Die Ozeane heizen dem Klima ein

Die Strömungen in den Weltmeeren, die gewaltige Mengen an Wärme oder Kälte über große Entfernungen transportieren, sind Bestandteil riesiger Wasserwirbel in Atlantik und Pazifik, die dort zwischen den Kontinenten rotieren. Auf der Nordhalbkugel strömt warmes Meerwasser aus südlichen Regionen an den Westrändern von Atlantik und Pazifik nach Norden, biegt auf seinem Weg in höhere Breitengrade, auf dem es allmählich abkühlt, nach Osten ab und fließt – nun deutlich kälter – an den östlichen Rändern dieser Ozeane zurück nach Süden. Dort schließt sich der Wirbel, und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Da die Strömungsrichtung von der Erdrotation bestimmt wird, drehen sich die Meereswirbel auf der Südhalbkugel in entgegengesetzter Richtung: gegen den Uhrzeigersinn von Ost nach West. Angetrieben werden die Strömungen vom Wind, der die Meeresoberfläche verwirbelt und große Wassermassen in Bewegung versetzt.

Fernheizung und Nährstoffpumpe

So schiebt sich der Golfstrom, der zum nordatlantischen Wirbel gehört, als 100 bis 200 Kilometer breites Band von den Tropen nach Norden entlang der Westküste Nordamerikas. Vor Neufundland dreht er in den offenen Atlantik ab, wo er sich verzweigt. Seine Verlängerung im Nordosten, der Nordatlantikstrom, spült als „Fernheizung Europas“ warmes Meerwasser an die europäischen Küsten und sorgt damit für ein recht mildes Klima. Die südöstliche Fortsetzung des Golfstroms, der kalte Kanarenstrom, fließt entlang der Westküste Nordafrikas, wo sein nähr- und sauerstoffreiches Wasser die Nahrungsgrundlage für ein hochproduktives Ökosystem bildet. Letztlich strömt das Wasser im Nordäquatorialstrom nach Westen, wo sich dann der Wirbel schließt.

Im Pazifik sorgt der nordpazifische Wirbel mit dem Kuroshiostrom im Westen für mildes Klima, etwa in Japan. Im Osten hingegen, wo der Kalifornienstrom kaltes Wasser an die Küsten Mittelamerikas spült, herrscht ein relativ kühles und trockenes Klima. Vor diesem Küstenstreifen entsteht durch das nähr- und sauerstoffreiche Tiefenwasser ein Tummelplatz vielfältigen marinen Lebens.

Insgesamt gibt es auf der Erde acht solcher windgetriebenen, ozeanumspannenden Meereswirbel, in denen sich das Wasser vereinfacht gesagt im Kreis dreht: drei im Atlantik, drei im Pazifik sowie je einen im Indischen und im Antarktischen Ozean. Die großen Wirbel bestimmen maßgeblich das Klima und die ökologische Produktivität der Küstenregionen, die an ihren Rändern liegen – und dieser Einfluss wirkt bis weit ins Landesinnere hinein.

Möglicherweise müssen sich diese Regionen auf tiefgreifende klimatische Veränderungen einstellen. Denn die Meereswirbel wandern, wie die AWI-Forscher festgestellt haben, im Zuge des Klimawandels in höhere Breiten ab.

Küsten und Strömungen modelliert

Für ihre Untersuchungen fütterten die Wissenschaftler ein am AWI neu entwickeltes Klimamodell, das im Gegensatz zu den bisherigen Modellen die Verläufe von Küsten und die Strömungsmuster der Ozeanwellen sehr genau abbilden kann, mit globalen Satellitendaten der letzten 40 Jahre zur Höhe des Meeresspiegels und zur Wassertemperatur an der Oberfläche. Strömungen türmen das Wasser an manchen Stellen zu regelrechten Wellenbergen auf. Deshalb lässt sich ihr Verlauf anhand von Höhendifferenzen relativ genau verfolgen.

Auch Temperatursprünge sind Indizien für strömendes Wasser. „Unsere Berechnungen ergaben, dass sich in den vergangenen 40 Jahren alle acht großen, windgetriebenen Meereswirbel, sowohl auf der Nord- als auch auf der Südhalbkugel, polwärts verschoben haben“, berichtet Gerrit Lohmann. Und das vollzog sich rasch mit rund 800 Metern pro Jahr.

Die Folgen für Mensch und Umwelt sind gravierend. Weil sich durch die Verlagerung des Golfstroms im Golf von Maine an der Ostküste Nordamerikas die Wassertemperaturen verändert haben, wanderten die dortigen Bestände an Kabeljau in andere Meeresregionen ab. Ähnliche Veränderungen in den Fischvorkommen beobachten Wissenschaftler vor den Küsten von Uruguay und Argentinien, wo sich der Brasilstrom langsam Richtung Süden verschiebt. Außerdem weiten sich mit Verlagerung der großen subtropischen Ozeanwirbel an Nährstoffen arme Meeresregionen aus, wodurch die Produktivität der Weltmeere insgesamt schrumpft.

