E10 Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkung

Thema

Die Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre ist der wichtigste Kopplungsmechanismus im gesamten Klimasystem auf Zeitskalen von Tagen bis Jahrzehnten: Der Ozean gibt Wärme, Feuchtigkeit und Impuls an die Atmosphäre ab oder entzieht ihnen diese durch turbulente Strömungen direkt an der Grenzfläche zwischen beiden. Die Meeresoberflächentemperatur beeinflusst von unten die darüber liegende atmosphärische Konvektion: Hohe Meeresoberflächentemperaturen fördern die Konvergenz und Konvektion der Luft; niedrige Temperaturen hingegen stabilisieren die darüber liegende Atmosphäre und hemmen dieselbe Konvektion. Diese Abhängigkeit ist so stark, dass die Innertropische Konvergenzzone (ITC), das Band, in dem Winde beider Hemisphären zusammenlaufen, eng mit dem Gebiet der höchsten Meeresoberflächentemperatur im Ozean übereinstimmt.

Das El-Niño-Southern-Oscillation-Phänomen (ENSO) ist der dominierende Modus dieser Ozean-Atmosphäre-Wechselwirkung auf interannueller Skala: Kleine Störungen der Passatwinde im tropischen Pazifik können sich dank der Bjerknes-Instabilität zu einem ausgewachsenen El-Niño- oder La-Niña-Ereignis entwickeln. Diese Instabilität wirkt wie eine sich selbst verstärkende Schleife: Die Passatwinde verändern die Meeresoberflächentemperatur, diese wiederum verändert die atmosphärische Konvektion, wie bereits beschrieben, und diese Konvektion verändert die Passatwinde, die sie ausgelöst haben, indem sie diese je nach Richtung der ursprünglichen Störung verstärkt oder abschwächt. Wenn diese Schleife ausreichend anwächst, führt sie zu einer Erwärmung von zwei bis vier Grad Celsius im östlichen Pazifik mit klimatischen Fernwirkungen, die den gesamten Planeten betreffen. Der vollständige El-Niño-Southern-Oscillation-Zyklus (ENSO) hat eine Periode von drei bis sieben Jahren und kann mithilfe mathematischer Modelle gekoppelter Oszillatoren zwischen Ozean und Atmosphäre beschrieben werden.

Tropische Wirbelstürme sind eine weitere Manifestation dieser Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre, allerdings in einem viel kleineren und schnelleren Maßstab als die El Niño-Südliche Oszillation. Sie beziehen ihre Energie aus dem warmen Ozean durch denselben windbedingten Wärmeaustauschmechanismus an der Oberfläche, der auch ihre Intensivierung bewirkt. Dabei liefert die durch ihre starken Winde verstärkte Verdunstung die Energie, die die Konvektion in den Spiralbändern und der Augenwand des Wirbelsturms antreibt. Die Intensität eines tropischen Wirbelsturms hängt letztlich von der potenziellen Äquivalenztemperatur der Luftmassen ab, die durch die Basis des Wirbelsturms einströmen. Diese potenzielle Äquivalenztemperatur wiederum hängt von der Meeresoberflächentemperatur ab, über der sich diese Luft gebildet hat: Je höher diese potenzielle Äquivalenztemperatur ist, desto höher ist die thermodynamische Intensitätsgrenze, die der tropische Wirbelsturm erreichen kann.

Somit bleibt die Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre vom Zyklus von Jahren, der für die Entwicklung einer El Niño-Southern Oscillation-Episode benötigt wird, bis zu den wenigen Tagen, die ein tropischer Wirbelsturm zur Intensivierung benötigt, der gleiche zugrunde liegende Mechanismus: Die Meeresoberflächentemperatur verändert die Konvektion, diese Konvektion verändert die Winde, und diese Winde verändern wiederum die Meeresoberflächentemperatur, in Schleifen, die sich auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen schließen, aber die gleiche fundamentale Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre teilen.

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