Woher kommt der Regen, der auf Ihren Kopf fällt? Von welchem Ozean? Von welchem Kontinent? Was früher ins Reich der Fantasie gehörte, wird heute durch atomare "Fingerabdrücke" möglich, die diskret im Wasser selbst enthalten sind.
Um diese Fingerabdrücke zu definieren, stützen sich Wissenschaftler auf Isotope, geringfügig schwerere Versionen der Wasserstoff- und Sauerstoffatome, die das Wassermolekül bilden. Wenn Wasser verdunstet, kondensiert und durch die Atmosphäre wandert, verändert sich der Anteil dieser Isotope nach vorhersagbaren Mustern. Diese Veränderungen wirken wie eine einzigartige Signatur, die es ermöglicht, die Bewegungen des Wassers auf globaler Ebene zurückzuverfolgen.
Forscher des Institute of Industrial Science, The University of Tokyo verfolgen die globale Zirkulation von Wassermolekülen in Zeit und Raum mithilfe von Ensemble-Modellierung von Isotopen, was eine bessere Vorhersage sich wandelnder hydrologischer Muster und extremer Wetterereignisse ermöglicht.
Bildnachweis: Institute of Industrial Science, The University of Tokyo Allerdings war es bisher für ein einzelnes Klimamodell unmöglich, diese Wege auf globaler Ebene exakt zu simulieren. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, griff ein Team auf einen Ensemble-Ansatz zurück, der mehrere Modelle gleichzeitig kombiniert. So wurden acht Klimamodelle verwendet, die die Verfolgung von Isotopen integrieren. Sie decken einen Zeitraum von 45 Jahren ab, von 1979 bis 2023, und stützen sich auf gemeinsame Daten zu Winden und Meeresoberflächentemperaturen.
Dank dieser Ensemble-Methode stimmen die Simulationen viel enger mit den realen Beobachtungen überein und bieten eine verfeinerte Sicht auf den Wasserkreislauf. Die Ergebnisse deuten unter anderem auf einen Anstieg des atmosphärischen Wasserdampfs hin, der mit der globalen Erwärmung zusammenhängt. Sie heben auch Verbindungen zu großen Klimaphänomenen hervor, wie der El Niño-Southern Oscillation.
Dieser Fortschritt hilft vorherzusagen, wie sich der Wasserkreislauf und Wetterphänomene mit der Erwärmung verändern könnten. Wie Professor Kei Yoshimura in der Studie zitiert wird, erfassen die durch das Ensemble gewonnenen Durchschnittswerte genau die beobachteten Isotopenmuster, was bis heute kein einzelnes Modell leisten konnte.
Die praktischen Anwendungen sind vielfältig, insbesondere für die Vorhersage extremer Ereignisse wie Stürme, Überschwemmungen oder Dürren. Ein besseres Verständnis der Feuchtigkeitstransporte und der atmosphärischen Zirkulation macht Wetter- und hydrologische Vorhersagen zuverlässiger, was Menschen weltweit zugutekommt.
Wasserisotope
Wasser besteht hauptsächlich aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, aber einige dieser Atome existieren in leicht unterschiedlichen Formen, die Isotope genannt werden. Wasserstoff kann zum Beispiel ein oder zwei zusätzliche Neutronen haben, und Sauerstoff kann mehr davon besitzen. Diese schwereren Isotope verändern nicht die chemischen Eigenschaften des Wassers, beeinflussen aber sein physikalisches Verhalten.
Bei der Verdunstung neigen Moleküle mit leichteren Isotopen dazu, zuerst zu entweichen, wobei sie Wasser zurücklassen, das leicht mit schweren Isotopen angereichert ist. Dieser Mechanismus wiederholt sich bei der Kondensation und dem Niederschlag und erzeugt messbare Schwankungen in der Isotopenzusammensetzung. Diese Schwankungen hängen von Faktoren wie Temperatur, Höhe oder Niederschlagsmenge ab.
Durch die Messung dieser Isotope in Wasser-, Dampf- oder Schneeproben können Forscher die von dem Wasser genommenen Routen rekonstruieren. Dies ermöglicht es zu verstehen, wie Feuchtigkeit zwischen Ozeanen, Atmosphäre und Kontinenten zirkuliert. Diese Daten sind wertvoll für die Untersuchung vergangener und gegenwärtiger Klimaveränderungen.
Die Messtechniken für Isotope haben sich erheblich verbessert und ermöglichen genaue Analysen auch bei sehr geringen Konzentrationen. Dies ebnet den Weg für eine kontinuierliche Überwachung der Wasserressourcen und ein feineres Verständnis der natürlichen Kreisläufe, was hilft, Dürren und Überschwemmungen effektiver zu bewältigen.
Quelle: Journal of Geophysical Research: Atmospheres