Ist vielleicht etwas anderes als der Mensch die Ursache?

Behauptung: „Ozeanzyklen verursachen den Klimawandel“

Behauptung: „Die Erderwärmung in den letzten hundert Jahren verlief schubweise, und diese Schübe gehen auf die Pazifische Dekaden-Oszillation zurück. Der IPCC missachtet dies und sieht einseitig den Menschen als Verursacher des Klimawandels.“

Fakt ist: Zyklische Ozeanströmungen sorgen zwar für kurzfristige Schwankungen des Klimas, berühren aber den langfristigen Erwärmungstrend nicht

Antwort: 

Regelmäßig wiederkehrende Ozeanströmungen, beispielsweise der El Niño oder auch die Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO), haben einen großen Einfluss auf das Regionalklima. Durch Freisetzung von im Meerwasser gespeicherter Wärme und Änderung vorherrschender Windmuster können sie vorübergehende regionale Klimaschwankungen verursachen, die auch mit Schwankungen der globalen Mitteltemperatur um wenige Zehntel Grad einhergehen. Dies verändert jedoch nicht den langfristigen Erwärmungstrend, sondern überlagert ihn nur. Weltweit wird intensiv an diesem Thema geforscht, und aktuelle Klimamodelle stellen die Ozeanzyklen inzwischen sehr gut dar.

Das Klimasystem der Erde ist hochkomplex. Zahlreiche Mechanismen sorgen für natürliche Schwankungen der Erdtemperatur. Beispielsweise gibt es etliche Ozeanströmungs-Phänomene, die sich in Zyklen von Monaten, Jahren oder Jahrzehnten wiederholen – die stärkste und wohl bekannteste ist El Niño.

Die Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO) ist ein Klimaphänomen, das vor allem im Nordpazifik zu beobachten ist. Die „Oszillation“, also Schwankung, vollzieht sich zwischen sogenannten „warmen“ und „kalten“ Phasen, die jeweils zehn bis vierzig Jahre dauern. Während dieser Phasen unterscheiden sich die Oberflächentemperaturen im Nordpazifik deutlich, offenbar weil Ozeanströmungen wärmere und kühlere Wassermassen in regelmäßigen Rhythmen großräumig umwälzen. Die Ursachen der PDO sind noch nicht ausreichend erforscht, aber ihre Auswirkungen deutlich beobachtbar: So beeinflusst sie beispielsweise Luftströmungen in der Atmosphäre oder auch die Lachs­populationen vor Alaska (Mantua et al. 1997).

Die Bezeichnung der PDO-Phasen darf aber nicht überbewertet werden: Zum einen gibt es innerhalb „warmer Phasen“ gelegentlich kürzere, ein- bis fünfjährige Kaltperioden und umgekehrt. Außerdem sind die Bezeichnungen „warm“ und „kalt“ relativ; sie beziehen sich nicht auf den ganzen Pazifik, sondern vor allem auf die jeweilige Temperatur des Oberflächenwassers an der nordamerikanischen Küste. Betrachtet man hingegen den gesamten Nordpazifik (siehe Abbildung 1), so zeigen während der sogenannten „warmen Phase“ weite Teile des Ozeans eine kühle Temperatur und umgekehrt. Es geht hauptsächlich um die regionale Verteilung von Wärme.

 

Pazifische Dekaden-Oszillation

Abbildung 1: Typischer Zustand des Pazifiks während einer „warmen“ (links) und einer „kalten“ Phase der Pazifischen Dekaden-Oszillation (PDO) – die Farben zeigen Abweichungen der Oberflächentemperatur an, die Konturlinien Druckverhältnisse und die Pfeile Oberflächenwindrichtungen; Quelle: University of Washington

Was ist nun von der Behauptung zu halten, die Erderwärmung werde maßgeblich von der PDO verursacht? Zwar könnte man einen gewissen Zusammenhang mit der Erderwärmung vermuten (siehe Abbildung 2), weil eine „kalte Phase“ der PDO mit relativ niedrigen globalen Temperaturwerten von Mitte der vierziger bis Mitte der siebziger Jahre des 20. Jahrhunderts zusammenfällt. Doch etwa seit Ende der 1980er Jahre nahmen beide Kurven dann einen gegensätzlichen Verlauf: Während die PDO einen Abwärtstrend zeigte, stieg die globale Temperatur deutlich. Mit der These, die Erderwärmung werde von der PDO getrieben, ist dies schwerlich vereinbar.

