A4 Extreme Thermal Events

Thema

Extreme thermische Ereignisse umfassen zwei gegensätzliche Phänomene, die denselben dynamischen Ursprung in der großräumigen Zirkulation haben: Hitzewellen und Kältewellen, verursacht durch Polarwirbel. Hitzewellen sind Perioden mit ungewöhnlich hohen Temperaturen, die Tage bis Wochen andauern und unter allen extremen thermischen Ereignissen das meteorologische Risiko darstellen, das in vielen Ländern die höchste direkte Sterblichkeit verursacht.

Der Hauptmechanismus, der Hitzewellen hervorruft, ist das Absinken der Luft im absteigenden Schenkel eines beständigen Hochdrucksystems, sei es eine atmosphärische Blockierungszone oder ein stationärer Hochdruckrücken. Dieses Absinken führt zum Absinken und Komprimieren der Luft, wodurch sie sich adiabatisch erwärmt und die potentielle Temperatur der unteren Atmosphärenschicht ansteigt. Der Anstieg der potentiellen Temperatur in der unteren Schicht trocknet den Boden unter dem beständigen Hochdrucksystem aus. Trockener Boden wiederum reduziert die Evapotranspiration, die normalerweise die bodennahe Luft abkühlt. Durch die geringere Evapotranspiration steht mehr Energie zur Verfügung, um die untere Schicht weiter zu erwärmen und so die potentielle Temperatur zu erhöhen, die den Boden ursprünglich ausgetrocknet hat. Dadurch schließt sich der positive Rückkopplungsmechanismus zwischen Boden und Temperatur. Absinken des Bodens hemmt zudem die Konvektion, die unter anderen Bedingungen die Atmosphäre abkühlen könnte und somit den natürlichen Abflussweg für angestaute Wärme unterbindet.

In Städten wird diese Erwärmung der unteren Bodenschicht durch den städtischen Wärmeinseleffekt verstärkt: Städte weisen eine geringere Evapotranspiration auf, da die Versiegelung den Boden undurchlässig macht und die Verdunstung von Wasser verhindert; sie absorbieren mehr Sonnenstrahlung, da ihre Albedo niedrig ist und die Straßenschluchten die Strahlung zwischen den Gebäuden einschließen; und sie speichern mehr Wärme in den Baumaterialien als in der Vegetation oder dem natürlichen Boden des Umlands. Aufgrund dieser drei Faktoren können die Nachttemperaturen in der Stadt fünf bis acht Grad höher sein als im Umland – ein Unterschied, der groß genug ist, um zu verhindern, dass der menschliche Körper nachts seine Körpertemperatur wiedererlangt, was unter normalen Bedingungen von der nächtlichen Temperaturabsenkung abhängt.

Im Zuge des Klimawandels verstärken Hitzewellen nicht nur diesen Rückkopplungsmechanismus zwischen Bodenabsenkung und Bodentemperatur, sondern nehmen auch in allen Regionen an Häufigkeit, Dauer und Intensität zu, wodurch die Auswirkungen von Hitzewellen im gesamten Spektrum extremer Wetterereignisse vervielfacht werden.

Die zweite Art von Extremwetterereignissen, Kältewellen infolge polarer Kaltlufteinbrüche, folgt einer anderen Logik, beruht aber auf derselben Störung der großräumigen Zirkulation: Sie tritt auf, wenn der stratosphärische Polarwirbel schwächer wird oder wenn verstärkte Rossby-Wellen arktische Luft anziehen und in Richtung der mittleren Breiten drängen. Beim Absinken in die mittleren Breiten weist die arktische Luft eine potenzielle Temperatur auf, die zehn bis zwanzig Grad niedriger ist als die lokale Klimatemperatur der jeweiligen Region. Dieser signifikante Unterschied verursacht zerstörerischen Frost in Gebieten, in denen solche Kälte ungewöhnlich ist.

Paradoxerweise führt die Erderwärmung selbst zu häufigeren arktischen Kaltlufteinbrüchen: Die Verstärkung der arktischen Kaltluft bewirkt, dass sich die Pole zwei- bis viermal schneller erwärmen als der globale Durchschnitt. Diese schnellere Erwärmung der Pole verringert den meridionalen Temperaturgradienten zwischen der Arktis und den mittleren Breiten. Durch die Verringerung des meridionalen Temperaturgradienten verliert der stratosphärische Polarwirbel an Stärke und schwächt sich leichter ab. Diese Schwäche ermöglicht es arktischer Luft, häufiger in die mittleren Breiten zu entweichen.

Extreme Temperaturereignisse sind somit zwei Seiten desselben Klimasystems: Hitzewellen, bedingt durch Absinken der Atmosphäre, Rückkopplungseffekte der Bodentemperatur und die Verstärkung durch Städte, lassen die Temperaturen deutlich über den Normalwert ansteigen und sind die bedeutendste direkte Todesursache unter den Wettergefahren. Kältewellen aus polaren Kälteeinbrüchen, bedingt durch die Abschwächung des stratosphärischen Polarwirbels und verstärkt durch die arktische Verstärkung selbst, führen zu zerstörerischem Frost in Regionen, die auf solche Kälte nicht vorbereitet sind. Beide Extreme – Hitze und Kälte – zeigen, dass extreme Temperaturereignisse weniger von der durchschnittlichen Energiemenge der Erde abhängen, sondern vielmehr davon, wie diese Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen Erdoberfläche, unterer Atmosphäre und Polarwirbel verteilt ist.

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