Die thermohaline Ozean-Zirkulation – ein launisches Biest

09.Juni 2010

Die Ozeane sind von grossem Einfluss auf das Klima. Sie nehmen einen Teil des emittierten CO2 (zum Preis einer Versauerung) und auch der durchs CO2 verursachten Überschusswärme auf. Diffiziler sind die Klimaeffekte von Meeresströmungen. Sie können kalte Tiefenwasser an die Oberfläche bringen (siehe unseren Beitrag zu El Nino) oder warme Wassermassen in kältere Regionen verfrachten (Golfstrom). Die Meeresströmungen an der Oberfläche werden von Winden angetrieben, Klima und Meeresströmungen beeinflussen sich gegenseitig auf komplizierte Weise. Sie tragen damit zu den Schwankungen der Temperatur und des Meeresspiegels bei, die sich den mehrjährigen Trends überlagern.

Das weitaus grösste Ozean-Strömungs-System ist die sog. thermohaline Zirkulation (The Great Ocean Conveyor, das grosse Ozean-Förderband). Es umfasst die Nord- und Süd-Halbkugel sowie Atlantik und Pazifik. Die Grundmechanismen sind wie folgt: im Nord-Atlantik (und auch in der Antarktis) sinkt von kalter Luft abgekühltes, salzhaltiges und dadurch schweres Wasser in die Tiefe des Ozeans (beige Ovale im Bild). Das absinkende Wasser wird durch Nachschub von wärmerem und salzhaltigem Wasser an der Oberfläche ersetzt (rot im Bild) und fliesst in der Tiefe nach Süden (blau im Bild). An den durch Kreise mit Punkt markierten Stellen steigt Wasser aus den Tiefen wieder an die Oberfläche. Damit der thermohaline Antrieb  stationär funktioniert, müssen die dem Tiefenwasser zugeführten kalten Wassermassen immer wieder erwärmt werden. Dies erfolgt durch die ständige von Wind und Gezeiten angetriebene Durchmischungs-Bewegung. Die thermohaline Zirkulation ist im Atlantik stärker als im Pazifik, der Grund ist der höhere Salzgehalt im Atlantik, der durch die geographie-bedingt unterschiedliche Süsswasserzufuhr verursacht wird. Deshalb ist der Nordatlantik wärmer als der Nordpazifik und auch Grenze der Eisbedeckung liegt weiter nördlich.

Bild aus “Themohaline Ocean Circulation” Stefan Rahmstorf

Die thermohaline Zirkulation wurde Gegenstand intensiver Forschung nachdem die Temperatur-Rekonstruktionen aus dem Grönlandeis während der letzten Eiszeit vor 70 bis 30’000 Jahren eine rätselhafte Serie von grossen Änderungen in sehr kurzer Zeit – in Grönland 5 Grad in einer Dekade!! – nachwiesen, die sog, Heinrich und Dansgaard-Oeschger (D-O) Ereignisse – in folgendem Bild erkennbar an den kurzen Zacken mit steilen Temperaturanstiegen und nachfolgender Abkühlung.

Bild aus Rahmstorf : Temperatur-Rekonstruktionen aus Eiskernen von Grönland

Der erste Forscher, der als Ursache für diese überraschenden Phänomene die thermohaline Zirkulation vermutete war Wally Broecker. Soeben ist sein Buch “The Great Ocean Conveyor” erschienen, eine persönliche Bilanz dieses berühmten Forschers über die Erforschung dieser wichtigen Klimaphänomene, auch über die Irrungen und Wirrungen, die Forschung oft durchlaufen muss, bis sich Vermutungen bestätigen lassen. Besonders spannend ist die Beschreibung der verschiedenen dazu entwickelten äusserst raffinierten Messmethoden und auch die Suche nach Beweisen auf der ganzen Erdoberfläche. Die Entdeckung der Heinrich-Ereignisse ist ein schönes Beispiel. 1988 publizierte der junge deutsche Meeres-Geologe Heinrich einen Artikel über Sediment-Schichten im nördlichen Atlantik, die sich signifikant von der Umgebung unterschieden. Genauere Untersuchungen der Gestalt, der Struktur, des Alters zeigten, dass diese Sedimente von woanders her dorthin transportiert worden sein müssen. Der junge Forscher stellte die kühne Hypothese auf, dass schmelzende Eisberg-Armadas diese Sedimente produziert haben könnten. Seine Arbeit blieb zunächst unbeachtet, sie passte nicht ins vorherrschende Bild. Erst im weiteren Verlauf wurde die Hypothese durch viele weitere Messungen bestätigt und es konnte gezeigt werden, dass diese Ereignisse weltweit das Klima beeinflussten, bis südlich von Spanien wurden Eisberg-Sedimente gefunden, der Monsun in Asien wurde verändert und der Meeresspiegel stieg durch das abschmelzende Eis um 15 Meter in einem Zeitraum von einem bis zehn Jahrhunderten, wobei sich die Temperaturen auf der Südhalbkugel gegenläufig veränderten.

Die zusammengetragenen Messdaten und diversen Hypothesen wurden im weiteren Verlauf durch die Modellierung der Meeresströmungen ergänzt. Nur im Zusammenspiel dieser verschiedenen Methoden kann ein physikalisches Bild dieser Phänomene, das bis heute noch einige Lücken aufweist, entstehen. Bei diesem wichtigen und ebenfalls sehr anspruchsvollen Prozess hat Stefan Rahmstorf Pionierarbeit geleistet. Hierzu gibt es mehrere Arbeiten von ihm, z.B. Thermohaline Ocean Circulation oder der sehr spannede allgemeinverständliche  Essay “Currents of Change”. Eine aktuelle Zusammenfassung gibt sein Fact Sheet. Die folgenden Abschnitte sind aus diesen Quellen zusammengestellt.

