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ANTARKTIS OZEAN IN AUFRUHR


Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung - epaper ⋅ Ausgabe 3/2018 vom 27.07.2018

Das Südpolarmeer nimmt gewaltige Mengen Kohlenstoff und Wärme aus der Atmosphäre auf und verlangsamt so den Klimawandel. Neuen Messdaten zufolge könnte sich das demnächst ändern.


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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft Spezial Biologie, Medizin, Hirnforschung, Ausgabe 3/2018

Rund um die Antarktis trifft das stürmischste Meer auf die größten Eismassen der Welt. Die gewaltigen Kräfte in der Region gelten als Motor der globalen Tiefseeströmungen.


►►spektrum.de/artikel/1453301

Der JournalistJeff Tollefson schreibt für »Nature« und lebt in den USA.
Er berichtet vor allem über Energie-, Klima- und Umweltthemen. 

►Auf zehn Meter hohe Wellen war Joellen Russell dann doch nicht vorbereitet. Dem Meer ...

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... südlich von Neuseeland ausgeliefert, begann sie um sich und ihr Forschungsschiff zu bangen. »Der Ritt über die Wasserberge fühlte sich an, als würden wir jede Sekunde zwischen ihnen zerschellen«, erinnert sich die Ozeanografin von der University of Arizona an die Expedition von 1994. An ihrem Institut begegnet Russell Meeresströmungen sonst in Form von Computersimulationen und Klimamodellen. Damals hatte sie ein Kaventsmann fast über Bord gespült.

Bereits die ersten Daten der Sensoren sorgten für weitere Überraschungen. Die Meeresoberfläche enthielt wenig Sauerstoff, dafür viel Kohlenstoff und war saurer als erwartet – deutliche Zeichen für hinaufgespülte Nährstoffe aus den Tiefen der See. Wie sich später herausstellte, bestanden die Wellen aus uraltem Wasser, das seit Jahrhunderten keinen Kontakt mit der Atmosphäre gehabt hatte.

Seinerzeit haben Ozeanografen die seltsamen Umwälzprozesse im Südpolarmeer noch kontrovers diskutiert. Inzwischen sind sie als eines seiner besonderen Kennzeichen anerkannt: Rund um die Antarktis befördern die weltweit stärksten ausdauernden Winde ständig kaltes Tiefenwasser nach oben. Das Phänomen wird Auftrieb oder englisch Upwelling genannt. Die Bewegungen treiben mächtige Ströme an, die zwischen den Weltmeeren zirkulieren.

Wegen der unwirtlichen Bedingungen, wie sie Joellen Russell erfahren musste, konnten Ozeanografen das Südpolarmeer jahrzehntelang nicht in dem Maß erkunden, das seiner globalen Bedeutung gerecht geworden wäre. Inzwischen bricht eine neue Hightechära der Antarktisforschung an. Mit Hilfe von Bojen, Satelliten, Computermodellen, ferngesteuerten Robotern und sogar mit sensorbestückten Robben widmen sich Wissenschaftler aus der ganzen Welt den Gewässern um die Antarktis. Auf diese Weise wollen sie endlich die großen Datenlücken schließen.

Ein genaueres Verständnis davon, wie der Südliche Ozean und das globale Klima zusammenspielen, macht Vorhersagen für die Zukunft der antarktischen Eisschicht, der Erderwärmung und des Anstiegs der Meeresspiegel verlässlicher. Der Ozeanograf Arnold Gordon vom Lamont-Doherty Earth Observatory in Palisades im US-Bundes-staat New York hatte schon in den 1960er Jahren Analysen des Südpolarmeers geleitet und meint nun: »Der Informationsreichtum von heute ist beeindruckend. Mit neuen Technologien können wir Daten aus den entlegensten Gebieten sammeln, ohne dafür Schiffe durch das Meereseis zu manövrieren.«

Umtriebiger Umschlagplatz für den Kohlenstoff der Welt
Insgesamt entzieht das Gebiet der Atmosphäre Wärme und Kohlendioxid. Laut vorläufigen Auswertungen könnte der Ozean jedoch von Jahr zu Jahr mehr von seiner Fähigkeit einbüßen, das Treibhausgas aus der Atmosphäre aufzunehmen. Damit stellt sich die Frage, inwieweit das Gebiet die globale Erwärmung weiterhin bremsen kann. »Das Südpolarmeer hilft uns im Augenblick gegen den Klimawandel. Das könnte sich jederzeit ändern«, bekräftigt der Ozeanforscher Michael Meredith vom British Antarctic Survey in Cambridge. Er will mit seinem Team Expeditionen durchführen, um die Prozesse zu dokumentieren. 

