Meeresströmungen

Abb. 1: Oberflächenströmungen der Ozeane

Antriebskräfte

Wie die Atmosphäre ist auch der Ozean ständig in Bewegung. Das Meerwasser kann an der Oberfläche oder in der Tiefe horizontal strömen oder es kann vertikal absinken und aufsteigen. Die Entstehung von Meeresströmungen ist auf drei verschiedene Antriebskräfte zurückzuführen:

• Winde
• Druckunterschiede
• Gezeiten

Hinzu kommt als Einflussgröße für die Richtung der Meeresströmungen die Corioliskraft.

Oberflächenströmungen werden im Wesentlichen durch Wind angetrieben, und zwar in erster Linie durch die Passate und die Westwindströmungen. Dabei weichen die Meeresströmungen an der Oberfläche durch die Corioliskraft um 45° von der Windrichtung auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links ab. Zur Tiefe hin nimmt diese Abweichung spiralförmig zu, bis der Impuls seine Antriebskraft verliert (sog. Ekman-Spirale). Über die gesamte Tiefe gemittelt kommt es daher zu dem Effekt, dass das Wasser sich nicht in die Richtung bewegt, in die der Wind es schiebt, sondern in eine Richtung senkrecht zum Wind. Auf der Nordhalbkugel zeigt diese Richtung nach rechts (wenn man den Wind im Rücken hat), auf der Südhalbkugel nach links. Eine Strömung, die durch diesen Effekt zustande kommt, wird Ekman-Transport genannt.

Ein weiterer wichtiger Antrieb für Meeresströmungen sind Unterschiede in der Dichte des Meerwassers. Dichteunterschiede können durch Differenzen bei der Temperatur und beim Salzgehalt entstehen. Kälteres Wasser hat eine höhere Dichte als wärmeres Wasser und salzreiches Wasser hat eine höhere Dichte als salzarmes Wasser. Das Wasser strömt dann von der höheren zur geringeren Dichte. Das kann sowohl horizontal wie vertikal erfolgen. So kann warmes Oberflächenwasser durch kalte Luftmassen soweit abkühlen, dass es schwerer wird als die darunter liegenden Wassermassen, und deshalb absinkt. Das ist z.B. häufig zu Beginn des Winters der Fall. Zum Absinken von Wassermassen kommt es aber auch, wenn horizontale Oberflächenströmungen Wasser in hohe Breiten transportieren, wo sie abkühlen und damit schwerer werden. Wenn diese Wassermassen dann noch einen hohen Salzgehalt besitzen (z.B. aufgrund von Eisbildung, sind massive Absinkvorgänge die Folge, durch die dann wiederum weiteres Wasser aus niederen Breiten angesogen wird. Dieser Vorgang ist ein wichtiger Motor der sogenannten Thermohalinen Zirkulation, die ein weltweites Strömungssystem aufrecht erhält und, wie der Name schon sagt, wesentlich durch Temperatur- und Salzgehaltsunterschiede bestimmt wird.

Subtropenwirbel und westliche Randströme

Aufgrund der oben genannten Einflüsse des Windes auf die Meeresströmungen ist z.B. der Golfstrom selbst eine direkte Folge des Windsystems auf der Nordhemisphäre. Die genauen Zusammenhänge sind jedoch recht kompliziert und erfordern ein tieferes physikalisches Verständnis. Kurz gesagt wird das Wasser der Subtropen durch die Westwinde im Norden und die östlichen Passatwinde im Süden in Drehung versetzt. Aufgrund des oben erklärten Ekman-Transports folgen die Wassermassen der obersten Ozeanschicht aber nicht einfach dem Wind, sondern strömen durch den Einfluss der Passatwinde nach Norden, während die Wassermassen im Einfluss der Westwindzone nach Süden wandern. In der Mitte treffen sich diese, was dazu führt, dass Wasser absinken muss, denn sonst würde sich der Meeresspiegel immer weiter aufwölben. Dieser Effekt ist nicht einfach zu messen, da es sich um vertikale Geschwindigkeiten von nur etwa 30 Metern pro Jahr handelt! Trotzdem ist er angesichts der Trägheit des Ozeans für die Zirkulation entscheidend. Da auch die Erde sich zusätzlich dreht, wandert das Wasser aufgrund der Drehimpulserhaltung im Ozeaninneren (also unterhalb der vom Wind direkt beeinflussten Schicht) nach Süden und fließt am westlichen Rand als "Golfstrom" zurück nach Norden.

