Nova acta Leopoldina NF 62, Nr. 270, 99-113 (1989)

Singuläre Vorgänge und Katastrophenin der Klima-Entwicklung1

von Hermann FLOHN (Bonn)

Mitglied der Akademie

Mit l Tabelle und 4 Abbildungen

fft

') Eine überarbeitete Fassung dieses Beitrags erschien in englischer Sprache (FLOHN 1986).

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Einleitung: Das Klimasystem als zeitlich inkonstantes Multiphasensystem

Klima ist einer der ältesten Begriffe der Naturwissenschaften — die Klimazonen der Erdewaren den griechischen Philosophen wohlbekannt. In allen Etappen der Klimatologie tauchendie großen Namen aus der Geschichte der Wissenschaft auf: Als frühe Beobachter Tycho DEBRAHE, J. KEPLER, und G. W. LEIBNITZ, mit frühen Anregungen zur Theorie von G. GALILEIund B. PASCAL, mit den ersten großräumigen Beschreibungen von E. HALLEY und A. VONHUMBOLDT, als Organisatoren R. HOOKE und J. W. VON GOETHE. Bis tief in unserJahrhundert hinein blieb Klimatologie eine vorwiegend deskriptive Wissenschaft. Zwar hatteV. BJERKNES um 1900 die Grundlagen einer mathematischen Wettervorhersage umrissen;F. M. EXNER und vor allem L. F. RICHARDSON machten um 1920 die ersten Versuche, abererst nach der Entwicklung schneller Rechenautomaten durch K. ZUSE und J. VON NEUMANNkamen systematische Untersuchungen zu einer numerischen Vorhersage in Gang (CHARNEYet al. 1950). In diesem Zusammenhang tauchte die Möglichkeit einer theoretischen Klimatolo-gie auf (SMAGORINSKY 1953); ich erinnere mich gut an die nächtelangen Diskussionen, die wirdamals in Kissingen mit ihm und Ph. D. THOMPSON führten. Es sollte auch nicht inVergessenheit geraten, daß A. VON HUMBOLDT schon 1844 das Konzept einer theoretischenKlimatologie auf einer idealisierten Erdkugel entwickelte und daß M. MILANKOVIC 1920 miteinem einfachen 1-dimensionalen Modell das „solare" Klima berechnete und mit demwirklichen verglich.

Zwar spielt sich das Klima in der Atmosphäre ab, aber seine Ursachen und seine Wirkungengreifen über sie hinaus in andere Bereiche über. Wir sprechen von einem Klimasystem,bestehend aus verschiedenen Subsystemen (Atmosphäre, Ozean, Kryosphäre, Teile derBiosphäre), die wechselseitig, vielfach nicht-linear, miteinander verkoppelt sind und sehrverschiedenen Zeit- und Raumskalen gehorchen. In dieses komplexe System greifen (außerden „internen" Wechselwirkungen) externe „Kräfte" ein:

1. die Sonnenstrahlung, im energiereichsten, „sichtbaren" Teil mit (anscheinend zufälli-gen) Schwankungen der Größenordnung 0, l bis 0,2%, an der kurzwelligen Flanke mit hoherVariabilität, deren Wirkung sich jedoch auf die hohe Atmosphäre (> 50 km) beschränkt;

2. der Vulkanismus, durch Zufuhr von Gasen und Partikeln in die Stratosphäre, die denStrahlungs- und Wärmehaushalt beeinflussen, diskontinuierlich und zeitlich extrem variabel;

3. die Änderung der Gas-Zusammensetzung durch den Menschen (CO2, O3, CH4 undandere Spurengase); in geologischer Zeitskala auch durch 2. und andere, sehr langsameProzesse.

Die wichtigsten Wechselwirkungen spielen sich zwischen Atmosphäre und Ozean ab:Austausch von fühlbarer und latenter Wärme, von Impuls (windgetriebene Meeresströmun-gen), und von Gasen (H2O, CO2 u. a.). Das Klimasystem ist (bis auf die oben erwähnten„Kräfte" unter 2. und 3.) sin fast geschlossenes System, angetrieben durch die Sonnenstrah-lung mit ihren geometrisch bedingten, Jahres- und tageszeitlichen Perioden. Ihre Intensitätändert sich langperiodisch mit den Erdbahnelementen (Neigung der Ekliptik, Excentrizität derErdbahn, Präcession), mit Periodenlängen der Größenordnung von 20000 bis 400000 a.

In der theoretischen Physik sind seit längerem Prozesse bekannt, die in einem nicht-linearenSystem zu Bifurcation oder zu Perioden-Verkopplung führen; das Klimasystem ist, im Sinneder Synergetik (HAKEN 1978), ein selbst-organisierendes System. Hier handelt es ich um einhöchst komplexes, jahreszeitlich variables System, dessen Wechselwirkungen durch nicht-lineare Gleichungssysteme beschrieben werden; auch treten Phasenübergänge (z.B. bei 0 °C:Eis und Schnee, ebenso Kondensation und Verdampfung von Wasser) auf. Dieses Klima-system besitzt in der Atmosphäre ein „Gedächtnis" von einigen Tagen, im Ozean von einigen

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Monaten; dies läßt sich durch Autocorrelationsfunktionen beschreiben. Empirische Erfahrun-gen bei Versuchen einer mittelfristigen Vorhersage (in den Jahren 1941 bis 1960 im DeutschenWetterdienst) ergaben, in Übereinstimmung mit den Arbeiten des Leipziger Instituts unterL. WEICKMANN (1930 bis 1941), das Auftreten intermittierender, quasi-stationärer Wellen-vorgänge (mit Perioden von 20 bis 36 d im Winter, von 15 bis 25 d im Sommer) in den'extremen Jahreszeiten, die in den Übergangs-Jahreszeiten aussetzten. Das entspricht einemSystem, dessen Attraktor-Becken sich jahreszeitlich verschiebt, bei dem (in sehr großenZeitabständen) eine Bifurcation und damit ein Übergang zu einem neuen „Modus" stattfindenkönnte, möglicherweise ohne externe Eingriffe.

