Meeresströmungen: das Klimakontrollsystem der Erde

Im Winter der 1850er Jahre saß ein ehemaliger Leutnant der US Navy an einem langen Eichentisch im US Naval Observatory in Washington, vergraben unter Stapeln von Schiffslogbüchern. Matthew Fontaine Maury hatte die handschriftlichen Aufzeichnungen atlantischer Handelsschiffe, pazifischer Walfänger und Marinefregatten gesammelt, und nun zog er daraus etwas heraus, das noch niemand zusammengetragen hatte: ein stimmiges Bild davon, wie sich Wind und Wasser tatsächlich über den gesamten Globus bewegten. Ein Reitunfall einige Jahre zuvor hatte seine Laufbahn auf See beendet und ihm einen Schreibtisch, eine Pension und einen Berg von Logbüchern hinterlassen, und aus dieser Einschränkung schuf er eine neue Wissenschaft.

Das Buch, das aus dieser Arbeit hervorging, 1855 bei Harper veröffentlicht und mit dem Titel The Physical Geography of the Sea versehen, gilt als das grundlegende Lehrbuch der physikalischen Ozeanographie. Maurys zentrale Einsicht war, dass der Ozean keine merkmalslose Weite aus Wasser ist, die man durchqueren muss, sondern ein strukturiertes, zirkulierendes System mit Flüssen, die durch ihn hindurchziehen, Flüssen aus warmem und kaltem Wasser, auf denen Schiffe wie auf einer Strömung flussabwärts gleiten können. Diese Einsicht ist der Ausgangspunkt für alles, was wir heute darüber verstehen, wie das Meer das Klima beherrscht. Die Frage, die dieser Artikel beantwortet, ist eine täuschend einfache: Wie kommt es, dass eine Masse aus Salzwasser, größtenteils kalt und dunkel, am Ende die Temperatur von Kontinenten und den Rhythmus des Wetters auf der anderen Seite des Planeten steuert?

Ein Meer aus Schichten, nicht ein einziger Pool

Das Erste, was man aufgeben muss, ist das Bild vom Ozean als einer einzigen gleichförmigen Masse. Der offene Ozean ist vertikal in drei Hauptschichten gegliedert, die sich sehr unterschiedlich verhalten. Ganz oben liegt die Deckschicht, von Wind und Wellen bis in Tiefen von einigen zehn bis wenigen hundert Metern durchmischt, relativ warm und gut vermengt, jener Teil des Ozeans, der direkt mit der Atmosphäre wechselwirkt. Es ist die Schicht, auf der Schiffe fahren und die Wärme und Gase mit der Luft austauscht.

Unter der Deckschicht liegt die Thermokline, die Zone, in der die Temperatur mit der Tiefe stark abfällt. Innerhalb weniger hundert Meter kann das Wasser von der angenehmen Wärme der Oberfläche bis nahe an den Gefrierpunkt absinken, und dieser steile Temperaturgradient wirkt wie eine Art Deckel, der die sonnendurchflutete, windgetriebene Welt darüber von dem Reich darunter trennt. Unterhalb der Thermokline liegt die Tiefsee, kalt, dunkel und träge, sie enthält dem Volumen nach den größten Teil des Meerwassers des Planeten, weit entfernt von Sonnenlicht und Stürmen und in Zeitspannen unterwegs, die nichts mit dem Wetter einer einzelnen Woche zu tun haben. Diese drei Schichten im Kopf zu behalten ist entscheidend, denn die beiden großen Zirkulationssysteme des Ozeans gehören jeweils zu einem anderen Teil dieser vertikalen Struktur.

Vom Wind getriebene Flüsse

Die Strömungen der obersten paar hundert Meter werden letztlich von den vorherrschenden Winden angetrieben. Wenn stetige Winde über die Meeresoberfläche streichen, setzt die Reibung das Wasser in Bewegung, und weil sich die Erde dreht, bewegt sich das strömende Wasser nicht in einer geraden Linie. Stattdessen ordnet es sich zu großen rotierenden Systemen, die man Wirbel nennt, einer für jedes große Ozeanbecken. Diese Wirbel drehen sich auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn, ein Unterschied, der durch den Corioliseffekt auferlegt wird, die scheinbare Ablenkung bewegter Objekte auf einem sich drehenden Planeten.

