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Kleine Meereswirbel prägen Wind und Wetter

08.07.2013
Nicht nur grossräumige Strömungen in den Ozeanen, sondern auch verhältnismässig kleine Wirbel beeinflussen das Wetter auf vielfältige Weise. Dies zeigen Forschende der ETH Zürich in einer neuen Studie. Die Wissenschaftler raten, dass Wettermodelle auch solche Wirbel berücksichtigen sollen.

Meeresströmungen haben einen grossen Einfluss auf das Wetter und das Klima. Ohne den Golfstrom im Atlantik beispielsweise wäre es in Nord- und Westeuropa sehr viel kälter. Forschende der ETH Zürich haben nun gezeigt, dass auch verhältnismässig kleine und nur vorübergehend existierende Wirbel in den Ozeanen das Wetter beeinflussen. Solche Wirbel mit einem Durchmesser von rund hundert Kilometern kommen in allen Ozeanen vor, sowohl auf der Nord- wie auf der Südhalbkugel.

Sie entstehen, weil die meisten Meeresströmungen nicht geradlinig verlaufen, sondern turbulent sind und dabei zum Beispiel von der die Topografie am Meeresgrund beeinflusst werden, erklärt Ivy Frenger, Postdoc in der Gruppe von Nicolas Gruber, Professor am Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik. «Vorstellen kann man sich das wie bei einem Bach, der an einem Stein vorbeifliesst. Hinter dem Stein entstehen Wirbel», sagt Frenger. In den Ozeanen können diese Wirbel mit den grossräumigen Meeresströmungen über weite Distanzen verfrachtet werden und sich auch eigenständig über die Meere fortbewegen.

Hochpräzise Satellitenmessungen

Um den Einfluss dieser Meereswirbel auf Wetterphänomene zu untersuchen, haben die ETH-Forscher umfangreiche Satellitendaten ausgewertet. Sie beschränkten sich auf das Südpolarmeer, wo solche Wirbel besonders häufig sind, und sie lokalisierten dort die Wirbel mit einer hochpräzisen, satellitengestützten Messung der Topografie der Meeresoberfläche. «Weil sich das Wasser in den Wirbeln vom Umgebungswasser in der Dichte leicht unterscheidet, zeigen sich die Wirbel an der Ozeanoberfläche als Beule oder Delle», so Frenger.

Die Wissenschaftler werteten Daten über einen Zeitraum von knapp zehn Jahren aus. So gewannen sie Informationen zu mehr als 600‘000 temporär existierenden Wirbeln. Die Forscher fassten diese Wirbel-Daten zusammen, errechneten einen Mittelwert und verglichen sie mit Mittelwerten von Wind-, Wolken- und Niederschlagsdaten, die ebenfalls mithilfe von Satelliten erhoben wurden. So konnten die Wissenschaftler zeigen: Sogenannte anti-zyklonische (das heisst: auf der Südhemisphäre im Gegenuhrzeigersinn drehende) Wirbel erhöhen lokal die Windgeschwindigkeit an der Meeresoberfläche, die Wolkenbedeckung und die Regenwahrscheinlichkeit. Die in der Gegenrichtung drehenden (sogenannt zyklonischen) Wirbel haben den entgegengesetzten Effekt auf die Atmosphäre.

Erhöhte Variabilität

Das Oberflächenwasser ist in anti-zyklonischen Wirbeln wärmer als ausserhalb des Wirbels, jenes in zyklonischen Wirbeln kälter. Hauptgrund für die Temperaturunterschiede ist, dass die Wirbel ihren Ursprung je nach Drehrichtung in wärmerem oder kälterem Wasser haben und ihre Ursprungstemperatur über lange Zeit beibehalten. Frenger und ihre Kollegen haben nun errechnet: Für jedes Grad, dass der Wirbel wärmer ist, nimmt die Windstärke um etwa 5 Prozent zu, die Wolkenbedeckung um 3 Prozent und die Regenwahrscheinlichkeit um 8 Prozent.

In den meisten Meeresregionen ist die Zahl warmer und kalter Wirbel ähnlich. Grossräumig und langfristig gesehen heben sich die Effekte von warmen und kalten Wirbeln auf die Atmosphäre daher oft in etwa auf, wie Frenger sagt. Die Wirbel erhöhen aber die Variabilität der Atmosphäre, und sie haben einen Einfluss auf lokale Extremereignisse. Fegt beispielsweise ein Sturm über einen Wirbel, können sich die Windspitzen ändern, also je nach Drehrichtung des Wirbels zu- oder abnehmen. Möglicherweise beeinflussen diese Wirbel auch die Richtung, die ein Sturm einschlägt. «Es ist wichtig, die von den Wirbeln verursachte Variabilität zu kennen und sie in Wetter- und Klimamodelle der nächsten Generation einzubauen», sagt Frenger. Gerade in Regionen, in denen warme oder kalte Wirbel überwiegen, können diese auch einen grossräumigeren Effekt haben.

Hinweise zum Mechanismus

Die Studie ist die erste, die solche Wirbel so systematisch erforscht und ihre Auswirkungen nicht nur auf Wind und Wolkenbedeckung, sondern auch auf den Niederschlag untersucht. Die ETH-Forscher gewannen ausserdem weitere Hinweise auf den Mechanismus, wie die Wirbel das Wetter beeinflussen. Dazu gibt es in der Fachwelt zwei Hypothesen. Die eine geht davon aus, dass die Temperaturunterschiede des Meerwassers im Bereich der Wirbel zu Temperaturunterschieden in der Atmosphäre führen. Dies wiederum ruft Luftdruckunterschiede über dem Wirbel hervor, die durch Luftbewegungen ausgeglichen werden. Würde diese Hypothese zutreffen, würde man am Rand des Wirbels Änderungen in der Windgeschwindigkeit erwarten.

Die von den ETH-Forschern ausgewerteten Winddaten zeigen jedoch, dass die Windänderung nicht am Rand, sondern im Zentrum der Wirbel maximal ist. Dies lässt eine zweite Hypothese als wahrscheinlicher erscheinen. Nach dieser beeinflussen die Temperaturunterschiede im Bereich der Wirbel die Turbulenz der Atmosphäre darüber: Je wärmer der Wirbel, desto grösser die Durchmischung der Luftmassen darüber, und in desto grösserer Höhe wird die Atmosphäre über dem Ozean beeinflusst, was den Wind, die Bewölkung und den Niederschlag prägt.

In diesem Projekt haben die Forscher den Einfluss der Wirbel auf das Wetter untersucht. Auch denkbar wäre, dass das Wetter umgekehrt die Wirbel beeinflusst, womit es zu Rückkoppelungseffekten käme. In ihrer weiteren Arbeit untersuchen die Wissenschaftler nun mit Computersimulationen, inwiefern es zu solchen Effekten kommt.

Literaturhinweis

Frenger I, Gruber N, Knutti R, Münnich M: Imprint of Southern Ocean eddies on winds, clouds and rainfall. Nature Geoscience, 2013, Online-Vorabveröffentlichung, doi: 10.38/ngeo1863

Fabio Bergamin | idw
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

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