Atlantische Umwälzzirkulation in der Gegenwart: Unterschied zwischen den Versionen

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Die atlantische Umwälzzirkulation sorgt für einen Wärmetransport auch von der Südhalbkugel über den Äquator nach Norden (Abb. 3), wodurch sich der Atlantik fundamental vom Pazifik unterscheidet. Dieser Wärmetransport führt zu einer Asymmetrie in der Verteilung von Temperatur und Niederschlag zwischen den beiden Hemisphären. So ist die Nordhalbkugel im Mittel etwa 1 °C wärmer als die Südhalbkugel. Außerdem ist die AMOC neben der Verteilung von Land und Meer auf der Erde möglicherweise auch für die Verschiebung der ITCZ um 5° nördlich des Äquators verantwortlich.<ref name="Bellomo 2024">Bellomo, K., & Mehling, O. (2024): [https://doi.org/10.1029/2023GL107624 Impacts and state-dependence of AMOC weakening in a warming climate]. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107624</ref>  Das hat ein um 5 °C wärmeres maritimes Klima im nordwestlichen Europa im Vergleich mit dem Klima auf ähnlichen Breiten im Pazifik-Raum zur Folge. Aufgrund des warmen Atlantik-Wassers ist etwa der Hafen von Murmansk nördlich des Polarkreises das ganze Jahr über eisfrei.<ref name="McCarthy 2023">McCarthy, G.D., L. Caesar (2023): Can we trust projections of AMOC weakening based on climate models that cannot reproduce the past? Phil. Trans. R. Soc. A 381: 20220193. https://doi.org/10.1098/rsta.2022.0193</ref>   
Die atlantische Umwälzzirkulation sorgt für einen Wärmetransport auch von der Südhalbkugel über den Äquator nach Norden (Abb. 3), wodurch sich der Atlantik fundamental vom Pazifik unterscheidet. Dieser Wärmetransport führt zu einer Asymmetrie in der Verteilung von Temperatur und Niederschlag zwischen den beiden Hemisphären. So ist die Nordhalbkugel im Mittel etwa 1 °C wärmer als die Südhalbkugel. Außerdem ist die AMOC, neben der Verteilung von Land und Meer auf der Erde, möglicherweise auch für die Verschiebung der ITCZ um 5° nördlich des Äquators verantwortlich.<ref name="Bellomo 2024">Bellomo, K., & Mehling, O. (2024): [https://doi.org/10.1029/2023GL107624 Impacts and state-dependence of AMOC weakening in a warming climate]. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107624</ref>  Das hat ein um 5 °C wärmeres maritimes Klima im nordwestlichen Europa im Vergleich mit dem Klima auf ähnlichen Breiten im Pazifik-Raum zur Folge. Aufgrund des warmen Atlantik-Wassers ist etwa der Hafen von Murmansk nördlich des Polarkreises das ganze Jahr über eisfrei.<ref name="McCarthy 2023">McCarthy, G.D., L. Caesar (2023): Can we trust projections of AMOC weakening based on climate models that cannot reproduce the past? Phil. Trans. R. Soc. A 381: 20220193. https://doi.org/10.1098/rsta.2022.0193</ref>   


