Ozean im Klimasystem

Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre

Übersicht

Der Ozean gehört zu den sich eher langsam ändernden Subsystemen des Klimasystems und über vor allem auf die Atmosphäre eine dämpfende Wirkung aus. Andere Subsysteme sind die Atmosphäre, die Biosphäre, die Kryopshäre (Eis und Schnee) und der Boden.

Das Klima der Erde und seine Variabilität werden ganz wesentlich von der Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre bestimmt. Dabei kommt dem Ozean schon deswegen eine große Bedeutung zu, weil er 71 % der Erdoberfläche einnimmt und daher die Strahlungsenergie der Sonne hauptsächlich in der obersten Schicht des Ozeans in Wärmeenergie umgewandelt wird. Hinzu kommt die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser. Um eine bestimmte Masse Wasser zu erwärmen, wird sehr viel mehr Energie gebraucht als bei anderen Stoffen. Außerdem wird die oberste Schicht des Ozeans ständig durchmischt, so dass damit eine viel größere Masse erwärmt werden muss als bei Landoberflächen, zumal das Licht einige Dutzend Meter ins Wasser eindringen kann und das Wasser dunkel ist, also wenig Licht reflektiert (abgesehen von Meereis). Diese Effekte bewirken, dass der Ozean im täglichen und jahreszeitlichen Wechsel auf die Temperaturschwankungen der Atmosphäre ausgleichend wirkt. Landgebiete in Meeresnähe sind daher im Winter eher wärmer, im Sommer kühler als meerferne Gebiete, Analoges gilt für Tag- und Nachttemperaturen. Die Trägheit des Ozeans bewirkt auch, dass das Klimasystem nur langsam auf Antriebe, z.B. steigende Treibhausgasemissionen, reagiert. Da die Wärmekapazität so hoch und die vertikale Durchmischung so langsam ist, wird es hunderte von Jahren dauern, bis sich das Klima wieder in einem neuen Gleichgewicht befindet, auch wenn der Antrieb plötzlich verschwindet. Eine Folge davon ist, dass heutige Klimaschutzmaßnahmen erst in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts einen sichtbaren Effekt hätten. Davor reagiert das Klima im Wesentlichen auf die bisher bereits emittierten Treibhausgase.

Ein weiterer Faktor, der die Ozeane ins Klimasystem einbindet, ist das ozeanische Strömungssystem, das erhebliche Mengen von Energie über große Entfernungen transportiert, in der Regel von den Haupteinstrahlungsgebieten beiderseits des Äquators in Richtung Pol. Der die Einstrahlungsgegensätze ausgleichende Energietransport auf der Erde, der das Leben in den höheren geographischen Breiten überhaupt erst ermöglicht, geschieht aber stärker durch die Atmosphäre als durch den Ozean.

Strömungen

Der ozeanische Transport erfolgt durch Oberflächen- und Tiefenströmungen. Die Oberflächenströme und ihr Energietransport werden durch die atmosphärische Dynamik, d.h. durch Wind, angetrieben, die Tiefenströme wesentlich durch Dichteunterschiede des Meerwassers, die einerseits durch die Temperatur, andererseits durch den Salzgehalt bestimmt werden. Das "Globale Förderband" ist ein alle drei Ozeane umspannendes Strömungssystem, das sowohl durch Dichteunterschiede wie durch Wind angetrieben wird. Temperatur und Salzgehalt des oberflächennahen Meerwassers und damit seine Dichte werden durch Energie- und Frischwasserflüsse (Niederschlag und Verdunstung) zwischen Atmosphäre und Ozean beeinflusst. Der Salzgehalt von Meerwasser wird außerdem durch Süßwasserzufuhr vom Land oder schmelzendes bzw. gefrierendes Meereis bestimmt. Die windgetriebenen Oberflächenströmungen und die Tiefenzirkulation stehen in einem engen Wechselverhältnis: Winde treiben etwa Wasser mit hohem Salzgehalt in Gebiete, in denen es abkühlt und absinkt (wie im Nordatlantik), oder sie treiben warmes Oberflächenwasser von Küsten weg, wodurch kälteres Tiefenwasser aufsteigen kann. Letzteres geschieht zum Beispiel vor der Westküste des tropischen Südamerikas: Da vor der Küste von Ecuador und Peru die Passatwinde vom Land aufs Meer wehen, schieben sie das Oberflächenwasser von dort weg. Zum Ausgleich steigt an diesen Küsten Tiefenwasser von unten zur Oberfläche auf. Dieses Wasser bringt viele Nährstoffe aus tieferen Schichten mit nach oben, weshalb diese Gebiete sehr fruchtbar und fischreich sind. Dies ändert sich jedoch dramatisch in El Niño-Jahren (siehe auch ENSO).

Gasaustausch

Eine weitere wichtige Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre besteht in dem Gasaustausch zwischen diesen beiden Subsystemen des Klimasystems. Von besonderer Bedeutung für das Klima ist die Fähigkeit des Ozeans das atmosphärische Treibhausgas CO₂ durch Lösung aufzunehmen. Dabei kann kaltes Oberflächenwasser mehr Kohlendioxid aufnehmen als warmes. Das ist der Hintergrund für wichtige Rückkopplungsprozesse. Falls sich die Atmosphäre, z.B. durch eine geringere Sonneneinstrahlung, abkühlt, wird auch das Oberflächenwasser des Ozeans kälter und kann dadurch mehr CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen. Die Folge sind eine Schwächung des Treibhauseffekts und eine noch kühlere Atmosphäre, woraus eine weitere Abkühlung des Oberflächenwassers folgt, das dadurch noch mehr CO₂ aufnehmen kann usw, bis ein neues Gleichgewicht hergestellt ist. Bei einer Erwärmung der Atmosphäre, z.B. durch anthropogene CO₂-Emissionen, läuft der Prozess in umgekehrter Richtung ab.

Kohlendioxid besitzt im Meer einen eigenen Kreislauf, in dem es verschiedene Stadien durchläuft. Gelöstes CO₂ geht im Wasser neue chemische Verbindungen ein und wird durch Photosynthese im Phytoplankton gebunden. Ein bedeutender Teil des Kohlenstoffs wird durch Konvektion (d.h. durch absinkende Wassermassen) und absinkende organische Substanzen dem Oberflächenwasser und damit dem Austausch mit der Atmosphäre für längere Zeit entzogen. Auch diese Prozesse sind temperaturabhängig. So verstärkt kälteres Wasser die Konvektion und wärmeres schwächt sie. Dadurch wird in dem ersten Fall mehr Kohlendioxid dem Oberflächenwasser entzogen, das infolgedessen weiteres CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen kann, wodurch sich die Atmosphäre weiter abkühlt und die Konvektion noch mehr verstärkt wird usw.

Unterricht

• Experiment: Die Bedeutung des Ozeans im Klimasystem sieht man im Prinzip jedes Mal veranschaulicht, wenn man kocht. Obwohl die Herdplatte (der Antrieb) schnell heiß wird, dauert es recht lange, bis das Wasser im Topf kocht. Auch wenn man die Herdplatte irgendwann ausschaltet, wird das Wasser durch die Restwärme eventuell sogar noch etwas wärmer, bis es langsam abkühlt. Das Klima reagiert genauso verzögert auf eine Beeinflussung von außen.

Weblinks

• J. Jacobeit (2007): Zusammenhänge und Wechselwirkungen im Klimasystem, in: Wilfried Endlicher, Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe: Der Klimawandel – Einblicke, Rückblicke und Ausblicke, 1-16