Entwicklung der Erdmitteltemperatur und der Pazifischen Dekaden-Oszillation

Abbildung 2: Entwicklung der Erdmitteltemperatur (rot) und der Pazifischen Dekaden-Oszillation (blau) – blass dargestellt sind Einzelwerte, dicker eine geglättete Datenkurve, als durchgezogene Linie der Langfristtrend (der PDO-Index errechnet sich aus der Abweichung der pazifischen Ozeanoberflächentemperaturen vom globalen Durchschnitt); Quellen: GISS, University of Washington

Das PDO-Diagramm (untere Kurve in Abbildung 2) zeigt deutlich, dass „warme“ und „kalte“ Phasen um eine Nulllinie schwanken und sich langfristig ausgleichen. Es handelt sich bei der Pazifischen Dekaden-Oszillation insgesamt nämlich – wie auch bei anderen zyklischen Ozeanströmungen – bloß um interne Verlagerungen von Energie im Klimasystem.

Durch das Umwälzen kälterer und wärmerer Wassermassen können Ozeanströmungen wie die PDO große Mengen Wärmeenergie innerhalb der Ozeane umverteilen – und auch aus der Atmosphäre aufnehmen bzw. an sie abgeben. Solche Schwankungen können einen langfristigen Entwicklungstrend überlagern. Aber auf den Gesamt-Energiehaushalt der Erde und damit ihre langfristige Erwärmung kann die PDO keinen Einfluss haben – weil sie selbst keine zusätzliche Energie in das Klimasystem einspeist.

Nicholas Berini/klimafakten.de, September 2010;
zuletzt aktualisiert: Februar 2015

Die Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO) ist ein Klimaphänomen im Nordpazifik (oberhalb von 20 Grad nördlicher Breite). Dabei werden riesige Wassermassen von – offenbar relativ regelmäßig wiederkehrenden Ozeanströmungen – großräumig umgewälzt. Die „Oszillation“ vollzieht sich zwischen sogenannten „warmen“ und „kalten“ Phasen, die jeweils zehn bis vierzig Jahre dauern.

Den Verlauf der Oszillation drückt der sogenannte PDO-Index aus (siehe Abbildung 1). Für dessen Berechnung wird jeden Monat erfasst, wie sehr die Oberflächentemperatur im Nordpazifik vom globalen Durchschnitt abweicht. Für die „warmen“ Phasen ergeben sich positive Werte und für die „kühlen“ Phasen negative.

PDO-Index von 1900 bis 2011

Abbildung 1: PDO-Index von 1900 bis August 2012 (monatliche Werte und Trendlinie, rot steht für „positiv“ bzw. „warm“, blau für „negativ“ bzw. „kühl“); Quelle: University of Washington

Während einer „warmen“ (bzw. „positiven“) PDO-Phase zeigt der nordwestliche Pazifik außergewöhnlich kühle und der südöstliche Pazifik relativ warme Oberflächentemperaturen (siehe Abbildung 2). Das Umgekehrte gilt für die „kühle“ (bzw. „negative“) Phase. Die Bezeichnungen „warme“ und „kühle“ Phase beziehen sich also nicht auf den gesamten Pazifik, sondern vor allem auf die jeweilige Temperatur vor der US-amerikanischen Küste.

 

Pazifische Dekaden-Oszillation

Abbildung 2: Typischer Zustand des Pazifiks während einer „warmen“ (links) und einer „kalten“ Phase der Pazifischen Dekaden-Oszillation (PDO) – die Farben zeigt Abweichungen der Oberflächentemperatur an, die Konturlinien Druckverhältnisse und die Pfeile Oberflächenwindrichtungen; Quelle: University of Washington

Die erste wichtige Erkenntnis ist also, dass die Bezeichnungen „warm“ und „kühl“ nur sehr relativ sind und definitiv US-zentriert. (Die PDO wurde erstmals von Steven Hare von der University of Washington beschrieben.)

