Meereskunde

Gegenstand und Teilgebiete

Meereskunde, auch Meereswissenschaften oder Meeresforschung, untersucht das Meer in seiner ganzen Breite. Im Deutschen meint Ozeanographie traditionell besonders die physikalische Meereskunde; biologische Meereskunde wird auch Meeresbiologie genannt. Die UN erklärte 2021 bis 2030 zur UN-Dekade der Meeresforschung für nachhaltige Entwicklung.

Die physikalische Ozeanographie erforscht unter anderem Strömungen, Temperatur, Salzgehalt, Schallgeschwindigkeit, Akustik, Schwebstoffe und Lichtdurchlässigkeit. Sie betrachtet außerdem Turbulenz, Wellen, Gezeiten, wind- und dichtegetriebene Driftströme sowie den Wärmetransport. Messungen erfolgen direkt vor Ort, etwa mit Forschungs- und Vermessungsschiffen, Bojen, Sensoren, Verankerungen, Driftern und Floats, oder per Satelliten-Fernerkundung. Die Satellitengeodäsie, besonders die Altimetrie, hilft bei der Bestimmung von Wind, Strömungen, Meeresoberfläche und Geoid.

Meeresbiologie untersucht Anpassungen, Vorkommen, Wachstum, Fortpflanzung und Sterberate von Meeresorganismen sowie den Einfluss von Temperatur, Salzgehalt und Strömungen. Zu ihr gehören beispielsweise Meeresbotanik, Meereszoologie, Planktonologie, Fischereibiologie, marine Mikrobiologie und marine Ökologie. Die Meeresökologie erforscht Wechselwirkungen zwischen Organismen und Umwelt sowie Rückwirkungen auf Trübung, Sedimentation und Nährstoffkreisläufe.

Weitere Teilbereiche sind Meeresgeologie, Paläozeanographie, maritime Meteorologie und Klimatologie, maritime Geochemie, marine Biogeochemie und chemische Meereskunde. Meerestechnik entwickelt Geräte zur Beprobung und automatischen Messung, etwa Tiefendrifter, Glider, Lander, autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) und ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROV). Die Meereskunde ist interdisziplinär und arbeitet besonders mit Geophysik und Geodäsie zusammen. Wichtige Forschungsfragen betreffen die Rolle der Ozeane als CO₂- und Wärmespeicher, Meeresspiegelanstieg, Küsten, Vermüllung, Versauerung und biologische Vielfalt.

Entwicklung und Forschungsreisen

Die frühe Meeresforschung war eng mit Erd- und Navigationserkundung verbunden: Küsten, Inseln und Meeresräume sollten beschrieben und auf Karten eingeordnet werden. Ptolemäus fasste um 150 n. Chr. frühe Küstenbeschreibungen, Periploi, zusammen. Astrolabium und Jakobstab ermöglichten um 1500 die astronomische Breitenbestimmung auf See. Mit Sextant (1731), Schiffschronometer (1764) und Funkzeitzeichen wurde die Ortsbestimmung so genau, dass geografische Koordinaten jederzeit bestimmt werden konnten.

Isaac Newton erklärte 1687 die Gezeiten als Wirkung der Massenanziehung zwischen Erde, Mond und Sonne. Als erste meereskundliche Expedition gilt Edmond Halleys Reise von 1698 zur Untersuchung der Ortsmissweisung. Der Golfstrom wurde 1513 entdeckt, Meeresströmungen 1603 beschrieben; Karten erschienen 1678 und 1786, um die Fahrzeit zwischen Europa und Amerika zu verkürzen. Halley zeichnete 1688 die erste Karte der Windverhältnisse des Atlantiks.

Im 18. Jahrhundert entstanden hydrografische Dienste für Seevermessung, Seekarten, Seehandbücher und Gezeitentafeln. Matthew Fontaine Maury sammelte Mitte des 19. Jahrhunderts systematisch Schiffsbeobachtungen und veröffentlichte 1847 Wind- und Strömungskarten. Seine Arbeit führte 1853 zur ersten Internationalen Hydrographischen Konferenz in Brüssel und legte den Grundstein für einen internationalen Beobachtungsdienst, an dem heute etwa 6000 Fischerei- und Handelsschiffe beteiligt sind.

Als Beginn der modernen Meereskunde gilt die Challenger-Expedition ab 1872. Expeditionen wie die Plankton-Expedition 1889, die Pola-Expeditionen 1890–1898 und die Valdivia-Expedition 1898–1899 erfassten erstmals topografische, physikalische, chemische und biologische Verhältnisse der Weltmeere. Dabei entstanden Standardmethoden und Grundlagen theoretischer Ozeanologie. Forschungsreisen können allgemeine Aufnahmen, saisonmäßige, synchrone oder an bestimmte Wettertypen gebundene Aufnahmen sein. Für saisonmäßige Aufnahmen legte der Internationale Rat für Meeresforschungen 1902 Februar, Mai, August und November fest; untersucht wird entlang hydrologischer Schnitte.