Neben dem klimatischen Einfluss bewirkt die AMOC auch eine Umverteilung des ozeanischen Salzgehalts, von Kohlenstoff und von Nährstoffen im Atlantik. Der Nordatlantik steht für 40 % des mittleren globalen [[Kohlenstoff im Ozean|Austausches von CO<sub>2</sub> zwischen Atmosphäre und Ozean]], vor allem nördlich des 50. Breitengrades. Damit nimmt der Nordatlantik auch einen größeren Teil des anthropogenen Kohlendioxids aus der Atmosphäre auf.<ref name=Lozier 2017">Lozier, S. et al. (2017): Overturning in the Subpolar North Atlantic Program: a new international ocean observing system. Bull. Am. Meteorol. Soc. 98, 737–752</ref> Durch neue Beobachtungen wurde deutlich, dass das traditionelle Bild einer sich langsam verändernden und durch die Konvektion in hohen Breiten angetriebenen Zirkulation die Variabilität der AMOC nicht hinreichend erklärt. Vielmehr zeigte sich, dass die AMOC auf allen Zeitskalen deutliche Schwankungen aufweist, von Tagen bis zu Jahrzehnten, und dass diese Schwankungen sich zwischen den Breitengraden unterscheiden. Die Beobachtungen haben weiterhin gezeigt, dass die Intensität der Zirkulation weniger durch Konvektion in der Labrador See bedingt ist, wie bisher angenommen, als durch die Umwandlung von warmem, salreichem Obeflächenwasser in kaltes und weniger salzhaltiges Tiefenwsser östlich von Grönland, und zwar besonders in der Irmingersee (Abb. 2).<ref name=" Frajka-Williams 2023">Frajka-Williams, E., N. Foukal and G. Danabasoglu (2023): Should AMOC observations continue: how and why? Phil. Trans. R. Soc., https://doi.org/10.1098/rsta.2022.0195</ref>  
Neben dem klimatischen Einfluss bewirkt die AMOC auch eine Umverteilung des ozeanischen Salzgehalts, von Kohlenstoff und von Nährstoffen im Atlantik. Der Nordatlantik steht für 40 % des mittleren globalen [[Kohlenstoff im Ozean|Austausches von CO<sub>2</sub> zwischen Atmosphäre und Ozean]], vor allem nördlich des 50. Breitengrades. Damit nimmt der Nordatlantik auch einen größeren Teil des anthropogenen Kohlendioxids aus der Atmosphäre auf.<ref name=Lozier 2017">Lozier, S. et al. (2017): Overturning in the Subpolar North Atlantic Program: a new international ocean observing system. Bull. Am. Meteorol. Soc. 98, 737–752</ref> Durch neue Beobachtungen wurde deutlich, dass das traditionelle Bild einer sich langsam verändernden und durch die Konvektion in hohen Breiten angetriebenen Zirkulation die Variabilität der AMOC nicht hinreichend erklärt. Vielmehr zeigte sich, dass die AMOC auf allen Zeitskalen deutliche Schwankungen aufweist, von Tagen bis zu Jahrzehnten, und dass diese Schwankungen sich zwischen den Breitengraden unterscheiden. Die Beobachtungen haben weiterhin gezeigt, dass die Intensität der Zirkulation weniger durch Konvektion in der Labrador See bedingt ist, wie bisher angenommen, als durch die Umwandlung von warmem, salreichem Obeflächenwasser in kaltes und weniger salzhaltiges Tiefenwsser östlich von Grönland, und zwar besonders in der Irmingersee (Abb. 2).<ref name=" Frajka-Williams 2023">Frajka-Williams, E., N. Foukal and G. Danabasoglu (2023): Should AMOC observations continue: how and why? Phil. Trans. R. Soc., https://doi.org/10.1098/rsta.2022.0195</ref>


== Strömungsänderungen ==
== Strömungsänderungen ==

Version vom 11. Januar 2025, 08:51 Uhr

Atlantische meridionale Umwälzzirkulation

Die Atlantische Umwälzzirkulation, gehört zu den zentralen Themen der Diskussion über den Klimawandel. Sie wird auch als Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (engl. Atlantic Meridional Overturning Circulation = AMOC bzw. AMO), als Golfstrom-System bzw. (etwas veraltet) als Thermohaline Zirkulation bezeichnet. Die Erdgeschichte hat gezeigt, dass sie in der heutigen Form kein stabiles System ist, der Hollywood-Film The Day After Tomorrow hat die Folgen ihres möglichen Zusammenbruchs einem Massenpublikum drastisch vor Augen geführt, und wissenschaftliche Experten sehen den gegenwärtigen Zustand des Strömungssystems, dem Europa sein mildes Klima verdankt, durch den Klimawandel gefährdet.

