Große, windgetriebene Meeresströmungen verschieben sich polwärts

Satellitendaten aus vierzig Jahren zeigen Verlagerung der sogenannten Ozeanwirbel; Modellstudien belegen maßgeblichen Einfluss der Erderwärmung

Die großen, windgetriebenen Strömungssysteme der Ozeane haben sich in den zurückliegenden 40 Jahren mit hohem Tempo Richtung Pol verschoben. Zu diesem Ergebnis kommen Forschende des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresfoschung (AWI), nachdem sie globale Langzeit-Satellitendaten zur Meeresoberflächentemperatur und zur Höhe des Meeresspiegels ausgewertet haben.

Aus beiden Datensätzen lassen sich Rückschlüsse auf den Verlauf der großräumigen Oberflächenströmungen ziehen. Demnach verschieben sich sowohl auf der Nordhalbkugel als auch auf der Südhalbkugel der Erde die Grenzen der sogenannten Ozeanwirbel und ihrer wichtigen Randströme um 800 Meter pro Jahr Richtung Pol. Angetrieben wird diese Verlagerung gigantischer Wassermassen maßgeblich durch die Erderwärmung, wie zum Beispiel Berechnungen mit einem neuen AWI-Klimamodell belegen. Die Folgen des Wandels spüren Mensch und Natur, berichten die Forscher: Unter anderem steigt in den betroffenen Regionen der Meeresspiegel, Arten wandern ab und Sturmgebiete ziehen auf neuen Bahnen. Die Studie erschien am 24.02.2020 im Fachmagazin Geophysical Research Letters.

In den großen, windgetriebenen Meeresströmungen der Erde bewegt sich das Wasser vereinfacht gesagt im Kreis. Weltweit gibt es acht solcher riesiger Wirbel (engl. ocean gyre) – drei im Atlantik, drei im Pazifik und jeweils einen im Indischen sowie im Südlichen Ozean. Diese rotierenden Strömungssysteme bestimmen maßgeblich das Wetter und die marine Produktivität in den Küstenregionen unseres Planeten. Die fünf subtropischen Ozeanwirbel beispielsweise transportieren an ihrem westlichen Rand (z.B. Golfstrom) Wärme und Feuchtigkeit aus den Tropen in die mittleren und höheren Breiten und beeinflussen auf diese Weise die lokalen Lufttemperaturen und Niederschläge. An ihrem östlichen Rand (z.B. Kanarenstrom) dagegen steigt nährstoffreiches Wasser aus der Tiefe auf. In ihm gedeihen Algen, Kleinstlebewesen und Fische in so großen Mengen, dass die Auftriebsgebiete auch als Speisekammern der Ozeane bezeichnet werden.

Die Ozeanwirbel weltweit und über lange Zeiträume hinweg zu überwachen, scheiterte bislang an den enormen Kosten für ozeanografische Langzeitmessungen. AWI-Forschende aber haben nun einen neuen Ansatz gefunden, mit dem genau das vergleichsweise einfach gelingt. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen analysierten Langzeit-Satellitendaten zur Oberflächentemperatur und -höhe der Weltmeere und konnten anhand von Temperatur- und Höhenunterschieden die Lage der großen Strömungssysteme und ihre räumliche Ausdehnung rekonstruieren. „Beim Vergleich der Daten zeigte sich dann, dass sich in den zurückliegenden 40 Jahren alle acht großen windgetriebenen Oberflächenströmungssysteme polwärts verschoben haben“, sagt Erstautor und AWI-Ozeanograph Hu Yang.

Mit der neuen Methode lässt sich auch das Tempo der Strömungsverlagerung bestimmen. Demnach verschieben sich die Ozeanwirbel im Durchschnitt um 800 Meter pro Jahr. „Auf der Südhalbkugel sind diese Veränderungen besonders deutlich zu sehen. 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, die uns motivierten, herauszufinden, welche Prozesse in welchem Ausmaß diese Verlagerung antreiben“, erklärt Yang Hu.

