ARGO und der ozeanische Wärmegehalt

Willis Eschenbach
Ich bin heute auf eine interessante Präsentation aus dem Jahr 2013 über die ARGO-Bojen gestoßen. Dabei handelt es sich um eine große Anzahl unabhängiger Bojen, verteilt über alle Ozeane der Welt. Die meiste Zeit verbringen sie in Tiefen um 1000 Meter unter der Wasseroberfläche. Dann sinken sie bis auf 2000 Meter, gefolgt von einem allmählichen Aufstieg zur Oberfläche, wobei sie Temperatur und Salzgehalt messen. Einmal aufgetaucht, senden sie ein Signal an die Empfangsstation. Dann sinken sie wieder in die Tiefe und verbleiben dort.


Abbildung 1 (rechts): Operation ARGO-Bojen: Es gibt etwa 3500 Bojen in den Ozeanen, und insgesamt rund 10.000 Bojen waren während des Zeitraumes der Operation im Einsatz.

In dieser Präsentation gab es viele interessante Dinge. Das erste hat mich total überrascht. Wir hören immer wieder, dass sich die Wärme im Ozean „versteckt“.Was ich aber nicht wusste, den ARGO-Bojen zufolge gab es die gesamte Erwärmung nur in den Südlichen Ozeanen außerhalb der Tropen, während sich sowohl die Tropischen Ozeane als auch diejenigen der Nordhemisphäre tatsächlich abkühlen … man nenne mich darob verwirrt.

Abbildung 2: Änderung des ozeanischen Wärmegehaltes in verschiedenen Zonen. Einheiten sind 10↑22 Joule. Graphik aus der oben verlinkten Präsentation

Was zeigt dies? Ich bin sicher, ich weiß es nicht … aber ich bezweifle sehr stark, dass irgendeines der Klimamodelle diese komische Kombination von Erwärmung und Abkühlung abbildet.

Am interessantesten jedoch fand ich eine Graphik der globalen Änderung des ozeanischen Wärmegehaltes während dieses Zeitraumes. Diese Graphik sieht so aus:

Abbildung 3: Globale Änderung des ozeanischen Wärmegehaltes (OHC) seit der vollständigen Ausbringung der ARGO-Bojen. Daten von der Wasseroberfläche bis in Tiefen von etwa 2000 Metern.

Ich war traurig, darin alles Mögliche gesehen zu haben. Erstens, dies sind die Daten, aus denen die monatlichen Mittelwerte (die „Klimatologie“) entfernt worden sind. Ich bevorzuge die Rohdaten, so dass ich jahreszeitliche Verteilungen betrachten kann. Zweitens, der Präsentation fehlen Fehlerbalken … aber Not kennt kein Gebot. Also benutze ich die mir zur Verfügung stehenden Daten. Diese habe ich digitalisiert, so dass ich sie selbst analysieren konnte.

Als Erstes wollte ich die Daten betrachten, die vertrautere Einheiten aufwiesen. Ich meine, niemand weiß, was 10↑22 Joule in den oberen 2 Kilometern des Ozeans bedeuten. Also habe ich die Daten von Joule in °C konvertiert. Die Konversion geht so: Man braucht 4 Joule, um ein Gramm Meerwasser um 1°C zu erwärmen (oder 4 Megajoule pro Tonne pro Grad). Als weitere Informationen braucht man die Menge des Ozeanwassers über 2000 Metern Tiefe, also 0,65 Milliarden Kubikkilometer, und dass Meerwasser etwa 1,033 Tonnen pro Kubikmeter wiegt.

Abbildung 4: Ozeanvolumen in Abhängigkeit von der Tiefe. Nur wenige Ozeanbecken sind tiefer als 5 km.

Mit diesen Informationen berechnete ich, was die Änderung des Wärmegehaltes hinsichtlich Änderung der Temperatur bedeutet. Hier folgt diese Graphik:

Abbildung 5: Änderung der Wassertemperatur von der Oberfläche bis etwa 2000 Metern Tiefe.

Eine Änderung von zwei Hundertstel Grad pro Dekade … beruhige dich, mein schlagendes Herz! Unglücklicherweise kann ich keinerlei Fehlergrenzen bzgl. des Trends angeben, weil es in der Präsentation keine Fehlerbalken gab.

