Der Ausbruch des Hunga Tonga ist nach wie vor von Bedeutung für das Wettergeschehen

GOES-17-Aufnahme im sichtbaren Spektrum der Eruption des Hunga Tonga–Hunga Ha’apai am 15. Januar 2022 (04:30 UTC). Der entscheidende Faktor: Die vulkanische Wolke stieg ungewöhnlich hoch in die Stratosphäre auf und trug dazu bei, Wasserdampf anzureichern, der das Klima über Jahre hinweg beeinflussen kann.

Ein Überblick über den gewaltigen Ausbruch des Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai. Zeitraum Beginn: 15.01.2022, 03:50 Uhr – 15.01.2022, 05:40 Uhr.
Satelliten Himawari-8, Produkt GeoColor

Die Abbildung zeigt, wie der stratosphärische Polarwirbel das Wettergeschehen beeinflusst. Wenn der arktische Polarwirbel besonders stark und stabil ausgeprägt ist (linker Globus), beeinflusst er polaren Jetstreams in der Troposphäre und verlagert diesen nach Norden. Die kälteste Polarluft bleibt in der Arktis. Wenn sich der Polarwirbel abschwächt oder aufspaltet (rechter Globus), beginnt der polare Jetstream zu mäandrieren, sodass warme Luftmassen in die Arktis und polare Kaltluft in die mittleren Breiten strömen kann.

Wir möchten verstehen, wie die massive Wasserdampfzufuhr durch den Ausbruch des Hunga Tonga über mehrere Jahre die Variabilität der Atmosphäre beeinflusst. Indem wir die Zusammenhänge zwischen dem vulkanischen Feuchteeintrag und der Stärke des Polarwirbels in der Stratosphäre aufzeigen, können wir Wetteranomalien besser zuordnen und die Vorhersagbarkeit langfristiger Klimamodelle verbessern.

Die folgende Grafik zeigt die Windgeschwindigkeit des Polarwirbels in ca. 30 km Höhe (10 hPa) und 60° nördlicher Breite während der drei Winter nach dem Ausbruch.

Stärke des Polarwirbels: Zonaler Wind (West-Ost) bei 10 hPa (~30 km) und 60° N. Die Windgeschwindigkeit wird in Metern pro Sekunde (m/s) angegeben. Die graue Linie und Schattierung zeigen typische Winterbedingungen (klimatologischer Mittelwert und Variabilität); farbige Linien zeigen einzelne Winter. Wenn die Kurve auf 0 m/s oder darunterfällt, ist der Wirbel gestört (plötzliche stratosphärische Erwärmung).

Vulkanausbrüche kühlen normalerweise die Erdoberfläche, die Sulfataerosole das einfallende Sonnenlicht reflektieren. Der Ausbruch des Hunga Tonga (HT) war jedoch einzigartig: Er setzte eine moderate Menge Schwefeldioxid (0,4 Tg; Tg = Teragramm = 10¹² g, etwa eine Million Tonnen), aber eine beispiellose Menge Wasserdampf von 140–150 Tg frei, welche die Stratosphäre und Mesosphäre erreichte.

Unsere inititale Studien konzentrierte sich auf unmittelbaren Auswirkungen des Ausbruchs, wie beispielsweise die anfängliche Abschwächung des nördlichen Polarwirbels, die mit typischen Kälteanomalien in Nordeuropa in Verbindung gebracht werden kann. Unsere weitere Forschungsarbeit konzentrierte sich auf die langfristigen Auswirkungen. Zentrale Fragestellung war wie der Feuchteeintrag, der auch Jahre später verweilt und langsam absinkt, den Polarwirbel nachhaltig beinflusst, von der anfänglichen Abschwächung hin zu einer deutschlichen Verstärkung im Winter 2024/2025. Die Studie untersucht die Strahlungskühlungseffekte von Wasserdampf-„Zungen”, welche Temperaturgradienten erhöht und so die Winde in der Stratosphäre effektiv verstärkt. Diese Forschungsrichtung eröffnet neue Erkenntnisse darüber wie wasserreiche Vulkanausbrüche indirekt, durch die Fortpflanzung der dynamischen Störungen von höheren in tiefere atmosphärische Schichten, die klimatischen Bedingungen an der Erdoberflächebeeinflussen können.

In der folgenden 3D-Grafik sind die Bereiche, in denen die Atmosphäre feuchter ist als unter nicht-eruptiven Bedingungen, blau-grün hervorgehoben, während Braun das Sulfat-Aerosol-Signal in niedrigeren Höhen anzeigt.

