Der Ozean

Der Ozean ist ein wesentlicher Bestandteil des Klimasystems und steht vor allem im Austausch mit der Atmosphäre.

Der Ozean

Austausch von Energie mit der Atmosphäre

Wie für die Atmosphäre so besitzt die Sonneneinstrahlung auch für den Ozean eine wesentliche Bedeutung. Das Meer absorbiert und reflektiert die solare Einstrahlung je nach Breitenlage in unterschiedlichem Maße. Bei hoher Einstrahlung, d.h. vor allem in niederen Breiten bei geringer Bewölkung, also in den Subtropen, nimmt das Meerwasser viel Energie auf. Dadurch wird das Oberflächenwasser erwärmt, und ein Teil verdunstet, wodurch Energie verbraucht wird und der Salzgehalt des Meerwassers ansteigt. Die Bildung einer warmen Deckschicht in tropischen und subtropischen Gebieten hat zur Folge, dass sich eine stabile Wasserschichtung mit leichtem Oberflächen- über schwererem Tiefenwasser ausbildet, die verhindert, dass Oberflächenwasser in die Tiefe absinken kann. Je nach Einfallswinkel der Sonnenstrahlen werden 4-90% der Strahlen von der Wasseroberfläche reflektiert. Dadurch geht in höheren Breiten die ohnehin geringe Einstrahlung durch die Sonne zum großen Teil durch Reflexion wieder verloren. Das kalte Oberflächenwasser in den höheren Breiten kann sich hier aufgrund seiner hohen Dichte mit dem Tiefenwasser leicht austauschen. Die Unterschiede in der Energieaufnahme und im Salzgehalt, an denen allerdings auch Wechselwirkungen mit der Atmosphäre und der Kryosphäre beteiligt sind, führen zu unterschiedlichen Dichteverhältnissen im Meerwasser. Dadurch entsteht unter Mitwirkung der atmosphärischen Zirkulation ein Strömungssystem, die sogenannte thermohaline Zirkulation, das im Mittel Energie von den niederen in höhere Breiten transportiert und so zusammen mit der atmosphärischen Zirkulation die Einstrahlungsgegensätze auf der Erde ausgleichen hilft. Im Vergleich zur Atmosphäre ist der Ozean ein träges System, d.h. er nimmt Energie langsamer auf und gibt sie langsamer ab, und die ozeanische Zirkulation ist wesentlicher langsamer als die atmosphärische und transportiert damit Energie auch langsamer von niederen in höhere Breiten. Allerdings ist die Wärmekapazität des Meerwassers sehr groß, so dass der atmosphärische und der ozeanische Wärmetransport von der gleichen Größenordnung sind.

Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre
Abb. 2:
Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre

Der Ozean nimmt Energie nicht nur direkt von der Sonne auf, sondern auch aus der Atmosphäre und gibt seinerseits Wärmeenergie an die Atmosphäre ab. Im Mittel erwärmt die Atmosphäre in niederen Breiten den Ozean und wird in höheren Breiten vom Meerwasser erwärmt. Der ozeanische Energietransport durch die thermohaline Zirkulation führt in einigen Gebieten der höheren Breiten dabei zu besonders starker Energieabgabe an die Atmosphäre wie z.B. im Nordatlantik durch den Golfstrom, der in manchen Gebieten die Luft um bis zu 10 oC über das Breitenmittel erwärmt. Die Tag- und Nacht-, Sommer- und Winterunterschiede werden von der Atmosphäre unmittelbar nachvollzogen, wirken sich aber nur gedämpft und verzögert auf den Ozean aus. So ist das Meerwasser am Tage und im Sommer kühler als das benachbarte Land, nachts und im Winter dagegen wärmer, was auch das Klima der benachbarten Landgebiete beeinflusst (maritimes Klima). Hinzu kommt, dass der Ozean in den Absinkgebieten der thermohalinen Zirkulation Temperaturänderungen in große Tiefen weiter- und erst nach Hunderten von Jahren wieder an die Atmosphäre abgibt.