Hier möchte ich einen Exkurs machen, dessen Zweck gleich erkennbar werden wird. Ich wollte mir die CERES-Daten anschauen, also die von Satelliten gestützten Daten des Strahlungshaushaltes der Erde. Hier folgt die Änderung der „Gesamt-TOA-Strahlung“ Monat für Monat. Die Gesamt-TOA-Strahlung ist die Differenz zwischen einfallender Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre (TOA), die die Erde erreicht (Sonnenlicht) und der Abstrahlung an der TOA, die die Erde verlässt (reflektiertes Sonnenlicht plus thermische Infrarotstrahlung). Abbildung 6 zeigt diese Änderungen:

Abbildung 6: Aufteilung der Gesamt-TOA-Strahlung nach CERES in eine jahreszeitliche und eine verbleibende Komponente [residual component]. Einheiten sind W/m². Die verbleibende Komponente (untere Graphik) zeigt die Rohdaten, wobei die monatlichen Mittelwerte (jahreszeitliche Komponente oder „Klimatologie“; mittlere Graphik) entfernt worden sind.

Nun, dies allein ist eine interessante Graphik. In der Gesamtstrahlung erkennt man die rund 20 W/m² ausmachende jährliche Schwingung der Erde zur Sonne hin und von ihr weg. Im Januar steht die Erde der Sonne am Nächsten, so dass die Erde in dieser Zeit Energie gewinnt, die sie in der anderen Jahreshälfte wieder verliert. Zusätzlich erkennt man die erstaunliche Stabilität des Systems. Entfernen wir erst einmal die monatlichen Mittelwerte, variiert das Gesamt-TOA-Ungleichgewicht nur mit einer Größenordnung von ± einem halben Watt pro Quadratmeter während der bislang 13 Jahre langen Aufzeichnung, ohne jeden statistisch signifikanten Trend … erstaunlich.

Aber ich schweife ab. Grund für diesen Exkurs ist, dass die überschüssige, die Erde erreichende Energie (positive Werte) mit der Spitze im Januar fast vollständig im Ozean gespeichert wird und dann zurück kommt mit einer Ausstrahlungs-Spitze (negative Werte) im Juli. Wir wissen das, weil die Temperatur nicht dem Strahlungs-Ungleichgewicht folgt, und es gibt nirgendwo sonst eine ausreichend große und reaktionsfähige Möglichkeit, diese Menge Energie zu speichern und wieder freizusetzen.

Mit anderen Worten, die Gesamt-TOA-Strahlung ist ein anderer Weg, mit dem wir die monatliche Änderung des ozeanischen Wärmegehaltes messen können. Folglich können wir einen Quercheck mit den OHC-Darstellungen durchführen. Er wäre nicht exakt, weil ein kleiner Teil der Energie sowohl auf dem Festland als auch im Eis gespeichert und wieder freigesetzt wird … aber der Hauptspeicher ist der Ozean. Also werden uns die CERES-Daten der Gesamt-TOA-Strahlung einen maximalen Wert für Änderungen der Ozeanspeicherung liefern, und zwar den Wert, den wir bei der Annahme bekommen, dass die gesamte Energie im Ozean gespeichert wird.

Alles, was wir also tun müssen, ist ein Vergleich der monatlichen Änderung des OHC minus der Klimatologie wie in Abbildung 1, wobei die monatliche Änderung der einfallenden Strahlung minus der Klimatologie die in der unteren Graphik von Abbildung 6 gezeigte ist … außer dass beide in unterschiedlichen Einheiten angegeben werden.

Allerdings bedeutet dies einfach, dass wir die Daten der Gesamt-TOA-Strahlung in Watt pro Quadratmeter konvertieren müssen zu Joule pro Monat. Die Konversion geht so:

1 Watt-Monat/m² (also 1 W/m² angewendet auf einen Monat) =

1 Joule-Monat/ sec-m²* 5,11e+14 m² (Gebiet der Oberfläche) * 365,2425/12 * 24 * 3600 Sekunden/ Monat = 1,35e+21 joules.

Also konvertierte ich die Gesamt-TOA-Strahlung in Joule pro Monat und verglich dies mit den ARGO-Daten des gleichen Phänomens, nämlich der Änderung des ozeanischen Wärmegehaltes in Joule pro Monat. Abbildung 7 zeigt diesen Vergleich:

Abbildung 7: Vergleich der monatlichen OHC-Änderungen gemessen mit CERES-Daten und von den ARGO-Bojen

Nun, das ist ein höchst seltsames Ergebnis. Die ARGO-Daten sagen, dass eine gewaltige, ja überwältigende Menge Energie in die Ozeane geht und wieder herauskommt … aber andererseits sagen die CERES-Daten, dass nur ein vergleichsweise sehr kleiner Teil der Energie in den Ozean hineingeht und wieder herauskommt. Wobei es auch nach CERES eine ziemlich große Menge Energie ist, die aber bei Weitem nicht das Ausmaß der von den ARGO-Bojen gezeigten Menge entspricht.

