Ozeanzirkulation und Klimadynamik

Ventilation der Sauerstoffminimumzonen

Mittlere Zonalgeschwindigkeiten (oben, a) aus meridionalen Schiffsschnitten die zwischen 28.5° und 23°W in der Periode 1999 bis 2008 gemessen wurden. Ostwärtige Strömungsbänder, die in rötlichen Farben gezeigt sind, sind generell mit erhöhtem Sauerstoffgehalt (unten, b) verbunden. Graue Linien markieren neutrale Dichteflächen (Brandt et al. 2010).

Sauerstoffarme Regionen im Ozean existieren vor allem auf den Ostseiten des tropischen Pazifiks und Atlantik sowie im nördlichen Indischen Ozean. Modelle prognostizieren und Beobachtungen zeigen Änderungen in der Ausdehnung der sauerstoffarmen Regionen, insbesondere eine vertikale Ausdehnung bei gleichzeitiger Abnahme des Sauerstoffgehalts. Der zukünftige Ozean könnte bei Sauerstoffänderungen starke biogeochemische Veränderungen mit positiven und negativen Rückkopplungseffekten auf das Klima erfahren. Zur Untersuchung der damit verbundenen Prozesse wurde 2008 der Sonderforschungsbereich SFB-754 ‚Klima-biogeochemische Wechselwirkung im tropischen Ozean‘ in Kiel gestartet, dessen Laufzeit bis Ende 2015 bewilligt wurde. Im Rahmen des SFB-754 wird in der physikalischen Ozeanographie unter anderem die Ventilation der Sauerstoffminimumzonen untersucht.

Sauerstoffquellen für den Ozean sind die Atmosphäre und Photosynthese. Ozeanzirkulation und Durchmischung transportieren Sauerstoff aus dem oberflächennahen Bereich in große Tiefen und in die sauerstoffarmen Gebiete und führen somit zur Ventilation der Sauerstoffminimumzonen. Vermischung wird in einem eigenen Kapitel beschrieben, während hier die Ventilation durch Meeresbewegungen näher beschrieben wird.

Im äquatorialen Atlantik und Pazifik existieren komplizierte Systeme von westwärtigen und ostwärtigen Zonalströmungen. Im Atlantik tragen die über die geographische Breite verteilten alternierenden Zonalströmungen mit Amplituden von ein paar Zentimetern pro Sekunde zur Ventilation der Sauerstoffminimumzonen bei. Änderungen in der Stärke der zonalen Strömungen beeinflussen den Sauerstoffgehalt in der Sauerstoffminimumzone.  Eine Sauerstoffabnahme im Kern der Sauerstoffminimumzone in den letzten 30 Jahren konnte in Verbindung mit der Abschwächung des zonalen Stromsystems gebracht werden, das auf die Hintergrundgradienten wirkt (Brandt et al. 2010).

 

Horizontale Verteilung der ADCP Geschwindigkeitsvektoren (a) in 400 m Tiefe zwischen dem 5 Januar and dem 14 Februar 2009 mit den Strömungsbändern als Pfeile angedeutet sowie die mittlere Sauerstoffverteilung in 400 m in molkg-1 und (b) aus Altimetermessungen bestimmte Oberflächenanomalie (in cm) am 4 Februar 2009 mit den Schiffsschnitten als schwarze Linien (Czeschel et al. 2011).

Im östlichen äquatorialen Pazifik betragen die Unterschiede zwischen ostwärtigen und westwärtigen Strömungen typischerweise 10-50 mmolkg-1 (Stramma et al. 2010). Wie im äquatorialen Atlantik ist der am Äquator beobachtete Sauerstoffgehalt größer als in den umliegenden sauerstoffarmen Gebieten. In den oberflächennahen Schichten sorgt der äquatoriale Unterstrom für die stärkste Zufuhr von Sauerstoff. Im Unterschied zum Atlantik führen die östwärtigen Strömungen im Pazifik nördlich und südlich des Äquators keinen Sauerstoff in die sauerstoffarmen Gebiete. Das liegt wahrscheinlich an den sehr viel längeren Ausbreitungspfaden vom westlichen Rand in die östlichen Sauerstoffminimumzonen. Während zweier Meteor-Fahrtabschnitte in den tropischen Südpazifik Anfang 2009 sowie Ende 2012 wurden Wirbel beobachtet, die Wasser mit hohem Sauerstoff bei zyklonaler Wirbelrotation bzw. geringen Sauerstoff bei antizyklonalen Wirbelrotation transportierten (Czeschel et al. 2011; Stramma et al. 2013). Somit sind auch Wirbel für Sauerstoffänderungen in der Sauerstoffminimumzone mitverantwortlich. 

Grobe Abschätzungen aus den Ergebnissen der oben genannten Veröffentlichungen und für den Pazifik beschrieben in Brandt et al. (2015) führen zu den folgenden Beiträgen:

                          

 

Zufuhr durch

 

 

Atlantik, µmol/kg/year

 

 

Pazifik, µmol/kg/year

 

 

Advektion Strömungen

 

 

0.6 (30%)

 

 

1.2 (33%)

 

 

Wirbel Vermischung

 

 

0.75 (35%)

 

 

1.6 (45%)

 

 

Vertikale Vermischung

 

 

0.65 (34%)

 

 

0.8 (22%)

 

 

Totale Ventilation

 

 

2.0

 

 

3.6

 

  

Ansprechpartner: Peter Brandt, Lothar Stramma

 

Literatur

P. Brandt et al. (2010): Changes in the ventilation of the oxygen minimum zone of the tropical North Atlantic. Journal of Physical Oceanography, 40, 1784-1801.
  

L. Stramma et al. (2010): Eastern Pacific oxygen minimum zones: Supply paths and multidecadal changes. Journal of Geophysical Research, 115, doi:10.1029/2009JC005976. 655–658.
  

R. Czeschel et al. (2011): Middepth circulation of the eastern tropical South Pacific and its link to the oxygen minimum zone. Journal of Geophysical Research, 116, doi:10.1029(2010JC006565.
 

P. Brandt et al. (2015): On the role of circulation and mixing in the ventilation of oxygen minimum zones with a focus on the eastern tropical North Atlantic Biogeosciences (BG), 12 . pp. 489-512. DOI 10.5194/bg-12-489-2015.
 

L. Stramma et al.(2013): On the role of mesoscale eddies for the biological productivity and biogeochemistry in the eastern tropical Pacific Ocean off Peru. Biogeosciences (BG), 10 (11). pp. 7293-7306. DOI 10.5194/bg-10-7293-2013.