Entlang des 60. südlichen Breitengrads gibt es einen erdumspannenden Meeresgürtel. Keine Landmassen bremsen hier Wind und Wellen, während sie um den Globus brausen. Seit den 1980er Jahren merken die Wissenschaftler immer deutlicher, welche wichtige Rolle diese besondere Region für das Weltklima spielt. Damals ver-suchten sie zu klären, warum die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre in der letzten Eiszeit erst um etwa ein Drittel ab- und später wieder zunahm. Der Ozeanograf Jorge Sarmiento von der Princeton University vermutete dahinter Veränderungen im Südpolarmeer

2015 erreichte der Eisbrecher »Aurora Australis « den ostantarktischen Totten-Gletscher.


Drei Jahrzehnte später macht sich Sarmiento nun daran, große Datenmengen über den zeitlichen Verlauf der chemischen und biologischen Vorgänge zu sammeln und ihre Rolle für den Kohlenstoffhaushalt zu klären. Inzwischen leitet er das Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling Project (SOCCOM). Es begann 2014 und ist bis 2020 mit 21 Millionen US-Dollar ausgestattet. In seinem Rahmen wollen die Forscher insgesamt rund 200 batteriebetriebene Treibbojen entlassen, die in den oberen 2000 Metern des Südpolarmeers regelmäßig auf- und abtauchen. Sie ergänzen das etablierte weltumspannende Beobachtungssystem Argo, das mit fast 4000 ähnlichen Bojen Daten zu Temperatur und Salzkonzentration aller Meere sammelt. Die Varianten von SOCCOM werden darüber hinaus den Gehalt von Sauerstoff, Kohlenstoff und Nährstoffen im Wasser rund um die Antarktis dokumentieren.

Mit den neuen Informationen können Sarmiento und sein Team die Modelle zum Austausch von Kohlendioxid zwischen den Meeren und der Atmosphäre verbessern. Indirekten Hinweisen zufolge fungiert das Südpolarmeer als eine Nettosenke und hat seit Beginn der industriellen Revolution bis zu 15 Prozent aller Kohlenstoffemissionen der Menschheit aufgenommen. Je nach Jahreszeit und Region entlässt kohlenstoffreiches, an die Oberfläche gespültes Wasser wieder einen Teil des Gases in die Atmosphäre.

Bald werden Forscher die Vorgänge im antarktischen Ozean beinahe in Echtzeit und flächendeckend direkt vor Ort messen können. »Wir haben gesehen, dass viel mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird als bisher angenommen«, erzählt Sarmiento. Das scheint insbesondere im Winter der Fall zu sein. Die Untersuchungen basieren lediglich auf Messdaten der Bojen, die seit mindestens einem Jahr im Wasser schwimmen. Daher ist nicht klar, ob die höheren Emissionen repräsentativ für Veränderungen über das gesamte Südpolarmeer sind. »Das ist ein spannender Hinweis, weil dann die Kohlenstoffsenke schwächer wäre, als wir bisher dachten«, meint Alison Gray, die als Postdoktorandin in Princeton die Messungen auswertet.

Der Südliche Ozean verändert sich – doch was bedeutet das?
Ähnliche Hinweise gab es schon früher. Laut einer 2007 im Fachmagazin »Science« veröffentlichten Studie des Teams um Corinne Le Quéré, heute Leiterin des britischen Tyndall Centre for Climate Change Research, ging die Kohlenstoffaufnahme im Südpolarmeer zwischen 1981 und 2004 zurück. Die Forscher machen dafür die Winde um den antarktischen Kontinent verantwortlich. Deren Geschwindigkeit hat in dieser Zeit zugenommen, wahrscheinlich als Folge der globalen Erwärmung sowie des Ozonlochs. Dieses kühlt die Stratosphäre über der Antarktis.

