Ein abgerundetes Erklärungsgebäude für ENSO liegt gegenwärtig trotz des
guten Verständnisses der einzelnen Abläufe noch nicht vor. Alle glaubwürdigen Theorien beinhalten Wechselwirkungen
zwischen dem Ozean, der
Atmosphäre und äquatorialen Ozeanwellen. Manche Wissenschaftler betonen eher den meteorologischen, andere den
ozeanographischen Aspekt des gekoppelten meteorologisch-ozeanographischen ENSO-Phänomens.
Vorhersagen reichen auch mit aufwendigen OAGCMs
(Ocean-Atmosphere-General-Circulation-Model) beim heutigen Stand der Forschung
lediglich in einen Zeitraum von bis zu 6-12 Monaten.
Für die Vorstellung der zwei z.Z. wohl bekanntesten Erklärungsmodelle für ENSO folgen wir im Wesentlichen der Diplomarbeit
von Staeger (1998).
Der deutschstämmige Ozeanograph Wyrtki sieht in ENSO eine energetische Relaxation (ein sich entladender Energiestau) des gekoppelten Systems Ozean-Atmosphäre: Der durch die Passate ausgeübte Windschub führt zu einer Ansammlung (Akkumulation) von warmem Oberflächenwasser im Westpazifik. Dieser Vorgang kann mehrere Jahre andauern bis eine kritische Menge warmen Wassers angestaut ist. Ohne die meridional ausgerichteten Küstenbegrenzungen im Pazifik wäre diese Ansammlung nicht möglich. Ist eine kritische Menge von warmem Wasser angestaut, so kann ein Abschwächen der Passate eine sich nach Osten ausbreitende äquatoriale ozeanische Kelvinwelle auslösen, die zu einer massiven Verlagerung des warmen Oberflächenwassers vom West- in den Ostpazifik entlang des Äquators führt. Hiermit ist eine Verlagerung des maximalen Wärmeflusses vom Ozean in die Atmosphäre und somit auch des Gebietes mit konvektivem Niederschlag von Indonesien in den Zentralpazifik verbunden. Das warme Wasser wird nach Erreichen der amerikanischen Küste nach Norden bzw. Süden abgelenkt und geht damit dem tropischen Pazifik verloren.
Die Folge des Versiegens des Warmwasserstroms von Westen ist eine Abkühlung des äquatorialen Oberflächenwassers im Ostpazifik, und das heißt eine La Niña. Über dem kalten Wasser kühlt sich auch die Luft ab, wodurch die Passate wiederbelebt werden.
Ein vollständiger ENSO-Zyklus hat somit einen Wärmetransport aus den Tropen zu höheren Breiten hin zur Folge; diese Wärme kann nur durch eine erneute langsame Ansammlung warmen Oberflächenwassers im tropischen Westpazifik durch wiedererstarkte Passate neu gewonnen werden. Der zeitliche Abstand zwischen zwei ENSO-Ereignissen ist also von der Dauer zum "Aufladen" des Wärmereservoirs im Westpazifik bis zur kritischen Grenze bestimmt. Nach Wyrtki ist ENSO demnach das Resultat der Kopplung eines aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten weitgehend vorherbestimmten, ("deterministischen") Ozeans mit einer zufällig agierenden ("stochastischen") Atmosphäre, da spontane Anomalien des Windfeldes ozeanische Prozesse wie z.B. Kelvinwellen auslösen können, deren weiterer Verlauf jedoch nicht mehr sehr stark von atmosphärischen Einwirkungen abhängig ist.
Es ist heute nicht mehr akzeptiert, dass die Wasserpartikel, die vor einem El Niño im Westpazifik angestaut wurden, nach Osten wandern, um dort das warme Wasser an der Oberfläche zu bilden.
Diese Hypothese gilt als Weiterentwicklung der Wasserstauthese von Wyrtki. Sie erklärt ENSO anhand relativ einfacher Kopplungsmechanismen zwischen der atmosphärischen Zirkulation in den Tropen, der Dynamik der ozeanischen Deckschicht und der SST im östlichen tropischen Pazifik. Von zentraler Bedeutung ist das Zusammenspiel äquatorialer Kelvinwellen und außeräquatorialer Rossbywellen. Die englische Bezeichnung drückt aus, dass es sich um einen Prozess handelt, bei dem zeitlich verzögerte Signale eine Rolle spielen.
Nach Graham und White bzw. Suarez und Schopf verursachen äquatoriale Kelvinwellen eine sich nach Osten ausbreitende Vertiefung der Thermokline, die im östlichen und zentralen tropischen Pazifik zu einer Erhöhung der SST führt (El Niño). Das Windfeld reagiert auf diese Erwärmung mit Westwind-Anomalien in Äquatornähe, was weitere, die Deckschicht vertiefende Kelvinwellen begünstigt (positive Rückkopplung) und mit Ostwind-Anomalien in außeräquatorialen Breiten verknüpft ist. Diese Ostwind-Anomalien verursachen ein Auseinanderströmen der Meeresoberfläche, als Folge ein Aufquellen von Tiefenwasser und damit eine Verringerung der Deckschichttiefe in außeräquatorialen Breiten. Die hierdurch entstandene Störung breitet sich als Rossby-Welle westwärts aus und benötigt je nach geographischer Breite etwa 1-2 Jahre zum Durchqueren des Pazifiks. An der westlichen Begrenzung des Pazifiks wird diese Rossby-Welle nun als äquatoriale Kelvinwelle reflektiert, die eine Erhöhung der Deckschicht bewirkt und nach Durchqueren des Pazifiks von West nach Ost ein La Niña-Ereignis auslöst (negative Rückkopplung).
