Die Thermohaline Zirkulation am Beginn des Holozäns und in der Gegenwart

Die Thermohaline Zirkulation am Beginn des Holozäns und in der Gegenwart

Gegenüber der letzten Kaltzeit zeigt das Klima der jetzigen Warmzeit, des Holozän, eine erstaunliche Stabilität, die möglicherweise mit dazu beigetragen hat, dass sich in der Geschichte des Menschen der Ackerbau und die Hochkulturen entwickeln konnten. Ein wichtiger Grund dafür ist offensichtlich die relative Stabilität der Thermohalinen Zirkulation in den letzten 10.000 Jahren. Dennoch hat es zu Beginn dieser Phase, ca. 8200 vh., eine Schwächung der THC gegeben, die gegenwärtig viel diskutiert wird, weil die dadurch verursachte Abkühlung im nordatlantischen Raum ungefähr den Klimaänderungen entspricht, die von manchen Autoren bei einer Schwächung der THC durch den anthropogenen Klimawandel im Laufe des 21. Jahrhunderts für möglich gehalten werden.

Ähnlich wie in der jüngeren Dryas-Zeit führte auch zu Beginn des Holozäns der Durchbruch von gestautem Schmelzwasser durch eine Eisbarriere zu einer Schwächung der thermohalinen Zirkulation. Das Wasser des Lake Agassiz und des Lake Ojibway am Südrand des Laurentischen Eisschilds, deren Wasservolumen bei ihrer größten Ausdehnung etwa doppelt so groß war wie das des heutigen Kaspischen Meeres, drang zunächst unter dem Eis des Laurentischen Eisschildes in die Hudson Bai, bis es die Eisbarriere durchbrach und sich eine Flut von ca. 2x1014 m3 Süßwasser durch die Hudson Bai in die Labrador-See ergoss.1 Die Folge war eine deutliche Abschwächung der thermohalinen Zirkulation und ein Temperatursturz auf Grönland um 3 oC in relativ kurzer Zeit.2 Die Phae dauerte etwa 100-160 Jahre.2a

Das 8200 v.h.-Ereignis
Abb. 1:
Das 8200 vh.-Ereignis: oben links die auffällige Abkühlung um 5 oC nach Eisbohrkernmessungen auf Grönland, oben rechts der Beginn des Abfluss über eine subglaziale Drainage, unten Lake Agassiz und Lake Ojibway im Gebiet der heutigen Großen Seen und der Durchbruch durch den laurentischen Eisschild.3

Die Diskussion um die THC in der Gegenwart dreht sich um die Frage, ob die festgestellte globale Erwärmung um 0,7 oC in den letzten 100 Jahren, die größtenteils auf die Emission anthropogener Treibhausgase zurückgeführt wird, die thermohaline Zirkulation im nordatlantischen Raum schon merkbar verändert hat. Rein physikalische Gründe sprechen dafür, dass bei einer globalen Erwärmung in einigen Gebieten die Verdunstung, in anderen Gebieten die Niederschläge zunehmen. Eine wärmere Atmosphäre verstärkt nicht nur die Evapotranspiration, sondern erhöht auch die Wasserdampfkapazität und damit den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Die größere Wasserdampfmenge steht bei Niederschlägen zusätzlich zur Verfügung, weshalb die Niederschläge im Mittel ergiebiger sind.

Regional gesehen verdunstet das Wasser vor allem in den niederen Breiten der Ozeane und wird als Wasserdampf durch die atmosphärische Zirkulation in die mittleren und höheren Breiten transportiert, wo es in Form von Schnee oder Regen über den Ozeanen und den angrenzenden Kontinenten niedergeht. Der kontinentale Niederschlag wird zu einem erheblichen Teil über die großen Flüsse in das Nordpolarmeer entwässert. Insgesamt wird dem nördlichen Nordatlantik auf diese Weise eine zusätzliche Menge Süßwasser zugeführt, das auch in die Absinkgenbiete der THC gelangt und dort die Dichte verringert. Eine weitere Quelle zusätzlicher Süßwasserzufuhr in einem wärmeren Klima ist das Abschmelzen von Eis, sowohl in den Randzonen des grönländischen Eisschildes wie des arktischen Meereises. Zusammen mit der Erhöhung der Meeresoberflächentemperaturen durch die Erwärmung der Atmosphäre könnte die Süßwasserzufuhr die Dichte des Meerwassers in den Absinkzonen der Thermohalinen Zirkulation spürbar verringern und das Absinken selbst vermindern.

Einflussfaktoren durch die globale Erwärmung auf die Thermohaline Zirkulation
Abb. 2:
Gegenwärtig werden als Folge der globalen Erwärmung verschiedene Einflussfaktoren auf die Thermohaline Zirkulation diskutiert: die Erhöhung der Temperatur der oberen Wasserschicht (+SST), die Verstärkung des hydrologischen Zyklus (Verdunstung/Niederschlag), der erhöhte kontinentale Abfluss, Abschmelzprozesse beim Meereis und dem grönländischen Eisschild sowie ein höherer Wasserdampftransport vom Atlantik in den Pazifik. Nur der letztere Faktor, der den Salzgehalt im Atlantik erhöht, würde die THC verstärken, alle anderen Faktoren hätten eine Schwächung der nordatlantischen Umwälzpumpe zur Folge.