Seine Funktion wird beherrscht von stochastischen und deterministischen Faktoren. Wohlals erster hat LORENZ (1964, 1967) auf eine mögliche Instabilität des Klimas hingewiesen;nach seinen Überlegungen verhält sich das Klimasystem weder transitiv noch intransitiv,sondern fast-intransitiv. Klimaänderungen (wie etwa der 20mal wiederholte Wechsel Eis-zeit — Warmzeit) laufen weder rein zufallsbedingt, noch in Form harmonischer Schwingungenab; am ehesten sind sie Analoga zu den Kippschwingungen, d. h. raschen Umschaltungenzwischen verschiedenen Modi. Das Klima läßt sich darstellen durch ein System vonGleichungen mit der Eigenschaft, daß kleine, zufällige Abweichungen der Anfangsbedingun-gen zu verschiedenen Lösungen (d.h. langperiodischen Mittelwerten) führen. Diese stochasti-schen Eigenschaften haben in den letzten Jahren wichtige Untersuchungen (HASSELMANN1976; FRAEDRICH 1978, 1979, 1985; SUTERA 1981) veranlaßt.

Diese theoretischen Überlegungen, gewonnen aus mehr oder minder stark vereinfachtenModellen stehen in eindeutigem Widerspruch zu einem klassischen Postulat: Natura nonfacitsaltum. Gibt es nun Beobachtungsdaten, die dieses fast-intransitive Verhalten belegen ? DieseFrage hat in den letzten Jahren zunehmend an Gewicht gewonnen (FLOHN 1979, 1982; ROGON1981; BAKER-BLOCKER und BOUWER 1984). Man kann 2 Typen diskontinuierlicher, abrupterVorgänge im Klimasystem unterscheiden:

1. Regional begrenzte Diskontinuitäten,2. Globale Klimaänderungen in geologischer Skala.

Diese beiden Typen gehören verschiedenen Zeitskalen an: Typ l bezieht sich auf interannuelleÄnderungen, bei denen die beiden durch einen „Sprung", eine „Klimaverwerfung"(SCHMAUSS 1932) getrennten Zeitabschnitte höchstens einige Dekaden umfassen. Für Typ 2stehen bisher kaum numerische Daten zur Verfügung; wir müssen also von Näherungswertenoder Schätzungen ausgehen. Wir wollen uns auf solche Änderungen beschränken, derenZeitdauer kurz ist gegenüber den Zeitabschnitten stabiler, quasi-stationärer Klima-Abläufe(Skala 103 bis 104 a). Diese „abrupten" Klimaänderungen haben in letzter Zeit steigendesInteresse erweckt (vgl. WOILLARD [1979]; DUPLESSY [1981]; FLOHN [1983a, 1984]). Hierliegt der Begriff „Katastrophe" wegen der Auswirkungen auf die Biosphäre nahe.

Der Begriff Singularitäten ist in diesem Zusammenhang leider mehrdeutig, wenn er auchaus fachspezifischen Gründen vor 60 Jahren als „Witterungs-Singularitäten" von A.SCHMAUSS (in den Arbeiten ab 1928) in sehr speziellem Sinne eingeführt wurde. Es handeltsich um die (aus der Folklore bekannten) Kalenderbindungen im statistischen Ablauf derWitterung, wie die Eisheiligen, der Altweibersommer oder das Weihnachtstauwetter. DieseKalenderbindungen (für einen Überblick siehe FLOHN [1954]) sind also hier nicht gemeint;inzwischen ist klar geworden, daß nur wenige als statistisch signifikant gelten können und daßihre Persistenz in langen Beobachtungsreihen erheblich schwankt.

Auf eine Darstellung der möglichen Rolle des 'Klimas bei den großen Faunenschnitten dergeologischen Vergangenheit, die nur alle 107 bis 108 a auftreten, muß aber hier verzichtetwerden, auf sie wird Herr ERBEN eingehen. Die hier gewählten Beispiele beschränken sich in

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einer intermediären Zeitskala auf solche mit einer genügend genauen relativen Chronologie;hier rückt das Kriterium der abrupten Übergänge und ihre Dauer in den Vordergrund. Siestammen ausnahmslos (FLOHN 1984) aus dem Pleistocän, d. h. aus den letzten 2 MillionenJahren.

Diese „abrupten" Klimaschwankungen und die Diskontinuitäten im Klimaablauf sind erstvor wenigen Jahren bekannt geworden; die Frage nach ihrem Mechanismus ist daher durchausnoch offen. Dieses Problem ist heute kein rein akademisches Problem mehr; es hängt — wienoch zu zeigen sein wird — eng mit der heute ablaufenden anthropogenen Klimamodifikationzusammen und berührt damit die Frage nach der künftigen Entwicklung des Klimas. DieseFrage steht hier nicht zur Diskussion; sie wurde vor wenigen Monaten auf einem LEOPOL-DIN A-Meeting „Treibhauseffekt und Klima" erörtert.

„Katastrophen" im aktuellen Ablauf von Witterung und Wetter

Der Begriff „Katastrophe" ist in der Sprache der Medien (Zeitung, Rundfunk und Fernsehen)oft in unverantwortlicher Weise mißbraucht worden — kein Tag vergeht, wo er nicht in denSchlagzeilen auftritt, nur um in einer Zeit ständiger Reizüberflutung noch Aufmerksamkeit zuerregen. Das gilt auch für die Berichterstattung über das Wetter. In unserem Zusammenhangseien 2 Beispiele von extremen Wetterphänomenen erwähnt, die offenbar im obersten Bereichder statistischen Streuung liegen.

