwendet werden: In der Standardversion gibt es 11 Prozesse, die manuell ein- und ausgeschaltet werden können (siehe nächste Seite). Allerdings sind Prozesse wie Diffusion oder Advektion von Wasserdampf und Wärme nicht für jeden Nutzer direkt eingängig und verständlich und auch unter Modellkorrektur mag es dem Laien schwerfallen, sich etwas vorzustellen. Diese Version ist daher eher für fortgeschrittene Nutzer geeignet (z.b. Universitätsstudenten oder Menschen mit gutem Hintergrundwissen in der Klimaphysik). Die Basisversion fasst mehrere Prozesse aus der Standardversion unter einem (Ober-)Begriff zusammen, sodass sich die Anzahl der ein- und ausschaltbaren Prozesse auf 6 reduziert (siehe nächste Seite). Die Modellkorrektur ist dabei, obwohl nicht sichtbar, immer eingeschaltet. Insgesamt ist diese Version für Nutzer ohne Vorwissen bzw. Laien besser geeignet. Die hier behandelten Experimente führen in der Standard- und Basisversion zu denselben Ergebnissen, da die in der Basisversion nicht gezeigten Prozesse trotzdem berücksichtigt sind. Die Experimente sind daher auch nur einmal im Abschnitt Modellergebnisse und Beobachtungen dargestellt und erläutert. 1

2 Einstellungen Aktivierte Prozesse in Experiment A: Aktivierte Prozesse in Experiment B: alle alle außer Eis und Schnee Es werden die folgenden Monate verglichen: Januar (Nord-Winter/Süd-Sommer) und Juli (Nord-Sommer/Süd-Winter) Standardversion Basisversion 2

3 Modellergebnisse und Beobachtungen: JANUAR mit Eis und Schnee ohne Eis und Schnee Wirkung von Eis und Schnee globale Abkühlung (1) Abkühlung auch in Regionen, in denen Eis und Schnee fehlen (3) starke Abkühlung auf großen Landflächen (2) punktuell starke Erwärmung an der antarktischen Küste (4) 3

4 JULI mit Eis und Schnee ohne Eis und Schnee Wirkung von Eis und Schnee Erwärmung im Nordpolarmeer im Nordsommer (4) globale Abkühlung (1) 4

5 Physikalischer Hintergrund und Erklärung der Beobachtungen Die Eis- und Schneebedeckung beeinflusst das Klima im Wesentlichen auf zwei Wegen: über den Strahlungshaushalt der Erdoberfläche: Eis- und Schnee führen zu einer Erhöhung der Albedo, d.h. es wird mehr einfallende Sonnenstrahlung reflektiert, über den Wärmehaushalt der Oberfläche: Eis- und Schnee isolieren die darunter liegenden Schichten; dies hat vor allem auf den Ozean einen deutlichen Effekt und kann je nach Jahreszeit zur Erwärmung oder Abkühlung führen. Beide Prozesse werden vom MSCM erfasst und werden im Folgenden für die Erklärung der Beobachtungen herangezogen. Globale Betrachtung Beobachtung (1) Die Eis- und Schneebedeckung bewirkt im globalen Mittel eine Abkühlung (Vorzeichen negativ). (1) Die globale Abkühlung ist im Nordwinter (Januar) stärker ausgeprägt als im Nordsommer (Juli). Erklärung Durch die hohe Albedo von Eis- und Schneeflächen wird mehr Sonnenstrahlung ins Weltall zurück reflektiert (Abb. 2) und führt zur Abkühlung. Auf der Nordhalbkugel gibt es größere Landmassen, besonders in mittleren bis hohen Breiten (z.b. Sibirien), die von der Schneebedeckung betroffen sind (s. 2 u. Abb. 1). Regionale Betrachtung Beobachtung (2) Starke Abkühlung auf den großen Landflächen Asiens und Nordamerikas (3) Mit aktivierter Eis- und Schneebedeckung zeigen sogar Regionen, in denen es weder Eis noch Schnee gibt, eine Abkühlung, z.b. im Nordatlantik und im Südpazifik. (4) Eis- und Schnee führen zu einer Erwärmung des Nordpolarmeers im Nordsommer und kleiner Teile der antarktischen Küstengewässer im Südsommer Erklärung Vorkommen großer Landmassen, auf denen Schneebedeckung durch den Albedo-Effekt zu starker Abkühlung führt. Der Transport kalter Luftmassen in der Atmosphäre (Abb. 3) bewirkt, dass sich die lokale Abkühlung auch an Orten, die nicht direkt von Eis und Schnee bedeckt sind, auf die Temperatur auswirkt. Durch die Eisschicht ist der (relativ warme) Ozean im Nordwinter von der Atmosphäre isoliert und gibt nur wenig Wärme ab (Abb. 4). Daher ist der Ozean im Nordsommer wärmer, als er es ohne winterliche Eisbedeckung wäre. Das Ergebnis ist ein kontinentaleres Klima mit größeren jahreszeitlichen Schwankungen. 5

6 Ergänzende Abbildungen Abb. 1: Eis- und Schneebedeckung der Erde im Nord- Winter; Quelle: NASA Abb. 2: Eis-Albedo-Effekt; Quelle: Dirk Notz, MPI-M Abb. 3: Abkühlung durch Luftmassentransport; Quelle: D.K. Abb. 4: Wärmespeicherung durch Isolation des Ozeans im Winter; Quelle: D.K. Thematisch relevante Artikel auf dem Klimawiki (klimawiki.org) Artikel Kryosphäre im Klimasystem Eis-Albedo-Rückkopplung Meereis Arktisches Meereis Themen Überblick über die globale Verteilung von Eis und Schnee und ihre Auswirkungen auf das Klima Positive Rückkopplung (verstärkte Erwärmung und Abnahme des Meereises) durch den Albedo-Effekt Prozesse der Meereisbildung und -schmelze, Auswirkungen von Meereis auf die Ozean-Atmosphäre Wechselwirkungen, isolierende Wirkung des Meereises Beobachtete Abnahme des arktischen Meereises, Ursachen der Eisschmelze, klimatische Folgen der Meereisschmelze (z.b. kalte Winter in Europa), Projektionen des arktischen Meereises in der Zukunft 6