Abb. 1: Meeresströmungen im Nordatlantik
Abb. 2: Die wichtigsten Absinkregionen im Nordatlantik-Becken, in denen Tiefenwasser gebildet wird. OSNAP West/East (Overturning in the Subpolar North Atlantic Program): Messprogramm im Nordatlantik.

Die ungleiche Sonneneinstrahlung in den hohen und niederen Breiten hat Energieausgleichsströmungen in der Atmosphäre wie im Ozean zur Folge. Der Atlantische Ozean dominiert den globalen ozeanischen Wärmetransport, insbesondere mit dem Golfstrom und seinen Ausläufern. Weiter nordöstlich zweigt der Nordatlantikstrom vom Golfstrom ab, der als subpolarer Wirbel nach Osten dreht, und übernimmt den Energietransport nach Norden. Im subpolaren Nordatlantik gibt der Ozean die Wärme an die kältere Atmosphäre ab. Die vorherrschenden Westwinde im Nordatlantik transportieren die Wärme dann vor allem Richtung Westeuropa. Die aus dem Golf von Mexiko stammende Meeresströmung besitzt durch die starke Verdunstung in den Subtropen einen hohen Salzgehalt, der die Dichte des Wassers erhöht. Die Abkühlung in den hohen Breiten macht das Wasser dann noch einmal schwerer. Die Folge ist, dass im subpolaren Atlantik das Wasser über große Regionen in die Tiefe sinkt und hier nach Süden zurückströmt (Abb. 1). Das absinkende Wasser sorgt dafür, dass immer wieder neue Wassermassen aus den Subtropen nachströmen.

Die atlantische Umwälzzirkulation wird einerseits durch Dichteunterschiede angetrieben, die durch verschiedene Temperaturen und unterschiedlichen Salzgehalt hervorgerufen werden. Andererseits ist aber auch der Wind ein wichtiger Antriebsfaktor. Daher ist die Bezeichnung AMOC passender als der frühere Name Thermohalinen Zirkulation, der sich nur auf die Dichte bezieht. Der nach Norden gerichtete Strom von warmem und salzhaltigem Wasser fließt in den oberen 1000 m, der nach Süden gerichtete Fluss von kaltem Wasser bewegt sich in 2-3 km Tiefe.[1] Der Transport der AMOC beträgt bei 26,5 °N und ca. 500 m Tiefe nach Modellberechnungen 15,5 Sverdrup (Sv, 1 Sverdrup = 1 Mio. m3/s). Der Wärmetransport an dieser Stelle beläuft sich auf 0,81 PW (1 Petawatt = 1015 Watt).[2]

Abb. 3: Meridionale Zirkulation im Atlantik, mit Fließrichtungen und Salzgehalt; links: Verlauf des vertikalen Profils.

Die atlantische Umwälzzirkulation sorgt für einen Wärmetransport auch von der Südhalbkugel über den Äquator nach Norden (Abb. 3), wodurch sich der Atlantik fundamental vom Pazifik unterscheidet. Dieser Wärmetransport führt zu einer Asymmetrie in der Verteilung von Temperatur und Niederschlag zwischen den beiden Hemisphären. So ist die Nordhalbkugel im Mittel etwa 1 °C wärmer als die Südhalbkugel. Außerdem ist die AMOC, neben der Verteilung von Land und Meer auf der Erde, möglicherweise auch für die Verschiebung der ITCZ um 5° nördlich des Äquators verantwortlich.[3] Das hat ein um 5 °C wärmeres maritimes Klima im nordwestlichen Europa im Vergleich mit dem Klima auf ähnlichen Breiten im Pazifik-Raum zur Folge. Aufgrund des warmen Atlantik-Wassers ist etwa der Hafen von Murmansk nördlich des Polarkreises das ganze Jahr über eisfrei.[4]

