Angesichts der extremen Dürre dieses Sommers in Deutschland und anderen Ländern der Nordhalbkugel fragen sich viele Menschen, ob diese Phänomene bereits Auswirkung des menschengemachten Klimawandels sind und mit welchen Extremwetter-Ereignissen in Zukunft noch zu rechnen ist. Joachim Curtius, Professor für experimentelle Erforschung der Atmosphäre an der Goethe-Universität, beschäftigt sich u.a. mit dem Thema Wolkenbildung. Das folgende Interview mit ihm führte Olaf Kaltenborn.
Wie ist eine so lange Trockenperiode nahezu auf der gesamten Nordhalbkugel möglich? Was sind dafür die ausschlaggebenden Faktoren?
Keine einfache Frage. In der Tat sind die Hitzewellen und die langanhaltende Trockenheit in Europa, aber auch in Nordamerika und Ostasien in diesem Sommer außergewöhnlich. Die Situation ist bei uns ähnlich wie im Sommer 2003, der für West- und Mitteleuropa bereits als Jahrhundert- oder gar Jahrtausendsommer galt. Und bereits nach 2003 haben die Klimaforscher darauf hingewiesen, dass solche Sommer im vom Menschen beeinflussten Klima deutlich häufiger auftreten würden und dadurch immer neue Höchstwerte zu erwarten seien. Es gibt beispielsweise eine Arbeit von Christoph Schär von der ETH Zürich aus dem Jahr 2004, in der er prognostiziert, dass ein so außergewöhnlicher Sommer wie er 2003 in Europa auftrat in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts zur Normalität werden kann. Solche extremen Bedingungen könnten dann sogar jedes zweite oder dritte Jahr auftreten, weil sich einerseits die Häufigkeitsverteilung als Ganzes hin zu wärmeren Temperaturen verschiebt, aber auch weil sich die Breite der Verteilung vergrößert und damit die extremen Hitzeereignisse noch zusätzlich zunehmen.
Welche Rolle spielt der sogenannte Jetstream?
Die Meteorologie erforscht derzeit auch intensiv, inwieweit sich die Dynamik der Atmosphäre im Klimawandel verändert. In der Forschung will man wissen, wie sich beispielsweise die Zugbahnen der Tiefdruckgebiete verändern. Wie es aussieht, scheint eine wesentliche Erklärung zu sein, dass „blockierende Hochdrucklagen“, die jetzt für das langanhaltende heiße und trockene Wetter über Europa sorgen, tatsächlich zunehmen, bzw. länger anhalten. Die Zugbahnen der Tiefdruckgebiete werden in mittleren Breiten stark beeinflusst vom Jetstream, den sehr starken Windenströmen in der oberen Troposphäre, die in riesigen, planetarischen Wellen um die ganze Erde fließen. Dazu gibt es eine sehr spannende Arbeit von Michael Mann, Dim Coumou und weiteren Autoren aus dem letzten Jahr, die zeigt, dass die Temperaturbedingungen, die für eine sogenannte „quasi-resonante Verstärkung“ der planetarischen-Wellen sorgen, im sich derzeit wandelnden Klima häufiger werden. Die quasi-resonante Verstärkung führt dazu, dass sich fast stationäre Bedingungen für die planetarischen Wellen des Jetstreams einstellen. Diese Bedingungen gehen dann mit den langanhaltenden Wetterextremen im Sommer in der Nordhemisphäre einher. Dass die Bedingungen für die quasi-resonante Verstärkung zunehmen, scheint vor allem daran zu liegen, dass die Temperaturen in den arktischen Regionen viel stärker zunehmen, als in unseren Breiten. Damit sinkt das Temperaturgefälle, das den Jetstream verursacht.
Gab es nach ihrer Kenntnis bereits ähnliche umfassende Dürreepisoden in der jüngeren Geschichte?
Wie gesagt, der Sommer 2003 war bereits exzeptionell. Auch damals gab es sowohl Temperaturrekorde jenseits von 40°C in Deutschland, mehrere lang anhaltende Hitzewellen und äußerst geringe Niederschläge über Monate, so dass auch damals der Rhein und andere Flüsse fast ausgetrocknet waren. Auch 2006 war es in Deutschland sehr warm und sonnig, 2010 gab es in Osteuropa ähnlich extreme Hitzewellen und Dürre mit den verheerenden Waldbränden in Russland, und 2015 gab es auch Temperaturrekorde in Deutschland. Es gab natürlich auch zu Zeiten, als der Mensch das Klima noch nicht stark beeinflusst hat, bereits schlimme Dürreperioden: Die FAZ hat gerade umfassend über die katastrophale Dürre von 1540 berichtet. Aber das gehäufte Auftreten dieser Wetterextreme in den vergangenen zwei Jahrzehnten passt zu dem, was im Zuge des Klimawandels zu erwarten ist.
Kann die Forschung die Auswirkungen menschengemachter und natürlicher Effekte separieren?