Die vertikale und latitudinale Umverteilung von vulkanischem Material ist von Bedeutung. 3D-Momentaufnahme der Hunga-Tonga-Anomalien im SOCOLv4-Erdsystemmodell. Wasserdampf wird als Anomalie des Mischungsverhältnisses in ppmv (Teile pro Million nach Volumen) dargestellt, Sulfataerosol als Anomalie der Oberflächendichte in µm²/cm³ (Quadratmikrometer Partikeloberfläche pro Kubikzentimeter Luft). „Anomalie” bedeutet die Abweichung von einer Begleitsimulation ohne Eruption (nicht-eruptive Bedingungen): Positive Farben zeigen an, dass mehrere Monate nach der Eruption mehr Wasser/Aerosol als normal vorhanden ist.

Schematische Darstellung des SOCOLv4-Erdsystemmodells (SOlar Climate Ozone Links, Version 4). Es koppelt das atmosphärische Zirkulationsmodell ECHAM6 mit dem Ozeanmodell MPIOM (Max-Planck-Institut-Ozeanmodell), dem atmosphärisch-chemischen Modul MEZON und dem Sulfat-Aerosol-Mikrophysikmodul AER. Die Modellstufen reichen bis zu ~0,01 hPa (hPa = Hektopascal, eine Druckeinheit; ~0,01 hPa entspricht etwa 80 km Höhe).

Um Ursache und Wirkung aufzudecken, führten wir gezielte „Zwillingssimulationen“ durch: eine mit dem zusätzlichen Wasserdampf der Eruption und eine ohne. Diese Experimente zeigen markante Unterschiede auf. Zunächst kann zusätzlicher tropischer Wasserdampf die meridionalen (Nord-Süd-)Temperaturunterschiede in der Nähe der Stratopause (der Obergrenze der Stratosphäre, etwa 50 km) verringern, wodurch der Polarwirbel geschwächt und die Wahrscheinlichkeit einer plötzlichen stratosphärischen Erwärmung erhöht wird. Später, wenn die Feuchtigkeit in höhere Breiten absinkt und verstärkter Ozonabbau eintritt, kühlt sich die arktische Stratosphäre ab – wodurch der Temperaturkontrast zwischen den Polen und den Tropen erhöht und der Polarwirbel verstärkt wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wo die Feuchtigkeit landet ebenso bedeutsam ist wie wieviel Wasserdampf eingebracht wurde.

Von der Vulkanwolke zur globalen Verteilung von Wasserdampf. 3D-Visualisierung der simulierten Wasserdampfwolke des Hunga Tonga kurz nach dem Ausbruch in SOCOLv4 (SOlar Climate Ozone Links, Version 4). Die grauen Konturen stellen Wasserdampf-Anomalien von 1 bis 3 ppmv (Teile pro Million nach Volumen) im Vergleich zu einem nicht-eruptiven Kontrolllauf dar. Der Einfachheit halber werden Aerosolpartikel vernachlässigt. Die negativen und positiven modellierten Temperaturanomalien in zwei Metern Höhe werden mit blauen bzw. roten Farben visualisiert.

Trotz Limitationen wie einem etwas zu schnellen atmosphärischen Transport im Modell erfassen die Simulationen die „Dichotomie“ des Einflusses auf den Polarwirbel: eine anfängliche Abschwächung, gefolgt von einer Intensivierung im Winter 2024/2025.

Der Ausbruch des Hunga Tonga erinnert uns, dass ein einziger Vulkanausbruch den Rhythmus der Stratosphäre für mehrere Jahre bestimmen kann. Während der von einem Wasserdampfüberschuss geprägte Winter 2024/2025 einen ungewöhnlich starken Wirbel aufwies, zeigten die Projektionen,dass das Pendel im Winter 2025/2026 durch die Abnahme des  Feuchtegehalts  wieder in Richtung höherer Wahrscheinlichkeit für eine plötzliche stratosphärische Erwärmung bewegen würde.

Der Wasserdampfüberschuss nimmt mit der Zeit ab. Wasserdampf-Anomalien über 60–90° N von September 2024 bis November 2025, in ppmv (Teile pro Million nach Volumen) relativ zum Mittelwert von 2006–2020 (eine nicht-eruptive Basislinie). +1 ppmv bedeutet ein zusätzliches Wasserdampfmolekül pro Million Luftmoleküle. Der Druck wird in hPa angegeben (niedrigerer Druck = größere Höhe). Die Daten stammen vom Microwave Limb Sounder (MLS)-Instrument an Bord des seit 2004 in Betrieb befindlichen Aura-Satelliten der NASA. Seit Mai 2024 arbeitet das für die Beobachtung von Wasserdampf zuständige 190-GHz-Subsystem im MLS mit einem Arbeitszyklus, um die Lebensdauer des Instruments zu verlängern. Aufgrund eines Abrufartefakts in der 10–8 hPa-Schicht haben wir die Daten vertikal geglättet.

Wir können solche Ausbrüche, aufgrund der Lage der Wasserdampfwolke, als zeitweilige „Chance für die Vorhersage“ betrachten.