Die Heinrich Ereignisse lassen sich erklären durch ein völliges Abstellen der thermohalinen Zirkulation. Das passierte durch eine schnelle und hohe Süsswasserzufuhr durch das schmelzende Eis der oben erwähnten Eis-Armadas. Einer der Antriebskräfte für die Zirkulation, der hohe Salzgehalt wird dadurch drastisch vermindert. Ein ähnliches Phänomen wurde bei dem sog. Younger Dryas Ereignis ausgelöst durch die plötzliche Entleerung eines riesigen Gletschersees in Nordamerika. Bei den Dansgaard-Oeschger Ereignissen stellt die thermohaline Zirkulation nicht vollständig ab, die Zonen, in denen das kalte, salzreiche Wasser absinkt, verschieben sich nach Süden. Dadurch vergrössert sich nördlich davon die Meereisbedeckung, deren Eis-Albedo zu einer weiteren Abkühlung führt. In den Modellrechnungen für die thermohaline Zirkulation konnte die Existenz  bistabiler Zustände nachgewiesen werden, zwischen denen die Zirkulation ausgelöst durch einen relativ kleinen Trigger  hin- und herflippen und dadurch die beobachteten schnellen Wechsel von Erwärmung und Wiederabkühlung verursachen kann. Für den auslösenden Trigger gibt es verschiedene Hypothesen. Stochastische Resonanz könnte in Frage kommen, es scheinen aber auch astronomische Einflüsse eine Rolle zu spielen, worauf die recht präzise Zyklizität von 1500 Jahren hinweist.

Das Temperatur-Bild zeigt rechts oben das im Vergleich zur letzten Eiszeit sehr stabile Klima des Holozän, in dem sich die menschliche Zivilisation entwickeln konnte. Gut erkennbar ist allerdings ein kurzer Kälteeinbruch vor 8000 Jahren, dessen Ursache auch in einer Änderung der Ozeanzirkulation liegen könnte. Danach folgte vor ca 6000 Jahren das Holozän-Optimum, in dieser Epoche war die Sahara grün. Unser Jahrtausend startete mit der mittelalterlichen Warmzeit, in der die Wikinger Grönland eroberten und von 1550 bis 1850 gab es die Kleine Eiszeit mit Temperaturen in Europa, die um 1 Grad tiefer waren als im letzten Jahrhundert, festgehalten in Bildern von Pieter Breughel und in Romanen von Virginia Woolf. Welche Rolle die thermohaline Zirkulation bei diesen Klimaänderungen spielte, ist bis jetzt unklar. Neue Daten aus Sedimenten lassen vermuten, dass diese Ereignisse Teil des erwähnten 1500 Jahre-Zyklus mit signifikanten Veränderungen der Nord-Atlantik-Strömungen sein könnten. Rahmstorf dazu: “durch die grossen Fortschritte bei der Computer-Modellierung sind wir wahrscheinlich bald in der Lage auch diese Vorgänge zu verstehen.”

Wie könnte der durch den CO2 Anstieg ausgelöste Klimawandel die thermohaline Zirkulation beeinflussen? Das folgende Bild aus Skeptical Science: Temperatur und CO2 während der Eiszeit-Zyklen zeigt sehr anschaulich in einem Temperatur/CO2 Diagramm, dass die aktuellen CO2 Werte weit ausserhalb des Bereichs der letzten 420 000 Jahre liegen,  mit den darin enthaltenen riesigen Temperaturänderungen der Eis- und Zwischeneiszeiten.

Nur möglichst genaue und an den Ereignissen der Vergangenheit geeichte Modelle können die Frage nach der zukünftigen Entwicklung der thermohalinen Zirkulation unter diesen aussergewöhnlichen Bedingungen beantworten.  Die durch den CO2 Anstieg ausgelöste Eis- und Gletscherschmelze und verstärkte Niederschläge führen zu einer vergrösserten Süsswasserzufuhr im Nordatlantik und damit – ähnlich wie bei den Heinrich oder D-O Ereignissen – zu einer Abschwächung der thermohalinen Zirkulation. Die meisten Modelle sagen eine Reduktion um 20 bis 50 % in diesem Jahrhundert voraus. Dass eine abrupte massive Veränderung in den nächsten hundert Jahren passieren könnte, wird vom IPCC mit weniger als 10 % als sehr unwahrscheinlich eingeschätzt. In Anbetracht der noch vorhandenen Unsicherheiten und vor allem in Anbetracht der dramatischen Auswirkungen ist das aber keine sehr beruhigende Perspektive.

Stefan Rahmstorf schreibt dazu in dem zitierten Essay: “wir konnten noch nicht herausfinden, ob abrupte Änderungen wie man sie in Grönland fand, heute ausgelöst werden könnten. Wegen der begrenzten Auflösung der Computermodelle können die Prozesse, die zu solchen abrupten Vorgängen führen, nicht genau genug modelliert werden. Wir wissen noch nicht, wann das Klimasystem eine Schwelle überschreiten könnte, die unsere Zukunft dramatisch ändern würde. Es ist ein Risiko, dessen Ignorierung wir uns nicht leisten können.”

Wally Broecker meint in seinem Buch: “die vom Menschen zugeführten CO2 Mengen machen die Reaktion der thermohalinen Zirkulation wahrscheinlich nicht vollkommen vorhersagbar”. Vor seinem Büro hat er ein Plakat mit der “Schlange thermohaline Zirkulation” aufgehängt und darunter geschrieben: ein “launisches Biest“.

Autor: Klaus Ragaller

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