Fernwärmepumpe und Regengürtel

Fernwärmepumpe und tropischer Regengürtel

Die Atlantische Umwälzzirkulation (AMOC) und der tropische Regengürtel (ITCZ) sind essenzielle Bestandteile des Klimasystems der Erde. Die AMOC ist eine riesige Fernwärmepumpe, die Wasser, Wärme, Salz und Nährstoffe auf dem Globus hin- und herschiebt und so die klirrend kalte Arktis mit dem feuchtheißen Äquator verbindet. Die ITCZ versorgt die tropischen Regenwälder mit Niederschlägen. Im Klimasystem der Erde beeinflussen sowohl AMOC als auch ITCZ die tropischen Regenwälder.

Die Erde ist ein Wasserplanet. Nicht nur in der Atmosphäre spielt Wasser eine zentrale Rolle. Wenn sich CO₂ aus der Atmosphäre im Ozeanwasser löst, verändert sich dessen Säuregehalt und beeinflusst damit die marine Tier- und Pflanzenwelt. Meeresströmungen sind riesige Umwälzpumpen, die Wärme, Salz und Nährstoffe über den gesamten Planeten verteilen. An Land fixieren Pflanzen CO₂ in der Photosynthese, einem wichtigen Teil des schnellen Kohlenstoffkreislaufs, der direkt von der Wasserverfügbarkeit abhängt. Im Klimasystem der Erde hängt alles mit allem zusammen.

AMOC – Fernwärmepumpe im Ozean

Die Atlantische Umwälzzirkulation (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) ist ein System aus Meeresströmungen, das Wärme in den nördlichen Atlantik bringt. Die AMOC wird wesentlich von Salzgehalt und Temperatur des Ozeanwassers angetrieben. Wie ein gigantisch großes Förderband transportiert sie Wärme, Salz und Nährstoffe und verschiebt dabei riesige Energiemengen auf der Erde. Grundsätzlich werden sowohl die atmosphärische als auch die ozeanische Zirkulation davon angetrieben, dass in Richtung der Pole die Sonneneinstrahlung schwächer ist als am Äquator. Der Kreislauf der AMOC beginnt, wenn warmes Oberflächenwasser aus dem subtropischen Südatlantik über den Äquator polwärts in den Nordatlantik transportiert wird. Ein schönes Beispiel hierfür ist der Golfstrom, der gewissermaßen „Fernwärme“ aus dem Golf von Mexiko nach Europa bringt und für ein milderes Klima sorgt, das bis zu 6 °C wärmer ist als ähnliche maritime Klimazonen, die an den Pazifik grenzen (Palter 2015).

Auf seinem Weg in den Norden kühlt das warme Oberflächenwasser ab und setzt seine Wärme im subpolaren Nordatlantik, südlich von Grönland und westlich von Großbritannien und Irland frei. Kaltes Wasser gelangt in die Arktis, wo sich Meereis bildet. Weil das Salz nicht mit dem Meereis gefriert und auf dem Weg nach Norden ein Teil des Wassers verdunstet ist, wird das Wasser salziger und seine Dichte größer. Deswegen sinkt es nach unten in die Tiefe, zieht Wasser aus dem Süden nach und wird als Tiefenwasser in 2.000 bis 3.000 Meter Tiefe selbst wieder zurück nach Süden transportiert. Das Absinken des Wassers ist der Motor, der die Zirkulation antreibt. Im Südpolarmeer angekommen, gelangt das kalte Tiefenwasser durch Mischprozesse im Ozean und Winde wieder an die Oberfläche. Auf dem Weg zurück in Richtung Norden erwärmt sich das Oberflächenwasser wieder und beeinflusst nebenbei noch die Niederschlagsmuster in Afrika, Südamerika und darüber hinaus. Der Kreislauf beginnt von neuem, und etwa 1.000 Jahre sind vergangen (Rousselet u. a. 2021).

ITCZ – der tropische Regengürtel

Am Äquator ist die Sonneneinstrahlung das ganze Jahr über sehr intensiv, wobei enorm viel Wasser aus den Ozeanen verdunstet. Die starke Sonneneinstrahlung und das warme Wasser der Ozeane im Bereich des Äquators erwärmen die feuchte Luft, die in Höhen von bis zu 18 Kilometer aufsteigt, wobei sie sich unterwegs mit zunehmender Höhe abkühlt. Dabei bilden sich Wolken, und es kommt zu heftigen Gewittern und Niederschlägen. In der Höhe fließt die Luft dann in Richtung der Pole nach Norden und Süden ab. Bis zu den Polen kommt sie jedoch nicht, sondern sie sinkt etwa 30 Grad nördlich bzw. südlich des Äquators wieder ab. Hierbei erwärmt sich die Luft wieder, weswegen es in diesen Breitengraden sehr trocken sein kann und sich Wüsten bilden, wie zum Beispiel die Sahara. Im bodennahen Bereich fließt die Luft wieder zurück zum Äquator, wobei sie von der sich unter ihr rotierenden Erde nach Westen abgelenkt wird. Die entstehenden Winde werden Passatwinde genannt, und sie wehen immer von Osten nach Westen. Auf der Nordhalbkugel kommen Passatwinde immer aus Nordosten und werden entsprechend Nordost-Passat genannt, auf der Südhalbkugel von Südosten als Südost-Passat.

