Atlantische Umwälzzirkulation in der Gegenwart: Unterschied zwischen den Versionen

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=== Direkte Beobachtungen ===
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In den letzten 20 Jahren wurden im Nordatlantik vor allem zwei Messprogramme zur Beobachtung der AMOC etabliert, das RAPID-Programm bei 26 °N seit 2004 und das OSNAP-Programm im subpolaren Nordatlantik seit 2014.<ref name="Srokosz 2023"/>  Das RAPID-Programm ist das einzige AMOC-Beobachtungssystem, das seit über 15 Jahren kontinuierliche Messungen über die gesamte Tiefe der AMOC und das ganze Atlantik-Becken vornimmt.<ref name=Johns 2023">Johns W.E., S. Elipot, D.A. Smeed et al. (2023): Towards two decades of Atlantic Ocean mass and heat transports at 26.5° N, Phil. Trans. R. Soc. A.38120220188, http://doi.org/10.1098/rsta.2022.0188</ref>  Es weist in den ersten sechs Jahren bis 2010 eine starke Abschwächung der AMOC auf (Abb. 5).<ref name="McCarthy 2023"/>  Die Abschwächung der Umwälzzirkulation betrug 2004-2008 nach dem letzten Bericht des Weltklimarats IPCC knapp 3 Sv,<ref name="IPCC 2021c"/>  was etwa 20% entspricht. Der Zeitraum von wenigen Jahren ist jedoch zu kurz, um daraus einen Trend abzuleiten und eine Abschwächung der Zirkulation durch den Klimawandel von einer Dekaden-Schwankung zu unterscheiden,<ref name="IPCC 2021b"/> zumal der Wassertransport nach 2010 etwa gleich blieb (Abb. 5).   
In den letzten 20 Jahren wurden im Nordatlantik vor allem zwei Messprogramme zur Beobachtung der AMOC etabliert, das RAPID-Programm bei 26 °N seit 2004 und das OSNAP-Programm im subpolaren Nordatlantik seit 2014.<ref name="Srokosz 2023"/>  Das RAPID-Programm ist das einzige AMOC-Beobachtungssystem, das seit über 15 Jahren kontinuierliche Messungen über die gesamte Tiefe der AMOC und das ganze Atlantik-Becken vornimmt.<ref name=Johns 2023">Johns W.E., S. Elipot, D.A. Smeed et al. (2023): [http://doi.org/10.1098/rsta.2022.0188 Towards two decades of Atlantic Ocean mass and heat transports at 26.5° N], Phil. Trans. R. Soc. A.38120220188</ref>  Es weist in den ersten sechs Jahren bis 2010 eine starke Abschwächung der AMOC auf (Abb. 5).<ref name="McCarthy 2023"/>  Die Abschwächung der Umwälzzirkulation betrug 2004-2008 nach dem letzten Bericht des Weltklimarats IPCC knapp 3 Sv,<ref name="IPCC 2021c"/>  was etwa 20% entspricht. Der Zeitraum von wenigen Jahren ist jedoch zu kurz, um daraus einen Trend abzuleiten und eine Abschwächung der Zirkulation durch den Klimawandel von einer Dekaden-Schwankung zu unterscheiden,<ref name="IPCC 2021b"/> zumal der Wassertransport nach 2010 etwa gleich blieb (Abb. 5).   