Neben dem klimatischen Einfluss bewirkt die AMOC auch eine Umverteilung des ozeanischen Salzgehalts, von Kohlenstoff und von Nährstoffen im Atlantik. Der Nordatlantik steht für 40 % des mittleren globalen Austausches von CO2 zwischen Atmosphäre und Ozean, vor allem nördlich des 50. Breitengrades. Damit nimmt der Nordatlantik auch einen größeren Teil des anthropogenen Kohlendioxids aus der Atmosphäre auf.[5] Durch neue Beobachtungen wurde deutlich, dass das traditionelle Bild einer sich langsam verändernden und durch die Konvektion in hohen Breiten angetriebenen Zirkulation die Variabilität der AMOC nicht hinreichend erklärt. Vielmehr zeigte sich, dass die AMOC auf allen Zeitskalen deutliche Schwankungen aufweist, von Tagen bis zu Jahrzehnten, und dass diese Schwankungen sich zwischen den Breitengraden unterscheiden. Die Beobachtungen haben weiterhin gezeigt, dass die Intensität der Zirkulation weniger durch Konvektion in der Labrador See bedingt ist, wie bisher angenommen, als durch die Umwandlung von warmem, salreichem Obeflächenwasser in kaltes und weniger salzhaltiges Tiefenwsser östlich von Grönland, und zwar besonders in der Irmingersee (Abb. 2).[6]

Strömungsänderungen

Direkte Messungen

Seit langen wird diskutiert, ob sich die Atlantische Umwälzzirkulation durch den Klimawandel abschwächt. Klimamodelle projizieren eine solche Abschwächung von etwa einem Viertel für das Ende des 21. Jahrhunderts.[7] Am Ende der letzten Eiszeit gab es sogar ein Aussetzen der Umwälzzirkulation mit den Folgen einer erheblichen Abkühlung im Nordatlantikraum in relativ kurzer Zeit. Ist diese Verringerung der Strömungen des Golfstromsystems im Nordatlantik aber auch schon gegenwärtig feststellbar? Das ist keine leicht zu beantwortende Frage. Messungen der Strömungen selbst gibt es erst seit kurzem und räumlich begrenzt. Andere Methoden wie, Aussagen über die Strömung aus Temperaturdaten abzuleiten, und Berechnungen mit Klimamodellen sind mit deutlichen Unsicherheiten behaftet.

Abb. 3: Temperaturen über Land und Ozean 2015 als Abweichung von 1981-2010; grau: fehlende Daten

Erst seit 2004 existiert quer über den Atlantik bei 26° nördlicher Breite ein kontinuierliches Messprogramm, das zum ersten Mal über die Strömung aus dem Golf von Mexiko nach Norden wie über den Rückstrom in der Tiefe nach Süden verlässliche Daten liefert.[8] So werden Strömungen in der Floridastraße und östlich der Bahamas gemessen.[9] Messergebnisse bis 2017 zeigen tatsächlich eine Abschwächung der Strömung, besonders seit 2008. Bis Anfang 2008 besaß der Transport der AMOC einen Wert von fast 19 Sverdrup (Sv), danach nur noch von ca. 16 Sv. Ab 2012 verringerte sich die Atlantische Umwälzzirkulation dann allerdings nicht weiter, blieb aber auf dem niedrigeren Stand.[9] Ein Teil der Veränderungen könnte durch die anthropogene Erwärmung verursacht sein. Der beobachtete Zeitraum ist jedoch zu kurz, um einen langfristigen Trend durch einen externen Antrieb wie die erhöhte Konzentration von Treibhausgasen von einer internen natürlichen Schwankung zu unterscheiden.[9]

2014 wurde ein neues Messprogramm mit dem Namen OSNAP (Overturning in the Subpolar North Atlantic Program) eingerichet, das Daten über die Veränderungen des Volumen-, Wärme- und Süßwassertransports bei ~58 °N liefern soll.[10] Mehrere Messpunkte wurden einerseits zwischen Südwestgrönland und Labrador, andererseits zwischen Südostgrönland und Schottland eingerichtet.[11] OSNAP ist ein Beobachtungssystem, das den Massenfluss über die gesamte Tiefe der AMOC sowie den meridionalen Wärme- und Süßwassertransport erfassen soll.[5] Für ein breiteres Publikum ausgewertete Ergebnisse stehen noch aus.

