Ozeane aus der Balance

Doch es sind die Satellitenbilder vom schwindenden Eis, die zum Symbolbild für Auswirkungen der Klimakrise geworden sind. Die Bilder aus dem Weltraum veranschaulichen die globalen Veränderungen oft besser als alle Statistiken. In ihrem Projekt „Ocean Color“ bietet die US-Weltraumbehörde NASA einen weiteren Blick auf die Meere dieser Welt. Die Satelliten können unter anderem die typisch grüne Farbe von Chlorophyll a erkennen. Dieser Farbstoff wird von Pflanzen und Algen gebildet, die Photosynthese betreiben, also Kohlendioxid in Sauerstoff verwandeln. Im Ozean stammt diese Farbe überwiegend von Phytoplankton, von einzelligen Pflanzen, die in Oberflächenströmungen treiben.

Phytoplankton ist die grüne Lunge der Erde. Es bindet gewaltige Mengen Kohlendioxid und liefert dadurch etwa die Hälfte des Luftsauerstoffs, der vom Ozean in die Atmosphäre entweicht. Aus dem All können Forscher nun erkennen, ob diese besondere Lebensform unter Stress steht. Die Überwachung des Phytoplanktons hilft den Wissenschaftlern, Umweltveränderungen einzuschätzen und Entwicklungen vorherzusagen. Allerdings ist eine langfristige Beobachtung notwendig, um Trends erkennen zu können. Die empfindliche Technik aus dem Weltraum soll demnächst auch Plastikmüll aufspüren. Die europäische Raumfahrtagentur Esa hat einen Wettbewerb ausgeschrieben, um die passenden Sensoren dafür zu finden. Keine einfache Aufgabe, denn nicht jedes tote treibende Objekt im Meer ist Plastik. Und Müll ist nicht gleich Müll. Plastik besteht aus verschiedenen Materialien, zudem schwimmt Plastikmüll in unterschiedlichen Formen im Meer: von der großen, dichten Ansammlung bis zum einzelnen Objekt wie einer Flasche oder fein zerkleinert als Mikroplastik.

Die Beispiele zeigen, wie sehr die Wissenschaftler die Beobachtung der Weltmeere seit Beginn dieses Jahrhunderts professionalisiert haben. Das Vorgehen im Meer ist vergleichbar mit dem Aufbau von Wetterstationen auf dem Land. Neue Messstationen erheben regelmäßig Daten über die Vitalzeichen der Ozeane und teilen diese mit allen Wissenschaftlern, die daran Interesse haben. Im Jahr 2004 haben die Meeresforscher beispielsweise damit begonnen, den gesamten Nordatlantik mit einem dichten Netz von Sensoren zu überziehen, damit sie die Stärke der Atlantischen Meridionalen Umwälzbewegung (AMOC), zu der auch der Golfstrom gehört, direkt messen können.

Die Versauerung nimmt zu
Viele der Veränderungen der Meere sind jedoch nicht so offensichtlich wie Eisschmelze, Farbveränderungen oder bunter Plastikmüll, und sie passieren auf einer menschlichen Zeitskala gemessen nahezu im Verborgenen. Dazu gehört, dass das Wasser der Ozeane wegen der Aufnahme von Kohlendioxid langsam versauert. Denn wenn sich das Treibhausgas mit dem Wasser vermischt, bilden sich in einer chemischen Reaktion schwache Säuren. Das Maß dafür ist der pH-Wert. Er hat sich in 200 Jahren bereits um 0,1 Einheiten verringert. Bis zum Jahr 2100 wird der pH-Wert der Ozeane voraussichtlich um weitere 0,3 bis 0,4 Einheiten sinken, heißt es im Weltklimabericht. Darunter könnten vor allem Organismen mit Kalkschalen und -Skeletten leiden, beispielsweise Korallen, Muscheln und Kieselalgen. Doch der geringere pH-Wert erschwert nicht nur die Kalkbildung, er kann auch die Stoffwechselfunktionen von Fischen und anderen Lebewesen beeinflussen.

Die Methoden zur Messung von Vitaldaten wie dem pH-Wert oder der Kohlendioxidkonzentration werden immer besser und raffinierter. So hat die Universität Fairbanks in Alaska eine Unterwasserdrohne entwickelt, die bis zu einer Tiefe von 1000 Metern eingesetzt werden kann. Wobei der pinkfarbene Meeresgleiter ein typisches Beispiel für die Internationalisierung der marinen Wissenschaft ist: Das Konzept kommt aus Alaska, der Gleiter stammt von einer Firma aus Zypern und die Sensoren lieferte die deutsche Firma 4H-Jena in Thüringen.

Bisher erfolgten solche Vitaldaten-Messungen meist mit stationären Bojen oder mit Sonden, die von Bord eines Forschungsschiffes hinabgelassen wurden. Das neue Gerät kann nun aber eine wesentlich größere Fläche abdecken, indem es sich stundenlang
autark im Wasser bewegt, bevor es zum Forschungsschiff zurückkehrt.

