Die thermohaline Zirkulation des Atlantiks

Die Strömungen der Ozeane sind für das Klima wesentlich: Sie transportieren gigantische Mengen an Wärmeenergie und beeinflussen durch Verdunstung sowie Wärmeaufnahme und -abgabe an der Oberfläche den gesamten Wasserkreislauf der Erde. Eine besondere Rolle kommt dabei der Thermohalinen Zirkulation im Atlantischen Ozean zu. Ihr zukünftiges Schicksal in einer sich erwärmenden Welt beschäftigt daher viele Wissenschaftler und mittlerweile auch Politiker.

Eine der bekanntesten Strömungen der Meere ist der Golfstrom. Er wird, wie viele andere Ozeanzirkulationen, hauptsächlich von Winden angetrieben und wird deshalb, entgegen häufig gehörter Aussagen auch in einer wärmeren Welt nicht versiegen. Erst wenn sich der Golfstrom auf seinem Weg in den Norden von der amerikanischen Küste löst, spielen zunehmend die Dichteunterschiede des Wassers eine wichtigere Rolle für sein Fließen. Dann wird er zum Nordatlantikstrom und ist möglicherweise verletzlich gegenüber dem Klimawandel. Weil die Dichte sowohl vom Wärmegehalt als auch vom Salzgehalt des Wassers abhängt, spricht man dabei von der Thermohalinen Zirkulation (von griechisch thermos für Wärme und halas für Salz).

Der Golfstrom im Infrarotbild

Es ist recht schwierig, die Wasserbewegungen eindeutig den einzelnen physikalischen Prozessen zuzuordnen, denn in den Ozeanen überlagern sich die Wirkungen von Wind, Gravitationskraft des Mondes und Dichteunterschieden. Beim Atlantik spricht man daher manchmal von der meridionalen Umwälzzirkulation (englisch meridional overturning circulation, kurz MOC) und vernachlässigt damit die eigentlichen Antriebsfaktoren. Die Atlantische MOC hat eine besondere Bedeutung unter den großskaligen Meeresströmungen, denn sie verfrachtet große Mengen an Wärmeenergie von der Süd- in die Nordhemisphäre. Sie transportiert etwa 15 Millionen Kubikmeter Meerwasser pro Sekunde nahe der Oberfläche Richtung Nordatlantik, die in den Meeresgebieten zwischen Kanada und Norwegen absinken und in einer Tiefe von zwei bis drei Kilometern wieder Richtung Süden zurückfließen. Sowohl der Golfstrom als auch die Thermohaline Zirkulation des Atlantiks tragen zur MOC bei.

Eine Thermohaline Zirkulation entsteht im Ozean, wenn der Salzgehalt und die Temperaturen in unterschiedlichen Gebieten unterschiedliche Wasserdichten hervorrufen. Wasser ist umso schwerer, je salziger oder je kälter es ist – die gleiche Wasserdichte kann also durch verschiedene Kombinationen der Wassereigenschaften zustande kommen.

Im Atlantik fließt an der Oberfläche salziges, relativ warmes Wasser nach Norden. Auf dem Weg Richtung Nordpol kühlt es sich allmählich ab. Im Winter nimmt die Dichte des Wassers an der Oberfläche stark zu. Im Meer zwischen Grönland, Island und Norwegen sowie zwischen Grönland und Kanada kommt es dann immer wieder zu plötzlicher starker, aber sehr lokalisierter Durchmischung des Meerwassers – sogenannter Konvektion – bis in eine Tiefe von etwa 3000 Metern. Wie sich die Konvektion, bei der lokal im Nordmeer genauso viel Wasser aufsteigt wie absinkt, und das großskalige Absinken das die MOC antreibt gegenseitig beeinflussen, ist noch weitgehend ungeklärt und Gegenstand intensiver Forschung. In jedem Fall würden die kalten salzigen Wassermassen der Nordmeere durch Konvektion immer dichter und dichter werden. Auf diese Weise würden sie allmählich die Tiefsee anfüllen, wenn es keine ausgleichende Zirkulation gäbe. Damit sich eine fortwährende Zirkulation ausbilden kann, muss es also irgendwo in den Weltmeeren ein Aufquellen geben. Wo das Wasser wieder an die Oberfläche tritt, ist eine Frage, die mindestens ebenso weitreichend ist wie die nach den Absinkprozessen. Denn schlussendlich ist es die Frage danach, was die Ozeanzirkulation im Atlantik antreibt.