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Trotz zahlreicher [[Erdsystemmodelle|Modellstudien]] über die Änderungen der Tiefenwasserbildung im subpolaren Nordatlantik gab es vor 2014 keine kontinuierliche Beobachtung der AMOC-Schwankungen in dieser Region. Das änderte sich mit dem OSNAP-Programm, das nicht nur den Wasser-, sondern auch den Wärme- und Süßwassertransport durch ein von Labrador über die Südspitze Grönlands bis nach Schottland reichendes Beobachtungsystem erfasst. Die neuen Beobachtungsdaten des OSNAP-Programms von 2014 bis 2020 weisen zum einen darauf hin, dass im Gegensatz zu der tradierten Sicht nicht die Labradorsee im Westen die Umwälzzirkulation im subpolaren Nordatlantik bestimmt, sondern der Ostteil der Absinkregion mit dem Irminger und Island-Becken (Abb. 1). In den östlichen Absinkregionen zwischen Grönland und Schottland beträgt die Umwälzzirkulation 16 Sv (vor allem in der Irminger See), gegenüber nur 3 Sv im westlichen Teil. Auch der Wärmetransport unterscheidet sich mit 0,42 PW im östlichen und 0,08 PW im westlichen Teil erheblich. Nur der Süßwassertransport in die Labradorsee, der vor allem in künftigen Jahren verstärkt durch abschmelzendes Meereis und Landeis zu erwarten ist, ist etwa ähnlich groß wie in der östlichen Region. In beiden Gebieten zeigt die AMOC-Zirkulation neben starken Schwankungen zwischen den Jahreszeiten und von Jahr zu Jahr einen Wassertransport von ca. 15 Sv, der sich über den Gesamtzeitraum kaum verändert hat (Abb. 6).<ref name="Fu 2023">Fu, Y., M.S. Lozier, T.C. Biló et al. (2023): Seasonality of the Meridional Overturning Circulation in the subpolar North Atlantic. Commun Earth Environ 4, 181 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00848-9</ref>
Trotz zahlreicher [[Erdsystemmodelle|Modellstudien]] über die Änderungen der Tiefenwasserbildung im subpolaren Nordatlantik gab es vor 2014 keine kontinuierliche Beobachtung der AMOC-Schwankungen in dieser Region. Das änderte sich mit dem OSNAP-Programm, das nicht nur den Wasser-, sondern auch den Wärme- und Süßwassertransport durch ein von Labrador über die Südspitze Grönlands bis nach Schottland reichendes Beobachtungsystem erfasst. Die neuen Beobachtungsdaten des OSNAP-Programms von 2014 bis 2020 weisen zum einen darauf hin, dass im Gegensatz zu der tradierten Sicht nicht die Labradorsee im Westen die Umwälzzirkulation im subpolaren Nordatlantik bestimmt, sondern der Ostteil der Absinkregion mit dem Irminger und Island-Becken (Abb. 1). In den östlichen Absinkregionen zwischen Grönland und Schottland beträgt die Umwälzzirkulation 16 Sv (vor allem in der Irminger See), gegenüber nur 3 Sv im westlichen Teil. Auch der Wärmetransport unterscheidet sich mit 0,42 PW im östlichen und 0,08 PW im westlichen Teil erheblich. Nur der Süßwassertransport in die Labradorsee, der vor allem in künftigen Jahren verstärkt durch abschmelzendes Meereis und Landeis zu erwarten ist, ist etwa ähnlich groß wie in der östlichen Region. In beiden Gebieten zeigt die AMOC-Zirkulation neben starken Schwankungen zwischen den Jahreszeiten und von Jahr zu Jahr einen Wassertransport von ca. 15 Sv, der sich über den Gesamtzeitraum kaum verändert hat (Abb. 6).<ref name="Fu 2023">Fu, Y., M.S. Lozier, T.C. Biló et al. (2023): [https://doi.org/10.1038/s43247-023-00848-9 Seasonality of the Meridional Overturning Circulation in the subpolar North Atlantic]. Commun Earth Environ 4, 181</ref>


=== Modellsimulationen ===   
=== Modellsimulationen ===   

Version vom 12. Januar 2025, 13:26 Uhr

Die 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 Thermohaline 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 (Abb. 3).[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 und Indischen Ozean 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 russische 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 Tiefenwasser östlich von Grönland, und zwar besonders in der Irmingersee (Abb. 2).[6]

Strömungsänderungen: Beobachtungen und Modellsimulationen

Die Änderung der Atlantischen meridionalen Umwälzzirkulation gilt als einer der zentralen Kipppunkte des Erdsystems. Ein Abbruch der Zirkulation ist mit abrupten Klimaänderungen bei eiszeitlichen Übergängen zwischen glazialen und interglazialen Phasen sowie in den glazialen Phasn selbst in Verbindung gebracht worden.[2] Bekannt ist ein Aussetzen der Umwälzzirkulation in relativ kurzer Zeit am Ende der letzten Eiszeit um 12.000 vh., die sog. Jüngere Dryaszeit, die zu einer erheblichen Abkühlung im Nordatlantikraum geführt hat. Klimamodelle projizieren eine Abschwächung der AMOC um rund ein Drittel für das Ende des 21. Jahrhunderts.[7]

Indirekte Ableitungen

Abb. 4: Änderung der Meeresoberflächentemperatur im Nordatlantik 1909 bis 2018. Schwarze Umrandung: das sog. „Erwärmungsloch“.