Das eindrücklichste Merkmal jedes Wirbels ist sein westlicher Rand. An der Westseite jedes Beckens bündelt sich die Strömung zu einem schnellen, schmalen, warmen Fluss, der als Westrandstrom bekannt ist. Im Nordatlantik ist das der Golfstrom, der warmes tropisches Wasser nordwärts entlang der Ostküste der Vereinigten Staaten führt, bevor er quer über den Ozean abbiegt. Westrandströme zählen zu den schnellsten Strömungen im Meer, die Förderbänder, die tropische Wärme zu den Polen tragen. Eine Oberflächenströmung wie der Golfstrom vollendet einen Umlauf durch sein Becken in einer Sache von Monaten, eine zügige, warme, windgetriebene Schleife, die auf den oberen Ozean oberhalb der Thermokline beschränkt bleibt.

Das tausendjährige Förderband in der Tiefe

Unterhalb der windgetriebenen Oberfläche arbeitet eine zweite und weitaus langsamere Zirkulation nach einem völlig anderen Prinzip. Das ist die thermohaline Zirkulation, benannt nach den beiden Dingen, die sie steuern: Wärme (thermo) und Salz (halin). Während Oberflächenströmungen vom Wind getrieben werden, läuft die Tiefsee über die Dichte, und die Dichte wird davon bestimmt, wie kalt und wie salzig das Wasser ist. Kaltes Wasser ist dichter als warmes, und salziges Wasser ist dichter als süßes, also ist das kälteste, salzigste Wasser von allen das schwerste und neigt dazu zu sinken.

Dieses Absinken geschieht an wenigen bestimmten Orten. Im hohen Nordatlantik und in den Meeren rund um die Antarktis wird Oberflächenwasser kalt und salzig genug, um in die Tiefe zu stürzen, gleitet unter das leichtere Wasser darüber und beginnt eine lange Reise durch die Tiefsee. Von diesen Absinkregionen aus fließt das dichte Wasser nach Süden und dann um den Globus in der Tiefsee, kriecht entlang des Meeresbodens, bevor es langsam aufquillt und zur Oberfläche zurücksteigt, vor allem im Indischen und im Pazifischen Becken. Die vollständige Schleife, oft als großes ozeanisches Förderband bezeichnet, braucht ungefähr tausend Jahre, um einen einzigen Umlauf zu vollenden. Wasser, das heute vor Grönland absinkt, taucht im Pazifik vielleicht erst weit nach dem Jahr 3000 wieder auf. Das ist der Motor, der die Tiefsee belüftet, Sauerstoff nach unten und uraltes Wasser nach oben trägt, auf einer Zeitskala, die alles in der Atmosphäre in den Schatten stellt.

Zwei Zirkulationen, ein einziger Wasserkörper

Es hilft, die beiden Systeme nebeneinanderzulegen, denn sie teilen sich genau dasselbe Wasser und gehorchen doch völlig unterschiedlichen Regeln. Oberflächenströmungen sind windgetrieben, warm und schnell und vollenden einen Beckenumlauf in Monaten. Tiefenströmungen sind dichtegetrieben, kalt und langsam und vollenden einen globalen Umlauf in ungefähr tausend Jahren. Die eine ist die rasche, flache, windgepeitschte Haut des Ozeans, die andere sein riesiges, bedächtiges, nach Dichte sortiertes Inneres. Die Thermokline ist die Grenze zwischen ihnen, die Temperaturstufe, die die warme windgetriebene Schicht oben auf der kalten Tiefenmasse hält.

Die beiden sind nicht voneinander unabhängig. Oberflächenströmungen tragen Wärme und Salz in die Regionen hoher Breiten, in denen Tiefenwasser entsteht, und tragen so dazu bei, die Bedingungen für das Absinken zu schaffen, und das tiefe Aufquellen führt schließlich Wasser zur Oberfläche zurück, wo die Winde es wieder packen können. Zusammen bilden sie eine einzige miteinander verbundene Maschine, doch den Ozean zu verstehen heißt immer zu wissen, von welcher der beiden man gerade spricht, denn ihre Geschwindigkeiten und ihre Antriebskräfte könnten kaum unterschiedlicher sein.

