Der Einfluss der Erderwärmung auf den Wasserspiegel der Weltmeere ist unbestritten. Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresfoschung (AWI) haben nun Beweise dafür gefunden, dass sich die großen, windgetriebenen Strömungssysteme der Ozeane in den vergangenen 40 Jahren mit hohem Tempo in Richtung der Pole verschoben haben. Das zeigen die Ergebnisse von Auswertungen globaler Langzeit-Satellitendaten zur Meeresoberflächentemperatur und zur Höhe des Meeresspiegels.

Das Wasser in den acht großen, windgetriebenen Meeresströmungen der Erde, den sogenannten Ocean Gyres, bewegt sich vereinfacht gesagt im Kreis. Drei dieser Wirbel gibt es im Atlantik, drei im Pazifik und jeweils einen im Indischen sowie im Südlichen Ozean. Diese rotierenden Strömungssysteme sind zum großen Teil für das Wetter und das marine Leben in den Küstenregionen verantwortlich. So transportieren die fünf subtropischen Ozeanwirbel an ihrem westlichen Rand, wie dem Golfstrom, Wärme und Feuchtigkeit aus den Tropen in die mittleren und höheren Breiten. Dadurch beeinflussen sie die lokalen Lufttemperaturen und Niederschläge. An ihrem östlichen Rand, wie dem Kanarenstrom, steigt dagegen nährstoffreiches Wasser aus der Tiefe auf. Dort leben Algen, Kleinstlebewesen und Fische in riesigen Mengen. Deshalb werden diese Gebiete auch als Speisekammern der Ozeane bezeichnet.

Ozeanografische Langzeitmessungen dieser Ozeanwirbel waren bisher aus Kostengründen nicht möglich. Den Forscher des AWI ist es nun aber gelungen, diese Überwachung mittels einer Analyse von Langzeit-Satellitendaten durchzuführen. Dabei konnten sie anhand von Temperatur- und Höhenunterschieden die Lage der großen Strömungssysteme und ihre räumliche Ausdehnung rekonstruieren. „Beim Vergleich der Daten zeigte sich dann, dass sich in den zurückliegenden 40 Jahren alle acht großen windgetriebenen Oberflächenströmungssysteme polwärts verschoben haben“, sagt Erstautor und AWI-Ozeanograph Hu Yang.

Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Grenzen der sogenannten Ozeanwirbel und ihrer wichtigen Randströme sowohl auf der Nordhalbkugel als auch auf der Südhalbkugel um 800 Meter pro Jahr in Richtung des jeweiligen Pols verschieben. Auslöser der Verschiebung dieser Wassermassen ist laut Berechnungen mit einem neuen AWI-Klimamodell zum größten Teil die Erderwärmung. Die Auswirkungen sind ein Anstieg des Meeresspiegels, die Abwanderung von Arten und, dass sich Sturmgebiete geographisch verlagern.

Simulationen zeigen Einfluss der Erderwärmung

„Auf der Südhalbkugel sind diese Veränderungen besonders deutlich zu sehen“, erklärt Hu Yang. „Auf der Nordhalbkugel dagegen beeinflussen Faktoren wie die Lage der Kontinente und die Meereisentwicklung in der Arktis den Strömungsverlauf, sodass wir hier starke natürliche Schwankungen sahen, die uns motivierten, herauszufinden, welche Prozesse in welchem Ausmaß diese Verlagerung antreiben.“

Die Forscher simulierten die Entwicklung der Strömungssysteme unter anderem mit dem neuen AWI-Klimamodell. Dabei entsprachen die Ausgangsbedingungen der ersten Berechnungen einer Welt mit einem Kohlendioxidgehalt wie im Jahr 1850, vor Beginn der Industrialisierung. Nach einer stetigen Steigerung des Kohlendioxidgehalts in der Erdatmosphäre bis auf das doppelte Niveau konnten sie den möglichen Strömungsverlauf für unterschiedliche klimatische Ausgangsbedingungen berechnen.

Schematische Darstellung der großen windgetriebenen Ozeanzirkulation (schwarze Pfeile) und ihrer Bewegung (weiße Pfeile) unter globaler Erwärmung. (Foto: yanghu, Alfred-Wegener-Institut)

„Unsere Berechnungen für eine Welt mit hohen Kohlendioxidwerten ergeben dieselben Trends wie wir sie in den Satellitendaten sehen“, betont Mitautor und AWI-Klimamodellierer Prof. Gerrit Lohmann. „Ähnliche Veränderungen sehen wir auch in unseren Analysen mit anderen weltweit verfügbaren Modelläufen. Wir können somit zeigen, dass die Erderwärmung ein maßgeblicher Motor dieser Strömungsverlagerung ist.“

Außerdem würden die Klimasimulationen Hinweise darauf geben, welche Prozesse im Zusammenspiel von Ozean und Atmosphäre die Verschiebung der Ozeanwirbel verursachen, sagt Lohmann. „Wir sehen sowohl in verschiedenen Beobachtungsdaten als auch in unseren Modelläufen, dass sich die Winde, welche die Meeresströmungen antreiben, polwärts verlagern. Wie die einzelnen Bausteine des Klimasystems jedoch zusammenwirken, untersuchen wir derzeit in Folgeprojekten.“

Weitreichende Folgen für Mensch und Umwelt

Bereits im Rahmen früherer Studien haben Wissenschaftler erkannt, dass sich vor allem die östlichen und westlichen Randströme der großen Ozeanwirbel polwärts verlagern. Demnach belegen Klimadaten, dass zum Beispiel der Agulhasstrom während der letzten Eiszeit sieben Breitengerade dichter am Äquator lag als heute. Um genau herauszufinden, wie schnell diese Verschiebungen künftig vor sich gehen werden, müssten nach Aussagen der Forscher Langzeit-Satellitendaten und historische Klimadaten zur Wassertemperatur in den Randbereichen der Meeresströmungen miteinander kombiniert werden.

Fest stehe allerdings schon heute, dass die Verschiebung der großen Strömungssysteme weitreichende Folgen für Mensch und Umwelt habe. „Mit den westlichen Randströmen verschieben sich zum Beispiel die Pfade der Winterstürme und des Jetstream. In den Randbereichen der östlichen Randströme beobachten wir, dass die reichhaltigen Ökosysteme schrumpfen, weil sich durch die Strömungsverlagerung die Lebensbedingungen für die Meeresbewohner zu schnell ändern“, erläutert Hu Yang.

So gabe bisher bereits entscheidende Temperaturveränderungen unter anderem im Golf von Maine durch eine Verlagerung des Golfstroms. Die früher umfangreichen Kabeljaubestände sind aufgrund dieser veränderten Umweltbedingungen abgewandert. Vor der Ostküste Uruguays und Argentiniens verschiebt sich der Brasilstrom allmählich Richtung Süden. Darüber hinaus steigt der Meeresspiegel in den Gebieten überdurchschnittlich an, in denen Randströme in höhere Breiten vorstoßen, wie an der Nordostküste Nordamerikas. Da die Verlagerung der großen subtropischen Ozeanwirbel dazu führt, dass sich die nährstoffarmen Meeresregionen ausweiten und die Produktivität der Weltmeere insgesamt abnimmt, befürchten die Wissenschaftler, dass die Verlagerung der großen Strömungsringe der Anfang eines grundlegenden Wandels der Weltmeere darstellen könnte.

Die Studie, der Satellitendaten von 1982 bis 2018 für die Meeresoberflächentemperatur und von 1992 bis 2018 für die Höhe der Meeresoberfläche zugrunde lagen, wurde im Fachmagazin Geophysical Research Letters veröffentlicht.