Beobachtungen der AMOC haben sich vor 2004, dem Beginn von fest installierten direkten Strömungsmessungen (s.u.), auf Schiffsdaten zur Temperatur und Wasserdichte oder Satellitendaten zur Meeresspiegelhöhe gestützt.[4] Außerdem wurden Proxydaten von marinen Sedimenten genutzt. Die AMOC war danach relativ stabil in den letzten 8.000 Jahren. Ob es im 20. Jahrhundert zu einer Abschwächung kam, ist laut dem jüngsten Bericht des Weltklimarats IPCC wegen des Fehlens direkter Beobachtung schwer zu einzuschätzen.[8] Proxydaten von marinen Sedimenten zeigen nach einigen Studien eine Abschwächung der AMOC seit dem späten 19. Jahrhundert und über das 20. Jahrhundert. Beobachtungen, die sich auf die Meeresoberflächentemperatur und die Meeresspiegelhöhe stützen, lassen eine Abschwächung der AMOC über das 20. Jahrhundert ebenfalls vermuten.[9] Nach anderen Studien zeigen die Proxydaten keine solchen Signale, da z.B. Meeresoberflächentemperaturen auch von atmosphärischen und ozeanischen natürlichen Schwankungen abhängig sind. Viele Rekonstruktionen zeigen Schwankungen, die einen langfristigen Trend im 20. Jahrhundert überdecken. Der Weltklimarat schätzt zusammenfassend die Wahrscheinlichkeit einer Abschwächung der AMOC im 20. Jahrhundert als niedrig ein.[8]

Als ein Beleg für eine Abschwächung der AMOC gilt manchen Untersuchungen die Abkühlung in der Absinkregion der AMOC südlich von Island, das sog. Erwärmungsloch (warming hole) im subpolaren Nordatlantik. Möglicherweise besteht ein Zusammenhang zwischen einem geringeren ozeanischen Wärmetransport in höhere Breiten und dem Erwärmungsloch im Nordatlantik als Konsequenz einer höheren Treibhausgaskonzentration. Es werden jedoch auch andere Ursachen diskutiert wie eine Zunahme des ozeanischen Wärmetransport aus dem subpolaren Nordatlantik heraus in noch höhere Breiten oder der Einfluss von anthropogenen Aerosolen. Außerdem zeigen die Meeresoberflächentemperaturen im Gebiet des Erwärmungslochs eine Abkühlung nur zwischen 1930 und 1970, seit den 1990er Jahren dagegen starke Schwankungen ohne klaren Trend.[10]

Direkte Beobachtungen

In den letzten 20 Jahren wurden im Nordatlantik vor allem zwei Messprogramme zur Beobachtung der AMOC etabliert, das RAPID-Programm bei 26 °N seit 2004 und das OSNAP-Programm im subpolaren Nordatlantik seit 2014.[1] Das RAPID-Programm ist das einzige AMOC-Beobachtungssystem, das seit über 15 Jahren kontinuierliche Messungen über die gesamte Tiefe der AMOC und das ganze Atlantik-Becken vornimmt.[11] Es weist in den ersten sechs Jahren bis 2010 eine starke Abschwächung der AMOC auf (Abb. 5).[4] Die Abschwächung der Umwälzzirkulation betrug 2004-2008 nach dem letzten Bericht des Weltklimarats IPCC knapp 3 Sv,[9] was etwa 20% entspricht. Der Zeitraum von wenigen Jahren ist jedoch zu kurz, um daraus einen Trend abzuleiten und eine Abschwächung der Zirkulation durch den Klimawandel von einer Dekaden-Schwankung zu unterscheiden,[8] zumal der Wassertransport nach 2010 etwa gleich blieb (Abb. 5).

Abb. 5: Monatsdaten des Wassertransports der AMOC durch die Messprogramme RAPID (rot) und OSNAP bis 2018 (grün).
Abb. 6: Zirkulation der subpolaren AMOC. Braun: östlicher subpolarer Nordatlantik, grün: westlicher Teil, grau: beide Regionen zusammen. Farbflächen: Unsicherheitsbereich.