Am 12. Juli 1984 entwickelte sich über München ein schweres Gewitter mit einem (dieTropopause durchstoßenden) Hagelsturm, der in den östlichen Vororten mit Hagel bis zurGröße eines Tennisballs (Durchmesser 9 cm) einen enormen Schaden an Fenstern, Dächern,Autos usw. anrichtete, der von der beteiligten Versicherungsgesellschaft insgesamt auf 3Milliarden DM geschätzt wurde. Extreme dieser Art scheinen sich in den letzten Jahren inGroßstädten zu häufen. Sicher ist hier die thermische Wirkung von Stadt und Industrie sowiedie zusätzliche Wasserdampfzufuhr durch Verbrennung von Erdöl und Erdgas mitbeteiligt; intypischen Fällen wird, zusätzlich zu der normalen Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche (inMitteleuropa 50 bis 60 W/m2, im Sommer rund 100 W/m2), eine Energie von 10 bis 50 W/m2

freigesetzt. Statistische Untersuchungen in Hamburg, im Ruhrgebiet und in Holland habeneinen lokalen Effekt auf die Starkregenhäufigkeit nachgewiesen; diese häufen sich in derWindrichtung hinter den Heizquellen, gewissermaßen windgeschützt, zugleich mit einerVerarmung zu beiden Seiten. In diesem Fall läßt sich jedoch der Stadteffekt nicht mitSicherheit nachweisen.

Ein andersartiger Fall exzessiven Regens trat im semiariden Mittelmeerklima des Maghrebauf: Die Hochwasserkatastrophe in Tunesien vom September/Oktober 1969. Ihre Auswirkun-gen erstreckten sich von der algerischen Sahara bis nach Sizilien, Lybien und Unterägypten.Im Verlauf von 40 Tagen kam es 4mal hintereinander zur Ausbildung intensiver Cyklonen, dieauf einer (auch sonst häufig frequentierten) Zugstraße vorn Senegal her durch die Sahara nachNordosten zogen und sich unter einem Höhentrog im Gebiet der Mittelmeerküste starkvertieften (FLOHN 1975). In einem 8650 km2 umfassenden Flußgebiet bei Kairouan fielen indiesen 4 Fällen — räumlich gemittelt — jeweils 174, 148, 102 und nochmals 189 mm Regen,wobei das Hochwasser alle Verkehrs Verbindungen unterbrach, weite Talungen meterhochübersandete und römische Ruinen zerstörte. An einzelnen Stationen wurde in diesen beidenMonaten das 30- bis 40fache des Normalwertes gemessen; nach statistischen Tests tritt eineSequenz von Ereignissen dieser Intensität in 3000 bis 7000 Jahren nur einmal auf.

Trotzdem gehören solche Ereignisse durchaus zum normalen Ablauf der Witterung undfallen in den Bereich statistischer Schwankungen. Zwar sollte man darüber nachdenken, ob dieRandbedingungen — Bodenzustand und Vegetation, Industrie und Urbanisierung — noch die

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gleichen sind wie in dem der Statistik zugrundeliegenden Vergleichszeitraum. Bei der Rolleder thermischen Instabilität ist es kaum möglich, einen oberen Grenzwert anzugeben, der nichtauch einmal überschritten werden könnte. In den inneren Tropen ist ein Grenzwert fürTemperatur und Wasserdampfgehalt der Troposphäre dadurch gegeben, daß bei der heutigenSolarkonstante die (lokal ungestörte) Oberflächentemperatur des Wassers nicht über 30 °Cansteigen kann, da sonst die Energie der Sonne nicht ausreicht, um mehr Wasser zuverdampfen (NEWELL und DOPPLICK 1979). Neueste Untersuchungen von KRÄHE et al.(1987) ergaben eine Zunahme des Wasserdampfgehalts der Atmosphäre als Folge derErwärmung der Ozeanoberfläche. Damit ändert sich auch die Strahlungsbilanz: Die Ober-grenze der Temperatur liegt heute bei 30,5 °C. Zusammen mit der Dynamik convektiverWolkensysteme in einer nach oben scharf abgeschnittenen Troposphäre ergibt sich hierdurcheine Obergrenze für die Höhe der Cumulonimben und damit für die Intensität der Nieder-schläge.

Der Super-Ei Nino von 198211983

Dehnt sich eine solche extreme Wettersituation, die an vielen Stellen die bisher beobachtetenExtremwerte überschreitet, in ihren Auswirkungen über die ganze Erde aus, zugleich übereinen Zeitraum von vielen Monaten, dann wird man die Frage nach der Überzufälligkeit ineinem weiteren Rahmen stellen müssen. Dann wird es entscheidend sein, ob und inwieweitvorher und nachher der normale Klimazustand herrscht oder nicht. Vor dieser Frage stehen wirheute, nachdem 1982/1983 eine (in diesem Jahrhundert, in schwächerer Form, schon 12malbeobachtete) Witterungsanomalie (RASMUSSEN und CARPENTER 1982, BEHREND 1984) innoch nie erreichter Intensität aufgetreten ist, anscheinend im Zusammenhang mit großräumi-gen Anomalien, die 6 bis 8 Jahre hinweg anhielten.