Diese Vorgänge sind in jedem subtropischen Ozeanbecken anzutreffen, also nicht nur im Nordatlantik. Auch in den anderen Ozeanen gibt es daher warme Randströme an den westlichen Rändern, die in Richtung Pol strömen. Im Pazifik ist dieser Strom nahe Japan anzutreffen und wird Kuroshio genannt. Bei küstenparallelem Wind (auf der Nordhemisphäre, wenn die Küste zur Linken des Windes liegt, umgekehrt auf der Südhemisphäre) führt der Ekman-Transport außerdem zu einem Wassertransport vom Land weg. Es muss also kälteres Wasser von unten nachströmen und die Wassertemperaturen an der Oberfläche sind niedriger als eigentlich der Region entsprechend.

Die Nordost- bzw. Nordwest-Passate erzeugen natürlich auch Ost-West-Strömungen des Meerwassers beiderseits des Äquators. Dieses staut sich an den Ostküsten der Kontinente, vor der mittelamerikanischen Küste, vor dem süostasiatischen Insel-Archipel und vor der ostafrikanischen Küste und weicht nach Norden und Süden aus. Das nach Norden und Süden ausweichende Wasser wird anschließend von Westwinden angetrieben und erfährt wieder eine Ablenkung durch die Corioliskraft.

Entlang des Äquators sind verschiedene äquatoriale Gegenströme zu finden: Sie fließen entweder an der Oberfläche oder in der Tiefe entgegen der durch die Passatwinde angetriebenen Ost-West-Strömungen. Ursache hierfür ist, dass die Südostpassate oft bis über den Äquator reichen, weil die Innertropische Konvergenzzone aufgrund der Land-Meer-Verteilung nördlich des Äquators liegt. Bei einem Wechsel von der Süd- in die Nordhemisphäre wechselt die Wirkungsrichtung der Corioliskraft und somit die Richtung des Ekman-Transportes. Dieser sorgt unter der Oberfläche für einen Transport des Wassers in Richtung Osten, dem äquatorialen Gegenstrom in der Tiefe. An der Oberfläche kommt ein etwas anderer Mechanismus zum Tragen, denn hier ist der Transport zum Wind nur um 45° verschoben und würde somit eigentlich in Richtung Norden führen. Zwischen Südost- und Nordwest-Passaten gibt es eine windstille Zone, die sog. Kalmen oder Mallungen. Hier nimmt also die Stärke des Südost-Passats ab und es wird weniger Wasser wegtransportiert als von Süden antransportiert wird. An der Wasseroberfläche entsteht so ein kleiner „Hügel“ parallel zum Äquator. Von diesem „Hügel“ will das Oberflächenwasser nach den Gesetzen der Schwerkraft hinunterfließen, wird dabei jedoch von der Corioliskraft nach rechts, also in Richtung Osten abgelenkt. Diese Strömung ist der äquatoriale Gegenstrom an der Wasseroberfläche.

Abweichungen von diesem idealen Muster werden z.T. durch die Verteilung der Landmassen erzeugt. So gibt es keinen subtropischen Wirbel im nördlichen Indischen Ozean, weil der asiatische Kontinent zu weit nach Süden reicht. Im Atlantik bewirken absinkende Wassermassen im Nordatlantik, eine Abspaltung des subtropischen Wirbels in einen nordöstlichen Zweig, der als Nordatlantikstrom bis an die Küsten Norwegens reicht.