Einige Publikationen aus der ersten Hälfte der 2000er Jahre haben im nördlichen Nordatlantik gravierende Änderungen festgestellt, die mit den theoretischen Überlegungen über die Folgen einer Erwärmung in Einklang stehen sollen. So stellte eine 2005 erschienene Auswertung von Daten über den Zeitraum von 1957 bis 2004 eine Abschwächung der thermohalinen Zirkulation um 30 % fest.4 Eine andere Untersuchung zeigte auf, dass der Salzgehalt besonders der subpolaren Meere seit Mitte der 1960er Jahre deutlich abgenommen hat. Als Folge ist hiernach der Zufluss von arktischem Wasser über die Island-Grönland-Schwelle weniger salzhaltig und hat den Salzgehalt in der Labrador-See in 2000-3000 m Tiefe von 35,4 o/oo um 1960 auf 35,37 o/oo und weniger in den 1990er Jahren vermindert.5 Einige Autoren sahen in diesem Wandel 'die größte und dramatischste ozeanische Veränderung, die in der Epoche moderner instrumenteller Beobachtung je gemessen wurde' und einen Beleg für den klimatischen Wandel der Gegenwart.6

Die angenommene Abschwächung der Zirkulation  um fast ein Drittel, die sich auf nur fünf Messkampagnen von nur einem Monat und verteilt über mehrere Jahrzehnte stützte,  konnte jedoch durch spätere Untersuchungen nicht bestätigt werden. Ein Trend war durch derart punktuelle Messungen nicht belegbar. Erst seit 2004 gibt es 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. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigen zunächst einmal erstaunlich große Schwankungen von Monat zu Monat und von Jahr zu Jahr, aber keinen Trend.9 Eine neuere Untersuchung über den Rückfluss der THC nach Süden in einigen km Tiefe stellte allerdings eine Schwächung der Strömung um 20 % zwischen 2000 und 2009 fest, sieht darin jedoch keinen Beleg für den Einfluss des Klimawandels, sondern eine natürliche Schwankung.10 Insgesamt sind auch diese Datenreihen noch zu kurz, um einen Einfluss des anthropogenen Klimawandels zu belegen. Dazu braucht es noch mindestens zehn weiterer Jahre kontinuierlicher Beobachtung, wenn nicht sogar mehrerer Jahrzehnte.8  Ähnlich urteilt auch der letzte IPCC-Bericht von 2013. Trotz einer starken Verringerung des Wassertransports zwischen 2009 und 2010 um ca. ein Drittel sei ein langfristiger Trend nicht erkennbar. Auch weiter zurück liegende Beobachtungen in der Floridastraße zeigten seit den 1960er Jahren keinen Trend über mehrere Jahrzehnte, sondern nur geringe Dekaden-Schwankungen von 1 Sverdrup.11

Anmerkungen:
1. A.J. Weaver and C. Hillaire-Marcel: Global Warming and the Next Ice Age (2004): Science 304, 400-402
2. Hoffman, A.S., A.E. Carlson, K. Windsor, G.P. Klinkhammer, A.N. Le Grande, J.T. Andrews, J.C. Strasser (2012): Linking the 8.2 ka event and its freshwater forcing in the Labrador Sea, Geophys. Res. Lett., 39 (2012)
2.a IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 5.8.2
3. Verändert nach: Clarke, G. et al. (2003): Superlakes, Megafloods, and Abrupt Climate Change, Science 301, 922-923
4. Bryden, H. L., H. R. Longworth, and S. A. Cunningham (2005): Slowing of the Atlantic meridional overturning circulation at 25° N, Nature 438, 655-657
5. Dickson, B., I. Yashayaev, J. Meincke, B. Turrell, S. Dye & J. Holfort (2002): Rapid freshening of the deep North Atlantic Ocean over the past four decades, Nature 416, 832-837
6. Gagosian, R. (2003): Abrupt Climate Change: Should We Be Worried?, (Woods Hole Oceanographic Institution); R.A. Kerr (2004): Sea Change in the Atlantic, Science 303, 35
7. Cunningham, S.A., et al. (2007) Temporal variability of the Atlantic meridional overturning circulation at 26.5°N. Science 317, 935–938
8. Cunningham, S.A., and R. Marsh (2010): Observing and modeling changes in the Atlantic MOC, WIREs Climate Change 1, 180-191
9.  Baehr, J., K. Keller und J. Marotzke (2008): Detecting potential changes in the meridional overturning circulation at 26◦N in the Atlantic, Climatic Change  91, 11–27
10.  Send, U., M. Lankhorst and T. Kanzow (2011): Observation of decadal change in the Atlantic Meridional Overturning Circulation using 10 years of continuous transport data, Submitted to Geophysical Research Letters (Online-Publikation)
11. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 3.6.

Autor: