Gelehrtenstreit um die gebremste Erderwärmung der letzten 15 Jahre: Vulkane verlieren gegen Ozeanzyklen

Die gebremste Erwärmung der letzten 18 Jahre gibt den Forschern Rätsel auf. Wie konnten die Modelle diesen Slowdown nur übersehen? Seit etlichen Jahren versuchen Wissenschaftlergruppen hinter das Geheimnis zu kommen. Was fehlt in den teuren Rechenmodellen? Nun, wir hatten es bereits in unserem Buch “Die kalte Sonne” beschrieben: Ursache ist vemutlich die kühlende Phase der Ozeanzyklen gepaart mit abnehmender Sonnenaktivität. Am 20. Juni 2016 bestätigten Doug Smith und Kollegen in Nature Climate Change dieses Modell:

Role of volcanic and anthropogenic aerosols in the recent global surface warming slowdown
The rate of global mean surface temperature (GMST) warming has slowed this century despite the increasing concentrations of greenhouse gases. Climate model experiments1, 2, 3, 4 show that this slowdown was largely driven by a negative phase of the Pacific Decadal Oscillation (PDO), with a smaller external contribution from solar variability, and volcanic and anthropogenic aerosols5, 6. The prevailing view is that this negative PDO occurred through internal variability7, 8, 9, 10, 11. However, here we show that coupled models from the Fifth Coupled Model Intercomparison Project robustly simulate a negative PDO in response to anthropogenic aerosols implying a potentially important role for external human influences. The recovery from the eruption of Mount Pinatubo in 1991 also contributed to the slowdown in GMST trends. Our results suggest that a slowdown in GMST trends could have been predicted in advance, and that future reduction of anthropogenic aerosol emissions, particularly from China, would promote a positive PDO and increased GMST trends over the coming years. Furthermore, the overestimation of the magnitude of recent warming by models is substantially reduced by using detection and attribution analysis to rescale their response to external factors, especially cooling following volcanic eruptions. Improved understanding of external influences on climate is therefore crucial to constrain near-term climate predictions.

Im zweiten Teil des Abstracts wird es allerdings etwas verrückt. Smith und Kollegen behaupten, die negative Phase der PDO wäre eine Folge des Eintrags anthropogener Aerosole, überwiegend Schwefeldioxid. Ziemlicher Quatsch, der jedoch nicht ganz neu ist, denn bereits 2012 hatte dieselbe Forschergruppe Ähnliches behauptet, ohne die Fachkollegen davon überzeugen zu können. Man muss sich das so vorstellen, als wenn anthropogene Aerosol-Emissionen nun auch einen Einfluss auf das Heranrücken des Weihnachtsfestes hätten. In Wahrheit ist die PDO-Ozeanzyklik ein natürlicher Zyklus, der sich seit Jahrhunderten und Jahrtausenden durch die Klimageschichte gepulst hat, was mittlerweile bestens durch zahlreiche Papers dokumentiert ist.

Kurios auch ein Paper von Schurer et al. (2015), zu dem die University of Edinburgh Mitte 2015 die folgende Pressemitteilumg herausgab:

Warming slow-down is climate pause

A slow-down in global warming is not a sign that climate change is ending, university researchers have found. The phenomenon is a natural blip in an otherwise long-term upwards trend, their research shows. In a detailed study of more than 200 years’ worth of temperature data, results backed previous findings that short-term pauses in climate change are simply the result of natural variation. The findings support the likelihood that a current hiatus in the world’s year-on-year temperature increases – which have stalled since 1998 – is temporary.

Modelling data

Scientists from the University of Edinburgh analysed real-world historic climate records from 1782 to 2000, comparing them with computerised climate models for the same timescale. They were able to separate the influence on climate trends of man-made warming – such as from greenhouse gas emissions – and of natural influences in temperature – such as periods of intense sunlight or volcanic activity. This showed that random variations can cause short term interruptions to climate patterns in the form of a pause or surge in warming, in both the real data and in the models, typically lasting up to a decade. Extreme natural forces, such as strong volcanic eruptions, were shown to disrupt climate trends for decades.