Schematische Darstellung der großen windgetriebenen Ozeanzirkulation (schwarze Pfeile) und ihrer Bewegung (weiße Pfeile) unter globaler Erwärmung – Grafik © Yang Hu, Alfred-Wegener-Institut

Simulationen im neuen AWI-Klimamodell zeigen Einfluss der Erderwärmung

Dazu simulierten die Forschenden die Entwicklung der Strömungssysteme unter anderem mit dem neuen AWI-Klimamodell. Bei den ersten Berechnungen entsprachen die Ausgangsbedingungen einer Welt mit einem Kohlendioxidgehalt wie im Jahr 1850, dem Beginn der Industrialisierung. Anschließend steigerten sie den Kohlendioxidgehalt in der Erdatmosphäre bis auf das doppelte Niveau und berechneten den möglichen Strömungsverlauf für unterschiedliche klimatische Ausgangsbedingungen.

Durch diese aufwendigen Modellierungen ist es dem Forscherteam gelungen, genau zu unterscheiden, welche Veränderungen durch die Erderwärmung hervorgerufen wurden und welche durch natürliche Schwankungen. „Unsere Berechnungen für eine Welt mit hohen Kohlendioxidwerten ergeben dieselben Trends wie wir sie in den Satellitendaten sehen. Ähnliche Veränderungen sehen wir auch in unseren Analysen mit anderen weltweit verfügbaren Modelläufen. Wir können somit zeigen, dass die Erderwärmung ein maßgeblicher Motor dieser Strömungsverlagerung ist“, sagt Mitautor und AWI-Klimamodellierer Prof. Gerrit Lohmann.

Die Klimasimulationen geben zudem Hinweise darauf, welche Prozesse im Zusammenspiel von Ozean und Atmosphäre die Verschiebung der Ozeanwirbel verursachen. „Wir sehen sowohl in verschiedenen Beobachtungsdaten als auch in unseren Modelläufen, dass sich die Winde, welche die Meeresströmungen antreiben, polwärts verlagern. Wie die einzelnen Bausteine des Klimasystems jedoch zusammenwirken, untersuchen wir derzeit in Folgeprojekten“, so Gerrit Lohmann.

Die neuen Forschungsergebnisse erweitern Wissen aus früheren Studien, wonach sich vor allem die östlichen und westlichen Randströme der großen Ozeanwirbel polwärts verlagern. „Klimadaten belegen, dass zum Beispiel der Agulhasstrom während der letzten Eiszeit sieben Breitengerade dichter am Äquator lag als dies heute der Fall ist“, sagt Hu Yang. Um das Tempo und die Treiber der Verschiebung noch genauer bestimmen zu können, müssten nun Langzeit-Satellitendaten und historische Klimadaten zur Wassertemperatur in den Randbereichen der Meeresströmungen miteinander kombiniert werden.

Der Anfang eines grundlegenden Meereswandels?

Fest steht allerdings schon heute, dass die Verschiebung der großen Strömungssysteme weitreichende Folgen für Mensch und Umwelt hat. „Mit den westlichen Randströmen verschieben sich zum Beispiel die Pfade der Winterstürme und des Jetstream. In den Randbereichen der östlichen Randströme beobachten wir, dass die reichhaltigen Ökosysteme schrumpfen, weil sich durch die Strömungsverlagerung die Lebensbedingungen für die Meeresbewohner zu schnell ändern“, erläutert Hu Yang. Gravierende Temperaturveränderungen gab es bisher unter anderem im Golf von Maine (Verlagerung des Golfstroms), wo infolgedessen die Kabeljaubestände abwanderten. Ähnliche Beobachtungen machten Wissenschaftler auch vor der Ostküste Uruguays und Argentiniens, wo sich der Brasilstrom allmählich Richtung Süden verschiebt.

Wo Randströme in höhere Breiten vorstoßen, steigt zudem der lokale Meeresspiegel überdurchschnittlich. Ein Problem, mit dem sich vor allem die Menschen an der Nordostküste Nordamerikas konfrontiert sehen. Zu allem Überfluss führt die Verlagerung der großen subtropischen Ozeanwirbel dazu, dass sich die nährstoffarmen Meeresregionen ausweiten und die Produktivität der Weltmeere insgesamt abnimmt. Die Verlagerung der großen Strömungsringe könnte somit der Anfang eines grundlegenden Wandels der Weltmeere darstellen.

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