Die wichtigsten Entwicklungen dieser einmaligen Anomalie seien unter Verzicht auf vieleEinzelheiten hier zusammengestellt (meist nach ARKIN et al. [1983]):

1. Im Zusammenhang mit zeitweilig westlichen (statt östlichen) Winden über demzentralen äquatorialen Pazifik rückte im Sommer/Herbst 1982 eine Zone extrem warmenWassers (28 bis 30 °C) über den ganzen Pazifik hinweg bis zur südamerikanischen Küste vorund unterdrückte die sonst vorherrschende Zunge aufquellenden Kaltwassers (20 bis 25 °C).Im Februar/März 1983 erreichte sie eine Länge von rund 18 000 km und eine Breite von über2000 km, d. h. eine Fläche von rund 11 % der Fläche aller Ozeane. Das Zentrum intensivsterHeizung und Niederschlagstätigkeit, normalerweise über Indonesien und dem Westpazifik,verlagerte sich (belegt durch Satelliten-Messungen der langwelligen Ausstrahlung derWolkenoberfläche) im Winter 1982/1983 um etwa 8000 km nach dem Zentralpazifik.

2. Über dieser vergrößerten Heizfläche kommt es zu einer breiten Zone maximalerConvektion und Niederschlag, zur Freisetzung enormer Mengen latenter Energie (während derMonate Juni 1982 bis Mai 1983) und zu einer Umkehr des großräumigen Windsystems. Wiebeim indisch-afrikanischen Sommermonsun wehen in unteren Schichten (850 hPa, etwal ,5 km Höhe) Westwinde, in der oberen Troposphäre (200 hPa, etwa 12 km Höhe) Ostwinde.Dieses Windsystem ist gekoppelt mit einer Verstärkung der normalen HADLEY-Cirkulation;unten Einströmen und Convergenz, oben Divergenz, in subtropischen Breiten (20 bis 30°)Verstärkung der westlichen Winde (Subtropen-Jet aus Westen) und des Absinkens, d. h.Trockenheit.

3. Diese Anomalie über dem zentralen und östlichen Pazifik war gekoppelt mit einerentgegengesetzten Entwicklung im Einzugsgebiet (über dem Atlantik und dem östlichenSüdamerika) und im Delta (Indonesien, Indischer Ozean) der hochtroposphärischen Ost-winde. Hier kam es in großen Gebieten zu Absinken und zu anhaltenden Trockenperioden.

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Tabelle l Niederschlagsanomalien 1982/83. Die rechte Spalte zeigt die beobachtete Menge in [% ] des langjährigenMittels; die linke Spalte die Monate (5 bis 10 4 Mai bis Oktober). Für Indonesien sind die Daten inhomogen; bei 32 bis40 Stationen ist der Anteil der Stationen mit übernormalen Mengen in den Monaten Juli bis November 1982 nur 9 %,von Dezember bis Mai 1983 aber41 %. Im Südsommer 1982 bis 1983 erfaßten Dürren fast ganz Australien, Südafrika,die Maghrebländer und Spanien.

N-Summer 1982

Nagpur (India)ManilaK. Kinabalu

S-Summer 1982183

Malaysia: K. KinabaluKuantan

Philippines: Legaspino-no

Western Pacific: KororTarawa

Eastem Pacific: Christmas Isl.AtuonaGalapagosPago-Pago

Ecuador: Pto. ViejoGuayaquil

Peru: PiuraCaribbean: CuracaoBrasilia: Fortaleza

QuixeramobimManaus

Droughts: Australia, Southern Africa, Maghreb, Spain

(5 bis 10)(4 bis 9)(6 bis 10)

(11 bis 4)(11 bis 4)(11 bis 4)(11 bis 4)(11 bis 4)(11 bis 4)(11 bis 4)(11 bis 4)(11 bis 6)(11 bis 4)(11 bis 6)(11 bis 6)(11 bis 4)(8 bis 3)

(11 bis 6)(11 bis 6)(11 bis 6)

711 mm A 61%1033 mm A 69%

854mm A 56%

518mm A 56%928 mm A 43 %

1008mm A 53%174 mm A 40 %823 mm A 61 %831 mm A 76%

2374mm A 1190%3827mm A 703%3228mm A 807%1333mm A 57%1770mm A 423%4041 mm A 419 %2265 mm A X58!

161 mm A' 37%587mm A 48%282mm A 46%

1362mm A 83%

Dürren von einer Intensität, wie damals in Australien, Südafrika, Nordostbrasilien oderBorneo (wo über 35 000 km2 tropischer Regenwald in Flammen aufging), oder Niederschlägewie in der Küstenwüste von Peru, die mit über 2200 mm in 6 Monaten den Normalwert umeinen Faktor nahe 60 überschritten, stellten in den betroffenen Gebieten wirkliche Katastro-phen dar (Tab. 1).

4. Über der ganzen Äquatorzone kam es in 6 bis 12 km Höhe zu einer (seit 1949) noch niebeobachteten Erwärmung, sowie einer Zunahme des Wasserdampfgehalts, die für die (oben)geschilderte Verstärkung der Cirkulation verantwortlich war. In der mittleren Troposphärewich die Cirkulation der ganzen Nordhalbkugel 15 Monate lang signifikant vom Mittelwert1967 bis 1982 ab (ÜENSE 1985).

5. An der südamerikanischen Westküste dauerte die Warmwasser- und Regenphase biszum (Nord-) Sommer 1983 an, während sie über der Äquatorregion des Pazifiks ihrenHöhepunkt schon ab Frühjahr 1983 überschritten hatte. Ab Juli 1983 löste sich das ganzeanomale System über dem Pazifik allmählich auf.

Diese Entwicklung verlief nicht ohne Vor- und Nachläufer: Seit 1976 lagen verschiedeneParameter der tropischen Cirkulation ständig über dem Normalwert, der durch den Wechselvon Kalt- und Warmwasserphasen im Pazifik charakterisiert wird. Seit 1974/1975 bis Ende1984 ist keine ausgeprägte Kaltwasserphase im äquatorialen Pazifik mehr eingetreten. Esbleibt abzuwarten, ob es sich um eine nur vorübergehende Entwicklung oder um den Beginneiner Phase gesteigerter Cirkulation (mit höherem Temperaturgefälle Äquator-Pol in derHöhe) handelt.

