26. Feb. 2020
Geschwindigkeitsveränderungen in den Ozeanbecken

Geschwindigkeitsveränderungen in den Ozeanbecken

Die globale Meereszirkulation ist das zentrale Energieverteilnetz der Erde. Über die Ozeanströmungen wird Wärme aus den Tropen in die höheren Breiten transportiert und von der Oberfläche in die Tiefsee. Berichte in "Science Advances" und den "Geophysical Research Letters" zeigen jetzt, dass sich die Oberflächenströmungen seit rund 40 Jahren in Richtung der beiden Pole verlagern und überdies seit 1990 beschleunigt haben.

Die Meereszirkulation hat seit 1990 an Geschwindigkeit zugelegt. Vor allem in den Tropen haben die oberflächennahen Strömungen in jeder Dekade um gut fünf Prozent beschleunigt. Zu diesem Ergebnis kommt eine Arbeitsgruppe von Ozeanographen aus den USA, China und Australien, nachdem sie Beobachtungsdaten und die Ergebnisse der wichtigsten Erdsystemmodelle auswertete. "Wir haben in 76 Prozent der Weltmeere Hinweise auf eine erhebliche Steigerung gefunden", erklärt Teammitglied Janet Sprintall, Ozeanographin am Scripps-Institut für Meeresforschung in La Jolla bei San Diego, "in 30 Prozent der Ozeane fanden alle Modelle übereinstimmend eine verstärkte Bewegung, und das ist eine Menge."

System der oberflächennahen Meeresströmungen

System der oberflächennahen Meeresströmungen.

Bild: Wikimedia Commons/Michael Pidwirny (CC0)
Antrieb der oberflächennahmen Meeresströmungen.

Antrieb der oberflächennahmen Meeresströmungen.

Bild: Science Advances/Hu et al.
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System der oberflächennahen Meeresströmungen.

Bild: Wikimedia Commons/Michael Pidwirny

Antrieb der oberflächennahmen Meeresströmungen.

Bild: Science Advances/Hu et al.

Die Analyse, deren Leitautor Sprintalls ehemaliger PostDoc Shijian Hu von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist, hat erstmals alle oberflächennahen Strömungen zusammen bewertet. "Hinter der Angabe verbirgt sich eine erhebliche Variabilität", so Hu, "am stärksten war die Beschleunigung im Tropengürtel, wo sie auch mehrere Tausend Meter in die Tiefsee hineinreichte." Demgegenüber gibt es Bereiche wie den Nordatlantik mit dem für Europa so wichtigen Golfstrom, bei dem sich die Geschwindigkeit sogar verlangsamte. "Allerdings können wir das nicht mit statistischer Sicherheit sagen", so Sprintall.

"Ein bisschen schockierend"

"Das ist ein aufregender Bericht", kommentiert Joellen Russell, Professorin für Geobiodynamik an der Universität von Arizona in Tucson, die nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber dem Magazin "The Scientist", "ich denke, dass die Resultate solide sind, wichtig und auch ein bisschen schockierend." Auch der Ozeanograph David Ferreira von der Universität Reading findet die Ergebnisse "ziemlich interessant", zumal sie in Kontrast zu bisherigen Prognosen stünden.

Scripps-Ozeanographin Janet Sprintall, die zusammen mit Shijian Hu die Studie konzipierte, will allerdings gar keine so große Diskrepanz zu den früheren Meldungen erkennen. "Die Modelle zeigen für die Gegenwart eine leichte Beschleunigung der Meeresströmungen an, allerdings ist die bei weitem nicht so stark wie wir in unseren Reanalyse- und Beobachtungsdaten gefunden haben", so Sprintall. Erst für die ferne Zukunft ließen die Modellrechnungen, die zum Beispiel der IPCC habe durchführen lassen, eine stärkere Meereszirkulation in den Tropen und im Südozean erkennen. "Möglicherweise haben die Modelle einen bestimmten Aspekt der Erdsystemphysik nicht richtig erfasst", versucht Janet Sprintall eine Erklärung.

Startschuss zu näheren Untersuchungen

Ohnehin haben sich die Meeresforscher nur einen Teil des globalen Zirkulationssystems angesehen, denjenigen nämlich, der vom Wind angetrieben wird. Daneben gibt es noch die von Dichte, Temperatur und Salinität angetriebenen Strömungen, die bis auf die Meeresböden hinabreichen. Deren Motoren bleiben von den Winden zunächst einmal unberührt, daher verträgt sich der Befund von Sprintall, Hu und ihren Kollegen absolut mit den älteren Erkenntnissen, dass sich zum Beispiel die Atlantische Umwälzbewegung AMOC abgeschwächt habe.

Für die Forscher um Janet Sprintall ist ihr Bericht in "Science Advances" ohnehin nurmehr der Startschuss zu weiteren Forschungen. Ihre Untersuchung habe zum ersten Mal gezeigt, dass es einen globalen Trend in den oberflächennahen Meeresströmungen gebe. "Wir haben demonstriert, dass irgendetwas nicht stimmt in unserem Bild von den Meeresströmungen, das muss jetzt näher untersucht werden", so die Ozeanographin aus Kalifornien.

