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Erde+Klima

Schichtung der Ozeane wird stärker

Ozean
Hier treffen zwei Wassermassen im Ozan aufeinander, deutlich wichtiger aber sind vertikale Schichtungen. (Bild: Jiang Zhu)

Die Ozeane sind wichtige Akteure im irdischen Klimasystem. Doch der Klimawandel setzt auch den Meeren stark zu. Jetzt enthüllt eine Studie, dass sich die Schichtung der Ozeane in den letzten Jahrzehnten deutlich verstärkt hat. Vor allem die Erwärmung der oberen Wasserschichten behindert demnach zunehmend einen Austausch der Wassermassen. Lokal wird dies durch den Einstrom von Süßwasser aus tauenden Gletschern verstärkt. Das führt dazu, dass die Meere Wärme, Sauerstoff und Nährstoffe weniger gut in die Tiefe ableiten – mit Folgen für die Meeresökologie aber auch das irdische Klima, wie die Forscher erklären.

Das Wasser der Meere ist vertikal nicht gleichmäßig durchmischt, sondern bildet typischerweise geschichtete Zonen. Nahe der Wasseroberfläche sammelt sich dabei wärmeres, salzärmeres Wasser, weil es eine geringere Dichte besitzt. In tieferen Schichten findet sich dagegen meist kaltes, salzigeres Tiefenwasser. Zwischen diesen Schichten findet nur ein begrenzter Wasseraustausch statt – meist geschieht dies bei starkem Wind oder im Winter, wenn die Oberflächentemperatur geringer ist. „Diese Schichtung wirkt wie eine Barriere für die Durchmischung des Wassers und das hemmt auch den vertikalen Austausch von Wärme, Kohlenstoff, Sauerstoff und anderen Bestandteilen“, erklären Guancheng Li von der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking und seine Kollegen. „Das Ausmaß dieser Schichtung ist daher ein zentrales Element im irdischen Klimasystem.“

Marine Wasserschichtung im Visier

Doch wie sich die Schichtung der Ozeane durch den Klimawandel verändert, war bislang nur in groben Zügen bekannt. Zwar legt die zunehmende Erwärmung der Wasseroberfläche nahe, dass sich diese auch auf die Wasserschichtung auswirkt und sie verstärkt. Aber auch der vermehrte Einstrom von süßem Schmelzwasser aus den tauenden Gletschern der Arktis und Antarktis könnte dazu beitragen. Denn das Süßwasser ist weniger dicht und bildet daher eine relativ stabile Schicht auf dem salzigeren Meerwasser. Doch bislang gab es nur ungenügende Daten dazu, wie stark sich diese Prozesse bereits auf die Wasserschichtung der Meere ausgewirkt haben. Der Grund: „Beobachtungen zu Ozeantemperaturen und Salzgehalt sind teilweise spärlich und räumlich ungleich verteilt“, erklären Li und sein Team. Oft wurden bislang nur Daten zu den oberen 200 Metern der Meere berücksichtigt und Lücken durch grobe Schätzungen überbrückt.

Um Abhilfe zu schaffen, haben die Forscher nun neue Messdaten zu Wassertemperaturen und Salzgehalten herangezogen, die bis in 2000 Meter Tiefe reichen. Außerdem nutzten sie Messungen des im Wasser gelösten Stickstoffs, um indirekt Aufschluss über die Schichtung zu erhalten. Denn seine Menge ist von der Dichte des Wassers abhängig. Zusätzlich verwendeten die Wissenschaftler ein Computermodell, das etwaige Datenlücken auf Basis von physikalischen Gesetzmäßigkeiten schließen kann.

Erwärmung ist die Haupttriebkraft

Die Auswertungen bestätigen den Trend zu einer stabileren Schichtung des Ozeanwassers. „Wir haben festgestellt, dass die Stabilität dieser Schichten schneller zunimmt, als wir dachten und auch schneller als es gängige Modelle vorhersagen – das sind beunruhigende Aussichten“, berichtet Co-Autor Michael Mann von der Pennsylvania State University. Den Daten zufolge hat sich die Schichtung in den oberen 2000 Metern seit 1960 im Schnitt um 5,3 Prozent verstärkt – das entspricht etwa 0,9 Prozent pro Dekade. In den oberen 150 Metern haben sich die Unterschiede zwischen den Wasserschichten sogar um 18 Prozent erhöht. Diese Veränderungen seien in allen vier großen Meeresbecken zu beobachten, wie die Forscher erklären. „Am höchsten ist die Rate im Südlichen Ozean, gefolgt vom Pazifik, Atlantik und dann dem Indischen Ozean“, so Li und seine Kollegen. Geographische Unterschiede gibt es jedoch in Bezug auf die am stärksten betroffenen Wassertiefen: In den Tropen haben sich die obersten 200 Meter der Meere am deutlichsten verändert, in den mittleren und höheren Breiten sind dagegen Wassertiefen unterhalb von 500 Metern am meisten betroffen.

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Als Hauptursache für diese Entwicklung identifizierten die Forscher die globale Erwärmung der Luft und damit auch der oberen Wasserschichten. 97 Prozent der beobachteten Veränderungen in der Ozeanschichtung gehen darauf zurück, sagen die Wissenschaftler. „Die globale Erwärmung macht die Atmosphäre instabiler, aber gleichzeitig die Ozeane stabiler“, erklärt Mann. „Weil sich das Wasser nahe der Oberfläche schneller erwärmt als die größeren Tiefen, macht dies die Schichtung stabiler.“ Im lokalen Maßstab spiele aber auch der Einstrom von Schmelzwasser und die damit verknüpfte Abnahme des Salzgehalts eine Rolle. Wie die Forscher betonen, sind ihre Beobachtungen mehr als nur ozeanografische Grundlagenforschung. „Eine sich verstärkende Schichtung hat bedeutende Klima-Auswirkungen“, sagen Li und sei Team. „Die damit verknüpfte Abnahme der Durchmischung kann die Aufnahme von Wärme und Kohlendioxid durch die Meere beeinträchtigen und auch die Bildung tropischer Stürme und ihre Intensität beeinflussen.“ Hinzu kommt, dass eine mangelnde Durchmischung des Meerwassers auch die Verteilung von gelöstem Sauerstoff im Wasser behindert. Das kann sauerstoffarme „Todeszonen“ am Meeresgrund verstärken.

Quelle: Guancheng Li (Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking) et al., Nature Climate Change, doi: 10.1038/s41558-020-00918-2

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