Wie muss man diesen Widerspruch verstehen? Die wahre Antwort auf diese Frage lautet … ich weiß es nicht. Möglicherweise ist mir ein arithmetischer Fehler unterlaufen, obwohl ich wieder und immer die oben aufgeführten Berechnungen durchgeführt habe. Ich weiß, dass die CERES-Daten die richtige Größenordnung zeigen, weil diese die Schwingung von rund 20 Watt aufgrund des elliptischen Erdorbits zeigen. Und ich weiß, dass meine ARGO-Daten korrekt sind, indem ich Abbildung 7 mit Abbildung 2 vergleiche.

Mein ,Best guess‘ ist, dass die Fehlerbalken der ARGO-Daten viel größer sind als allgemein angenommen. Ich sage dies, weil die CERES-Daten keineswegs akkurat sind. Aber sie sind sehr präzise. Ich sage das auch aufgrund meiner zuvor durchgeführten Analyse der behaupteten Fehler von Levitus et al. in meinem Beitrag „Decimals of Precision”.

In jedem Falle ist es ein höchst eigenartiges Ergebnis. Zumindest erheben sich dadurch Fragen über unsere Fähigkeit, den Wärmegehalt der Ozeane zu messen mit einer von den ARGO-Leuten behaupteten Präzision. Man erinnere sich, sie behaupten, dass sie die monatliche mittlere Temperatur von 0,65 MILLIARDEN Kubikkilometer Meerwasser mit einer Genauigkeit von einem Hundertstel Grad messen können … was mir sehr zweifelhaft vorkommt. Ich habe den Verdacht, dass der wirkliche Fehler in ihren Daten vom Fußboden bis zur Decke reicht.

Aber das sind lediglich meine Gedanken. Andere Vorschläge sind sehr willkommen.

Data and Code: The Argo data (as a .csv file) and R code is online in a small folder called Argo and CERES Folder. The CERES TOA data is here in R format, and the CERES surface data in R format is here. WARNING: The CERES data is 220 Mb, and the CERES surface data is 110 Mb.

Weitere Daten:

Main Argo Data Page

Main CERES Page

List of Argo “gray” floats 

Link: http://wattsupwiththat.com/2014/12/04/argo-and-ocean-heat-content/

Übersetzt von Chris Frey EIKE

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6 Kommentare

  1. Neues aus dem Gruselkabinett:

    Textauszug:
    „Jetzt auch im Pazifik: Vor der Nordwestküste der USA steigen gewaltige Mengen Methan vom Meeresboden auf. Weil sich das Tiefenwasser hier erwärmt, taut das dort in großen Mengen lagernde Methanhydrat mehr und mehr auf, wie Messungen zeigen. Millionen Tonnen des potenten Treibhausgases gelangen dadurch in Meer und Atmosphäre – Tendenz steigend, wie Forscher im Fachmagazin „Geophysical Research Letters“ warnen. …
    Ursache für diese Erwärmung ist der Klimawandel, wie die Forscherin erklärt. Dieser heizt das Wasser im Ochotskischen Meer zwischen Russland und Japan auf, wie Messungen schon länger zeigen. Dieses Wasser wird dann von Strömungen bis vor die Küste der USA getrieben und bildet eine Wärmezone unter der Oberfläche.“

    Quelle: http://tinyurl.com/q6fkuw5

  2. Interessanter Artikel. Aber auch einfache Überlegungen bei der Betrachtung der Monatswerte weisen auf Probleme der Plausibilität: Denn die extremen Schwankungen des Heat content lassen sich physikalisch nicht erklären.

    Auch die großen monatlichen Schwankungen der Atmosphärentemperaturen, z.B. nach RSS sind erstaunlich, aber eher plausibel, denn die Atmosphäre hat in Bezug zum Durchsatz ein sehr geringes Speichervermögen. Darum sind große Temperaturschwankungen auch nicht auszuschließen.

    Bei den Meerestemperaturen haben wir aber ein giganteischen Speicher. Wenn wir etwas optistisch davon ausgehen, dass der Wärmeeintrag durch Erdwärme gering, aber konstant ist, müssen sich alle Änderungen des OHC über die Oberfläche ereignen. Folglich müssten, wenn die Daten zuverlässig wären, die monatlichen Schwankungen über die Schwankungen in viel stärkerem Maß der Oberflächentemperaturen bemerkbar machen. Demnach wäre die Bilanz der obersten 100 m ausreichend, denn die Eindringtiefe der Sonnenstrahlung ist nicht so weit.

    Ein Delta bei den Inputs wäre nur durch Sonne, Gegenstrahlung und Bewölkung möglich. Die Abstrahlung und Evaporation ist fast ausschließlich von der Temperatur, in gewissen Grenzen vom Wind abhängig.

    Zirkulationen, also Aufstieg von warmen oder kaltem Wasser, bzw. regionale Zirkulationen bestimmen lediglich die Verteilung, nicht aber den Heat Content.

