In den letzten Jahrzehnten hat sich der Tropengürtel der Erde langsam, aber stetig ausgedehnt – im Schnitt um rund 60 Kilometer pro Dekade. Welcher Mechanismus hinter dieser Entwicklung steckt, blieb aber bislang unklar. Jetzt haben Forscher herausgefunden, dass die Erwärmung der Ozeane eine entscheidende Rolle für die Tropenausdehnung spielt: Überall dort, wo sich Strömungswirbel und Temperaturgradienten der Meere ein Stück weit in Richtung der Pole verlagert haben, dehnten sich auch die Tropengürtel stärker aus. Dieser Zusammenhang zeigte sich im Vergleich von Messwerten, ließ sich aber auch in einem Klima-Ozean-Modell rekonstruieren.
Die Tropen sind die wärmste Region der Erde und erstrecken sich wie ein breiter Gürtel längs des Äquators. Im Zentrum dieser als Innertropische Konvergenz bezeichneten Zone steigt warme Luft auf und bildet Quellwolken, die sich in Tropengüssen und Gewittern entleeren. Dies sorgt für das typische warm-feuchte Tropenwetter. In der Höhe strömt die aufgestiegene Luft nach Norden und Süden ab und sinkt dann in einem Streifen beiderseits des Äquators als trockene, kühlere Luft wieder ab. Sie prägt damit die trockenen Subtropen. “In den letzten 15 Jahren haben zahlreiche Daten belegt, dass sich die Grenzen der Tropen und der angrenzenden Subtropen mit dem Klimawandel in Richtung höherer Breiten verschieben”, berichten Hu Yang von Alfred-Wegener Institut Helmholz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven und seine Kollegen. Satellitendaten zufolge weitet sich der Tropengürtel dadurch je nach Region um 0,25 bis 0,5 Breitengrade pro Dekade aus.
Ozean als Triebkraft?
Doch was diese Tropenausdehnung antreibt, ist bislang strittig. Zwar liegt ein Zusammenhang mit dem Klimawandel nahe, aber ob und auf welche Weise die globale Erwärmung die atmosphärische Zirkulation beeinflusst, ist weniger leicht festzustellen. So könnte die Verlagerung auf den veränderten Strahleneinfall oder direkte Effekte der Treibhausgase, aber auch auf Veränderungen der Aerosole oder der stratosphärischen Ozonkonzentrationen zurückgehen, wie die Forscher erklären. Fügt man diese Faktoren jedoch in Klimamodelle ein, können sie die gemessenen Verschiebungen der Klimazonen nur zum Teil nachbilden. Auch die regionalen Unterschiede in der Ausdehnung des Tropengürtels erfassen diese Modelle nicht. Um mehr Klarheit zu schaffen, haben Yang und seine Kollegen nun die Ozeane näher in den Blick genommen. Für ihre Studie untersuchten sie auf Basis von Messdaten der Meerestemperaturen, ob und wie sich die Lage ozeanischer Strömungswirbel und Temperaturzonen seit 1982 verändert hat. Diese Daten setzen sie in Bezug zu den regionalen Verschiebungen des Tropengürtels.
Die Auswertungen ergaben, dass das Ausmaß der Tropengürtel-Ausdehnung eng mit den Vorgängen im Meer verknüpft ist. Überall dort, wo sich das Wasser der subtropischen Meere stärker erwärmt hat, haben sich Strömungen und Ozeanwirbel weiter polwärts verlagert. Als Folge veränderten sich in diesen Regionen auch die Luftdruckverhältnisse und Winde – und mit ihnen die Außengrenze der Innertropischen Konvergenzzone. “Die Polwärts-Verschiebung des ozeanischen meridionalen Temperaturgradienten korrespondiert mit weitverbreiteten Windanomalien im Bereich zwischen dem 20. und 45. Breitengrad”, berichten Yang und seine Kollegen. “Dieses Muster deutet darauf hin, dass die Verschiebung der ozeanischen Gradienten eng mit einer Polwärtsverlagerung der Winde und damit auch mit der Ausdehnung des Tropengürtels verknüpft ist.”
Unabhängig von natürlichen Schwankungen
Nach Ansicht der Wissenschaftler ist demnach die Erwärmung der Ozeane eine der treibenden Kräfte hinter der Verschiebung der Klimazonen. Das könnte auch erklären, warum sich die Außengrenze der Tropen auf der Südhalbkugel stärker polwärts verlagert hat als auf der Nordhalbkugel: Im Süden ist der Anteil und damit Einfluss der Ozeane deutlich größer. Bleibt allerdings die Frage, ob diese Veränderungen in den Meeren natürlichen Ursprungs sind oder auf den anthropogenen Klimawandel zurückgehen. Denn von Klimaphänomenen wie dem El Nino oder der Pazifischen Dekadischen Oszillation (PDO) ist bekannt, dass auch sie die Wassertemperaturen, Strömungswirbel und Winde stark verschieben. “Allerdings manifestiert sich die negative Phase der PDO nur im Pazifik, während die subtropische Erwärmung in allen Meeresbecken auf beiden Hemisphären auftritt”, sagen die Forscher. Messdaten und Modelle zeigen zudem, dass die Veränderungen der ozeanischen Temperaturgradienten auch in den Phasen anhielten, in denen diese natürlichen Klimaschwankungen in die entgegengesetzte Richtung wirkten.
Um ihre Schlussfolgerungen zu unterfüttern, führten Yang und seine Kollegen zusätzliche Modellsimulationen durch. In diesen Ozean-Klima-Modellen veränderten sie nur die Meerestemperaturen und Lage der Gradienten, senkten aber die globalen Lufttemperaturen um 0,1 Kelvin statt ihre Erwärmung abzubilden. “Die Erweiterung der Tropen bleibt trotz dieser globalen Klimaabkühlung bestehen”, berichten die Forscher. “Das zeigt, wie stark der ozeanische Temperaturgradient die atmosphärische Zirkulation beeinflusst.” Insgesamt schließen sie aus ihren Ergebnissen, dass es neben den natürlichen Schwankungen der Meeresbedingungen durch Phänomene wie den El Nino oder die PDO einen sich durchziehenden und vom Klimawandel verursachten Trend zu einer Erwärmung der Ozeane und einer Verlagerung der Gradienten gibt. “Die verstärkte subtropische Ozeanerwärmung ist unabhängig von den natürlichen Klimaoszillationen”, sagt Yang. “Sie ist das Resultat der globalen Erwärmung.” Und das wärmere Meerwasser der Subtropen wiederum ist die treibende Kraft hinter der Ausdehnung des Tropengürtels.
Quelle: Hu Yang (Alfred-Wegener Institut, Helmholz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven) et al., Journal of Geophysical Research Atmospheres, doi: 10.1029/2020JD033158
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