Diese verstärkte Cirkulation entspricht nicht den Vorstellungen, die man (aufgrund

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zahlreicher Modellrechnungen) als Folge einer CO2-Zunahme erwartet hatte. Ein C02-induzierter Treibhauseffekt sollte sich vor allem in der Subpolarzone auswirken, während dieinneren Tropen weniger beeinflußt werden. Tatsächlich bleibt aber in El Nino-Lagen nicht nurmehr C02 in der Atmosphäre; gleichzeitig steigt die Verdunstung in der Warmwasserzone amÄquator mit der Wassertemperatur an und damit der Wasserdampfgehalt (precipitable water)der Troposphäre. Damit wächst die convektive Aktivität und die Temperatur der mittleren undoberen Troposphäre (PAN und OORT 1983), was sich nach dem (mäßig starken) Nino-Fall 197671977 eindeutig beobachten läßt; entscheidend ist offenbar der erhöhte Wasserdampfgehalt unddas Anwachsen der freiwerdenden latenten Niederschlagswärme. Hier handelt es sich also umeine Zustandsänderung der tropisch-subtropischen Atmosphäre, die offenbar für viele derAnomalien der letzten Jahre verantwortlich ist. Noch ist offen, ob sie sich wieder zurückbildetoder weiter besteht — jedenfalls wurde in den Jahren 1949 bis 1975 nichts Vergleichbaresbeobachtet.

Im Gegensatz zu der „klassischen" Auffassung des Klimas als eines transitiven Systems gibtes jedoch (wenn auch selten) Beispiele echter Sprünge, auf die jetzt eingegangen werden soll.

Diskontinuitäten im Klima-Ablauf

Wir definieren als Diskontinuitäten solche Sprünge, deren Amplitude (Differenz der Mittel-werte zweier benachbarter Teilreihen von mindestens 10 a Länge) mindestens 2 a (hier dieSumme der Streuungen beider Teilreihen) erreicht. Bei Normalverteilung entspricht das einerZufallswahrscheinlichkeit von 5% oder weniger. Als Belege seien angeführt:

L Abfluß des Nils bei Aswan (KRAUS 1955): Während in der Periode 1870 bis 1898 dermittlere jährliche Abfluß 109,8 km3/abetrug, mit einer Streuung von 13,5 km3/a, fiel er für denanschließenden Zeitraum 1899 bis 1927 auf 82,7 km3/a, mit einer Streuung von 13,9 km3/a(Abb. 1). Die Differenz von rund 25% erreicht also fast den 2 a-Wert. Die Abflußmengen in derHochflutperiode Juli bis Dezember (80 % der Jahresmenge) sind ein Maß für die Sommerregenim äthiopischen Hochland, die aus wenigen, dazu immer wieder unterbrochenen Meßreihen nurunzureichend bekannt sind. Zweifel an der Eichung der Abflußmessungen vor 1903 wurdengeäußert; die auch früher schon aufgetretenen Diskontinuitäten in der langen Beobachtungs-reihe (RiEHL 1979, HASSAN 1981) belegen jedoch das Vorkommen solcher Sprünge.

2. HASSAN (1981) führte die Sprünge im Nilabfluß auf den Weißen Nil und damit denViktoria-See zurück, der für den Niedrigwasserabfluß der Monate Februar bis Mai maßgebendist. Dies ist mindestens teilweise richtig (FLOHN und BURKHARDT 1985), für den Sprung von1899 allerdings nicht nachweisbar. Überraschenderweise zeigt der Spiegel des 68000km2

großen Viktoria-Sees 1962 einen kräftigen Sprung: sein (nicht manipulierter!) Abfluß bei Jinjabetrugin der Periode 1899 bis 1961 20,lkm3/a(Streuunga = 4,6km3/a),imZeitabschnittl962bis 1978 (FLOHN 1983 b) dagegen41,2 km3/a (a = 4,7 knrYa). Die Ursache dieses Anstiegs umzunächst 2,5 m (Abb. 2) lag in der Regenzeit September 1961 bis Februar 1962, die in ganzOstafrika auf einer Fläche von ca. 2 - l O6 km2 200/400 %, lokal bis 900 % der normalen Regenlieferte — ein weiteres Beispiel der in den Tropen nicht ganz seltenen, regionalen Witterungs-katastrophen. Während aber die Regenfälle in der Umgebung sich schon 1962/1963 wiedernormalisierten, verharrte der See auf einem höheren Wasserstand; die Differenz der mittlerenAbflußwerte erreichte rund 4,5 a (Zufallswahrscheinlichkeit <0,01%). Eine Ursache liegtmöglicherweise in einer durch höhere Trübung des Sees ausgelösten Erwärmung (um ca.0,5 °C), die ein thermisches Modell der nächtlichen Cirkulation (FRAEDRICH 1972) nahelegt(FLOHN 19 83 b). In diesem S onderfall handelt es sich offenbar um einen lokalen Effekt, der sichauf den See (als die eigentliche Quelle des Nils) und seine Küsten beschränkt.