Der lokale Temperaturgegensatz verstärkt die Stürme, die wiederum mehr nährstoffreiches Wasser an die Oberfläche ziehen, wo es Kohlendioxid freisetzt.

Würde dieser Trend anhalten, könnte der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in Zukunft rascher ansteigen. Allerdings deutete eine weitere Veröffentlichung in »Science« 2015 auf eine effektivere Kohlenstoffsenke seit Anfang des Jahrtausends hin (siehe »Unstete Senke«, oben). Le Quéré ist sich nicht sicher, ob das eine Rückkehr zur Normalität darstellt oder lediglich eine Abweichung von einem lang-fristigen Trend. Eigentlich wisse man nur: Der Südliche Ozean ist wesentlich unbeständiger als gedacht.

AUF EINEN BLICK: INSPEKTION ÜBERFÄLLIG

1 Kräftige Winde und Strömungen wälzen den antarktischen Ozean bis in große Tiefen um – mitsamt der Wärme, den enthaltenen Gasen und Nährstoffen. Das beeinflusst das Klima und die übrigen Weltmeere.

2 Trotz dieser globalen Bedeutung ist die Dynamik des Südpolarmeers kaum erforscht. Die extrem unwirtlichen Bedingungen ließen vor Ort bislang nur vereinzelte Messungen zu.

3 Forscher wollen mit Hightech die Datenlücken schließen, etwa mit automatisierten Treibbojen. Erste Auswertungen deuten auf dramatische Veränderungen in der Region binnen kurzer Zeit hin.

Die Bojen des SOCCOM-Projekts werden den Forschern bei diesen Fragen weiterhelfen, auch wenn es noch Jahre dauern dürfte, bis Genaueres bekannt wird. Le Quéré zufolge könnten selbst diese Daten nicht ausreichend Details liefern. Im Juli 2016 gab sie zu bedenken, dass Modelle zur Kohlenstoffaufnahme im Südpolarmeer stark von den Annahmen über das dortige Nahrungsnetzwerk abhängen. Bessere Klimaprognosen ließen sich darum nur mit umfassenderen Informationen zur Blüte des Phytoplanktons und Zooplanktons erstellen: »Das ist die nächste große Hürde.«

Der Kohlenstoff ist nur eines der wichtigen Themen für die Wissenschaftler. Sie wollen außerdem herausfinden, was mit der Wärme geschieht. Der Südliche Ozean ist Dreh- und Angelpunkt für ein Netzwerk von Strömungen, die Wasser, Wärme und Nährstoffe durch die Meeresbecken schieben. In der Nähe der Antarktis kühlt das Oberflächenwasser ab. Es wird dichter, sinkt herab und treibt Tiefseeströmungen an. Diese streichen über den Boden und ziehen gen Norden in den Pazifik, den Atlantik und den Indischen Ozean.

Viele der bisherigen Erkenntnisse stammen aus Erhebungen, die seit den frühen 1990er Jahren etwa alle zehn Jahre mit Hilfe von Schiffen durchgeführt worden sind. Dabei stellten die Wissenschaftler 2010 fest: Das Tiefenwasser hatte sich deutlich und überraschend stark aufgeheizt und etwa zehn Prozent der zusätzlichen Wärme aus dem globalen Temperaturanstieg absorbiert.

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Unser Online-Dossier zum Thema finden Sie unterspektrum.de/t/meere

Die Forscher fanden verschiedene Erklärungen. Beispielsweise wurde das Oberflächenwasser um die Antarktis herum immer salzärmer, teilweise wegen stärkerer sommerlicher Regenfälle über dem Ozean. Salzarmes Wasser hat eine geringere Dichte und sinkt daher möglicherweise nicht mehr wie gewohnt in die bodennahen Strömungen herab. »Das Wasser in der Tiefe erwärmt sich, weil es nicht genügend Kaltwassernachschub erhält «, erklärt der Ozeanograf Gregory Johnson von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in Seattle, der auch Koautor der Analyse von 2010 war. Eine weitere Studie, die sich auf neue Beobachtungen von Schiffen stützt, kommt zum selben Schluss.