Die Arbeitsgruppe von Hu und Sprintall stützt sich auf dieselben CMIP5-Erdsystemmodelle, die der IPCC für seinen jüngsten Sachstandsbericht verwendete. In diesem 2014 vorgelegten Dokument zeigte der Expertenrat noch eine Graphik, bei der sich beschleunigende und abbremsende Tendenzen nahezu die Waage hielten, weshalb man sich vor allzu starken Prognosen der zukünftigen Entwicklung hütete. Mittlerweile wird die 6. Modell-Generation des CMIP-Projektes eingesetzt, so dass abzuwarten bleibt, was die verbesserten und vor allem viel detaillierten Simulationen ergeben. Janet Sprintall ist gespannt, ob sie sich besser schlägt.

Natürliche Oszillation und menschengemachte Treibhausgase

Über die Ursachen der Beschleunigung können die Wissenschaftler nur Vermutungen anstellen. Klar ist, dass die oberflächennahen Ozeanströmungen von stärkeren Winden angetrieben werden. "Der Befund korrespondiert den Veränderungen in den Tropischen Windsystemen, die man in den vergangenen Jahrzehnten beobachtet hat", so Sprintall. Auch über dem Südozean haben die Brisen aufgefrischt und entsprechend sehen die Forscher in ihren Analysen auch dort eine beträchtliche Steigerung der Fließgeschwindigkeit. Doch die große Frage ist, warum die Winde stärker geworden sind. "Sicherlich geht ein großer Teil auf das Konto der Pazifischen Dekaden-Oszillation, aber das ist nicht die komplette Wahrheit", betont Hu.

Die PDO ist ein großflächiges Klimaphänomen, das den gesamten Stillen Ozean umfasst. In groben Zehnjahreszyklen verändern sich dabei die Oberflächentemperaturen in West- und Ostpazifik und beeinflussen dadurch die Ausrichtung des Jetstreams und die langfristige Entwicklung des Wetters über dem gesamten pazifischen Raum. "Im Jahr 2000 gab es eine Phasenänderung in der PDO, aber wir sehen die Strömungsänderungen schon 1990, daher muss es noch einen anderen Einfluss geben", so Janet Sprintall. Die Forscher gehen davon aus, dass es die menschengemachten Emissionen von Treibhausgasen sind. "Dieser langfristige Trend würde die Lücke zu den PDO-Oszillationen schließen", betont Shijian Hu.

Vorsichtige Zustimmung bei Fachkollegen

Andere Forscher sind da noch zurückhaltend. “Die PDO hat in der Periode zwischen 1990 und 2013 einen langfristigen Phasenwechsel durchlaufen, der die Geschwindigkeit der Tropischen Winde erhöhte”, meint etwa Gerrit Lohmann, Sektionsleiter Paläoklimatische Dynamik beim Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven. „Vermutlich ist der Schluss der Treibhaus-angetriebenen Beschleunigung richtig, allerdings ist die angegebene Amplitude unwahrscheinlich“, so Lohmann weiter, „ein großer Teil wird auf natürliche Faktoren wie PDO zurückzuführen sein.“ Lohmann selbst hat soeben mit einer Arbeitsgruppe am AWI in den "Geophysical Research Letters" einen Bericht über die windgetriebenen Meeresströmungen veröffentlicht.

Diese Studie behandelt allerdings die Bewegung der Strömungen in Richtung der beiden Pole. Danach haben sich die Systeme in den vergangenen 40 Jahren um jeweils 800 Meter pro Jahr nach Norden beziehungsweise nach Süden verschoben. "Auf der Südhalbkugel sind diese Veränderungen besonders deutlich zu sehen", erklärte Hauptautor Hu Yang, "auf der Nordhalbkugel dagegen beeinflussen Faktoren wie die Lage der Kontinente und die Meereisentwicklung in der Arktis den Strömungsverlauf, sodass wir hier starke natürliche Schwankungen sahen." Simulationen mit dem neuen AWI-Klimamodell AWI-CM zeigten, dass die Polwärtsbewegung der Ozeanströmungen maßgeblich durch die Erderwärmung getrieben wird. "Unsere Berechnungen für eine Welt mit hohen Kohlendioxidwerten ergeben dieselben Trends wie wir sie in den Satellitendaten sehen", erklärt Gerrit Lohmann. Vergleiche mit den Daten der CMIP5-Modelle bestätigten die Ergebnisse der AWI-Simulationen. "Wir können somit zeigen, dass die Erderwärmung ein maßgeblicher Motor dieser Strömungsverlagerung ist“, so Lohmann.

Folgen sind noch unklar

Über die Folgen der verstärkten Meeresströmungen kann man derzeit ebenfalls nur spekulieren, aber der unmittelbare Effekt liegt auf der Hand. "Die Zirkulation sorgt für die Verteilung von Wärmeenergie aus den Tropen in die höheren Breiten", erklärt Hu, "wenn sie an Geschwindigkeit gewinnt, wird sie mehr Energie in Richtung der Pole transportieren." Das erwartet auch Alex Sen Gupta von der Universität von New South Wales in Sydney: "Das würde die Temperaturverteilung ändern und könnte Wetterphänomene beeinflussen. Aber um das näher zu bestimmen, brauchen wir weitere Forschungen." Gänzlich unklar sind die Auswirkungen auf die Ökosysteme in den Meeren. Lebensräume und Laichgründe könnten verschoben werden, die Nahrungsgrundlagen sich ändern. Ob das allerdings zum Guten oder zum Schlechten ausschlägt, ist derzeit noch völlig undurchsichtig.