Zwei heiße und extrem trockene Sommer hat Deutschland hinter sich, auch dieses Jahr brachte vielerorts wenig Regen. Dass Häufigkeit und Ausmaß aufeinanderfolgender Dürren in Mitteleuropa bis Ende des Jahrhunderts deutlich zunehmen, falls die Treibhausgasemissionen weiter steigen, schreiben Forscher des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung in Leipzig im Fachblatt Scientific Reports. Demnach gab es seit 1766 in Mitteleuropa keine zwei aufeinanderfolgenden Sommer-Dürren des Ausmaßes von 2018 und 2019. Bei einem starken Anstieg der Treibhausgas-Emissionen bis zum Jahr 2100, so die Forscher, dürfte sich die Zahl solcher zweifacher sommerlicher Dürreperioden in Mitteleuropa in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts versiebenfachen. Die von Dürre betroffenen Agrarflächen würden um mehr als 400.000 Quadratkilometer zunehmen.
Viele Forscher gehen davon aus, dass zu Hitze- und Dürrephasen in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel – darunter Europa – auch Veränderungen des sogenannten Polar-Jetstreams beitragen. Dieses starke und oft wellige Strömungsband umweht die Erde zwischen dem 40. und 60. Breitengrad in etwa zehn Kilometern Höhe mit 150 bis 200 Kilometern pro Stunde – sogar 500 Stundenkilometer wurden schon gemessen.
Weil dieser Jetstream mit den Hoch- und Tiefdruckgebieten von Westen nach Osten zieht, beschert er Mitteleuropa gewöhnlich einen Mix aus Sonne, Wolken und Regen. Doch Studien zufolge verharren im Sommer Hoch- und Tiefdruckgebiete häufiger wochenlang über einer Region – mit Hitzewellen einerseits und Dauerregen andererseits.
Der Klimawandel begünstigt in Europa Hitzewellen und Dürrephasen
Grundsätzlich entsteht der Jetstream so: Die starke Sonneneinstrahlung erwärmt die Luft in den tropischen und subtropischen Gebieten der Erde stark. Sie steigt auf und fließt polwärts, wo der Luftdruck in der Höhe deutlich geringer ist. Auf der Nordhalbkugel wird die Luft auf dem Weg in die Arktis durch die Corioliskraft nach Osten abgelenkt. Ursache dafür ist die Drehung der Erde, durch die die Rotationsgeschwindigkeit der Luft in Äquatornähe erheblich größer ist als in Polnähe. Die Ablenkung der tropischen Luft und der Temperaturunterschied zur polaren Luft treiben den Polar-Jetstream an.
Doch die Temperaturdifferenz nimmt ab: Seit dem Jahr 2000 hat sich die Arktis doppelt so stark erwärmt wie der Rest der Erde – unter anderem wegen des zurückgehenden Packeises im Sommer. Das helle Eis reflektiert den größten Teil der Sonneneinstrahlung. An den eisfreien Stellen nimmt der dunklere Ozean mehr Sonnenstrahlung auf und erwärmt sich dadurch stärker. Höhere Temperaturen lassen noch mehr Meereis schmelzen, es entsteht ein sich selbst verstärkender Effekt. Im Juli war die arktische Nordostpassage entlang der nördlichen Küste Sibiriens nach Angaben des Copernicus-Klimadienstes nahezu komplett eisfrei.
Anders Levermann vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und andere Forscher sehen Hinweise darauf, dass die Eisschmelze einen Einfluss auf den Jetstream hat. Die beiden vergangenen heißen Sommer in Mitteleuropa und die extremen Wintereinbrüche in den USA in den vergangenen Jahren könnten Folgen des veränderten Jetstreams sein.
Verbleibt ein Hochdruckgebiet lange über einer Region, drohen Dürren mit erheblichen Ernteeinbußen in der Landwirtschaft. Dass bestimmte Konstellationen des Polar-Jetstreams zudem mehrere wichtige Agrargebiete gleichzeitig betreffen können, berichteten Dim Coumou vom Institute for Environmental Studies der Freien Universität Amsterdam und Kai Kornhuber von der Columbia University in New York 2019 im Fachjournal Nature Climate Change.