Indirekte Ableitungen

Abb. 4: Temperaturänderung über dem Nordatlantik 2009-2016 im Vergleich zu 2004-2008

Eine andere Möglichkeit, das Strömungsverhalten des Golfstrom-Systems zu erfassen, kann die Untersuchung von Stellvertreterdaten, sog. Proxydaten, sein. Da die Strömungen die Meeresoberflächentemperaturen und die Temperaturen der darüber liegenden Luftschichten beeinflussen, lassen sich daraus Aussagen über die Meeresströmungen ableiten. Nahezu überall auf dem Globus haben die Temperaturen in den letzten Jahrzehnten durch den Klimawandel deutlich zugenommen. Der subpolare Atlantik hat sich jedoch kaum erwärmt bzw. sogar abgekühlt. So zeigen die Mitteltemperaturen des Jahres 2015 über dem Nordatlantik südlich von Island im Vergleich zum Durchschnitt der Jahre 1981-2010 deutlich negative Werte, die in der Forschung auch als „Erwärmungsloch“ (warming hole) bezeichnet werden.[12]

Die Lufttemperatur über dem Atlantik südlich von Island hat etwa im Zeitraum 2009-2016 um 0,5 °C im Vergleich zu 2004-2008 abgenommen, was nach einer neueren Untersuchung eine Folge der Abschwächung der Nordatlantikzirkulation ist.[9] Auch die höheren Temperaturen vor der nordamerikanischen Ostküste werden als Konsequenz der schwächeren Strömung des Golf- und Nordatlantikstroms gesehen, da sich die warme Strömung bei geringerer Geschwindigkeit aufgrund der schwächeren Corioliskraft näher an die nordamerikanische Küste verschiebt.

Abb. 5: Süßwasserfluss 1979-2013 in mSv[13] von den drei wichtigsten Quellen in die Labradorsee. CAA: Gletscher auf dem kanadisch-arktischem Archipel (Canadian Arctic Archipelago)

Zur Bestätigung des Zusammenhangs zwischen der fehlenden Erwärmung im subpolaren Atlantik und einer Abschwächung der Atlantischen Umwälzzirkulation wurden auch Klimamodellrechnungen herangezogen.[14] Danach hat sich seit Mitte des 20. Jahrhunderts die Umwälzbewegung im Atlantik um ca. 15 % verringert, was etwa 3 Sv entspricht. Der Grund wird als „sehr wahrscheinlich“ weitgehend anthropogen bedingt eingestuft, da die Veränderungen mit den Projektionen zahlreicher Klimamodelle für das Ende des 21. Jahrhunderts übereinstimmen. Untersuchungen von Meeressedimenten in der Labradorsee haben zudem gezeugt, dass die Abschwächung der Atlantischen Umwälzzirkulation bereits am Ende der Kleinen Eiszeit einsetzte, bedingt durch die Süßwasserzufuhr von schmelzenden Gletschern und Meereis. Der Klimawandel im 20. Jahrhundert hat, z.B. durch das Abschmelzen von Grönlandeis, diesen Prozess fortgesetzt.[15]

Anhand der Süßwasserzuflüsse in die Labradorsee, eine der Hauptabsinkzonen der Umwälzzirkulation, wurde versucht die Mechanismen zu bestimmen, über die der Klimawandel die Meeresströmungen beeinflussen könnte.[16] Das Süßwasser in der Labradorsee hat danach drei Hauptquellen, den Grönländischen Eisschild, die Gletscher des Kanadischen Archipels und das arktische Meereis. Hinzu kommen Niederschläge und Abflüsse der großen Festlandströme Sibiriens und Nordkanadas und durch die zunehmende Schneeschmelze.