Für ein genaueres Bild brauchen die Forscher mehr Daten aus häufigeren Messungen. Das wird vielleicht mit dem geplanten internationalen Projekt Deep Argo möglich. Dabei sollen Treibbojen regelmäßig bis zum Boden abtauchen. Die Bojen der bestehenden Argo-Flotte halten nur den Druck von 2000 Meter Wassersäule aus – im Durchschnitt ist das Meer mehr als doppelt so tief. Johnson gehört einem US-Konsortium an, welches die neuen Bojen vor den Küsten Neuseelands und Australiens testet. Andere Forscher wollen die Tiefenwasserströme mit Hilfe von verankerten Stationen beobachten. Seit 1999 betreut Gordon einige davon im Weddellmeer – eine der Hauptregionen, in der das kalte Oberflächenwasser absinkt und Strömungen am Meeresboden anstößt. Wie die Wissenschaftler herausfanden, wurde das Tiefseewasser in einigen Gebieten im Lauf der Zeit immer salzärmer. Die Langzeittrends sind jedoch noch nicht eindeutig. »Wir verstehen erst allmählich, wie sich das Bodenwasser verändert und wie das die gesamte globale Zirkulation beeinflusst«, sagt er.

Eine weitere Expedition beweist:
Auch die Ostantarktis verändert sich rapide

Im Januar 2015 kreuzten Ozeanografen auf dem australischen Eisbrecher »Aurora Australis« vor der ostantarktischen Küste. Dabei bot ein Riss im Meereseis eine einmalige Gelegenheit: Sie folgten ihm und erreichten den Rand des Totten-Gletschers, einen der größten Abflusspunkte für die dortige Eisdecke (siehe Bild S. 20). Keine andere Expedition kam je so nah an den Gletscher heran.

Das Eisschelf ist 200 Meter dick; darunter und davor brachte das Team Messgeräte ins Wasser (Bild rechts). Die Ergebnisse schockierten sie. An der Vorderseite des Gletschers stellten sie eine um drei Grad Celsius höhere Temperatur fest als am Aufsetzpunkt an der Basis, wo das Wasser gefriert. »Wir dachten immer, der Totten-Gletscher sei weit genug von warmen Gewässern entfernt und würde von ihnen nicht beeinflusst«, berichtet der Expeditionsleiter Steve Rintoul vom Antarctic Climate and Ecosystems Cooperative Research Centre in Hobart in Australien, »doch warmes Wasser war überall am Schelf.«

Andere Teams hatten schon warme Strömungen unter der westantarktischen Eisschicht ausgemacht. Rintouls Expedition konnte belegen, dass ein ähnlicher Prozess die östliche Antarktis untergräbt. Damit ist fraglicher denn je, wie lange die gigantischen Eismengen, die den Kontinent bedecken, noch überdauern werden.

Bislang ist unklar, was diese oberflächennahen Strömungen aufheizt. Erklärungen wie der Auftrieb warmen Wassers durch veränderte Windlagen diskutieren die Experten ebenso wie eine Kombination aus salzärmerem Oberflächenwasser und einer Zunahme von Meereis. Beides zusammen könnte eine Art Deckel auf dem Ozean bilden, der Teile des warmen, aufsteigenden Wassers in Richtung Küste drängt. »Jeder hat seine bevorzugte Begründung, ich natürlich auch. So funktioniert Wissenschaft nun einmal: Je mehr man beobachtet, desto komplizierter wird es«, kommentiert Gordon.