Wenn der Sauerstoff ausgeht
Die Tauchausflüge der Drohne können auch das Verständnis verbessern, wie stark sich das Wasser in den verschiedenen Schichten des Ozeans vermischt. Der Klimawandel bewirkt, dass sich oberflächennahe Wassermassen wesentlich anders verhalten als die in der Tiefsee. Wenn sich die oberste Wasserschicht erwärmt, dehnt sie sich aus und erhält eine geringere Dichte, was sie quasi über die darunter befindlichen Schichten hinweggleiten lässt. Dass dieser Effekt schon weit verbreitet ist, hat ein internationales Forscherteam unter französischer Führung herausgefunden. Die Forscher haben alle verfügbaren ozeanografischen Daten aus der Zeit zwischen 1970 und 2018 analysiert, die bei Schiffsexpeditionen erhoben oder über permanente Messbojen gesammelt worden waren. Demnach hat der Dichteunterschied zwischen der oberen Schicht des Ozeans und der darunter liegenden Schicht seit 1970 während der Sommermonate in einigen Regionen um fast neun Prozent zugenommen. Ein solches Ergebnis war zwar erwartet worden, doch das Ausmaß der Veränderung hat die Forscher überrascht.

Diese ausgeprägtere Schichtung der Meere in kaltes und warmes Wasser ist weit mehr als nur bloßes akademisches Wissen. Sie verringert die Durchmischung und damit den Übergang von Gasen und Nährstoffen von oben nach unten. Doch wenn die Sauerstoffzufuhr in die untere Schicht gestört oder gar blockiert wird, wird in der kälteren Tiefsee buchstäblich die Luft knapp.

Die Folgen können dramatisch sein. Im Laufe des 21. Jahrhunderts könnte sich ein Übergang zu noch nie da gewesenen Bedingungen vollziehen, heißt es im Weltklimabericht. Forscher halten eine noch weiter zunehmende Schichtung im oberen Ozean für sehr wahrscheinlich. Wenn sich die Atmosphäre verglichen mit Ende des vergangenen Jahrhunderts um mehr als vier Grad erwärmt, ergeben die Klimamodelle, dass es in einer Tiefe von 100 bis 600 Metern allein durch den Klimaeffekt bei etwa 70 Prozent der Meeresfläche zu Sauerstoffverlust kommt.

Umgangssprachlich hat sich dafür der Begriff Todeszone etabliert. Wasserflächen mit geringem Sauerstoffgehalt entstehen bisher, wenn zu viele Nährstoffe aus landwirtschaftlicher Düngung oder Industrieabwässern ins Wasser gelangen. Diese Einträge sorgen gemeinsam mit höheren Temperaturen dafür, dass beispielsweise Algen stark wachsen und den Sauerstoff der Umgebung fast vollständig aufbrauchen. Nun könnte ein weiterer Effekt die Bildung von Todeszonen begünstigen: Wenn im Meer durch starke Schichtenbildung die Vermischung verhindert und zu wenig frischer Sauerstoff in andere Wasserschichten nachgeliefert wird. Auf diese Weise hat in den vergangenen Jahren der Sauerstoffgehalt in den äquatornahen Teilen der Meere fast überall bereits deutlich abgenommen.

Ein kanadisch-deutsches Forscherteam hat erstmals über einen längeren Zeitraum den Sauerstoffgehalt in der Labradorsee zwischen Kanada und Grönland untersucht. In dieser Region öffnet sich ein anderer Transportweg für den lebenswichtigen Sauerstoff in die tieferen Schichten des Atlantiks, die AMOC. Im Winter sinkt hier das sauerstoffreiche Oberflächenwasser regelmäßig in etwa 2000 Meter Tiefe ab. Das Umwälzsystem der AMOC transportiert das Gas dann mit der Tiefseeströmung in andere Bereiche der globalen Ozeane.

Die Forscher befestigten zwei Jahre lang in einem Stromsystem vor der Küste Labradors spezielle Sensoren an Stahlseilen, die am Meeresboden verankert und durch Glaskugeln aufrecht im Wasser gehalten wurden. Im Januar 2022 stellten sie ihre Ergebnisse vor: „Etwa die Hälfte des Sauerstoffs, der im Winter im Inneren der Labradorsee aus der Atmosphäre aufgenommen wird, wird in den folgenden fünf Monaten in das Stromsystem der Tiefsee eingespeist“, sagt Jannes Koelling von der Dalhousie University in Halifax. Die große Menge frischen Sauerstoffs sei als Signal deutlich erkennbar gewesen, als sie zwischen März und August die Sensoren passiert habe. Das Tiefenwasser aus dem Labradorsee gelange bis in den Pazifik und den Indischen Ozean. Die Messungen bestätigten ein intaktes System der Wasser- und Sauerstoffverteilung. Doch das bedeutet auch: Wenn sich daran etwas ändert, sich die AMOC abschwächt – worauf derzeit einiges hinweist – könnten die Folgen weltweit zu spüren sein, auch ein größerer Sauerstoffmangel in den Meeren.

Sicherlich müssen die Daten in den kommenden Jahren durch erneute Messungen bestätigt werden. Doch der in allen Forschungsergebnissen erkennbare Trend ist beunruhigend. Nicht nur das Klima, auch die Ozeane selbst und ihre Artenvielfalt sind massiv gefährdet. Die immer weiter intensivierte Ozeanforschung der vergangenen Jahrzehnte hilft, Veränderungen zu dokumentieren. Die Daten fließen in Rechenmodelle ein und verbessern die Qualität der Berechnungen, mit denen Klimaforscher den weiteren Klimawandel im Ozean und in der Atmosphäre beschreiben und vorhersagen wollen.

Doch damit ist den Ozeanen als Ökosystem nicht geholfen, und ob dies überhaupt noch gelingen kann, ist zweifelhaft. Die Erwärmung, Versauerung, die Abnahme des Sauerstoffs und der Abbau der Eisschilder sind auf menschlichen Zeitskalen mit hoher Wahrscheinlichkeit irreversibel. Die Folgen wird die Menschheit in den nächsten Jahrzehnten spüren.