Die Steigerung des Süßwasserflusses in die Labradorsee in den letzten zwei Jahrzehnten betrug 20 mSV[13], wovon 70 % in die Labradorsee gelangten.[16] Die Folge war, dass weniger dichtes und schweres Wasser in der Labradorsee gebildet wurde, wodurch die Atlantische Umwälzzirkulation sich abschwächte.

Einzelnachweise

  1. ↑ Srokosz, M.A., N.P. Holliday, H.L. Bryden (2023): Atlantic overturning: new observations and challenges. Phil. Trans. R. Soc. A 381: 20220196
  2. ↑ Ma, Q., X. Shi and P. Scholz et al. (2024): Revisiting climate impacts of an AMOC slowdown: dependence on freshwater locations in the North Atlantic, Science Advances 10, 47, https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adr3243
  3. ↑ Bellomo, K., & Mehling, O. (2024): Impacts and state-dependence of AMOC weakening in a warming climate. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107624
  4. ↑ McCarthy, G.D., L. Caesar (2023): Can we trust projections of AMOC weakening based on climate models that cannot reproduce the past? Phil. Trans. R. Soc. A 381: 20220193. https://doi.org/10.1098/rsta.2022.0193
  5. ↑ 5,0 5,1 Lozier, S. et al. (2017): Overturning in the Subpolar North Atlantic Program: a new international ocean observing system. Bull. Am. Meteorol. Soc. 98, 737–752
  6. ↑ Frajka-Williams, E., N. Foukal and G. Danabasoglu (2023): Should AMOC observations continue: how and why? Phil. Trans. R. Soc., https://doi.org/10.1098/rsta.2022.0195
  7. ↑ IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 12.4.7
  8. ↑ Das bitisch-amerikanische Programm trägt den Namen RAPID (Rapid Climate Change-Meridional Overturning Circulation and Heatflux Array)
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 Smeed, D. A., Josey, S. A., Beaulieu, C., Johns, W. E., Moat, B. I., Frajka-Williams, E., et al. (2018): The North Atlantic Ocean is in a state of reduced overturning. Geophysical Research Letters, 45, 1527–1533
  10. ↑ Homepage: http://www.o-snap.org/
  11. ↑ Zhao, J., A Bower, J. Yang, X. Lin & N. P. Holliday (2018): Meridional heat transport variability induced by mesoscale processes in the subpolar North Atlantic, Nature Communications 9:1124, DOI: 10.1038/s41467-018-03134-x
  12. ↑ Drijfhout, S., van Oldenborgh, G. J. & Cimatoribus, A. (2012): Is a decline of AMOC causing the warming hole above the North Atlantic in observed and modeled warming patterns? J. Clim. 25, 8373–8379 Quelle: NOAA National Centers for Environmental Information
  13. ↑ 13,0 13,1 1 mSv = 1 milli-Sverdrup = 103 m3 /s)
  14. ↑ Caesar, L., S. Rahmstorf, A. Robinson, G. Feulner and V. Saba (2018): Observed fingerprint of a weakening Atlantic Ocean overturning circulation. Nature 556: 191–196
  15. ↑ Thornalley, D.J.R., D.W. Oppo, P.Ortega et al. (2018): Anomalously weak Labrador Sea convection and Atlantic overturning during the past 150 years, Nature 556, 227-230
  16. ↑ 16,0 16,1 Yang, Q., T.H. Dixon, P.G. Myers et al. (2016): Recent increases in Arctic freshwater flux affects Labrador Sea convection and Atlantic overturning circulation, Nature Communications 7:10525, DOI: 10.1038/ncomms10525

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