Kalter März war kein Zufall

Der Winter gab sich im März noch nicht geschlagen. Nachdem der Februar in Zürich fast drei Grad zu kalt war, blieb auch der dritte Monat des Jahres rund anderthalb Grad unter den Erwartungen. Was im Februar seinen Anfang nahm, setzte sich im März fort. So präsentierte sich der März mehrheitlich grau und winterlich kalt. Auch die Ursache für den zweiten zu kalten Monat in Folge ist die selbe und ist in der Stratosphäre über dem Nordpol zu finden.

Kaum Anzeichen von Frühling: kein einziges Mal stiegen die Temperaturen im März 2018 in Zürich über 15 Grad.

Märzwinter

Der März startete eisig kalt. Es war der Abschluss der für ihr spätes Auftreten recht intensiven Kältewelle, welche im letzten Februardrittel einsetzte. In den ersten zwei Nächten des Märzes sackte das Thermometer daher immer noch bis auf -9 Grad ab und auch tagsüber blieb es mit -3 bis 0 Grad sehr kalt. Die Kälte klang in den folgenden Tagen dann doch recht zügig ab und die Temperaturen lagen in der Folge bis Mitte Monat im jahreszeitüblichen Bereich. So wurden am Nachmittag Temperaturen um 10 Grad gemessen und in den Nächten Werte zwischen null und fünf Grad. Der Frühling schien langsam Einzug zu halten, doch die polare Kaltluft blieb in Lauerstellung und prompt wurde Mitteleuropa Mitte März von der zweiten Kältewelle des Winters heimgesucht. Aufgrund der fortgeschrittenen Jahreszeit war sie bedeutend weniger kalt, aber für die zweite Märzhälfte doch eindrücklich. Erst am 25. März kehrten die Temperaturen wieder in den für März normalen Bereich zurück.

Auch die zweite Kältewelle war zwar ähnlich wie die erste Ende Februar ausgeprägt, aber im langjährigen Vergleich weder sonderlich intensiv noch langanhaltend. In den letzten 30 Jahren gab es in den Jahren 1996, 2006 und 2013 intensivere März-Kältewellen. Und davor zwischen 1984 und 1987 traten März-Kältewellen sogar jedes Jahr auf. In den 20er-, 30er- und 40er-Jahren des 20. Jahrhunderts gehörten Kältewellen im März zur Tagesordnung. In fast jedem zweiten Jahr erlebte Mitteleuropa eine intensivere Kältewelle als in diesem Jahr. Mit insgesamt 13 Frostnächten geniesst der März 2018 in Zürich deshalb auch keine Sonderstellung. Noch bis in die späten 80er-Jahre wurden im März jeweils 15 Frosttage erwartet. In den letzten 30 Jahren korrigierte sich dieser Wert sprungartig nach unten. So werden heutzutage noch 9 Frosttage im März erwartet. Eistage, also Tage an denen das Thermometer ganztags unter dem Gefrierpunkt verharrt, waren im März aufgrund der bereits starken Sonneneinstrahlung schon immer recht selten. Im diesjährigen März wurden drei solche Eistage in Zürich registriert. In nur wenigen Jahren gab es in einem März mehr Eistage. Einen extremen März erlebte die Schweiz im Jahr 1971. Der März war so eisig, dass an acht Tagen Dauerfrost herrschte. Durchwegs frostig war der März im Jahr 1865. Mit einer durchschnittlichen Temperatur von -1,2 Grad ist er bis heute der kälteste März in der über 150-jährigen Zürcher Messreihe.

Das Frühjahr 2018 ist in Zürich weiterhin sehr trüb. Die Sonnenuhr zählte Ende März erst 200 Sonnenstunden. Vor einem Jahr waren es 75 Prozent mehr. Letztmals trüber startete das Jahr in Zürich im Jahr 2013.

 

Zusammenbruch des Polarwirbels

Die beiden Kältewellen und die anhaltend trübe und kalte Witterung im Februar und März sind Folgen eines speziellen Phänomens, welches sich im Laufe des diesjährigen Februars über dem Nordpol ereignete. Durch die ständige Zufuhr sehr milder und feuchter Luftmassen in Richtung Nordpol und deren vertikaler Ausdehnung ergab sich eine „plötzliche“ Stratosphärenerwärmung. Gewöhnlich dreht sich im Winter über der Arktis in einer Höhe von 30 bis 50 Kilometern ein riesiger Kaltluftwirbel, welcher in der darunter liegenden Troposphäre, unserer Wetterschicht, die milden Westwinde anfacht. Durch die Stratosphärenerwärmung zerfiel der Kaltluftwirbel, auch als Polarwirbel bekannt, in zwei kleinere Wirbel. Die Erwärmung der Stratosphäre über der Arktis war sehr kräftig. Am 4. Februar herrschte 30 Kilometer über dem Nordpol noch eine Temperatur von minus 70 Grad. Am 14. Februar wurden schon minus 30 Grad erreicht. Bricht der Polarwirbel zusammen, beginnt der Jetstream stärker zu mäandrieren. Die Westwinde erlahmen und in der Folge kann kalte Luft aus Sibirien nach Mitteleuropa vordringen. Wie nach Rezept geschah dies Ende Februar.

Die Relevanz dieses Phänomens über dem Nordpol zeigt sich auch eindrücklich in früheren Jahren. Nach dem Zusammenbruch des Polarwirbels im Januar 2013 folgten zwei intensive Kältewellen im Februar und eine weitere ausgeprägte Kaltphase im März. Der März 2013 war entsprechend noch kälter als in diesem Jahr. Der Februar 2012 war der eisigste der letzten drei Dekaden. Zuvor ereignete sich im Januar 2012 eine Stratosphärenerwärmung mit anschliessender Schwächung des Polarwirbels. Ähnliches ereignete sich im Januar 2010 und auch damals wurde Mitteleuropa im Februar und März von eisigen Kältewellen heimgesucht. Auch in den Jahren 2004 und 2006 folgten Kältewellen im März auf eine Stratosphärenerwärmung im vorhergehenden Januar.

 

Der entzweite Polarwirbel konnte sich nicht wieder regenerieren und ermöglichte so auch die zweite Kältewelle im März. Mit der immer kräftigeren Sonneneinstrahlung und dem Ende der Polarnacht über dem Nordpol neutralisiert sich der Polarwirbel jeweils Anfang April und wechselt in den Sommermodus. Die Gefahr, dass er auch das Aprilwetter 2018 beeinflusst, ist also gering.

Kalter März war kein Zufall

Vulkanausbrüche als Bremse der globalen Erwärmung?

Am 21. Mai 2011 kam es zu einer heftigen Eruption des Vulkans Grimsvötn in Island. Die Aschewolke wurde hoch in die Atmosphäre geschleudert. Aus der Vergangenheit ist bekannt, dass Vulkanausbrüche das Klima auf der Erde abkühlen – können wir uns das zu Nutze machen, um die globale Erwärmung zu stoppen? 

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Der isländische Vulkan Grimsvötn ist am 21. Mai 2011 unter Europas grösstem Gletscher namens Vatnajökull, der ein Eisvolumen von 3‘000 Quadratkilometer beherbergt, ausgebrochen und hat seine Rauchsäule anfangs bis zu 20 Kilometer hoch geschleudert. In der Nacht auf den 22. Mai sank die Aschewolke auf 15 Kilometer ab und pendelte sich im Anschluss auf einer Höhe von ca. 10 Kilometer ein. Der Ausbruch ist deutlich heftiger einzustufen, als jener des Eyjafjallajölull vor einem Jahr, wo die Aschewolke nur 8 bis 10 Kilometer in die Höhe ragte. Vulkane katapultieren bei der Eruption grosse Mengen Schwefeldioxid (SO) in die Atmosphäre, die dann durch Oxidation  Sulfataerosole bilden. Diese Aerosole haben in den untersten 10 Kilometern der Atmosphäre, der sogenannten Troposphäre, nur eine kurze Lebensdauer von rund einer Woche, bevor sie von Niederschlägen ausgewaschen werden. In der Stratosphäre hingegen, also in einer Höhe von 10 bis 50 Kilometer, verweilen die Sulfataerosole einige Jahre und können deshalb einen Einfluss auf unser Klima nehmen. Die Aerosole streuen einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlen zurück ins Weltall. So kommt insgesamt weniger Sonnenlicht auf die Erdoberfläche und es kommt zu einer Abkühlung. Je stärker die Eruption und je nachdem, wie viel Schweldioxid in die Stratosphäre gelangt, wird die Temperatur auf der Erdoberfläche für ein bis drei Jahre spürbar kälter. Im Jahre 1991, nach dem Ausbruch des Pinatubos, wurde es global um 0,5 Grad kälter! Diese Abkühlung geht aber nicht nur auf die Rückstreuung der Solarstrahlung zurück, dem direkten Aerosoleffekt. Auch verschiedene indirekte Aerosoleffekte beeinflussen die globale Temperatur. Mehr Aerosole führen dazu, dass mehr aber kleinere Wolkentröpfchen entstehen (da jedes Wolkentröpfchen ein Aerosol braucht) und die Wolke vom Weltall aus deshalb heller erscheint und mehr Sonnenstrahlen reflektiert (Wolken-Albedo). Dieser Prozess löst gleich den nächsten aus, denn viele kleine Tröpfchen kollidieren weniger effizient, es bildet sich also weniger Niederschlag und die Wolke erreicht so eine längere Lebensdauer und kann über eine längere Zeit Sonnenlicht reflektieren – auf der Erdoberfläche wird es noch kälter. Dr. Lohmann, Professorin an der ETH Zürich, hat 2002 aber eine weitere Rückkoppelung von Aerosolen auf Mischwolken beschrieben. Demzufolge beschleunigen Aerosole die Vereisung von unterkühlten Wolken, was zu mehr Niederschlag führt, so dass sich die Wolken schneller auflösen und deshalb weniger Sonnenstrahlen zurückhalten und die Erde eher erwärmen. Insgesamt wirkt der Aerosoleffekt aber kühlend auf das Weltklima. Im IPCC Report aus dem Jahr 2007 wird mit einem direkten Aerosoleffekt von -0,5 und einem indirekten von -0,7 Watt pro Quadratmeter gerechnet. Zum Vergleich: Die Treibhausgase forcieren die Strahlung um gut 3 Watt pro Quadratmeter. Die Aerosole wirken den Treibhausgasen also entgegen und haben im Mittel der Jahre 1750 bis 2005 45 Prozent der langlebigen Treibhausgase kompensiert.

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Geoengineering – künstliche Vulkanausbrüche
Im Jahr 2006 schlug der ehemalige Nobelpreisträger Paul Crutzen vor, den kühlenden Effekt von Vulkanausbrüchen zu imitieren und durch einen massiven Eintrag von Schwefeldioxid in der Stratosphäre die globale Erwärmung zu stoppen. Wäre das wirklich eine sinnvolle Lösung?
Die Abbildung, wo verschiedene Klimasimulationen gezeigt sind, gibt die eindeutige Antwort. Wie in der Grafik ersichtlich sollten ab dem Jahr 2007 jährlich grosse Mengen von Schwefeldioxid in die Stratosphäre emittiert werden. Die Abkühlung setzt durch den beschriebenen Aerosoleffekt schlagartig ein, wobei bei einem Eintrag von 3 Millionen Tonnen SO pro Jahr die globale Temperatur laut Klimasimulation lediglich um 0,1 Grad gesenkt werden konnte. Bei jährlich 5 oder sogar 10 Millionen Tonnen emittiertem Schwefeldioxid in der Stratosphäre über den Tropen, ist der kühlende Effekt beeindruckend. Das Weltklima kühlt sich um 0,5 bis 1 Grad ab und liegt beinahe wieder auf dem vorindustriellen Niveau! Das Geoengineering funktioniert also – oder doch nicht? Die Simulation ging davon aus, dass der jährliche Eintrag von SOin die Stratosphäre 2028 endet. Die globale Temperatur würde innert weniger als einer Dekade ungeheuer stark um rund 1,5 Grad ansteigen und beinahe wieder die Werte ohne 20-jähriges Geoengineering erreichen (rote Kurve). Ein solch rascher Klimawandel hätte wohl immense negative Folgen und Auswirkungen. Das Geoengineering packt das Problem also nicht bei der Wurzel, sondern kuriert nur dessen Symptome. Die Versauerung der Ozeane ginge weiter, Niederschlagsgebiete würden sich verschieben.

Kühler Sommer wegen Grimsvötn?
Isländische Vulkane können durchaus das Klima beeinflussen. Während 5 Monaten rauchte der Vulkan Laki in den Jahren 1783-84 und sorgte für eine mittlere Abkühlung von 1,3 Grad in Europa – es war ein Jahr ohne Sommer. Der momentan aktive isländische Vulkan Grimsvötn spuckte seine Aerosole anfangs zwar bis in die Stratosphäre, so dass die Aerosole dort jetzt über Monate eine kühlende Wirkung haben, die ausgestossene Menge dürfte sich aber stark in Grenzen halten, denn bereits Stunden später war die Aschewolke nur noch 10 Kilometer hoch. Unser Sommerwetter 2011 dürfte also kaum in Mitleidenschaft gezogen werden – der Flugverkehr hingegen schon. 

Vulkanausbrüche als Bremse der globalen Erwärmung?