Ozeane, Land, Küsten und Inseln

Die Erdoberfläche umfasst 510 Mio. km²: 361 Mio. km² Meer und 149 Mio. km² Land. Die Weltmeere machen jedoch nur 0,024 % der Erdmasse aus; das Massenverhältnis Erde zu Weltmeeren beträgt 4166:1. Da alle Weltmeere verbunden sind, ist von jedem Küstenpunkt jeder andere erreichbar, oft allerdings über große Umwege. Die Landengen von Suez und Panama boten die Möglichkeit, Umwege um Afrika beziehungsweise Südamerika durch Kanäle zu verkürzen.

Bei der Abgrenzung von Ozeanen und Nebenmeeren werden Meerengen vollständig einem Ozean zugeordnet; eine rein morphologische Grenze ist nicht eindeutig möglich. Grenzen erster Ordnung trennen Pazifik, Atlantik, Indischen und Arktischen Ozean. Grenzen zweiter Ordnung teilen Ozeane weiter, zum Beispiel am Äquator. Grenzen dritter Ordnung liegen zu Nebenmeeren und sind morphologisch am besten begründet; Grenzen vierter Ordnung zwischen Teilgebieten von Nebenmeeren sind meist willkürlich. Insgesamt nennt die Tabelle 362,033 Mio. km² Fläche, 1.349,930 Mio. km³ Volumen, 3.795 m mittlere Tiefe und 11.034 m maximale Tiefe. Der Pazifik ist mit insgesamt 181,344 Mio. km² der größte der aufgeführten Ozeanräume.

Küste ist der Bereich, in dem Meer und Land zusammentreffen. Hier wirken Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre zusammen. Wichtige ozeanographische Linien sind Küstenlinie auf Höhe der obersten Sturmflut und Brandungswirkung, Uferlinie an der maximalen Höchstwassergrenze sowie Wasserlinie des Springniedrigwassers. Küstenformen werden durch Krustenbewegungen, Gesteinsart, Seegang, Wasserstand, Gezeiten, Strömungen, Wetter, Klima, Flora, Fauna sowie durch Küstenschutz und Hafenbau geprägt.

Inseln sind vom Meer umspülte Landteile, die bei normalem Hochwasser nicht überspült werden. Man unterscheidet Einzelinseln und Inselgruppen, Archipele. Große Inseln wie Grönland, England und Madagaskar besitzen typisch kontinentale Strukturen; bei meist weniger als 100 km² großen Inseln ist der Meereseinfluss besonders wichtig. Inseln können tektonisch, vulkanisch, durch Anschwemmung, biogen als Koralleninseln, künstlich, durch marine Abtragung, durch Überflutung eines Landteils oder durch tektonische Verwerfungen entstehen.

Meeresboden und Sedimente

Das Bodenrelief umfasst die Flachsee oder den Schelf, der den Kontinent bis ungefähr 200 m Wassertiefe umgibt, und den steileren Kontinentalabhang zur Tiefsee. Vertiefungen sind Becken sowie langgestreckte Gräben oder Tiefseerinnen. Zu den Erhebungen zählen Barren, Unterwassergebirgsketten, Plateaus, Gipfel und Unterwasserlandengen. Bathymetrie bezeichnet die Tiefenlotung, etwa mit einem Echolot, um Profile des Meeresbodens zu erstellen.

Der Meeresboden besteht meist aus Sedimenten, also abgelagertem Material, nicht aus anstehendem Fels. Sedimente werden nach Entstehung, Zusammensetzung und Verteilung untersucht. Es gibt sechs genetische Gruppen: terrigene, biogene, polygene, chemogene, vulkanogene und kosmogene Sedimente. Terrigene Sedimente stammen vom Festland; etwa 85 % des Materials gelangen durch Flüsse in die Weltmeere. Weitere Quellen sind Küstenabtragung, Gletscher, Eisberge und Windstaub, etwa aus der Sahara. Strömungen sortieren das Material nach Korngröße; feine Bestandteile können weit hinaus transportiert werden und bilden den Hauptbestandteil des Roten Tiefseetons.

Biogene Sedimente bestehen aus Resten von Organismen vom Festland, vom Meeresboden lebenden Organismen oder Plankton. In der Tiefsee erreichen vor allem schwer lösliche kalk- und kieselsäurehaltige Reste den Boden, etwa Globigerinen, Pteropoden, Coccolithophoriden, Diatomeen und Radiolarien. Der Rote Tiefseeton ist das einzige polygene Sediment und besteht zu annähernd 90 % aus anorganischen Stoffen sowie Radiolarienresten. Chemogene Sedimente entstehen direkt am Meeresgrund, beispielsweise mit Glaukonit sowie Eisen- und Manganoxiden; vulkanogene Sedimente liegen vor allem nahe Vulkanen, kosmogene bestehen aus eisen- und silikathaltigen Teilchen interplanetarer Materie.