Noch in anderer Hinsicht sollten die Phasenbezeichnungen nicht allzu wörtlich genommen werden: Die Phasen der PDO sind zwar relativ deutlich unterscheidbar, doch auch innerhalb einer sogenannten „kühlen“ Phase gibt es – wie ein Blick auf Abbildung 1 zeigt – wärmere Jahre und innerhalb einer „wärmeren“ Phase kühlere Jahre. So konnte es beispielsweise passieren, dass 1999 vorhergesagt wurde, es beginne eine „kühle“ Phase – nach wenigen Jahren traten dann aber wieder zahlreiche „warme“ Monate bzw. Jahre auf, die „warme“ Phase war also doch noch nicht beendet gewesen.

Treibt die PDO die Erderwärmung?

Gelegentlich wird behauptet, der gegenwärtige Klimawandel werde maßgeblich von der PDO verursacht; so von den beiden damaligen RWE-Mitarbeitern Fritz Vahrenholt und Sebastian Lüning in ihrem Anfang 2012 erschienenen Buch „Die kalte Sonne“. Einer genauen Überprüfung hält diese These nicht stand.

Erstens zeigt Abbildung 1 deutlich, dass „warme“ und „kühle“ Phasen des PDO-Index’ um eine Nulllinie schwanken. Es handelt sich bei der Pazifischen Dekaden-Oszillation insgesamt (wie auch bei anderen zyklischen Ozeanströmungen) lediglich um interne Umverteilungen von Energie im Klimasystem. Solche kurzfristigen Schwankungen können einen langfristigen Entwicklungstrend überlagern. Aber auf den Gesamt-Energiehaushalt der Erde und damit ihre langfristige Erwärmung kann die PDO keinen Einfluss haben – weil sie selbst keine zusätzliche Energie in das Klimasystem einspeist.

Zweitens ist der Zusammenhang zwischen PDO-Index und globalen Temperaturen alles andere als klar (siehe Abbildung 3). Zwar zeigen beide Datenkurven einzelne Korrelationen (beispielsweise relativ hohe Werte Anfang des 20. Jahrhunderts gefolgt von relativ niedrigen Werten von etwa 1945 bis 1975). Andererseits zeigt der PDO-Index in den vergangenen rund 30 Jahren einen negativen Trend, vom Höhepunkt einer „warmen Phase“ ist er stetig zurückgegangen – das aber steht im Widerspruch zum starken Anstieg der Erdmitteltemperatur im gleichen Zeitraum.

Entwicklung der Erdmitteltemperatur und der Pazifischen Dekaden-Oszillation

Abbildung 3: Entwicklung der Erdmitteltemperatur (rot) und der Pazifischen Dekaden-Oszillation (blau) – blass dargestellt sind Einzelwerte, dicker eine geglättete Datenkurve, als durchgezogene Linie der Langfristtrend (der PDO-Index errechnet sich aus der Abweichung der pazifischen Ozeanoberflächentemperaturen vom globalen Durchschnitt); Quellen: GISS, University of Washington

Vahrenholt und Lüning versuchen in ihrem Buch, ihre anderslautende These mit einer Grafik zu belegen (siehe Abbildung 4). Darin kombinieren sie den PDO-Index und die Erdmitteltemperatur. Der obere Teil zeigt Daten der University of Washington, der untere basiert auf dem GISS-Datensatz der Nasa zur globalen Oberflächentemperatur. Der behauptete starke Zusammenhang beider Phänomene soll durch den zeitlichen Zusammenfall roter und blauer Flächen belegt werden.

'Kalte Sonne'-Grafik zum Zusammenhang zwischen PDO und Erderwärmung

Abbildung 4: Ausriss aus dem Buch „Die kalte Sonne“, die Grafik soll dort einen engen Zusammenhang von PDO-Index und Erderwärmung belegen. Der obere Teil ist detailliert beschriftet, dort entstehen rote und blaue Flächen nachvollziehbar zwischen dem gleitenden 13-Monats-Mittel des PDO-Index und der Null-Linie auf der y-Achse; das Zustandekommen der roten und blauen Flächen im unteren Teil der Grafik hingegen ist nicht nachvollziehbar. Quelle: Vahrenholt/Lüning: Die kalte Sonne. Hamburg 2012, S. 119