Volcanoes’ impact

The research highlights the impact of volcanic eruptions on climate, when particles produced can reflect sunlight from Earth, causing long-lasting cooling. The eruption of Mount Tambora in Indonesia in 1815 was among the biggest in recent times, causing a so-called year without summer. Scientists estimate that, if it occurred today, it would cause a 20-year climate hiatus. Their study, published in Geophysical Research Letters, was supported by the European Commission.

Dr Andrew Schurer, School of GeoSciences: “Human activity is causing the word to warm, and natural variability can cause this trend to slow down or speed up. Our study backs scientific understanding that climate change can experience periods of hiatus, but the overall trend is towards a warmer planet.”

Die Meldung beginnt mit einer Art Gebet, der aktuelle Slowdown wäre doch bitte nur vorübergehend und danach ginge die Erwärmung so schön kräftig weiter wie 1977-1998. Die Hoffnung hierauf wird dabei als Realität verkauft. Zudem wird frech behauptet, die Forscher hätten in ihren Modellen natürliche und anthropogene Faktoren bestens im Griff und könnten die letzten 200 Jahre gut reproduzieren. Sonnenaktivitätsschwankungen spielten dabei jedoch angeblich keine große Rolle, dafür aber Vulkanausbrüche. Aber ist es nicht putzig, dass es während der Kleinen Eiszeit immer dann kälter wurde, wenn die Sonne ihre Strahlkraft herunterschraubte? Die Modelle sind immer noch unvollständig, können daher gar nicht den richtigen Mix gefunden haben. Selbst der IPCC räumt ein, dass die Modelle die Mittelalterliche Wärmephase vor 1000 Jahren nicht hinbekommen. Und nun sollen die gleichen unzulänglichen und schlecht kallibrierten Modelle den Hiatus plötzlich vollständig erklären können?

Verdacht erregt auch die Formulierung, dass “zufällige natürliche Schwankungen” die Ursache hinter den Hiaten und Erwärmungsschüben wären. Schon peinlich, man findet kein Wort zu den Ozeanzyklen in der Pressemitteilung, deren hohe Synchronität mit den Temperaturzapplern im 60-Jahres-Rhythmus so beeindruckend klar ist wie die Passgenauigkeit der Umrisse von Afrika und Südamerika, die Alfred Wegener zur Theorie der Kontinentalverschiebung inspirierte.

Das i-Tüpfelchen ist dann die Behauptung, dass einzelne Vulkanausbrüche heute Abkühlungsphasen von 20 Jahren Länge bewirken könnten. Es ist schon krass, wie hier getrickst und gebogen wird, mit dem einzigen Ziel, die bedeutende Klimawirkung der Sonne und Ozeanzyklen zu leugnen.

Hier noch der Abstract des fragwürdigen Papers, das 2015 in den Geophysical Research Letters erschien:

Determining the likelihood of pauses and surges in global warming

Andrew Schurer, Gabriele Hegerl, Stephen Obrochta

The recent warming “hiatus” is subject to intense interest, with proposed causes including natural forcing and internal variability. Here we derive samples of all natural and internal variability from observations and a recent proxy reconstruction to investigate the likelihood that these two sources of variability could produce a hiatus or rapid warming in surface temperature. The likelihood is found to be consistent with that calculated previously for models and exhibits a similar spatial pattern, with an Interdecadal Pacific Oscillation-like structure, although with more signal in the Atlantic than in model patterns. The number and length of events increases if natural forcing is also considered, particularly in the models. From the reconstruction it can be seen that large eruptions, such as Mount Tambora in 1815, or clusters of eruptions, may result in a hiatus of over 20 years, a finding supported by model results.