Die jährliche Sedimentzufuhr beträgt insgesamt 21,717 Mrd. t, davon 18,0 Mrd. t durch Flüsse und 2,0 Mrd. t durch Vulkane. Bodenproben und Bohrungen werden zu Karten und geologischen Schnitten verarbeitet. Diese zeigen Bodenarten und Schichtmächtigkeiten und sind wichtig für Schifffahrt, Ankerplätze, Eisfahrt, Fischerei, Küstenbauten und auch militärische Zwecke. Mikropaläontologische Analysen zählen kleine Muscheln und Skelette aus und kennzeichnen so die Mikrofauna; für Tiefseesedimente ist dies auch im Zusammenhang mit Erdölvorkommen bedeutsam.

Strömungen und wirkende Kräfte

Meeresströmungen transportieren Wassermassen vom Entstehungsgebiet in andere Ozeanbereiche, lassen Wasser absinken oder aus der Tiefe aufsteigen. Erwärmung durch die Sonne verändert die physikalisch-chemischen Wassereigenschaften meist in der Oberflächenschicht bis 600–1000 m Tiefe, der Troposphäre des Ozeans. Wind, Abkühlung, Bodenrelief und Vermischung tragen ebenfalls zur Strömungsbildung bei.

Strömungen werden nach Dauer in ständige, periodische und zeitweilige Strömungen eingeteilt; nach Bewegungsrichtung in geradlinige, zyklonale und antizyklonale; nach Eigenschaften in warme, kalte, salzige oder salzarme; nach Lage unter anderem in Küsten-, Oberflächen-, Boden-, Tiefen- und mehrschichtige Strömungen. Ständige Strömungen sind ganzjährig vorhanden, etwa Golfstrom und Kuroshio. Periodische Strömungen kehren regelmäßig wieder, etwa Monsunströmungen im Indischen Ozean. Zeitweilige Strömungen entstehen durch kurze, örtlich starke Winde.

Gravitationsströmungen beruhen auf Dichte- oder Druckunterschieden. Unterschiedliche Temperatur und unterschiedlicher Salzgehalt erzeugen verschiedene Dichten und damit Dichteausgleichsströmungen. Veränderungen des Luftdrucks bewirken Barogradientströmungen: Unter Hochdruck sinkt, unter Tiefdruck steigt der Wasserspiegel. Abflussströmungen entstehen durch eine geneigte Meeresoberfläche, etwa bei großen Flusszuflüssen oder starken Niederschlägen. Kompensationsströmungen gleichen einen Wassermangel durch Zufluss aus. Wind- und Triftströmungen entstehen durch Windreibung und Winddruck auf Wellenrücken.

Grundkräfte ruhender Wassermassen sind Schwerkraft, statischer Druck und Dichte. Bewegungen erzeugen vor allem Windschub, die Anziehung von Sonne, Erde und Mond mit Gezeitenwelle und Gezeitenströmungen, Luftdruckänderungen sowie die durch Wasserzuwachs entstehende Ausspiegelungskraft. Reibung vermindert die Geschwindigkeit und wandelt Bewegungsenergie in Wärme um; Erdrotation lenkt Bewegungen ab. Zentrifugal- und Trägheitskraft wirken besonders bei krummlinigen Bewegungen.

Meereis, Lebewesen und Beruf

Meereis wird nach mehreren Merkmalen klassifiziert: genetisch nach Form, Größe, Oberfläche und Farbe; nach Alter und Entwicklungsstadium; nach Struktur; physikalisch-mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit; chemischen Bestandteilen; nautischer Passierbarkeit; geografischer Eigenart sowie Dynamik, Drift und Eisbildung. Die Terminologie ist wegen regionaler Besonderheiten einzelner Meere und Ozeane noch nicht vollständig gelöst. Beispiele sind arktisches Packeis, das älter als zwei Jahre, mehr als 2,5 m dick und fast salzlos ist, sowie Brummeis: 3–5 m große, oft grünliche und kaum herausragende Eisblöcke. Ein Eisberg ist schwimmendes oder aufgelaufenes, von Gletschern oder Eisbarrieren abgebrochenes Eis mit mehr als 5 m Höhe über dem Meeresniveau.

Die Hydrobiologie gliedert Meereslebewesen in Plankton, Nekton und Benthos. Plankton treibt ohne große Bewegungsorgane in den Wasserschichten und umfasst beispielsweise Phytoplankton und Zooplankton. Nekton sind größere, selbstständig schwimmende Tiere wie Fische. Benthos umfasst Tiere und Pflanzen, die auf, am oder im Meeresboden leben. Das Vorkommen dieser Gruppen kann Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt von Wasserschichten anzeigen: Ändern sich nötige Lebensbedingungen, wandern bewegliche Organismen ab.

Ozeanographen arbeiten vor allem in Forschung, Meeresschutz oder meerestechnischen Firmen. In Deutschland ist das eigentliche Studium zum Ozeanographen zumeist in Kiel und Hamburg möglich, als Nebenfach auch in Bremen, Rostock und Oldenburg. Physikalische Ozeanographie entspricht bis zum Vordiplom einem Physikstudium; danach folgen ozeanographische Schwerpunkte. Chemische Ozeanographie baut normalerweise auf einem Vordiplom oder Diplom in Chemie und einer anschließenden Spezialisierung in der Promotion auf. Auch Zugänge über Geologie, Biologie oder als chemisch-technischer Assistent sind genannt.