Doch ein genauer Blick ergibt: Nur der obere Teil der Grafik ist wissenschaftlich korrekt (und entspricht ziemlich genau der  Abbildung 1 oben in diesem Text). Bei ihr entstehen die farbigen Flächen ober- und unterhalb einer klaren Nulllinie auf der y-Achse des Diagramms. Im unteren Teil hingegen entstehen die Farbflächen nicht zwischen Linien, die aus den Grunddaten abgeleitet sind – stattdessen ist die geschwungene Linie, über bzw. unter der sich dort die farbigen Flächen ergeben, anscheinend freihändig durch die Temperaturkurve gezogen. Schon mit bloßem Auge sieht man, dass diese Linie keine Glättung der Daten darstellt, sondern beispielsweise in der Mitte des Jahrhunderts systematisch oberhalb der Daten und später unterhalb der Daten verläuft. Jedenfalls ist der untere Teil der Grafik offenbar nicht mit wissenschaftlichen Methoden der Datenbearbeitung zustande gekommen.

Wie sähe im Unterschied dazu eine seriöser Kurvenvergleich aus? Wir haben ihn in Abbildung 5 dargestellt: Der obere Teil der Grafik bleibt unverändert. Der untere Teil nimmt denselben GISS-Temperaturdatensatz, den Vahrenholt und Lüning nutzten, zur Grundlage (graue Zickzack-Kurve) und zeichnet den Fünf-Jahres-Durchschnitt ein. Die dabei entstehende schwarze Kurve entspricht ziemlich genau derjenigen bei Vahrenholt und Lüning, soweit also ist ihre Grafik nachvollziehbar. Die Reproduktion der farbigen Flächen ist hingegen schwieriger. Vahrenholt und Lüning haben ihre Vorgehensweise nicht näher erläutert, wir haben die in der Wissenschaft weit verbreitete LOESS-Methode gewählt – d.h. aus der grauen Kurve mittels Glättung einen langfristigen Trend extrahiert. Füllt man nun die Flächen zwischen beiden Linien rot bzw. blau, wie Vahrenholt und Lüning es getan haben, ergibt sich dieses Bild:

Korrelationsanalyse von Warm- und Kaltphasen beim PDO-Index und dem Anstieg der Erdmitteltemperatur

Abbildung 5: Korrelationsanalyse von Warm- und Kaltphasen beim PDO-Index und dem Anstieg der Erdmitteltemperatur – Phasen relativer Wärme und Kälte zeigen keine signifikante Übereinstimmung; Quellen: University of Washington, eigene Berechnungen

Die relativ durchgängigen Rot- bzw. Blauflächen bei der Temperaturkurve, mit denen Vahrenholt und Lüning eine Korrelation mit wärmeren und kühleren Phasen der PDO nahelegen, sind komplett verschwunden. Hätten die Buchautoren die Daten korrekt analysiert und dargestellt, hätte die Abbildung in augenfälligem Widerspruch zu ihrer These gestanden, Erderwärmung und PDO würden eng zusammenhängen.

Hat der IPCC die PDO vernachlässigt?

Vahrenholt und Lüning werfen in ihrem Buch dem Weltklimarat IPCC vor, den Beitrag der PDO und anderer natürlicher Klimafaktoren zum steilen Anstieg der Erdmitteltemperatur seit den 1970er Jahren zu ignorieren. Im Ergebnis übertreibe der IPCC den Beitrag des Menschen zum Klimawandel – und ebenso die Prognosen für die künftige Erderwärmung. Der Weltklimarat, schreiben sie, habe dann den falsch analysierten Erwärmungstrend einfach „bis zum Jahr 2100 verlängert“. Vahrenholt und Lüning formulieren sodann eigene Prognosen zur künftigen Entwicklung der PDO (und auch der Sonnenaktivität). Ihr Fazit: Dank einer gerade begonnenen Kühlphase werde die Erdmitteltemperatur „für ein paar Jahrzehnte“ nicht mehr steigen, sondern sogar sinken.