Die Forschungen zur Ausweitung der Tropen und zur Verlagerung der großen Strömungsringe machen deutlich, dass die Rolle der Weltmeere als gestaltende Kraft des Klimawandels bislang unterschätzt wurde. „Die globale Erwärmung verläuft ungleichmäßig“, sagt AWI-Forscher Lohmann. Manche Regionen erwärmen sich mehr, andere weniger oder gar nicht. „Die Ursache für diese Unterschiede sind Meeresströmungen, die große Wärmemengen über weite Entfernungen transportierten“, erläutert der Wissenschaftler. Wärme genug ist vorhanden: Laut Weltklimarat IPPC speichern die Ozeane rund 90 Prozent der Energie, die sich auf der Erde im Zuge des menschengemachten Klimawandels im Zeitraum von 1971 bis 2010 angesammelt hat. Demnach haben Meeresströmungen neben dem Treibhauseffekt und dem schwindenden Rückstreuvermögen der schmelzenden Polkappen, der sogenannten Albedo, maßgeblichen Einfluss auf den Klimawandel.

Ungleiche Verteilung der Wärme

In ihrer Funktion als natürliche Wärmespeicher haben die Ozeane bislang die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels abgepuffert. Doch die aufgenommene Wärmeenergie hat sich ungleich verteilt: Dreiviertel davon sind in den Antarktischen Ozean gelangt, der zwar nur ein Siebtel der weltweiten Meeresfläche einnimmt, aber wegen der dort stattfindenden Umwälzung gigantischer Wassermassen eine Schlüsselrolle für die globale Meereszirkulation spielt.

Wie eine schützende Kühlmanschette umgeben das Packeis und das bis zu minus 2,7 Grad kalte Wasser des südlichen Ozeans den antarktischen Kontinent. In seiner Tiefe strömt der Zirkumpolarstrom, der als mächtigste Meeresströmung der Erde kaltes und salzreiches Wasser in Atlantik, Pazifik und Indischen Ozean spült.

Die Forscher haben vor allem das Weddellmeer in den Blick genommen, eines der 14 Randmeere des Antarktischen Ozeans. Seit über 100 Jahren ist das teils ganzjährig mit Packeis bedeckte Meer im Nordwesten des Kontinents Ziel wissenschaftlicher Expeditionen. Zum Beispiel einer deutsche Expedition unter Leitung des Asienforschers Wilhelm Filchner, die eigentlich das Ziel hatte, den antarktischen Kontinent auf dem Landweg zu durchqueren. Doch als die Forscher im Januar 1912 mit ihrem Segelschiff „Deutschland“ ins Innere des Weddellmeeres vorstießen, wurden sie vom Packeis eingeschlossen. Festgefroren in einer massiven Eisscholle trieb das Schiff neun Monate lang nach Nordwesten ab.

Entdeckung aus Versehen

Damit hatte die Expedition quasi aus Versehen den sogenannten Weddellwirbel entdeckt, der im Gegensatz zu den anderen großen Meereswirbeln der südlichen Hemisphäre im Uhrzeigersinn rotiert. Die Wissenschaftler an Bord des mit dem Eis driftenden Schiffes entschlüsselten nicht nur die Strömungsverhältnisse im Weddellmeer, sondern brachten auch eine Fülle meteorologischer und ozeanografischer Daten mit, von denen die Forschung bis heute zehrt.

In dieser langen Tradition steht auch die „Polarstern“: das Forschungsschiff des AWI, das seit 1984 auf jährlichen Expeditionen schwerpunktmäßig das Weddellmeer untersucht. Auf Tiefseemessungen des Eisbrechers mit Spezialsonden für Temperatur, Salzgehalt und Wasserdichte basieren auch die jüngsten Erkenntnisse zur Erwärmung des Antarktischen Ozeans.

Demnach hat sich das Weddellmeer, das etwa fünfmal so groß ist wie die Nordsee, in den letzten 30 Jahren fünfmal so stark erwärmt wie alle anderen Tiefseeregionen. Allerdings: Das geschah höchst ungleichmäßig: „Während die Temperaturen in den oberen 700 Metern gleichblieben, sind sie in Tiefen von mehr als 2000 Meter flächendeckend gestiegen“, berichtet AWI-Ozeanograf Volker Strass.

