Atlantische Umwälzzirkulation in der Gegenwart

Abb. 1: Meeresströmungen im Nordatlantik

Die Atlantische Umwälzzirkulation, auch als Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (engl. Atlantic Meridional Overturning Circulation = AMOC) oder als Golfstrom-System bzw. (etwas veraltet) als Thermohaline Zirkulation angesprochen, gehört zu den zentralen Themen der Diskussion über den Klimawandel. 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.

Eigenschaften

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. Den maximalen Transport erreicht der Golfstrom in der Floridastraße bei 26,5 °N mit ca. 1,3 PW (=1015 W). 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, wo die Temperaturen um 10 °C über dem Mittel der vergleichbaren Breitengrade liegen. Ein weiterer wichtiger Einfluss auf die europäischen Temperaturen wird dadurch angenommen, dass der Transport von stark salzhaltigem Wasser aus den Subtropen in den Nordatlantik hier die Bildung von Meereis verzögert und damit die Albedo verringert. Ob der Temperaturunterschied allerdings vollständig auf das Golfstrom-System zurückzuführen ist, ist umstritten.

Die zweite wichtige Rolle der Atlantischen Umwälzzirkulation besteht darin, dass die absinkenden Wassermassen eine bedeutende Senke für atmosphärisches Kohlendioxid sind. 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.

Abb. 2: Atlantische meridionale Umwälzzirkulation (AMOC). Die AMOC-Messreihe in der Floridastraße: Veränderungen 2004 bis 2017 in Sverdrup (Sv)

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. 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. So werden Strömungen in der Floridastraße und östlich der Bahamas gemessen. 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 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. 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.

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. Mehrere Messpunkte wurden einerseits zwischen Südwestgrönland und Labrador, andererseits zwischen Südostgrönland und Schottland eingerichtet. OSNAP ist ein Beobachtungssystem, das den Massenfluss über die gesamte Tiefe der AMOC sowie den meridionalen Wärme- und Süßwassertransport erfassen soll. 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.

So hat die Lufttemperatur über dem Atlantik südlich von Island im Zeitraum 2009-2016 um 0,5 °C im Vergleich zu 2004-2008 abgenommen, was von einer neueren Untersuchung als Folge der Abschwächung der Nordatlantikzirkulation gedeutet wird. 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 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. 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.

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. 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 Schneeschmelze.

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

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Kontakt: Dieter Kasang