An dieser Argumentationskette ist mehrerlei verkehrt:

Erstens berücksichtigt der IPCC interne Klimavariabilität wie die PDO sehr wohl (wie beispielsweise Kapitel 9.5.3 von Band I des Vierten IPCC-Sachstandsberichts von 2007 belegt, der fünf Jahre vor dem Vahrenholt/Lüning-Buch erschien). Weltweit beschäftigen sich zahlreiche Forscher mit dem Thema, es ist also alles andere als vernachlässigt. Und selbstverständlich fehlen die Ozeanströmungen auch nicht in den Klimamodellen des IPCC (nachzulesen in Kapitel 8.4.2 von Band I des 2007er Sachstandsberichtes). Bis zum Fünften IPCC-Sachstandsbericht 2013/14 haben die Klimamodelle die Darstellung von Ozeanströmungen und anderer natürlicher Klimaschwankungen weiter verfeinert (siehe dazu Kapitel 9.5.3 von Band I des 2013/14er Sachstandsberichts).

Zweitens stellen Vahrenholt und Lüning völlig falsch dar, wie der IPCC seine Szenarien für die Erderwärmung bis 2100 entwickelt. Diese sind selbstverständlich keine linearen Verlängerungen des Trends der letzten Jahrzehnte. Sondern sie werden aus Annahmen abgeleitet, die der IPCC für den künftigen Ausstoß an Treibhausgasen (und andere Variablen) trifft. Nach dieser Methode haben Klimaforscher bereits in den 1970er Jahren die dann folgende Erwärmung bis heute ziemlich präzise vorhergesagt (Sawyer 1972, Broecker  1975) – eine reine Trendfortschreibung hätte zum damaligen Zeitpunkt übrigens überhaupt keine Erwärmung ergeben.

Drittens sind die Prognosen der beiden Buchautoren für die Entwicklung der PDO von der Forschung nicht gedeckt. Vahrenholt und Lüning schreiben den PDO-Index der vergangenen Jahrzehnte schematisch einfach bis über das Jahr 2100 fort. „Das ist alles andere als seriös“, sagt Mojib Latif vom Klimaforschungsinstitut Geomar in Kiel dazu. Er forscht seit den achtziger Jahren über Ozeanzyklen. Vor einigen Jahren erregte Latif einiges Aufsehen, als er gemeinsam mit vier Kollegen unter Verweis auf natürliche Schwankungen im Klimasystem einen vorübergehenden Stopp der Erderwärmung vorhersagte (Keenlyside et al. 2008).

Vahrenholt und Lüning, die eine längere Pause und eine dauerhafte Abschwächung der Erderwärmung behaupten, berufen sich mehrfach auf ihn. Doch Latif betont in einem aktuellen Aufsatz (Branstator et al. 2011), keinesfalls könne man die Entwicklung der PDO und anderer Ozeanzyklen über mehr als zehn Jahre verlässlich vorhersagen – und auch anderen Behauptungen von Vahrenholt  und Lüning widerspricht er ausdrücklich.

Was ist Ursache, was Wirkung?

Die Ursachen der PDO sind noch nicht ausreichend erforscht. Aber angesichts der Komplexität des Klimasystems ist es nicht verwunderlich, dass zahlreiche Zusammenhänge zwischen der PDO und anderen Klimaphänomenen beobachtet wurden. Laut Newman et al. 2003 kann man die PDO als einen Prozess erklären, der von El Niño angetrieben wird. Shakun/Shaman 2009 beschrieben die PDO als nördliches „Gegenstück“ zum südlicheren El Niño. Schneider/Cornuelle 2005 ergänzten weitere Faktoren, etwa den Kuroshio-Oyashio-Strom (die westpazifische Entsprechung zum atlantischen Golfstrom). Jedenfalls ist die PDO allem Anschein nach eine Folgeerscheinung anderer Phänomene – man sollte deshalb sehr vorsichtig sein, die PDO selbst als Auslöser für irgendetwas verantwortlich zu machen.

Mehr noch: Bonfils/Santer 2010 haben darauf hingewiesen, dass die Berechnung des PDO-Index’ möglicherweise zu statistischen Artefakten führen könnte. Demnach wäre eher der berechnete PDO-Index durch die Daten zur Erderwärmung beeinflusst – statt dass die PDO umgekehrt Ursache für die beobachtete Erwärmung ist.

John Cook/Riccardo/klimafakten.de, April 2013;
zuletzt aktualisiert: Februar 2015