In der Nähe des Äquators treffen die Passatwinde aus dem Norden und Süden aufeinander und erzeugen ein locker verwirbeltes Tiefdruck-Wolkenband, das tropischer Regengürtel oder innertropische Konvergenzzone (Inter-Tropical Convergence Zone, ITCZ) genannt wird und die Tropen weltweit umspannt. Überqueren die Passatwinde auf dem Weg zurück zur ITCZ die Ozeane, nehmen sie Feuchtigkeit auf und transportieren sie zur ITCZ. Dort erwärmt sich die Luft wieder und steigt auf. Der Kreislauf aus Erwärmung, Verdunstung und Wärmeströmung schließt sich und beginnt wieder von vorn. Allerdings funktioniert der Kreislauf nur dort, wo zu beiden Seiten des Äquators annähernd gleich große Landmassen vorhanden sind, also in Südamerika und Afrika.

Die ITCZ befindet sich nicht statisch immer an derselben Stelle, sondern verschiebt sich im Jahresverlauf sowohl nach Norden als auch Süden über den Äquator, je nach Sonnenstand – sie wandert mit dem Zenitstand der Sonne zwischen den Wendekreisen, typischerweise mit einer Verzögerung von ein bis zwei Monaten. Das heißt, wenn auf der Nordhalbkugel Sommer ist, wandert die ITCZ etwas nach Norden, im Winter entsprechend nach Süden (zum besseren Verständnis beziehen sich die hier genannten Jahreszeiten auf die Jahreszeiten der gemäßigten Breiten im Norden.)

In Amazonien werden Regen- und Trockenzeit hauptsächlich vom Stand der ITCZ gesteuert. Wenn sich die ITCZ im Frühjahr/Sommer über den Äquator hinaus nach Norden verschiebt, fällt in Amazonien weniger Regen. Dann herrscht Trockenzeit, die von Juli bis November dauert. In der Trockenzeit kann es durchaus sein, dass es mehrere Tage am Stück nicht regnet. Trotzdem ist es immer warm und feucht, wobei die relative Luftfeuchtigkeit in der Nacht regelmäßig auf 100 Prozent steigt. Im Herbst überquert die ITCZ den Äquator und wandert Richtung Süden. Im Winter befindet sie sich dann über Amazonien. Es herrscht Regenzeit, die von Dezember bis Juni dauert. Es regnet oftmals sintflutartig, Tage ohne Regen sind dann eher selten.

In Asien fällt die Verschiebung der ITCZ nach Norden im Juni mit dem Beginn des Sommermonsuns zusammen. Der Monsun ist ein weiträumiges Windsystem, das in den Tropen und Subtropen auftritt und durch saisonal sich umkehrende Windrichtungen gekennzeichnet ist. Normalerweise weht der Monsun im Winter (Wintermonsun oder Trockenzeit) vom Land weg und im Sommer (Sommermonsun oder Regenzeit) zum Land hin, weil sich Landmassen und Ozeane unterschiedlich stark aufheizen und abkühlen. In der Regenzeit erwärmen längere Sommertage und steigende Temperaturen die Luft über dem asiatischen Kontinent, wo sie aufsteigt und feuchte Luftmassen vom Ozean ansaugt, die starke Monsunregenfälle über Indien, Südost-Asien und Südostchina mit sich bringen. Die meisten Monsunregionen befinden sich in der Nähe der ITCZ. Monsunwinde treten aber auch weniger intensiv in Australien, Westafrika, in Mexiko und im Südwesten der USA und in Südamerika auf (Vera u. a. 2006).

El Niño und La Niña
Die sogenannte El-Niño-Southern-Oscillation (ENSO) ist ein Klimaphänomen im äquatorialen Pazifik, das alle 2 bis 7 Jahre zwischen einer warmen, einer kalten und einer neutralen Phase wechselt. Während El Niño (warme Phase) ist der östliche Pazifik warm, und die Passatwinde wehen schwach. Dies bringt oft starke Regenfälle nach Südamerika und trockenere Bedingungen nach Südostasien. Während La Niña (kalte Phase) ist der östliche Pazifik kalt, und die Passatwinde wehen stark.