Die aufsehenerregende neue Vulkan-Klima-Theorie mit 20 Jahren Abkühlung pro Ausbruch hat nur einen kleinen Haken: Sie passt nicht zu den Messdaten. Joe D’Aleo (Weatherbell) hat die satellitengestützten Wintertemperaturen und vulkanischen Aerosolmengen für die letzten 35 Jahre miteinander verglichen. Den großen Ausbrüchen von Mt. St. Helens und El Chichon folgten drei Jahre Kälte. Allerdings waren dies auch sowieso kalte La Nina-Jahre, wobei der Vulkanbeitrag letztendlich unklar ist. Das Wichtige: Es waren wirklich nur 3 Jahre Kälte, keine 20 Jahre. Ähnlich verhielt es sich nach dem Pinatubo, als es zwei Jahre kälter war:

Abbildung: Vergleich der satellitengestützten Wintertemperaturen und vulkanischen Aerosolmengen für die letzten 35 Jahre. Graphik: Joe D’Aleo (Weatherbell)

 

Wie man in der D’Aleo-Graphik ebenso schön erkennt, sind wir von großen Vulkanausbrüchen in den letzten 20 Jahren verschont geblieben. Trotzdem wollen einige Forscher den vulkanischen Klimakühlschrank nicht kampflos aufgeben. Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) versucht sogar den gesamten Erwärmungs-Slowdown kleineren Vulkanen anzuhängen und verweist in einer Pressemitteilung vom 7. Juli 2015 auf Messungen in der unteren Stratosphäre. Durchsetzen konnten sie sich damit nicht, denn mittlerweile ist das Ozeanzyklen-Modell wohl allgemein akzeptiert. Trotzdem hier die TROPOS-Pressemitteilung:

Vulkanausbrüche bremsen Klimawandel

Reduzierte Sonneneinstrahlung durch Partikel aus Vulkanausbrüchen verhinderte ein stärkeres Ansteigen der Temperaturen

Obwohl die Konzentrationen an Treibhausgasen in der Atmosphäre kontinuierlich ansteigen, ist die globale mittlere Bodentemperatur seit der Jahrtausendwende weit weniger stark angestiegen als erwartet. Eine Erklärung für diese bisher noch nicht völlig verstandene sogenannte „Pause in der Klimaerwärmung“ liefert jetzt ein internationales Team: Die Sonneneinstrahlung ist in den unteren Schichten der Stratosphäre zwischen 2008 und 2011 durch mehrere Vulkanausbrüche doppelt so stark abgeschwächt worden wie bisher angenommen. Für diesen Bereich der Atmosphäre lagen lange kaum Daten vor; jetzt aber lieferte das auf einen Lufthansa-Airbus gestützte IAGOS-CARIBIC-Projekt zusammen mit Beobachtungen des CALIPSO-Satelliten entscheidende Hinweise. Der kühlende Effekt von Vulkanen sei in den Modellen, auf denen der Bericht des Weltklimarats IPCC beruht, deutlich unterschätzt worden, so die Studie im Fachjournal Nature Communications. Unter Federführung der Universität Lund in Schweden waren daran aus Deutschland das Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz (MPI-C), das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig (TROPOS) und das Karlsruher Institute für Technologie (KIT) beteiligt. Da Vulkanausbrüche bisher nicht vorherzusagen sind, bleibt offen, ob dieser kühlende Effekt in den nächsten Jahren anhalten oder aufhören wird. Langfristig wird die Erwärmung durch die Treibhausgase den kühlenden Effekt durch die Vulkan-ausbrüche aber überwiegen, da die Treibhausgaskonzentrationen immer noch ansteigen.

Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts ist die Durchschnittstemperatur über den Kontinenten in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre nicht angestiegen. Dieser Effekt wurde intensiv in der Wissenschaft diskutiert und kann jetzt erklärt werden durch eine neue Studie, die zeigt, dass der kühlende Effekt von vulkanischen Aerosolpartikeln in den letzten Jahren besonders stark ausgeprägt war. Die Studie beruht auf Daten aus der Tropopause, einem Bereich der Atmosphäre zwischen 8 Kilometern (an den Polen) und 17 Kilometern Höhe (am Äquator), der eine Übergangszone zwischen der feuchten Wetterschicht mit ihren Wolken darunter (der Troposphäre) und der trockenen, wolkenfreien Schicht darüber (der Stratosphäre) bildet. Möglich wurde dies, weil das Team zwei Methoden kombinieren konnte: Probenahme und Vor-Ort-Messungen aus dieser Luftschicht durch IAGOS-CARIBIC sowie verbesserte Beobachtungen aus dem All durch den CALIPSO-Satelliten.