Trotz zahlreicher Modellstudien über die Änderungen der Tiefenwasserbildung im subpolaren Nordatlantik gab es vor 2014 keine kontinuierliche Beobachtung der AMOC-Schwankungen in dieser Region. Das änderte sich mit dem OSNAP-Programm, das nicht nur den Wasser-, sondern auch den Wärme- und Süßwassertransport durch ein von Labrador über die Südspitze Grönlands bis nach Schottland reichendes Beobachtungsystem erfasst. Die neuen Beobachtungsdaten des OSNAP-Programms von 2014 bis 2020 weisen zum einen darauf hin, dass im Gegensatz zu der tradierten Sicht nicht die Labradorsee im Westen die Umwälzzirkulation im subpolaren Nordatlantik bestimmt, sondern der Ostteil der Absinkregion mit dem Irminger und Island-Becken (Abb. 1). In den östlichen Absinkregionen zwischen Grönland und Schottland beträgt die Umwälzzirkulation 16 Sv (vor allem in der Irminger See), gegenüber nur 3 Sv im westlichen Teil. Auch der Wärmetransport unterscheidet sich mit 0,42 PW im östlichen und 0,08 PW im westlichen Teil erheblich. Nur der Süßwassertransport in die Labradorsee, der vor allem in künftigen Jahren verstärkt durch abschmelzendes Meereis und Landeis zu erwarten ist, ist etwa ähnlich groß wie in der östlichen Region. In beiden Gebieten zeigt die AMOC-Zirkulation neben starken Schwankungen zwischen den Jahreszeiten und von Jahr zu Jahr einen Wassertransport von ca. 15 Sv, der sich über den Gesamtzeitraum kaum verändert hat (Abb. 6).[12]

Modellsimulationen

Abb. 7: Änderungen der AMOC nach Beobachtungen und Modellsimulationen 1950 bis ca. 2020. Beobachtungsdaten nach Fraser and Cunningham et al. (2021)[13] (blau) und Caesar et al. (2018) (hellblau). Modellsimulationen nach CMIP5 (dunkelblau) und CMIP6 (rot), jeweils als Mittel mehrerer Modellrechnungen.

Klimamodelle berechnen die Folgen der externen Antriebe wie der Erhöhung der Treibhausgas-Konzentration oder der Änderung der anthropogenen Aerosolbelastung. Das Mittel der Modellsimulationen erfasst jedoch nicht die natürlichen Schwankungen des Klimasystems. Das ist allerdings für die Bestimmung der Folgen des Klimawandels auf die AMOC kein großes Problem, zumal sich bei der Modellierung der natürlichen Schwankungen die voneinander abweichenden Modellergebnisse weitgehend gegenseitig aufheben. Allerdings werden die tatsächlichen Änderungen der AMOC über die letzten Jahrzehnte, wenn die natürlichen Schwankungen bedeutsam sind, nicht korrekt dargestellt, noch ist das für die Zukunft zu erwarten. Hinzu kommt, dass Modelle immer noch eine zu geringe Auflösung besitzen und bestimmte physikalische Prozesse wie interaktive Eisschilde, den Süßwassereintrag oder die Bildung von Tiefenwasser nicht zutreffend abbilden.[4] Das Ergebnis für die historischen Änderungen der AMOC ist, dass Modelle und Beobachtungen nicht übereinstimmen. Die wenigen Rekonstruktionen der AMOC über das 20. Jh. auf der Grundlage von Proxydaten weisen auf eine Abschwächung der AMOC zwischen 1960 bis in die 1980er Jahre und eine Intensivierung zwischen 1985 und 2000, während Modellergebnisse das Gegenteil zeigen (Abb. 7).[4]

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 Srokosz, M.A., N.P. Holliday, H.L. Bryden (2023): Atlantic overturning: new observations and challenges. Phil. Trans. R. Soc. A 381: 20220196
  2. ↑ 2,0 2,1 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
  3. ↑ Bellomo, K., & Mehling, O. (2024): Impacts and state-dependence of AMOC weakening in a warming climate. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107624
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 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.
  5. ↑ 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.
  7. ↑ IPCC AR6, WGI (2021): Climate change 2021: The physical science basis, 9.2.3.1
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 IPCC AR6, WGI (2021): Climate change 2021: The physical science basis, 2.3.3.4
  9. ↑ 9,0 9,1 IPCC AR6, WGI (2021): Climate change 2021: The physical science basis, 3.5.4.1
  10. ↑ Latif, M., J. Sun, M. Visbeck et al. (2022): Natural variability has dominated Atlantic Meridional Overturning Circulation since 1900, Nat. Clim. Chang. 12, 455–460
  11. ↑ Johns W.E., S. Elipot, D.A. Smeed et al. (2023): Towards two decades of Atlantic Ocean mass and heat transports at 26.5° N, Phil. Trans. R. Soc. A.38120220188
  12. ↑ Fu, Y., M.S. Lozier, T.C. Biló et al. (2023): Seasonality of the Meridional Overturning Circulation in the subpolar North Atlantic. Commun Earth Environ 4, 181
  13. ↑ Fraser, N.J., and S.A. Cunningham (2021): 120 Years of AMOC variability reconstructed from observations using the Bernoulli inverse. Geophys. Res. Lett. 48

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