Klimawandel: Hoch- und Tiefdruckgebiete geraten ins Stocken
Grund dafür ist demnach, dass in den mittleren Breiten ein großer Teil des Jetstreams die Form von Wellen annimmt, die um den Globus ziehen – die sogenannten Rossby-Wellen oder planetaren Wellen. Schwingen sie nach Norden, gelangt warme Luft aus den Tropen etwa nach Mitteleuropa, schwingen sie nach Süden, fließt kalte Polarluft ein.
Allerdings gerät das System der Rossby-Wellen mitunter ins Stocken, wie Coumou und Kollegen berichten: Besitzen die weltumspannenden Wellen entweder fünf oder aber sieben Täler und Berge – also Ausbuchtungen nach Süden und Norden –, dann verharren sie vermehrt: Während der Jetstream weiterströmt, rühren sich die Ausbuchtungen kaum vom Fleck – und mit ihnen die Hoch- und Tiefdruckgebiete. Beim Fünf-Wellen-Muster sind der Studie zufolge eher Osteuropa und Ostasien von Hitze und Trockenheit betroffen, beim Sieben-Wellen-Muster Westeuropa und das westliche Asien. Im zentralen Nordamerika wird es bei beiden Konstellationen oft heiß und trocken.
„Normalerweise geht man davon aus, dass geringe Ernteerträge in der einen Region durch gute Erträge in einer anderen Region ausgeglichen werden“, sagt Coumou, der auch am PIK arbeitet. „Aber diese planetaren Wellen können zu Ernteeinbußen in mehreren wichtigen Kornkammern gleichzeitig führen – mit entsprechenden Risiken für die globale Nahrungsmittelversorgung.“ Wenn im Polar-Jetstream die Fünf-Wellen- oder Sieben-Wellen-Konstellation auftritt, steigt das Risiko für gleichzeitige Hitzewellen in wichtigen Anbaugebieten den Forschern zufolge um den Faktor 20.
Diesen möglichen Zusammenhang zwischen den Veränderungen im Polar-Jetstream und Extremwetter zeigte Coumous PIK-Kollege Vladimir Petoukhov 2013 erstmals auf. Petoukhov erforschte schon Anfang der 2000er Jahre, was mit dem Jetstream passiert, wenn sich der Temperaturunterschied zwischen den Polargebieten und den Subtropen abschwächt.
Klimawandel: Flächenbrände, Hitzwellen, Überschwemmungen und Trockenheit sind die Folge
„Es war wohl der extrem heiße Sommer 2010 in Russland, der Vladimir Petoukhov dazu gebracht hat, seine Idee eingehender zu verfolgen“, erzählt Coumou. Damals führte Dauerhitze im Juli und August in Russland zu schätzungsweise 700 Wald- und Torfbränden auf einer riesigen Fläche. Zusammen mit PIK-Kollegen, darunter der damalige Leiter Hans Joachim Schellnhuber, veröffentlichte Petoukhov 2013 im Fachblatt Proceedings of the National Academy of Sciences seine Theorie zu den Rossby-Wellen, die unter bestimmten Bedingungen nahezu feststecken.
Bei Vorträgen spricht Schellnhuber vom Petoukhov-Effekt. Eine Folie zeigt extreme Wetterereignisse im Juli 2018, die womöglich mit der Sieben-Wellen-Konstellation in Zusammenhang stehen: Flächenbrände in Kalifornien und eine Hitzewelle im Südwesten der USA, heftiger Regen mit Überschwemmungen zwischen Atlantik und den großen Seen in den USA, Hitzewellen in Skandinavien und in Japan, Dürre in Mitteleuropa und Waldbrände in Griechenland.
Konsens ist der Zusammenhang zwischen der weltumspannenden Rossby-Wellen-Konstellation und dem Dürrerisiko in den mittleren Breiten allerdings unter Forschern nicht. So schrieb Andreas Fink vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie mit Kollegen 2018 im Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, dass sehr ausgeprägte regionale Rossby-Wellen Hitzephasen besser erklären könnten als die weltumspannende Rossby-Wellen-Konstellation aus Petoukhovs Theorie.
Und natürlich beeinflussen auch andere Einflussfaktoren Wetterphänomene – etwa das komplexe Zusammenspiel zwischen Meeres- und Luftströmungen. Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung verweist zudem auf Hinweise darauf, dass sich das Golfstrom-System im nördlichen Atlantik abschwächt. Und der offensichtlichste Faktor ist dem Experten zufolge die Erderwärmung selbst: „Wenn es insgesamt wärmer wird, steigt damit auch die Wahrscheinlichkeit von Hitzewellen und Extremniederschlägen.“
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