In der Klimaforschung zu den Extremwetterereignissen gibt es die neue Forschungsrichtung der „attribution science“, die in den vergangenen Jahren riesige Fortschritte gemacht hat. Sie erlaubt es inzwischen, dass wir in Modellrechnungen vergleichen können, wie wahrscheinlich ein bestimmtes Wetterextrem in einer Region ist, einerseits im aktuellen, vom Menschen veränderten Klima und andererseits in einem Klima ohne zusätzliche Treibhausgase. So kann abgeschätzt werden, wie sich die Wahrscheinlichkeiten für dieses bestimmte Wetterextrem, z.B. eine Dürreepisode in Mitteleuropa, verändert haben. Die Fortschritte in dieser Forschungsrichtung sind so gut, dass der Deutsche Wetterdienst plant, solche Zuordnungsrechnungen schon in naher Zukunft routinemäßig durchzuführen, so dass schon während das Wetterextrem stattfindet – oder zumindest kurz danach – Aussagen möglich sind, ob und wie stark sich die Eintrittswahrscheinlichkeiten geändert haben. Für Land- und Forstwirte, für die Versicherungen, für die Planung von Baumaßnahmen und für viele andere Bereiche ist es äußerst wichtig, zu wissen, wie sich Häufigkeit und Intensität von Wetterextremen wie Starkregen, Hitzewellen und Dürren mit dem Klimawandel verändern.
Kann sich die Natur nach einer so langen Trockenperiode wieder erholen oder drohen bei den teilweise nicht an diese Temperaturen angepassten Pflanzen Dauerschäden?
An einzelne Trocken- oder Hitzeperioden sind die meisten Pflanzen bei uns durchaus angepasst und erholen sich längerfristig wieder. Aber eine deutliche Häufung solcher Extremereignisse führt sicherlich auch zu dauerhaften Schäden bei vielen heimischen Pflanzenarten. Es gibt bereits umfassende Untersuchungen, welche Baumarten angepflanzt werden sollen, damit die Wälder bei uns auch in Zukunft mit längeren Phasen von Trockenstress und abnehmender Bodenfeuchte im Sommer zurechtkommen. Aber die Umsetzung der Empfehlung wird nicht einfach, weil sehr viele weitere Faktoren eine Rolle spielen und die Bäume ja für Jahrzehnte bis Jahrhunderte mit ihrem Standort klarkommen müssen. In dieser Zeit können sich die Bedingungen stark verändern. Die Einzelheiten solcher Entwicklungen können wir nicht vorhersehen.
Wie steht es um die Wolkenbildung: seit vielen Wochen, wenn nicht sogar schon seit Monaten beobachtet man eine sehr stabile und konstante Hochdrucklage über Mitteleuropa, die offenbar Wolken weiträumig abhält.
Ja, im Hochdruckgebiet haben wir es großräumig mit von oben absinkenden Luftmassen zu tun, die sich beim Absinken erwärmen und wenig Wasserdampf enthalten. Daher bilden sich kaum Wolken. Die fehlende Wolkenbedeckung derzeit bedeutet auch, dass es keine kühlende Abschattung am Boden durch Wolken gibt. Wolken bilden sich vor allem dann, wenn die Luftmassen aufsteigen, z.B. an Wetterfronten oder im Kern von Tiefdruckgebieten. Dann kühlt die Luft ab und überschüssiger Wasserdampf kondensiert als Wolken aus. Die Ursache für das blockierende Hoch liegt stark in den zuvor beschriebenen stationären planetarischenen Wellen des Jetstreams.
Warum werden Tiefdruckgebiete so weiträumig abgehalten?
Die Tiefdruckgebiete werden in einer solchen Situation weit im Norden an Europa vorbeigeleitet, bzw. die Tiefs liegen auch recht lange im Westen und im Osten des Hochs. Eine solche Situation kann über mehrere Tage bis Wochen anhalten, sehr stabil im Vergleich zu unserem sonst in mittleren Breiten meist wechselhaften Wetter, bei dem Tiefdruckgebiete und Tiefausläufer alle paar Tage über Deutschland hinwegziehen.
Wieso scheinen teilweise entstehende Gewitter- und Starkregenereignisse innerhalb dieser Hochdrucklage lokal immer begrenzter zu sein (in Frankfurt-Schwanheim regnet es, in Frankfurt Bergen-Enkheim bleibt es gleichzeitig total trocken)?
Die starke thermische Konvektion, die zu Wärmegewittern führt, also das schnelle vertikale Aufsteigen von Luftpaketen, die am Boden erhitzt worden sind, ist ein viel kleinskaligeres Phänomen als die großräumigen Hoch- und Tiefdruckgebiete. Ähnlich den Gasblasen in kochendem Wasser, steigt auch die Luft vom Boden auf und transportiert Wärmeenergie und Luftfeuchtigkeit nach oben ab. Mit dem Aufsteigen der Luftpakete dehnt sich diese Luft aus, kühlt sich ab, und wenn der Wasserdampf auskondensiert, bilden sich bei hochreichender Konvektion Wärmegewitter. Aber den Wettermodellen fehlt die Auflösung und auch die genaue Bestimmung der Anfangsbedingungen, um diese Ereignisse lokal genau vorherzusagen, so wie es beim Topf mit kochendem Wasser kaum möglich ist, vorherzusagen, wo die nächste Blase aufsteigt. Auch die genaue Vorhersage, wo sich genau Hagel bildet und wie groß die Hagelkörner anwachsen werden, ist derzeit nicht möglich.
Haben möglicherweise auch die Hochhäuser der Stadt Frankfurt einen limitierenden Einfluss auf die Wolkenbildung oder können einen Wolkenumlenkungseffekt um Frankfurt herum verstärken?
Auf die großskaligen Hoch- und Tiefdruckgebiete haben die Hochhäuser kaum Einfluß. Die Hochhäuser beeinflussen die Luft vor allem in der bodennahen Grenzschicht, also etwa im untersten Kilometer der Atmosphäre. Wir kennen aber den städtischen Wärmeinseleffekt, der dafür sorgt, dass sich die Luft im Stadtgebiet deutlich stärker erwärmt als im Umland. Dies kann dann auch lokal die Konvektion beeinflussen.