Antarktischer Zirkumpolarstrom

Die Wirkung der Westwinde kann sich nur im Südlichen Ozean rund um die Antarktis frei entfalten. Hier wird dadurch ein stetiger Zirkumpolarstrom aus westlicher Richtung erzeugt, von dem durch die Corioliskraft einzelne Abzweigungen nach Nordosten strömen, z.B. der Benguela- und der Humboldt-Strom. Durch die starken Winde über dem Südpolarmeer wird zudem ein Ekman-Transport erzeugt, der von der Antarktis weg gerichtet ist. Zur Kompensation steigt Wasser aus der Tiefe auf ("Deacon-Zelle"). Dieses Aufsteigen ist eine wichtige Voraussetzung dafür, dass neues Tiefenwasser gebildet werden kann, wie es vor allem im Nordatlantik der Fall ist, aber auch im Weddell-Meer des südlichen Ozeans.

Klimatische Bedeutung

Meeresströmungen sind zusammen mit dem Zirkulationssystem der Atmosphäre Teil des globalen Strömungssystems, dessen wichtigste Funktion darin besteht, Energie aus den strahlungsreichen niederen in die höheren Breiten zu transportieren.

Innerhalb der Zirkulation der Subtropenwirbel sind jedoch keine großen Temperaturunterschiede anzutreffen, der Wärmetransport ist daher gering. Stattdessen ist der Hauptteil des Wärmetransports der meridionalen Umwälzbewegung zuzuschreiben, die aus Dichteunterschieden resultiert. Insbesondere der Nordatlantik führt aufgrund des Absinkens großer Wassermassen im Norden zu einem nachfolgenden Transport warmen Wassers im Nordatlantikstrom nach Westeuropa. Dies führt dort zu viel höheren Temperaturen als es dem Mittelwert dieser Breiten entspricht. Die bedeutsamen Auswirkungen für die menschliche Zivilisation zeigen sich bereits an den Bevölkerungszahlen: So wohnen in Mittel- und Nordeuropa etwa 300 Millionen Menschen, in Sibirien und Kanada aber jeweils nur etwa 30 Millionen. Auch in der Vegetation macht sich der klimatische Gegensatz bemerkbar: Während in Irland und Wales sogar manche Palmen überleben können, ist Kanada durch borealen Nadelwald geprägt.

Eine weitere wichtige Folge von Meeresströmungen für das Klima ist die Aufnahme von Kohlendioxid und sein Transport in tiefere Schichten des Ozeans. Mit dem Absinken großer Wassermassen in die Tiefe und ihrer weiteren Ausbreitung über große Entfernungen, z.T. über alle Ozeane, wird auch das durch menschliche Aktivitäten emittierte Kohlendioxid teilweise effektiv und über lange Zeiträume von Jahrzehnten bis Jahrhunderten dem Austausch mit der Atmosphäre entzogen. Allerdings wird durch den globalen Klimawandel auch das Oberflächenwasser des Ozeans erwärmt, und es bilden sich weniger kalte Wassermassen, die in die Tiefe absinken könnten. Dadurch wird der Transport von Kohlenstoff in den tieferen Ozean durch die sogenannte "physikalische Pumpe" reduziert.

Literatur

• Fahrbach, E. (2011): Meeresströmungen und Wassermassen, in: José L. Lozán et al. (Hrsg.): Warnsignal Klima: Die Meere - Änderungen und Risiken. Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg, 25-31

Weblinks

• Major Ocean Currents Interaktive Website zur Identifizierung der wichtigsten 25 Meeresströmungen (engl.)
• Ocean Motion Eine Lehrseite mit sehr guten Abbildungen, allerdings in englischer Sprache
• Eberhard Fahrbach (2013): Meeresströmungen und Wassermassen, in: J. Lozán (Hg.): Warnsignal Klima: Die Meere - Änderungen & Risiken

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Kontakt: Dieter Kasang