Warum Salz mehr zählt, als es scheint

Der Salzgehalt des Ozeans lässt sich leicht als eine feststehende Tatsache behandeln, doch er ist eine der entscheidenden Variablen des gesamten Systems. Der mittlere Salzgehalt des offenen Ozeans liegt bei etwa 3,5 Prozent, das heißt bei etwa 35 Gramm gelöstem Salz in jedem Kilogramm Meerwasser. Diese Zahl ist nicht überall gleich. Sie steigt dort, wo die Verdunstung das Salz konzentriert, wie in den warmen subtropischen Regionen, und fällt dort, wo Regen, Flüsse und schmelzendes Eis Süßwasser hinzufügen und es verdünnen.

Diese Schwankungen sind von Bedeutung, weil der Salzgehalt zusammen mit der Temperatur die Dichte steuert, und die Dichte ist es, die das Tiefenförderband antreibt. Ein Stück Ozean, das salziger wird, sei es durch starke Verdunstung oder durch die Ausscheidung von Salz, wenn Meereis gefriert, wird dichter und neigt eher zum Absinken. Genau deshalb reagiert die Bildung von Tiefenwasser empfindlich auf die Süßwasserbilanz der hohen Breiten. Ein großer Zustrom von Süßwasser aus schmelzendem Eis kann den Salzgehalt an der Oberfläche so weit senken, dass das Absinken und damit die gesamte tausendjährige Zirkulation verlangsamt wird. Der Salzgehalt des Meeres ist mit anderen Worten kein passives Etikett, sondern ein aktiver Stellknopf für die Wärmeverteilung des Planeten.

Wenn der Pazifik sein warmes Wasser tauscht

Der Ozean zirkuliert nicht nur, er schwingt auch, und die folgenreichste Schwingung lebt im äquatorialen Pazifik. In seinem Normalzustand wehen die Passatwinde entlang des Äquators von Ost nach West, türmen warmes Oberflächenwasser zu einem großen Pool nahe Indonesien und im westlichen Pazifik auf, während vor der Küste Südamerikas kühleres Wasser nach oben quillt. Alle zwei bis sieben Jahre bricht diese Ordnung zusammen. Die gekoppelte Schwingung von Ozean und Atmosphäre zwischen ihrer warmen und ihrer kühlen Phase wird als El-Niño-Southern-Oscillation bezeichnet, und ihre beiden Extreme sind die warme Phase, El Niño, und die kühle Phase, La Niña.

Während El Niño schwächen sich die Passatwinde ab, der Walldamm aus Wind, der den warmen Pool im Westen hielt, gibt nach, und warmes Wasser strömt über den Pazifik nach Osten zurück. Weil Ozean und Atmosphäre gekoppelt sind, verschiebt diese Umverteilung der Wärme, wo die aufsteigende Luft und die starken Regenfälle auftreten, was das Wetter von Indonesien bis Peru stört und sich nach außen ausbreitet, um Niederschlag, Dürre und Temperatur über weiten Teilen des Globus zu beeinflussen. Die Monsune, Fischgründe und Ernten der Welt bekommen es alle zu spüren. ENSO ist der deutlichste Beleg dafür, dass der Ozean nicht bloß ein träger Hintergrund des Klimas ist, sondern ein aktiver Mitspieler, der das globale Wetter innerhalb einer einzigen Saison neu ordnen kann.

Der Mythos vom Geschenk des Golfstroms

Wenige Vorstellungen in der Geographie werden mit mehr Überzeugung oder mit weniger Berechtigung wiederholt als die Behauptung, der Golfstrom halte Westeuropa im Alleingang warm. Die Begründung klingt einleuchtend: Eine warme Strömung steigt aus den Tropen herauf, erreicht den östlichen Atlantik und erwärmt sanft Großbritannien, Frankreich und Skandinavien, weshalb London milder ist als Neufundland auf demselben Breitengrad. Die Strömung spielt durchaus eine Rolle, und sie liefert tatsächlich echte Wärme in den Nordatlantik, doch sie ist nicht die hauptsächliche Ursache für Europas milde Winter.

