Modellierung der atmosphärischen Anregung der Polbewegung für das 21. Jahrhundert unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Klimaentwicklungsszenarien

Abstract

Bezogen auf den Erdkörper wird die zeitlich variable Lageveränderung der Erdachse als Polbewegung bezeichnet. Die Polbewegung zeigt sich als Schwingung mit vielen unterschiedlichen Perioden und wird zu einem erheblichen Teil von der Atmosphäre angeregt. Die Atmosphäre weist zwar verglichen mit dem Erdkörper eine sehr geringe Masse auf, unterliegt aber aufgrund der vielen Luftbewegungen, die in ihr stattfinden, großen Drehimpulsschwankungen, die sie zu einem Großteil an die feste Erde weitergibt. In der vorliegenden Arbeit wird diese Anregung der Polbewegung mithilfe von atmosphärischen Drehimpulsfunktionen modelliert und bis zum Jahr 2100 prognostiziert. Dabei wird besonders auf die zukünftige Entwicklung des Klimas aufgrund von anthropogenem Treibhausgasausstoß Bezug genommen. Die Drehimpulsfunktionen werden mit Luftdruck- und Windgeschwindigkeitsdaten ausgewertet. Diese Daten stammen aus elf unterschiedlichen Klimamodellen des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), die jeweils für fünf Klimaentwicklungsszenarien berechnet wurden. Das Hauptziel ist, eine Prognose für die Veränderung der atmosphärischen Anregung der Polbewegung über das 21. Jahrhundert zu berechnen und zu untersuchen, ob sich die Entwicklung der atmosphärischen Anregung zwischen den Klimaentwicklungsszenarien unterscheidet. Pro Klimaszenario wird aus den elf Modellen eine Multi-Model-Mean (MMM) Zeitreihe der atmosphärischen Drehimpulsfunktionen berechnet. Die atmosphärische Anregung der Polbewegung ist zum größten Teil von Druckveränderungen angetrieben. Weil die Ozeane Unterschiede im Oberflächendruck durch Heben und Senken der Wasseroberfläche ausgleichen, ist die Polbewegung in einer Richtung deutlich stärker gedämpft, was zu einer elliptischen Form ihrer Schwingung führt. Die am stärksten ausgeprägte Periode der atmosphärischen Anregung ist die jährliche. Die Amplitude bewegt sich zwischen 14 und 18 Millibogensekunden, was projiziert auf die Erdoberfläche etwa 50 cm entspricht. Der Vergleich der MMM Zeitreihen zeigt, dass die Amplitude der atmosphärischen Anregung stärker ansteigt, je intensiver der Treibhausgasausstoß für das Klimaszenario angenommen wird. Am Beginn der Zeitreihe unterscheiden sich die Amplituden der Szenarien nur um etwa eine Millibogensekunde, am Ende driften die Szenarien um bis zu drei Millibogensekunden auseinander. Das bedeutet, dass die Atmosphäre die Polbewegung mit fortschreitendem Klimawandel stärker anregt als bei einer treibhausgasarmen Entwicklung.

The temporally variable positional change of the Earth's axis related to the Earth's body is called polar motion. Polar motion manifests as an oscillation with multiple periods and is influenced to a significant part by the atmosphere. Although the mass of the atmosphere is small compared to that of the solid Earth, it undergoes substantial angular momentum fluctuations due to air movements within it, which are largely transferred to the solid Earth.In this work, the atmospheric excitation of polar motion is modelled using angular momentum functions and predicted up to 2100. The angular momentum functions are evaluated using surface air pressure and wind speed data, provided by eleven different climate models from the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), each of which was run for five climate development scenarios.Particular consideration is given to the influence of anthropogenic greenhouse gas emissions on climate development, and the changing atmospheric behavior concerning polar motion excitation is investigated. In other words, the main goal is to forecast atmospheric excitation of polar motion throughout the 21st century and to examine whether the development of atmospheric excitation varies between the different climate development scenarios.For each climate scenario, a Multi-Model Mean (MMM) time series of atmospheric angular momentum functions is calculated from the output of the eleven models. The atmospheric excitation of polar motion is primarily driven by pressure changes. Because oceans compensate for differences in surface pressure by lifting and lowering the water surface, polar motion is significantly damped in one direction, leading to an elliptical shape of its oscillation. The major period of atmospheric excitation is an annual wobble. The amplitude ranges between 14 and 18 milliarcseconds, corresponding to approximately 50 cm projected onto the Earth's surface. The comparison of the MMM time series reveals that the amplitude of atmospheric excitation increases more intensely with increasing greenhouse gas emissions assumed for the scenarios. At the beginning of the time series, the amplitudes of the scenarios differ by only about one milliarcsecond, while at the end, the scenarios differ by up to three milliarcseconds. These findings imply that the atmosphere excites polar motion more intensely with ongoing climate change than within a low greenhouse gas emission development.