Ozeanzirkulation und Klimadynamik

Konvektion und Wassermassentransformation

Der Ozean ist ein „geschichtetes Medium“, das bedeutet, dass Kenngrößen wie Temperatur, Salzgehalt, gelöster Sauerstoff oder das Klimagas Kohlenstoffdioxid, sich mit der Tiefe und der geographischen Position ändern. Eine Aufgabe der physikalischen Ozeanographie ist es, ein genaues Verständnis der physikalischen Prozesse zu erarbeiten, die zu den beobachteten „Verteilungen“ von Kenngrößen im Ozean führen. Nur basierend auf diesem Verständnis können aus den Myriaden von wirkenden Prozessen, diejenigen isoliert werden, die beispielsweise für eine zuverlässigere Vorhersage des Klima auf unserer Erde berücksichtigt werden müssen.

Ein zentraler Prozess bei der Umverteilung der ozeanischen Kenngrößen ist die Konvektion. Grundsätzlich wird in der Physik als Konvektion eine Wärmeströmung, also die räumliche Umverteilung von Teilchen, die eine bestimmte Wärme mitführen, bezeichnet. Im Ozean wird Konvektion häufig durch die Abkühlung von Oberflächenwasser, durch Wärmeverluste an die Atmosphäre, verursacht. Das oberflächennahe Wasser wird dabei am stärksten abgekühlt und wird so, aus thermodynamischen Gründen, schwerer als das darunterliegende, wärmere Wasser. Ers kommt zum vertikalen Absinken des abgekühlten Wassers – die Konvektion setzt ein. Als Folge des Absinkens setzen weitere physikalische Prozesse ein, beispielsweise angetrieben durch das Aufsteigen des wärmeren Wassers, durch die räumlich und zeitlich ungleichmäßige Verteilung der Abkühlung, oder durch Änderungen im internen Massenfeld.

Zeitserie der Temperaturentwicklung in den oberen 1800m der Wassersäule aufgenommen in einer der Hauptkonvektionsregionen des Nordatlantiks, der Labrador Sea. In den Wintermonaten lässt sich gut das Absinken des kalten und schweren Oberflächenwassers erkennen. Gleichzeitig ist jedoch ein genereller Erwärmungstrend des gesamten Wasserkörpers zu erkennen.

Früher ging man davon aus, dass Kenngrößen wie Temperatur und Salzgehalt des Wassers in der Konvektionsregion relativ konstant seien. Bestimmte Kombinationen von Kenngrößen werden daher als „charakteristisch“ für bestimmte Ozeanregionen angesehen und auch als „Wassermassen“ bezeichnet. Zum einen kommt es zu einer Veränderung der Wassermassen bei der Ausbreitung durch den Ozean und der Vermischung mit Wassermassen aus anderen Gebieten. Zum anderen kommt es aber auch zu Veränderungen in den Konvektionsgebieten. So wird durch Änderungen in den atmosphärischen Antrieben (Erwärmung der Atmosphäre) das Oberflächenwasser nicht mehr ausreichend abgekühlt, um in große Tiefen zu sinken. Diese Änderungen sind deutlich in unseren Messungen zu sehen (siehe Abbildung). Auch für biogeochemische Kreisläufe im Meer sind die Prozesse, die mit der Wassermassenbildung und Wassermassentransformation verbunden sind, ein wichtiger Antrieb – so , etwa bei der Umverteilung von Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid.    

Unsere Arbeitsgruppe befasst sich seit langem mit den unterschiedlichen Prozessen, die die Konvektion antreiben und auch die oder durch Konvektion angetrieben werden. Als beobachtende Ozeanographen versuchen wir insbesondere, geeignete Messstrategien zu entwickeln, um Konvektion im Ozean „sichtbar“ zu machen, insbesondere autonom aufzeichnende Instrumentierung, wie Verankerungen, Glider und Floats, hilft uns dabei, die benötigten Daten zu erfassen. Eine der zentralen Regionen, in der Vertikal-Konvektion und ausgeprägte Wassermassentransformation stattfindet, ist der Nordatlantik, unsere Haupt-Forschungsregion. Hier war es uns möglich, als erste Arbeitsgruppe weltweit direkt die Vertikalbewegungen während winterlicher Konvektion in der Grönland See zu vermessen. Aus diesen und weiteren Beobachtungen, insbesondere auch in der Labrador See, wurde beispielsweise ein allgemein anerkanntes konzeptionelles Modell zur Konvektion im Ozean erarbeitet (Marshall & Schott).