"Delayed" bezieht sich darauf, dass in dieser Modellvorstellung die Rossby-Wellen im mittleren bis westlichen
tropischen Pazifik angefacht werden, dann jedoch nicht direkt wieder auf das Geschehen im Ostpazifik einwirken können,
sondern den zeitverzögernden Umweg über den westlichen Rand nehmen müssen. Zudem bewegen sich Wellen mit zunehmender
Entfernung vom Äquator langsamer, somit sind Rossby-Wellen langsamer als Kelvin-Wellen. Ihre Signale kommen folglich mit
Verzögerung im Westpazifik an. Das Windfeld reagiert auf die erniedrigte SST mit Ostwind-Anomalien in Äquatornähe und
Westwind-Anomalien in außertropischen Breiten, was dort Rossby-Wellen mit "umgekehrtem Vorzeichen" auslöst
(d.h. Rossby-Wellen, die eine Vertiefung der Deckschicht in außertropischen Breiten verursachen). Nach Erreichen der
westlichen Berandung des Pazifischen Beckens reflektieren diese als äquatoriale Kelvinwellen, die im Bereich des
äquatorialen Wellenleiters ebenfalls die Deckschicht vertiefen und somit im zentralen und östlichen Pazifik ein
El Niño-Ereignis auslösen.
Dieser Mechanismus beinhaltet eine verzögerte negative Rückkopplung (außeräquatoriale Rossbywellen mit langsamer
Ausbreitungsgeschwindigkeit), die zur Umkehrung der Phase des Systems notwendig ist, die Quasi-Periodizität von ENSO
(ca. 3 - 7 Jahre) erklärt und auch schon mit Hilfe von gekoppelten Ozean-Atmosphärenmodellen (OAGCM, Ocean-Atmosphere
General Circulation Models) durch ein Forcing mit ausgesuchten
Windschubanomalien nachvollzogen wurde.
Ein Mangel dieses vergleichsweise einfachen Modells ist, dass es viele Phänomene von El Niño nicht erklärt, z.B.
die unregelmäßige Periodizität.
Eine kürzlich vorgestellte Variante dieser Theorie geht davon aus, dass das System nicht in sich instabil ist, und dass der Zyklus auf natürliche Weise zum Erliegen käme, wenn er nicht durch eine externe Energiequelle in Gang gehalten würde. Eine solche Energiequelle könnten zufällig oder chaotisch auftretende Wetterereignisse sein, die in der Lage sind, das System in einen bestimmten Zustand zu versetzen, sofern die Rahmenbedingungen gerade passend sind. Manche Wissenschaftler sehen solche Wetterereignisse als Ursache für das rasche Einsetzen und die hohe Intensität des El Niño von 1997/98.
Ein Schlüssel für das Verständnis liegt vermutlich auch in der Rolle des tropischen Ozeans als Hitzespeicher. Während
zu Niña-Ereignissen der Ozean als Folge reduzierten Niederschlags und reduzierter Bewölkung einen verstärkten solaren
Wärmezustrom erfährt, wird bei Niño-Ereignissen Wärme aus den Tropen in höhere Breiten transportiert. Dies geschieht durch
Meeresströmungen und durch den Transport von latenter Wärme als Folge der
in den Tropen verdunsteten Wassermassen. Weltweite Klimamittelwerte belegen diesen Wärmezustrom, sie steigen bis zu 0,3 °C
in den Monaten, die auf einen starken Niño folgen. Auf diese Weise verliert der tropische Pazifik Wärme während eines Niño
und nimmt während einer Niña Wärme auf.
Die Vermutung geht nun dahin, dass die Zeitspanne bis zur "Wiederaufladung" des Ozeans mit Wärme die ENSO-Zyklen
steuern könnte. Es wird aber auch hierbei nicht ausgeschlossen, dass eine Kombination mehrerer Auslöser am Werk sein kann.
Auf der Suche nach möglichen Auslösern für El Niño-Ereignisse entstanden auch umstrittene Theorien. Eine davon sieht einen Zusammenhang zwischen El Niño und der Anzahl der Sonnenflecken. Eine andere Theorie meint, dass die französischen Atomtests im Pazifik vor einigen Jahren El Niño beeinflusst hätten. Beide Theorien werden von den meisten Wissenschaftlern jedoch nicht sehr ernst genommen. Auch wird ein ursächliches Einwirken von Vulkanismus auf ENSO überwiegend ausgeschlossen, ist aber noch nicht endgültig geklärt. Umgekehrt ist beispielsweise die Wirkung von Vulkanismus auf den Luftdruck in Meeresspiegelhöhe stark von ENSO überlagert. Ohne nachhaltigen Beleg blieben auch Überlegungen zu einem ursächlichen Zusammenhang zwischen untermeerischen Lavaaustritten und El Niño.