Ursachen der meridionalen Umwälzzirkulation im Atlantik

Schematische Darstellung der Thermohalinen Zirkulation

Derzeit werden zwei Theorien für die Antriebsmechanismen diskutiert: Einerseits kann der Dichteunterschied im Atlantik dadurch zustande kommen, dass die oberflächennahe Wärme in den Tropen durch Vermischung langsam in größere Tiefen vordringt – dadurch werden die tiefen Wassermassen des tropischen Atlantiks leichter als die kalten, schweren der hohen Breiten. Das Wasser quillt dann im gesamten Atlantischen Becken wieder nach oben. Wind und Gezeiten erzeugen im Meer die benötigte Turbulenz und eine entsprechende Vermischung. Die Frage ist, wie stark die resultierende Vermischung ist und ob sie ausreicht, um die Stärke der Tiefenzirkulation zu erklären.

Der zweite Ansatz geht davon aus, dass die Wassermassen der Thermohalinen Zirkulation in einem eng umgrenzten Gebiet im Südatlantik wieder an die Oberfläche gelangen. Dort – so die Vermutung – führt die Kombination aus divergierenden Winden und der Bodentopographie des Ozeans zu einem Aufsteigen aus sehr großen Tiefen. Beide Mechanismen sind physikalisch möglich, und sie schließen sich nicht gegenseitig aus. Darum ist es wahrscheinlich, dass beide Prozesse eine Rolle spielen. Für die Eigenschaften der Zirkulation, insbesondere für ihre Stabilität, könnte es entscheidend sein, welcher Prozess dominiert.

Die ungewisse Zukunft der Thermohalinen Zirkulation

Seit dem Ende der letzten Eiszeit scheint die Thermohaline Zirkulation stabil zu funktionieren. Während der letzten Eiszeit hingegen änderte sie sich vermutlich mehrere Male drastisch. Dieses Verhalten wird durch eine besondere, selbstverstärkende Eigenschaft der Zirkulation möglich: Die oberflächennahe Strömung transportiert salzhaltiges Wasser nach Norden – das Salz aber erhöht dort die Wasserdichte, sodass die Zirkulation das Absinken und damit sich selbst weiter verstärkt. Umgekehrt wird aber auch eine Verringerung der Strömung durch diesen Prozess immer weiter beschleunigt, so dass es möglicherweise zu abrupten Ereignissen kommen kann. In den vergangenen 8000 Jahren – während der derzeitigen Warmperiode – wurden keine solchen Ereignisse beobachtet. Doch ob das so bleibt, ist unklar. Weil der vom Menschen verstärkte Treibhauseffekt das Klima verändert, fürchten Wissenschaftler, dass sich auch die Thermohaline Zirkulation wandeln könnte.

Messsonden im Atlantik

In einer wärmeren Atmosphäre enthält die Luft mehr Wasserdampf, was zu mehr Niederschlag in höheren Breiten führen könnte. Außerdem schmelzen Eismassen auf dem Land, etwa auf Grönland oder in anderen arktischen Gletschergebieten. Wenn mehr Süßwasser in den Ozean gelangt und er sich erwärmt, könnte das die Dichte des Meerwassers so stark verringern, dass sich die Thermohaline Zirkulation deutlich abschwächt oder sogar völlig zum Erliegen kommt.

Der vollständige Abbruch wird zwar im Allgemeinen für eher unwahrscheinlich gehalten. Doch eine Umfrage unter Experten ergab vor kurzem, dass das Risiko einer deutlichen Zirkulationsabschwächung durchaus bei zehn bis zwanzig Prozent liegen könnte, je nachdem, wie stark die vom Menschen verursachte Erwärmung ausfällt. Mit Computermodellen des Klimasystems lässt sich das Risiko nur schwer berechnen, weil sich viele Details – etwa die Dynamik von Gletscherzungen – noch nicht realistisch genug darstellen lassen, die genaue Niederschlagsverteilung mit Unsicherheiten behaftet ist und auch die Eigendynamik der Ozeanzirkulation noch nicht ausreichend verstanden ist.

Der Grund für die Sorge um die Thermohaline Zirkulation besteht aber nicht in der hohen Wahrscheinlichkeit eines Abbruchs, sondern in den drastischen Folgen, die dieses Ereignis für das globale Klimasystem hätte. Das atlantische Ökosystem wäre ebenso betroffen wie der Meeresspiegel. An den Küsten Westeuropas könnte der Ozeanpegel – noch zusätzlich zum Anstieg durch die Erwärmung des Meerwassers und zu dem Zustrom von Schmelzwasser – um bis zu einen Meter ansteigen. Aber auch Störungen in weit entfernten Phänomenen wie dem pazifischen El Niño oder dem indischen Monsun sind wahrscheinlich.

Die Abschwächung der Thermohalinen Zirkulation unter der globalen Erwärmung wird von allen Klimamodellen vorhergesagt, ein vollständiger Abbruch aber nicht. Er bleibt ein mögliches Ereignis mit kleiner, aber nicht vernachlässigbarer Wahrscheinlichkeit. Wenn es einträfe, hätte das gewaltige Auswirkungen auf Mensch und Natur.