Einige Forscher beziehen die ständigen Bewohner der Antarktis in ihre Suche nach Antworten ein. Merediths Team vom British Antarctic Survey möchte beispielsweise Weddellrobben mit Sensoren ausstatten. Die Tiere könnten dann Messwerte sammeln, während sie unter der Eisdecke entlang des Kontinentalsockels nach Futter suchen. Diese Zone ist besonders bedeutsam, weil dort das kalte Wasser in die Tiefe sinkt. »Die Prozesse sind äußerst wichtig für die ganze Welt, lassen sich aber nur schwer messen. Mit den Robben könnten wir unsere bisherigen Grenzen überschreiten «, erklärt Meredith. Die Meeressäuger sind nur ein Teil des Plans. Die Forscher wollen außerdem autonome Gleiter auf programmierte Routen in bis zu 1000 Meter Tiefe schicken und dort Temperatur und Salzgehalt messen. Zusammen mit Beobachtungen vom Schiff aus soll das mehr Klarheit über die Vorgänge in der Region schaffen.

Mit einer »CTD-Rosette« nehmen Forscher Wasserproben.


Aus den vielen Daten nun noch die richtigen Schlüsse ziehen
Das Sammeln von Messwerten reicht jedoch nicht aus. Wissenschaftler müssen damit den Transport von Wärme, Kohlendioxid und Nährstoffen um den Globus vorhersagen können. Bis dahin ist es trotz fortschrittlicher Datenerhebung ein weiter Weg, denn nach bisherigen Erkenntnissen folgt das Upwelling keinem einfachen Muster. Vielmehr wirbelt das aufsteigende Wasser, bevor es die Oberfläche erreicht, zunächst eineinhalbmal um den Kontinent. Bei den Simulationen von Sarmientos Team waren nur die Modelle mit höchster Auflösung in der Lage, dieses Verhalten zu berechnen. Sarmiento meint, es werde sicherlich noch lange dauern, bis Computer die Prozesse in der Region gut nachvollziehen können.

Russell ist zuversichtlich, dass der Südliche Ozean langsam seine Geheimnisse preisgibt. Nachdem sie 1994 von ihrer ersten Fahrt zurückgekehrt war, beschäftigte sie sich erst einmal damit, die Simulationen zu verbessern.

Die damals vorhandenen Daten haben noch nicht genügt, um die Auswirkungen des von ihr beobachteten Upwellings irgendwie beziffern zu können. Inzwischen leitet sie die Modellrechnungen des SOCCOM-Projekts und bekommt mehr Daten, als sie sich jemals erträumt hat. »Aus Sicht einer Ozeanografin leben wir in einer faszinierenden Zeit«, meint sie, »dabei wohnen wir genau genommen einem beängstigenden geophysikalischen Experiment an unserem Planeten bei.«

QUELLEN

Gordon, A. L. et al.: A Seasonal Cycle in the Export of Bottom Water from the Weddell Sea. In: Nature Geoscience 3, S. 551–556, 2010

Landschützer, P. et al.: The Reinvigoration of the Southern Ocean Carbon Sink. In: Science 349, S. 1221–1224, 2015

Le Quéré, C. et al.: Saturation of the Southern Ocean CO2 Sink Due to Recent Climate Change. In: Science 316, S. 1735 –1738, 2007

Purkey, S. G., Johnson, G. C.: Warming of Global Abyssal and Deep Southern Ocean Waters between the 1990s and 2000s: Contributions to Global Heat and Sea Level Rise Budgets. In: Journal of Climate 23, S. 6336–6351, 2010

Rintoul, S. R. et al.: Ocean Heat Drives Rapid Basal Melt of the Totten Ice Shelf. In: Science Advances 2, e1601610, 2016

nature

© Nature Publishing Groupwww.nature.com
Nature 539, S. 346–348, 17. November 2016


ISTOCK / RAY HEMS

PAUL BROWN, AUSTRALIAN ANTARCTIC DIVISION

NATURE, NACH LANDSCHÜTZER, P. ET AL.: THE REINVIGORATION OF THE SOUTHERN OCEAN CARBON SINK. IN: SCIENCE 349, S. 1221-1224, 2015; TOLLEFSON, J.: THE HOSTILE OCEAN THAT SLOWED CLIMATE CHANGE. IN: NATURE 539, S. 346-348, 2016; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

EPICSTOCKMEDIA / FOTOLIA

STEVE RINTOUL, AUSTRALIAN ANTARCTIC DIVISION