Austausch von Wasser

Außer Energie tauschen Ozean und Atmosphäre auch Wasser miteinander aus, mit weitreichenden Folgen für beide Subsysteme. Verdunstung entzieht dem Ozean Süßwasser, erhöht den Salzgehalt und damit die Dichte und steigert in der Atmosphäre den Wasserdampfgehalt und die Niederschlagsneigung. Die Dichteerhöhung des Meerwassers spielt für die thermohaline Zirkulation eine wesentliche Rolle. Die ozeanische Verdunstung liefert über 80% des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre und ist damit der Hauptantrieb für den Wasserkreislauf und insbesondere für Niederschläge auch auf dem Land (s. Abb. 14). Soweit der Niederschlag über dem Meer fällt, verringert er im Oberflächenwasser die Dichte und beeinflusst damit die ozeanische Zirkulation. Aber auch der über die Flüsse indirekt in den Ozean gelangende Niederschlag wirkt sich in dieser Weise aus. Verdunstung und Ausregnen des verdunsteten Wasserdampfes ereignen sich nur teilweise am selben Ort oder in derselben Klimazone wie vor allem in den Tropen. Meistens sorgt die atmosphärische Zirkulation dafür, dass der Wasserdampf über große Entfernungen transportiert wird und sich weit entfernt von seinem Ursprung ausregnet. So wird etwa der in den Subtropen des Atlantiks verdunstete Wasserdampf zu einem großen Teil durch Passatwinde über die mittelamerikanische Landbrücke transportiert und fällt als Niederschlag in den pazifischen Tropen, ein wesentlicher Grund für den höheren Salzgehalt des atlantischen Ozeans gegenüber dem Pazifik und vielleicht der Hauptantrieb für das gegenwärtige Muster der thermohalinen Zirkulation (s. Abschnitt Ozean). Umgekehrt beeinflusst das Meer durch seine thermischen Eigenschaften aber auch die Zirkulation der Atmosphäre, wie an dem Beispiel der Land-See-Zirkulation am einfachsten verdeutlicht werden kann.

Wind und Meeresströmungen

Die Atmosphäre beeinflusst die ozeanische Zirkulation aber nicht nur indirekt durch Energie- und Wasseraustausch, sondern auch direkt durch den Wind, der die Oberflächenströmung des Meeres antreibt. Dabei folgt das Strömungssystem an der Oberfläche der Ozeane weitgehend den großen Windsystemen der Passate und der Westwindzonen, wird aber bei meridionalem Antrieb durch die Corioliskraft noch zusätzlich davon abgelenkt. Hinzu kommt der begrenzende Einfluss der Kontinentalränder, der die Bildung großräumiger Zirkulationszellen bewirkt. Der Windschub setzt die oberen Wasserschichten in Bewegung und wir durch innere Reibung an die unteren Schichten weitergegeben. Durch die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den langsameren Wassermassen in der Tiefe und dem sich schneller bewegenden Oberflächenwasser entstehen Wirbel, die für eine gute Durchmischung der bis ungefähr 100 m Tiefe reichenden Deckschicht sorgen.

Gasaustausch mit der Atmosphäre

Gerade für die Frage des Treibhauseffektes spielt der Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre eine wesentliche Rolle. Durch den Austausch von Kohlendioxid zwischen Atmosphäre und Ozean wird der CO2-Gehalt der Atmosphäre stark beeinflusst. Das bedeutet, dass die Strahlungseigenschaften der Atmosphäre auch durch den Ozean mitbestimmt werden. Ist der Ozean in Abhängigkeit von der Wassertemperatur, chemischen Prozessen, der Photosynthese der ozeanischen Biosphäre und der Tiefenkonvektion in der Lage, viel CO2 aus der Atmosphäre aufzunehmen, werden der atmosphärische Kohlendioxidgehalt und damit auch die Treibhauswirkung und die globale Temperatur relativ niedrig gehalten. Vermindert sich die Fähigkeit des Ozeans zur CO2-Speicherung und kommt es zur vermehrten Ausgasung von Kohlendioxid in die Atmosphäre, tritt der entgegengesetzte Effekt ein. Aufnahme und Abgabe von CO2 durch den Ozean beeinflussen daher auch stark den Anteil des in der Atmosphäre verbleibenden anthropogen emittierten Kohlendioxids und dessen klimatische Wirkung.

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