3. Möglicherweise bildet auch die immer noch anhaltende Dürre der Sahelzone (LAME 1985)

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1870 1880 1890 1900

Abb. l Jahressummen des Nil-Abflusses bei Aswan (1871 bis 1927)

km3/a50

1910 1920

0*4.6 km3/a = 45 km3/a

ISiS 1965 1970 1975 1980

Abb. 2 Jährliche Abflußmenge des Weißen Nils aus dem Viktoria-See (bei Jinja), 1946 bis 1978; Mittelwert 1899bis 1961. (Erläuterung siehe Text)

ein weiteres Beispiel. Mit einem Mittelwert von 20 Regenstationen (für eine Fläche von rund2 X 106 km2, Breite 11 bis 18° N, westlich von 9° O) zeigt sich für 1950 bis 1967 eine kaumunterbrochene Reihe positiver Abweichungen, dagegen für 1968 bis 1984 eine ebensolcheSequenz negativer Abweichungen mit einer einzigen (schwachen) positiven Anomalie 1969.Die in Einheiten von er (für den Zeitraum 1941 bis 1982) angegebenen Wert liefern für denZeitabschnitt 1950 bis 1967 (1968 bis 1983) einen Mittelwert von +0,45 (-0,63) sowie eineStreuung der Teilreihen von 0,38 (0,44); auch hier ist also AM > 2cr. Wohl existiert hier seit

106

| 1 T

1949-611962-76

M• 0.51-0.47

A0.98

0

0.480.22

r 0.70

- l 1 11950 1960 1970 1980

Abb. 3 Mächtigkeit der Schicht 500/1000 hPa (als Maß für die Mittel-Temperatur) für die Polarkappe 70° bis 90°N,jeweils Mittelwert für das Sommertertial Mai bis August (Daten nach SCHAIKDEL [1928] und HENSE [1986]),Abweichungen vom langjährigen Mittel 1949 bis 1984

dem vorigen Jahrhundert eine etwa 30jährige Periodizität, aber der Übergang zu einerFeuchtperiode wäre spätestens jetzt fällig (FAURE und GAG 1984). Auch in den Jahren 1985 bis1987 blieb die Regenmenge im Sahelgürtel unter dem Normalwert, wenn auch nicht so extremwie 1983 und 1984. In diesem Fall spielt ein interner, biogeophysikalischer Effekt eine Rolle.Modellexperimente (MiNTZ 1984) haben gezeigt, daß bei Erhöhung der Albedo (infolgeDesertifikation) und Abnahme der Bodenfeuchte der Niederschlag absinkt. Dies sollteallerdings ein langsam ablaufender Prozeß sein; jedoch kann die Existenz eines kritischenSchwellenwertes nicht ausgeschlossen werden.

4. Eine diskontinuierliche Änderung der Troposphärentemperatur wurde über der innerenArktis (75° bis 90° N, Schicht 500/1000 hPa) nachgewiesen (SCHAIRDEL 1982). In Erweite-rung dieser Arbeit auf die Zone 70 bis 90° N trat im Sommerhalbjahr (abgeschwächt auch imJahresmittel) um 1962 ein Rückgang der Mitteltemperatur um fast l °C ein; die Streuung in denbeiden Teilabschnitten (bis 1976) war 0,43 bzw. 0,22 °C (Abb. 3). Zugleich nahm dieMeereisfläche (nach sowjetischen Daten) im September um etwa 0,5 X l O6 km2 zu (etwa 7%des Mittels); die Correlation mit der troposphärischen Temperatur (75 bis 90°N) beträgt-0,54 (99% signifikant).

5. Selbst die Mitteltemperatur der Nordhemisphäre (am Boden: JONES et al. [1982]) zeigtbei Verlängerung nach rückwärts bis 1856 eine Aufgliederung in 2 Modi, die um 1920 sichziemlich sprunghaft gegeneinander absetzen; die Medianwerte unterscheiden sich um 0,4°,was allerdings unterhalb der 20-Grenze liegt und daher nicht als signifikant gelten kann.Insgesamt stehen diese Diskontinuitäten im Zusammenhang mit den „ klimatischen Krisen ",die ROGNON (1981, 1983) mehrfach beschrieben hat.

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Abrupte Klimaänderungen

In den letzten Jahren hat ein bisher unbekanntes Phänomen der Brdgeschichte zunehmendBeachtung gefunden: Die „abrupten" Klimaänderungen. Beim Studium der Klimaevolutionwährend des jüngeren Pleistocäns fanden BROECKER und DONK (1970) anhand von Tiefsee-bohrkernen, daß jede Eiszeit auffällig rasch von einer Warmzeit gefolgt wurde (Termination).Die geringe Sedimentationsrate in der Tiefsee (meist nur wenige cm/l 000 a) und dieDurchmischung der Sedimente durch wühlende Bodenorganismen (Bioturbation) begrenzenjedoch die zeitliche Auflösung auf die Größenordnung einiger 1000 a (Ausnahmen sieheKELLOGG [1984], DUPLESSY [1981]), d. h. eine Größenordnung geringer als die der Erdbahn-elemente (20000 bis 100000 a), deren Signal man in den Sedimenten suchte. Inzwischenwaren auf dem Festland, z. B. in fossilen Mooren und Seeablagerungen, mehr oder wenigereindeutige Hinweise auf noch erheblich raschere Änderungen der Vegetation (und damit desKlimas) gefunden worden (MÜLLER 1974; WOILLARD 1979; EICHLER 1980; EICHLER et al.1981;KuKLAl980;DEBEAULiEUetal. 1980, 1984; HEINE 1983; NESTEROFF et al. 1983).Ineinigen dieser Fälle ließ sich anhand jahreszeitlicher Varven (MÜLLER 1974) die Zeitskala aufwenige Jahrzehnte festlegen. Auch wenn jeder Einzelfall eine genaue Nachprüfung benötigt,so gibt es inzwischen so viele Fälle, daß die grundsätzliche Existenz kaum mehr bezweifeltwerden kann (FLOHN 1979, 1984).

Einen Schlüssel zu diesem Problemkreis haben die Untersuchungen der Bohrkerne imGrönlandeis durch DANSGAARD et al. (1982), OESCHGER et al. (1983) und OESCHGER undSTAUFFER (1983) geliefert. Diese in vollem Gang befindlichen Arbeiten lieferten quasi-synchrone Zahlenwerte des 180/16O-Verhältnisses (als Maß für die Temperatur der schneelie-fernden Wolken), des Gehalts an CC>2 und CH4, der Acidität (als Maß für Vulkanausbrüche)und der Partikeltrübung der Atmosphäre. Diese Meßreihen erlauben eine zeitliche Auflösung,die viele Jahrtausende zurück offenbar noch eine Unterscheidung einzelner Jahre ermöglicht,in 1900 m Tiefe (entsprechend rund 40 000 a noch von Jahrzehnten. Die absolute Chronologieist dann allerdings unsicher und beruht auf dem Vergleich mit vielen anderen Serien.

Der Übergang zwischen Spätglacial und Holocän, zwischen dem Beginn der BÖLLING-Warmphase und dem Ende der Jüngeren DRYAS-Kaltphase konzentriert sich auf die Zeitzwischen rund —13000 a und —10200 a jeweils mit einer Unsicherheit von ca. ±200 a. Indieses Intervall fallen mindestens 3 „abrupte" Übergänge: Der Beginn der BÖLLING-Warmphase, Beginn (ca. —10800 a) undEnde der Jüngeren DRYAS-Kaltphase. Die 18O-Datenaus Grönland und der Schweiz stimmen in der zeitlichen Reihenfolge und der Amplitude gutüberein (OESCHGER et al. 1983), sie passen auch zu den ozeanischen Tiefseekernen in derBiskaya (DUPLESSY 1981). Viele weitere Datenserien geben ähnliche Einzelheiten (KELLOGG1984, STARKEL 1984), so daß an der Realität abrupter Schwankungen hier kein Zweifelbestehen kann. Im Atlantik ist ein Kaltwasservorstoß über 2000km Distanz hinwegsichergestellt (RUDDIMAN und MC!NTYRE 1981), wobei die Oberflächentemperaturen in derBiskaya im Sommer zwischen etwa +21 °C (Präboreal nach 10000 a, BöLLiNGund ALLERÖD)und +8 °C (DRYAS) schwankten. Die Ursache dieses Kaltwasservorstoßes könnte imAufschwimmen der Schelf-Vereisung im Barents-Meer und in der Kara-See liegen, wobeigroße Eismassen in den Nordatlantik driften (GROSSWALD 1980).

Ob das plötzliche Auftreten katastrophaler Starkregen in Mexico (HEINE 1983), inSüdfrankreich (DE BEAULIEU et al. 1984), im Nilgebiet (BUTZER und HANSEN 1968,ROSSIGNOL-STRICK et al. 1982, NESTEROFF et al. 1983) und im Nigerdelta (PASTOURET et al.[1978], hier offenbar im Zusammenhang mit dem ersten Anstieg des Paläo-Tschadsees)zeitlich getrennt von diesen 3 Phasen im Temperaturverlauf abläuft (die Daten streuen um12000 a), muß wohl noch geprüft werden. In der gleichen Zeit scheinen viele Gletscher

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1897 1898 1899

V...

-32.

-34-

-35.

180/160 ratio a)

ppm

250

.200

1897 1898 1899m below surface

Abb. 4 Sauerstoff-Isotopen-Verhältnis180/1S0 (a) als Maßstab für die Temperaturder schneeliefernden Wolken; C02-Gehaltder eingeschlossenen Luftblasen (b} imBohrkern Dye 3 (Südgrönland). Das absolu-te Alter wird auf etwa —40000 a geschätzt(nach OESCHGER et al. [1983]).

subtropischer Hochgebirge (Hindukusch, Bolivien) eine intensive Vorstoßperiode zu erleben(LAUER und FRANKENBERG 1984); auch die erneute Ausbreitung der tropischen Regenwälder(SHACKLBTON 1977) scheint mit dieser kurzen, intensiven Feuchtphase in den Tropen/Subtropen zusammen zu hängen. Es liegt nahe, hierbei an ein gehäuftes Auftreten von Super-Nino-Phasen (wie 1982/1983) zu denken, nach der langen ariden Kaltwasserperiode des Hoch-und Spätglacials (etwa 20000 bis 13000 a v. u. Z.).

Einen durchaus unerwarteten, aber vielleicht entscheidenden Beitrag zu unserer Fragestel-lung haben die Untersuchungen der Arbeitsgruppen von OESCHGER (Bern) und DANSGAARD(Kopenhagen) im Grönlandeis geliefert; parallel hierzu liefen Untersuchungen der Arbeits-gruppe von LORIUS (Grenoble) in Antarktika (LoRius und RAYNAUD 1983). Nahezugleichzeitig (1980) wurde in Antarktika und Grönland während der letzten Eiszeit einAbsinken des CCVGehalts von rund 300 auf rund 200 ppm gefunden; die Meßmethodenbeider Laboratorien stimmten bis auf wenige ppm überein (BARNOLA et al. 1983). BereitsDANSGAARD et al. (1972) konnten anhand des 18O/16O-Verhältnisses im Camp Century-Bohrkern (76° N) die Entwicklung der Temperatur im letzten Interglacial verfolgen; 2Abkühlungen in dieser Zeit erfolgten sehr rasch, zeitgleich mit anderen Befunden (KuKLA1980).

In einem neuen Bohrkern Dye 3 (65° N, DANSGAARD et al. [1982]) zeigten OESCHGER et al.(1983), daß die oben beschriebenen abrupten Klimaänderungen zwischen 13 000 und 10000 avon entsprechenden Variationen des CO2-Gehalts begleitet waren. Mit einer weiterenVerfeinerung der Meßtechnik wurden innerhalb der letzten Eiszeit (vor etwa 27000 bis40000 a), in der in 65° N keine Schmelzprozesse mehr auftraten, weitere Abschnitte desBohrkerns mit hoher zeitlicher Auflösung untersucht (OESCHGER und STAUFFER 1983).Schwankungen von Temperatur und CO2-Gehalt erwiesen sich als genau parallel, mitauffallend raschen Übergängen (Abb. 4).