    Die geringen Änderungen der Oberflächentemperaturen zeigen dagegen an, dass diese Daten darum unplausibel sind. Die größten Erwärmungen solle es in 200 m Tiefe gegeben haben (Seite 16 der Präsentation), darüber viel weniger. In 400-600 m eigentlich gar nichts, und darunter wieder eine Erwärmung. Das ist allerdings erklärungsbedürftig. Im Besonderen scheint es einen zyklischen Austausch der Temperaturen in Schicht A (0 – 100m) und B (100 – 300 m) zu geben. Die Zyklusdauer sind hier 2 Jahre.

    Ein Punkt könnten die Messtoleranzen der Bojen sein. Durch die langen Messzyklen könnten sich entsprechende Frequenzen erklären lassen. Darum könnte eine Glättung der Kurven durchaus sachgerecht sein. Allerdings dauert ein Messzyklus nur 10 Tage …

    Aber es fragt sich: Sind es nur gerätebedingte Messvarianten, die man statistisch entfernt, oder ist das Messverfahren insgesamt unzureichend, um zuverlässige Aussagen über mehrjährige Trends zu machen?

    So kann sich auch eine Kalibrierung über einen Zeitraum langsam verändern. Dies wird man kaum sicher feststellen können. Am Ende zeigt das Diagramm nicht die Veränderung des OHC, sondern das statistische Mittel der Messfehler der Argo-Bojen … und nichts mehr.

    Und noch eine Auffälligkeit: Gemäß der Argo-Präsentation Seite 4 ist die Messdichte in den Bereichen, wo man eine Abkühlung festgestellt hat, deutlich höher als in den Bereichen, in denen man eine Erwärmung gemessen haben will.

  3. Hallo

    Ich denke mal, da ist dem Hr. Eschenbach ein kleiner Rechenfehler unterlaufen.

    Hier mal eine etwas ältere Veröffentlichung, zum Nachrechnen:
    Ocean heat content and Earth’s radiation imbalance – David H. Douglass, Robert S. Knox – 2009

    http://www.pas.rochester.edu/~douglass/papers/Douglass_Knox_pla373aug31.pdf
    oder EIKE-like: http://tinyurl.com/nx6uvko

    Ach so, die Wasser-Oberfläche wird mit 3,6*10^14 m^2 angegeben.

    Falls man sich mit den ARGO-Original-Daten beschäftigen will.

    1. Offizielles Data Centre für ARGO Daten
    http://www.usgodae.org/cgi-bin/argo_select.pl
    oder http://wo.jcommops.org/cgi-bin/WebObjects/Argo (Data -> Get Data)

    2. Data Browser der ARGO Daten (Software)
    netCDF -> netCDF4excel (Hier wird ein Icon auf dem Desktop mit dem Add-In abgelegt)
    und http://www.epic.noaa.gov/java/ncBrowse/

    Mfg
    Werner Holtz

  4. Man sollte bei den ARGO-Daten immer in Erinnerung behalten, daß es nach K. Trenberth (ausgewiesener AGWler) bei den ARGO-Daten fehlende und fehlerhafte Daten und Kalibrierungen gibt, d.h für die Wärme der Ozeane bilden diese messungen keinen zuverlässigen Datensatz.
    MfG

  5. Lieber Hr. Frey,

    wieder einmal haben Sie einen schönen Beitrag von Hr. Eschenbach auch deutschen Lesern zugänglich gemacht. Hr. Eschenbach beweist seit Jahren ein bemerkenswertes Talent dafür, Daten aus unterschiedlichen Quellen zu verwenden, um Widersprüche zu den IPCC-Thesen herauszuarbeiten, auf die man erst dann kommt, wenn man die Zahlenwerke im Zusammenhang analysiert. Die vorliegende Ausarbeitung zeigt deutlich, auf welch wackligen Füssen das Gerede von „die Wärme ist im Ozean verschwunden“ steht, das von gewissen Vertretern eines gewissen deutschen Instituts verbreitet wird. Der Schwachpunkt des Argo-Systems ist u.a., dass man treibende, d.h. nicht ortsfeste Sensoren einsetzen muss. Das ist so, als wolle man das Wettergeschehen statt mit ortsfesten Stationen lediglich mit Ballons verfolgen, die zudem nur in einer schmalen Höhenschicht unterwegs sind und ihre Daten nur in grossen zeitlichen Intervallen abliefern. Zudem sind ca. 3000 Messbojen für die Gesamtheit der Ozeane so gut wie gar nichts. Man braucht das nur mit der viel höheren Dichte ortsfester Stationen auf den Landflächen der Erde ins Verhältnis zu setzen.

    Mfg

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