Das CARIBIC-Projekt (www.caribic-atmospheric.de) sammelt seit 1997 Daten zu Spurengasen und Aerosolpartikeln. Mit Hilfe eines Messcontainers, der in einen dazu umgebauten Airbus A340-600 der Deutschen Lufthansa verladen wird, werden vier Interkontinentalflüge pro Monat absolviert. Insgesamt werden so über 100 Spurengas- und Aerosolparameter gemessen, teils direkt in 9 bis 12 Kilometern Höhe, teils werden gewonnen Proben in verschiedenen Speziallabors nach dem Flug ausgewertet. CARIBIC bildet somit einen entscheidenden Eckpfeiler im weltweiten atmosphärischen Überwachungsnetz, mit dem ein besseres Verständnis der atmosphärischen Prozesse und des Klimawandels erreicht werden soll. TROPOS betreut dabei die Vor-Ort-Aerosol-messungen. Die Partikelproben werden von der Universität Lund aus Schweden im dortigen Ionenstrahlbeschleuniger analysiert, um die Konzentration von partikelgebunden Schwefel zu bestimmen. Setzt man diese Konzentration ins Verhältnis zur im Flug gemessenen Ozon-Spurengaskonzentration, ist dieses normalerweise relativ konstant. Bei Vulkanausbrüchen gelangt jedoch mehr Schwefel in die Atmosphäre, das Verhältnis verschiebt sich und zeigt so an, wie stark vulkanische Eruptionen die Tropopausenregion beeinflussen. „Das Verhältnis zwischen partikelgebundenen Schwefel und Ozon aus den CARIBIC-Messungen belegt deutlich den starken Einfluss von Vulkanen auf diese Luftschichten“, berichten Dr. Sandra M. Andersson und Prof. Bengt G. Martinsson von der Universität Lund, die die Studie geleitet haben.

Die zweite Messmethode basiert auf Satellitenbeobachtungen. Die CALIPSO-Mission, eine Zusammenarbeit zwischen der National Aeronautics and Space Administration (NASA) der USA und dem Centre National d’Etude Spatiale (CNES) in Frankreich hat beispiellose Einblicke auf Aerosole und Wolken in der Atmosphäre ermöglicht. Bis vor kurzen wurden nur Daten oberhalb von 15 Kilometern genutzt, wo vulkanische Partikel aus großen Eruptionen bekanntermaßen unser Klima über mehrere Monate beeinflussen können. Die vergessene Region in der Stratosphäre – auch „unterste Stratosphäre“ genannt – wurde nun vollständig mit einbezogen, um auch die Auswirkungen kleinerer Vulkanausbrüche berücksichtigen zu können. „Dr. Sandra M. Andersson, bis Ende 2014 Doktorandin von Prof. B. G. Martinsson, hat großartige Arbeit geleistet, um die CALIPSO-Daten bei der Suche nach den fehlenden Vulkanaerosolschichten zu nutzen“, betont Dr. Jean-Paul Vernier vom NASA Langley Research Center.

Nachdem es zwischen 1999 und 2002 keine größeren Vulkanausbrüche in der Nordhemisphäre gab, konnten zwischen 2005 und 2012 deutlich mehr Partikel beobachtet werden. Besonders drei Eruptionen stachen dabei heraus: Der Kasatochi im August 2008 auf den Aleuten in Alaska (USA), der Sarytschew im Juni 2009 auf den Kurilen vor Kamtschatka (Russland) und der Nabro im Juni 2011 in Eritrea am Roten Meer. Alle drei schleuderten Schätzungen zufolge jeweils weit über eine Megatonne Schwefeldioxid (SO2) in die Atmosphäre. „Praktisch alle Vulkaneruptionen, die die Stratosphäre erreichen, führen zu mehr Partikeln in dieser Schicht, da sie Schwefeldioxid mitbringen, aus dem sich Sulfatpartikel bilden“, erläutert Dr. Markus Hermann vom TROPOS, der die Vor-Ort-Partikelmessungen im CARIBIC-Projekt betreut.

