Der Regen kommt, wenn die Pflanzen welken

Interaktionen zwischen organisierter Konvektion, Bodenfeuchte und den dazugehörigen Zirkulationen. Der schwarze Pfeil (linke Abbildung) zeigt die strahlungsbedingte Zirkulation und die grauen Pfeile (rechte Abbildung) zeigen die bodenbedingte Zirkulation. Blau zeigt die positiven, rot die negativen Anomalien in der Bodenfeuchte, dunklere Farben zeige stärkere Anomalien. Die Austrocknung des Bodens (rechte Abbildung) führt dazu, dass sich die Konvektion und der Niederschlag auf die trockenen Gebiete verlegen.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Land und Ozean ist, dass das Land austrocknen kann. In einer neuen Studie zeigen Dr. Cathy Hohenegger und Prof. Dr. Bjorn Stevens aus der Abteilung „Atmosphäre im Erdsystem“ am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), dass dies von fundamentaler Wichtigkeit für die räumliche Niederschlagsverteilung über Land ist, da durch  die Austrocknung des Bodens  Zirkulationsprozesse entstehen, die den Niederschlag von Regengebieten in Regionen ohne Niederschlag bringen. Dieser Prozess verhindert, dass im System Land-Atmosphäre der Niederschlag über der gleichen Region verbleibt wie es über dem tiefen Ozean der Fall ist. Entgegen den ursprünglichen Erwartungen findet sich kein Hinweis auf eine positive Rückkopplung zwischen Bodenfeuchte und Niederschlag, bei der eine Zunahme der Bodenfeuchte in Niederschlagsgebieten dazu führt, den Niederschlag in der Niederschlagsregion zu halten.

Für ihre Studie verwendeten die Wissenschaftler*innen einen idealisierten Landplaneten mit einer homogenen Landoberfläche ohne Vegetation. Für diese vereinfachte Situation untersuchten sie wie Strahlung, Konvektion und Bodenfeuchte interagieren und eventuell die Niederschlagsverteilung bestimmen. Sie fanden heraus, dass die räumliche Niederschlagsverteilung ganz von dem Zusammenspiel zwischen den Oberflächenzirkulationen bestimmt wird, die sich in der Grenzschicht entwickeln. Einerseits führen die Unterschiede der Strahlungsabkühlung innerhalb der Atmosphäre zwischen Regionen mit und ohne Niederschlag zu einer Oberflächenzirkulation von relativ trockenen, niederschlagsfreien Regionen zu feuchten Regionen mit Niederschlag. Diese Zirkulation treibt den Niederschlag zusammen und führt zu einer Eingrenzung des Niederschlags über einem spezifischen Gebiet des Planeten und bewirkt einen Verbleib des Niederschlags über diesem Gebiet auch nach einiger Zeit. Andererseits trocknet der Boden nach einiger Zeit in Gebieten ohne Niederschlag aus. Das führt zu einem starken Temperaturgefälle zwischen Regionen mit und ohne Niederschlag. Dieses Temperaturgefälle erzeugt eine weitere Oberflächenzirkulation, ähnlich einer Meeresbrise, die im gegenläufigen Sinne verläuft als die durch atmosphärische Strahlungsabkühlung angetriebene; die bodennahe Strömung führt nämlich weg von der kalten Niederschlagsregion hin zur warmen Region ohne Niederschlag. Dies führt zum Zerfall  der Konvektion und bringt den Niederschlag vom Regengebiet in ein Gebiet ohne Niederschlag. Die Autoren zeigen theoretisch, dass durch das Erreichen des  Austrocknungspunktes die Oberflächentemperatur des Bodens dramatisch ansteigt, was zu einer entsprechenden exponentiellen Zunahme der von der Oberfläche angetriebenen Zirkulation führt. Diese Zunahme führt letztlich zu einer Umkehr der ursprünglichen Zirkulation. Obwohl trockene Atmosphären dafür bekannt sind, feuchte Konvektion, und damit die Niederschlagsbildung, zu verhindern, erzeugt paradoxerweise die dauerhafte  Austrocknung des Bodens Zirkulationen, die stark genug sind, diese Hemmschwelle zu überwinden und Feuchtigkeit von den feuchten in die trockenen Gebiete zu bringen.

Die Ergebnisse helfen den Forscher*innen zu verstehen, warum sich tropische Regengürtel über Land zum Pol hin verbreitern und dies umso mehr je trockener die Böden sind. Zudem erklären sie möglicherweise, warum globale Klimamodelle mit parametrisierter Konvektion Schwierigkeiten haben, die Ausdehnung und die jahreszeitliche Verschiebung der tropischen Regengürtel zu reproduzieren, da solche Modelle offenkundige Schwierigkeiten haben, die Wechselwirkung zwischen Konvektion und den fast schon großskaligen Zirkulationssystemen wiederzugeben. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass die Austrocknung der Böden letztendlich gegen Wüstenbildung oder dauerhafte Dürren wirkt.

Originalveröffentlichung:
Hohenegger, C. and B. Stevens, 2018: The role of the permanent wilting point in controlling the spatial distribution of precipitation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1-6. doi:10.1073/pnas.1718842115.

Kontakt:
Dr. Cathy Hohenegger
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 302
E-Mail: cathy.hohenegger@we dont want spammpimet.mpg.de