In einem ausgewählten Abschnitt des Bohrkerns (Länge 3 m, entsprechen hier in fast1900 m Tiefe rund 1000 a) stiegen das 18O-Verhältnis (Temperatur) und der CO2-Gehalt inetwa 50 bis 80 a gleichzeitig an; letzterer von rund 190 ppm auf im Mittel 256 ppm. Ahnliche

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Schwankungen traten auch in anderen Zeitabschnitten ein, jeweils in Zeiträumen von rund 100Jahren. Bei Abkühlungen wurde gleichzeitig eine erhebliche Zunahme des Staubgehalts(DANSGAARD 1984) gemessen. Die von DANSGAARD (1964) nachgewiesene Relation zwischen180-Gehalt und Temperatur im Meeresniveau ist kaum repräsentativ. In der Antarktis habenJOUZEL et al. (1984) eine enge Relation zwischen der Temperatur an der Inversion und dem18O-Gehalt gefunden. Wendet man (hinweisend auf die analogen physikalischen Klimabedin-gungen) diese Relation hier an, dann ergibt sich ein Temperaturanstieg von 5 °C, der allerdingsnur regional gültig ist. Bei einem (hochsignifikanten) Correlationskoeffizienten von 0,95ergibt sich ein quantitativer Nachweis der Existenz abrupter Klimaschwankungen, zugleichaber auch eine empirische Bestätigung des Zusammenhanges zwischen CO2-Gehalt undTemperatur.

Die Ursache derart rascher Variationen des CO2-Gehalts unter natürlichen Bedingungen istwohl kaum schon endgültig geklärt. Eine Arbeitshypothese (FLOHN 1981, 1984) zieht hierzudie Rolle des CO2- (und H20-) Austauschs zwischen Ozean und Atmosphäre, besonders in denäquatorialen Aufquellgebieten, heran, ebenso wie verschiedene Rückkoppelungseffekte. Daßdiese Vorgänge globaler Natur sein müssen, ergibt sich schon aus der Beteiligung von CO2:Heute benötigt die Ausbreitung dieses Gases über die ganze Erde, die sich an seinem von denNordkontinenten her gesteuerten Jahresgang bestimmen läßt (PEARMAN et al. 1983), wenigmehr als ein Jahr.

Schlußbemerkungen

Die jüngste Entwicklung der exakten Naturwissenschaften mit ihrer Wendung zu stochasti-schen, ja sogar chaotischen Strukturen stellt ein jahrhundertealtes Postulat in Frage, das vonG. W. LEIBNITZ vor über 300 Jahren formuliert worden ist: Natura nonfacit saltum. UnsereBeispiele aus Klimadaten der verschiedensten Art widerlegen dieses Postulat mindestensebenso eindrucksvoll als elegante Versuche mit (stark vereinfachten) Klima-Modellen, die fürden Theoretiker überzeugend sein mögen. Zu den theoretischen Vorstellungen mögen einigeBemerkungen aus empirischer Sicht genügen:

1. Perioden-Verdopplung oder ähnliches sind bisher in Klimareihen nicht beobachtetworden; sie sind auch im Bereich von l d bis zu l a nicht zu erwarten, da das Attraktor-Beckeninfolge der Randbedingungen des atmosphärischen Klimas (Eis und Schnee, Vegetation)jahreszeitlich variabel ist. Jedoch kommen quasi-periodische Vorgänge (Skala von 15 bis35 d) besonders in den extremen Jahreszeiten nicht selten vor (nach eigenen Wetterdienst-Erfahrungen zwischen 1940 und 1960), jedoch stets nur intermittierend. Ähnliches gilt für dielängerfristigen Perioden (recht häufig im Bereich 2 bis 5 a, SCHÖNWIESE [1984]); Perioden inder Länge 18 bis 23 a, die mit astronomischen Vorgängen zusammenhängen mögen, tragen imallgemeinen höchstens wenige Prozent zu der statistischen Varianz der Klimaparameter bei.

2. In der langen „geologischen" Zeitskala treten (in Zeitabständen von der Größenordnungl O3 bis l O4 a) abrupte, offenbar großräumige Klima-Umbrüche (mit einer Zeitskala von etwa100 a) auf, die mit Änderungen der Gas-Zusammensetzung und mit positiven Rückkoppe-lungseffekten zwischen Atmosphäre, Ozean und Eis gekoppelt sind. Das Umschalten voneinem bevorzugten Cirkulationsmodus in einen anderen (wie wir es während einiger Monatedes Jahres 1983 erlebt haben) könnte auch heute vor sich gehen, falls ein kritischerSchwellenwert (z. B. des H2O- oder CO2-Gehalts) überschritten wird und die großräumigenRückkoppelungseffekte sich entsprechend verstärken.

Da die unter 2 genannten Vorgänge auch vom Menschen ausgelöst werden können (inglobalem Maßstab durch die Zufuhr von CO2, CEL; und anderen infrarot-absorbierenden

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Gasen), ist ihre Überwachung und frühzeitige Erkennung ein dringendes Erfordernis. Diewährend der eiszeitlichen Klimaschwankungen mehrfach beobachtete Änderung des CC>2-Gehalts von 60 bis 80 ppm ist (absolut und pro Zeiteinheit) von gleicher Größe wie die recente,anthropogen bedingte Zunahme. Über diese in die Zunkunft weisenden Probleme existiertinzwischen eine reiche Literatur (vergleiche BACH [1982], FLOHN [1985, 1986]).

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