Ob ein Vulkanausbruch globale Auswirkungen auf das Klima hat, hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Dazu gehört die ausgestoßene Menge an Schwefeldioxid sowie die maximale Höhe, die die Eruption erreicht. Aber auch der Breitengrad der Eruption spielt eine wichtige Rolle: Da die Strömungen in der oberen Atmosphäre auf der Nordhalbkugel weitgehend getrennt von denen auf der Südhalbkugel ablaufen, können nur Vulkane in Nähe des Äquators ihr Material effektiv über beide Hemisphären verteilen. Im April 2015 wurde an den Ausbruch des Tambora auf der indonesischen Insel Sumbawa (auf 8° südlicher Breite) vor 200 Jahren gedacht, der zu einer so starken globalen Abkühlung führte, dass 1816 das „Jahr ohne Sommer“ genannt wurde und dadurch schwere Missernten und Hungersnöte ausgelöst wurden. Auch der Krakatau 1883 in Indonesien (auf 6° südlicher Breite) oder der Pinatubo 1991 auf den Philippinen (auf 15° nördlicher Breite) sorgten für spürbare Abkühlungen. „Unsere Studie deutet nun darauf hin, dass der kühlende Effekt von Vulkanausbrüchen in der Vergangenheit unterschätzt wurde, da der unterste Teil der Stratosphäre in diesen Berechnungen fehlte“, erklärt Dr. Sandra M. Andersson. „Insgesamt unterstreichen unsere Ergebnisse, dass die untere Stratosphäre viel wichtiger für das Klima der Erde ist, als bislang angenommen wurde“, fassen die beiden CARIBIC-Koordinatoren Dr. Carl Brenninkmeijer vom Max-Planck-Institut für Chemie (MPI-C) in Mainz und Dr. Andreas Zahn vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zusammen. Das CARIBIC-Observatorium wurde bis Ende 2014 vom MPI-C koordiniert und betrieben, seit 2015 durch das KIT.

In den letzten Jahren ist viel über Unterschiede zwischen den modellierten und den tatsächlich beobachteten Erwärmungsraten diskutiert und über die Ursachen dieser Diskrepanzen spekuliert worden – von systematischen Fehlern bei der Abhängigkeit des Klimas vom Anstieg der Treibhausgase bis zu Problemen, die natürlichen Schwankungen des Klimas hinreichend in den Modellen abzubilden. Neuere Untersuchungen konnten jedoch zeigen, dass verschiedene Faktoren wie veränderten Meeresströmungen, Schwankungen in der Sonnenaktivität und Aerosole aus Vulkanen zu diesen Abweichungen beitragen, weil sie in den Klimamodellen nicht hinreichend berücksichtigt sind. 2011 hatten Susan Solomon und Kollegen in SCIENCE den Effekt des vulkanischen Aerosols in der Stratosphäre oberhalb von 15 Kilometern Höhe noch auf -0,1 Watt pro Quadratmeter geschätzt. Die jetzt veröffentlichte Studie belegt jedoch, dass dieser globale Strahlungsantrieb sich zwischen 2008 und 2011 um mehr als 30 Prozent erhöht hat, wenn auch die untere Stratosphäre unter 15 Kilometern Höhe mit berücksichtigt wird. In den mittleren Breiten der Nordhemisphäre ist die Effekt sogar noch größer.

Publikation: Sandra M. Andersson, Bengt G. Martinsson, Jean-Paul Vernier, Johan Friberg, Carl A. M. Brenninkmeijer, Markus Hermann, Peter F. J. van Velthoven & Andreas Zahn (2015): Significant radiative impact of volcanic aerosol in the lowermost stratosphere. Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms8692. http://www.nature.com/ncomms/index.html