Luftströme in der Atmosphäre sind Alltag für uns Meteorologen im Vorhersagedienst. Auch in den Themen des Tages wird des Öfteren beispielsweise eine kalte Nordströmung oder eine feuchtwarme Südwestströmung erwähnt. Heute wollen wir ein Stockwerk tiefer gehen und uns die Ozeane anschauen.
Auch im Meerwasser gibt es Mechanismen, die der Atmosphäre ähneln. Die grundlegenden physikalischen Prinzipien und (Bewegungs-) Gleichungen sind sogar dieselben. Wie die Luft in der Atmosphäre hat kaltes Wasser eine höhere Dichte als warmes Wasser und sinkt somit in größere Tiefen hinab. Der ein oder andere hat hier bestimmt gestutzt - und das zurecht. Denn es gibt einen kleinen aber feinen Unterschied. Wasser weist im Temperaturbereich von +4 bis 0 °C eine Dichteanomalie auf. Das heißt in diesem Intervall ist die Dichteänderung genau umgekehrt: 0 °C kaltes Wasser ist leichter als +4 °C "warmes" Wasser.
Im Gegensatz zu Luft muss für Wasser nicht nur die Temperatur, sondern zusätzlich der Salzgehalt (auch Salinität genannt) berücksichtigt werden. Hier gilt: Je salziger das Wasser ist, desto höher ist die Dichte. Durch diese beiden Bausteine wird eine weltumspannende Zirkulation in den Tiefen der Ozeane in Gang gesetzt, die thermohaline Zirkulation genannt wird.
In Abbildung 1 ist der Kreislauf skizziert. Beginnen wir an den Punkten, die mit "deep water formation" (deutsch: Tiefenwasserbildung) gekennzeichnet sind. Diese liegen einerseits auf hohen geographischen Breiten in der Nähe der Antarktis und der Arktis. Dort kühlt das Wasser an der Meeresoberfläche ab. Wie oben beschrieben, steigt dadurch die Dichte. Gleichzeitig finden dort noch andere Prozesse statt. Teile des Meerwassers gefrieren und bilden Eis, zusätzlich spielt die Wasserverdunstung auch eine Rolle. In beiden Prozessen bleibt das Salz im Meer "übrig", dadurch steigt der Salzgehalt und somit auch die Dichte. In Abbildung 2 ist die Verteilung der Dichte an der Meeresoberfläche dargestellt. Die angesprochenen Regionen stechen durch ihre rot eingefärbten Werte hervor.
Das kalte und salzige Meerwasser sinkt nun in die tieferen Ozeanschichten. In diesen Tiefen wird es dann auf verschiedenen Wegen in fast alle sieben Weltmeere transportiert (blaue Linien). Nach und nach mischt es sich mit wärmeren Wassermassen und steigt langsam an die Oberfläche. Das passiert vor allem im Pazifischen und im Indischen Ozean. Von dort tritt es seinen Rückweg an (rote Linien). Der uns wohl bekannteste Zweig dieses Systems ist der Golfstrom, der warmes Wasser von der Karibik in Richtung Europa bringt und dadurch das Klima in Nordwesteuropa milder gestaltet. Aber auch der Agulhasstrom an der Südspitze Afrikas oder der Kuroshio bei Japan gehören zu diesem System dazu.
Stellen wir uns vor wir würden uns heute ein Wasserpaket "aussuchen" und es nachverfolgen. Um diese Weltreise zu durchlaufen würde ein Menschenleben nicht ansatzweise ausreichen. Über 1000 Jahre ist das Wasser quer durch die Ozeane unterwegs, bevor es wieder am Ausgangspunkt angelangt.
Doch auch diese Zirkulation ist äußeren Einflüssen unterworfen. Die IPCC-Berichte sammeln eine immense Menge an Informationen und wissenschaftlichen Erkenntnissen zu Klimaveränderungen. Im letzten Bericht (siehe Link 1) aus dem Jahr 2021 wird beschrieben, dass die globale Erwärmung in Folge des Klimawandels es sehr wahrscheinlich macht, dass sich der nordatlantische Teil der Zirkulation in diesem Jahrhundert verlangsamen wird. Ein Grund dafür ist, dass die Eisschmelze Frischwasser in die Bereiche führt, in denen das Wasser absinkt. Das wirkt dem Dichteanstieg entgegen und verlangsamt das System. Die Stärke dieser Abschwächung ist dabei jedoch sehr ungewiss. Ein plötzlicher Kollaps der Zirkulation tritt jedoch mit mittlerer Konfidenz nicht ein. Der komplette Stopp der Warmwasserzufuhr und ein Katastrophenszenario wie es beispielsweise im Film "The Day After Tomorrow" thematisiert wird, ist also nicht wahrscheinlich. Trotzdem ist das Klima schützenswert, denn die Vorgänge sind komplex und mögliche Folgen oft schwer zu durchschauen.