Die Ursache ist eine Verlagerung des Westwindgürtels und damit auch des Zirkumpolarstroms um ein bis zwei Breitengrade polwärts. „Dadurch wurde der Weddellwirbel eingezwängt und seine Fließgeschwindigkeit erhöht“, erläutert Strass. Die nun stärkere Rotation saugt mehr warmes Wasser aus dem Zirkumpolarstrom ab. Sollte sich das Weddellmeer weiter in diesem Tempo erwärmen, hätte das nicht nur Folgen für das Schelfeis an den Küsten der Antarktis, sondern auch für den Meeresspiegelanstieg und das globale Förderband der Ozeanzirkulation, warnt der Wissenschaftler.

Zusammenspiel der Kräfte

Das globale Förderband, auch thermohaline Zirkulation genannt, ist neben dem Wind die zweite große Antriebskraft der Meeresströmungen. Sie entsteht aus dem Zusammenwirken von Dichteunterschieden zwischen Warm- und Kaltwasser. Das Weddellmeer spielt dabei eine Schlüsselrolle, denn dort kühlen riesige, vom Nordatlantik kommende Wassermassen ab. Bildet sich Treibeis, tritt Salzlauge aus und reißt beim Absinken das Umgebungswasser mit in die Tiefe.

Das nun sehr salzreiche und dadurch schwere Wasser fließt als kalte Tiefenströmung in Pazifik und Indischen Ozean, erwärmt sich dabei, steigt infolgedessen auf und strömt an der Oberfläche zurück – an Indonesien vorbei und um die Südspitze Afrikas, wo es sich in den Atlantik ergießt. Dort nimmt es Kurs über die Golfregion Mittelamerikas und als Teil des Golfstroms in den Nordatlantik, wo es im hohen Norden durch erneutes Absinken den Kreislauf des globalen Förderbandes schließt.

Sollte dieses thermohaline Pumpen erlahmen, würde auch die Kraft des Golfstroms als Fernheizung Europas nachlassen. Messungen im Nordatlantik zeigen, dass sich die Eigenschaften des Meerwassers in der Tat schon seit Jahren verändern. Die oberen Schichten haben sich erwärmt, ihr Sauerstoffgehalt schwankt. Und im subpolaren Teil des Ozeans hat sich der Salzgehalt, bedingt durch die arktische Eisschmelze und den damit verbundenen Süßwassereintrag, stark verringert. Bisher gingen die Forscher davon aus, dass diese Veränderungen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts auch eine Abschwächung der Wasserzirkulation im Nordatlantik und darüber hinaus nach sich ziehen müssten.

Starke Schwankungen

Diese Hypothese hat ein internationales Wissenschaftler-Team, dem auch Forscher des Geomar Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel angehörten, mit einer Datenstudie überprüft. Das Ergebnis: Temperatur, Salzgehalt und gelöster Sauerstoff der oberen Wasserschichten bis in 2000 Meter Tiefe unterlagen in den letzten 30 Jahren starken Schwankungen. Zudem stiegen im vergangenen Jahrzehnt in den darunterliegenden Wasserschichten Temperatur und Salzgehalt.

Doch diese Veränderungen sind für die thermohaline Pumpe im Nordatlantik bislang folgenlos geblieben, stellt Geomar-Ozeanograf Johannes Karstensen fest: „Offenbar verändern sich Wassereigenschaften und Umwälzzirkulation in sehr unterschiedlichem Tempo.“ Damit sei jedoch keineswegs ausgeschlossen, dass es sich dabei um einen schleichenden Veränderungsprozess handelt, der eines Tages abrupt kippen könnte, meint Karstensen.

Ozeanforscher stehen immer wieder vor dem Problem, dass die Datenlage zu Veränderungen in den Weltmeeren recht dünn ist. Messreihen reichen meist nicht weit genug zurück. Flächendeckende Satellitendaten gibt es erst seit den 1980er-Jahren. Vor allem belastbare Aussagen über die Tiefsee sind schwierig: „Was unter 2000 Meter Tiefe passiert, ist größtenteils unerforscht“, sagt Karstensen. Das liegt auch am knappen Forschungsgeld. Laut Unesco, der Wissenschaftsorganisation der Vereinten Nationen, lenkt Deutschland nur 0,5 Prozent seines Forschungsbudgets in die Erkundung der Ozeane, -andere Staaten noch weniger.

Um die Ozeane und ihre Veränderung stärker ins öffentliche Bewusstsein zu rücken, haben die Vereinten Nationen die „Dekade der Ozeanforschung für nachhaltige Entwicklung“ ausgerufen, die im Sommer 2021 begann. Bis 2030 soll neues Wissen über den größten Lebensraum der Erde und wichtigen Gestalter des Klimawandels gesammelt werden. Laut Unesco ist dieses Wissen der „Schlüssel für die Zukunft der Menschheit“.