Der größere Teil der Erklärung ist atmosphärisch. Die vorherrschenden Westwinde wehen über die warme Meeresoberfläche, nehmen deren Wärme auf und tragen diese Wärme auf den Kontinent. Ohne diese auflandigen Westwinde würde die gespeicherte Meereswärme weit weniger für Europas Lufttemperaturen bewirken, und eingehende Untersuchungen führen einen Großteil des Unterschieds zwischen Westeuropa und dem östlichen Nordamerika auf die Konfiguration der Winde und die Art zurück, wie die Atmosphäre Wärme umverteilt, statt auf die Strömung allein. Das ist eine nützliche Korrektur, denn sie zeigt, dass Ozean und Atmosphäre als gekoppeltes Paar arbeiten. Keiner von beiden steuert das Klima für sich allein, und einer einzigen Strömung die milden Winter eines ganzen Kontinents zuzuschreiben heißt, eine Komponente mit der gesamten Maschine zu verwechseln.

Warum der Ozean das Klimasystem ist

Tritt man einen Schritt zurück, wird der Grund klar, warum der Ozean es verdient, das Klimakontrollsystem des Planeten genannt zu werden. Der Ozean hält mehr als neunzig Prozent der zusätzlichen Wärme, die seit 1971 von Treibhausgasen eingefangen wurde, und nimmt damit den überwältigenden Großteil der Energie der globalen Erwärmung in sein riesiges Wasservolumen auf. Er bewegt auch Wärme zwischen den Breitengraden in einem Ausmaß, das kein anderer Teil des Klimasystems erreichen kann, indem er tropische Wärme durch seine Oberflächenwirbel polwärts befördert und sie durch das langsame Mahlen des Tiefenförderbands umverteilt.

Deshalb ist die physikalische Ozeanographie, jene Disziplin, die Maury 1855 mit einem Schreibtisch voller Logbücher begründete, die Voraussetzung dafür, den Klimawandel und den planetaren Wasserhaushalt zu verstehen. Die Schichten, die Strömungen, das Salz und die Schwingungen sind Teile eines einzigen integrierten Systems, das die Atmosphäre abpuffert, regionale Klimata bestimmt und die Wärme speichert, die wir dem Planeten hinzufügen. Zu fragen, wie sich das Klima verändern wird, heißt zu einem großen Teil zu fragen, was der Ozean mit der Wärme und dem Süßwasser anstellen wird, die wir ihm geben.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Der Ozean ist geschichtet, zirkulierend, salzig und die beherrschende Komponente des Klimasystems. Sein offenes Wasser ist in eine winddurchmischte Deckschicht, eine scharfe Thermokline und eine kalte Tiefsee gegliedert, die den größten Teil des Volumens enthält; seine Oberflächenströmungen, wie der Golfstrom, sind windgetrieben, warm und schnell und ordnen sich zu Wirbeln im und gegen den Uhrzeigersinn, die ein Becken in Monaten umrunden, während seine tiefe thermohaline Zirkulation dichtegetrieben, kalt und langsam ist, kaltes salziges Wasser im Nordatlantik und rund um die Antarktis absinken lässt und ungefähr tausend Jahre braucht, um den Globus zu umkreisen. Der mittlere Salzgehalt liegt bei etwa 35 Gramm pro Kilogramm und ist von Bedeutung, weil er dazu beiträgt, die Dichte festzulegen, die das Tiefenförderband antreibt; die El-Niño-Southern-Oscillation mischt das warme Wasser des äquatorialen Pazifiks alle zwei bis sieben Jahre neu und stört das Wetter weltweit; Europas milde Winter verdanken sich mehr den Westwinden, die Meereswärme an Land tragen, als dem Golfstrom allein; und weil der Ozean mehr als neunzig Prozent der jüngsten Klimaerwärmung speichert und Wärme zwischen den Breitengraden bewegt wie nichts sonst, ist das Verständnis von Strömungen, Salzgehalt und Schichten die Grundlage für das Verständnis des Klimas selbst, eine Wissenschaft, die Matthew Maury mit seiner Physical Geography of the Sea von 1855 begründete.