Meeresströmung

Definition und Bedeutung

Meeresströmungen sind großräumige, gerichtete Bewegungen des Meerwassers. Sie transportieren Wassermassen sowohl horizontal als auch vertikal und sind ein zentraler Bestandteil des globalen Klimasystems. Dabei bewegen sie enorme Mengen an Wärme, Salz, Nährstoffen und gelösten Gasen wie Kohlendioxid.

Die wichtigsten Antriebskräfte sind Wind, Unterschiede in Temperatur und Salzgehalt, die Erdrotation mit der Corioliskraft sowie die Gestalt der Ozeanbecken. Meeresströmungen gleichen Temperaturunterschiede zwischen Äquator und Polen aus und beeinflussen dadurch, welche Regionen bewohnbar sind. Ein wichtiges Beispiel ist der Golfstrom mit seiner Fortsetzung, dem Nordatlantikstrom: Er transportiert warmes Wasser aus der Karibik nach Nordeuropa und sorgt dort für ein vergleichsweise mildes Klima.

Antriebskräfte und Typen

Meeresströmungen entstehen durch das Zusammenwirken mehrerer physikalischer Prozesse:

• Windantrieb wirkt vor allem in den oberen 100–200 Metern. Durch die Corioliskraft entsteht der Ekman-Transport, bei dem sich das Wasser spiralförmig bewegt.
• Die thermohaline Zirkulation wird durch Temperatur- und Salzgehaltsunterschiede und damit durch Dichteunterschiede angetrieben. Sie reicht in große Tiefen und ist sehr langsam.
• Gezeitenkräfte entstehen durch die Gravitation von Mond und Sonne. Sie verursachen besonders in Küstenregionen, Meeresengen und Buchten periodische Strömungen.
• Topografie und Bathymetrie, also die Form von Meeresboden, Inseln und Küstenlinien, können Strömungen kanalisieren oder blockieren.
• Barokline Instabilitäten, Wirbelbildungen und Reibung an Grenzen beeinflussen zusätzlich die räumliche und zeitliche Struktur.

Oberflächenströmungen reichen ungefähr 100–200 Meter tief und werden vor allem durch Wind und Gezeiten angetrieben. Beispiele sind Golfstrom, Kuroshio und Äquatorialstrom. Tiefenströmungen entstehen durch Dichteunterschiede: Kaltes, salzreiches Wasser sinkt in polaren Regionen ab und fließt als thermohaline Zirkulation in großen Tiefen um den Globus. Dieses System wird auch „globales Förderband“ genannt. Gezeitenströmungen wechseln regelmäßig mit dem Tidenhub. Rand- und Küstenströmungen verlaufen entlang von Kontinentalschelfen und Küsten, beispielsweise der Benguelastrom.

Großräumige Strömungen und Wirbel

Passatwinde erzeugen die Äquatorialströmungen, die von Osten nach Westen fließen. Dazu gehören Nordäquatorialstrom und Südäquatorialstrom. An Kontinenten werden sie durch den Coriolis-Effekt vom Äquator weggeleitet: auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. Dadurch entstehen westliche Randströmungen wie Golfstrom und Kuroshio. Sie transportieren warmes, salzreiches Wasser polwärts. Östliche Randströmungen wie Kanarenstrom und Kalifornienstrom führen kühles Wasser äquatorwärts zurück und schließen den Kreislauf eines Ozeanwirbels, eines sogenannten Gyres.

Wichtige Strömungen sind unter anderem der kalte Labradorstrom, der arktisches Wasser südwärts transportiert und Eisberge hervorbringt, der nährstoffreiche Benguelastrom an der südwestafrikanischen Küste, der kalte Humboldtstrom an der Westküste Südamerikas, der warme Agulhasstrom im Indischen Ozean und der Antarktische Zirkumpolarstrom. Letzterer gilt als stärkste Meeresströmung der Erde und verbindet Atlantik, Pazifik und Indischen Ozean. Die Somaliströmung kehrt sich jahreszeitlich mit den Monsunwinden um. Die Transpolardrift transportiert Eis und Wasser von Sibirien in Richtung Grönland.

Große Wirbel können subtropisch, subpolar oder polar sein. Der Nordatlantikwirbel ist ein subtropischer, im Uhrzeigersinn drehender Wirbel mit Golfstrom, Kanarenstrom und Nordäquatorialstrom. Der Nordatlantische Subpolarwirbel ist zyklonal, also gegen den Uhrzeigersinn gerichtet, und umfasst unter anderem Labradorstrom, Irmingerstrom sowie Ost- und Westgrönlandstrom. Weitere Systeme sind der Nordpazifikwirbel, der Südpazifikwirbel, der Südatlantikwirbel, der Indische Ozean-Wirbel, der Weddellwirbel, der Ross-Wirbel und der Beaufortwirbel. Beim Nordpazifischen Subpolarwirbel beschreibt der Artikel das System als zyklonal, nennt zugleich aber eine Drehung im Uhrzeigersinn.

Kleinere Wirbel heißen Eddys. Sie haben einen Durchmesser von 20 bis 200 km, entstehen häufig an den Rändern von Meeresströmungen und können Wochen bis mehrere Monate bestehen sowie viele hundert Kilometer zurücklegen. Ein Meddy, also ein salzreicher Wirbel aus Mittelmeerwasser, liegt typischerweise ungefähr 600 m unter der Meeresoberfläche und hat einen Durchmesser von ca. 100 km.

Einfluss auf Klima und Ökosysteme

Meeresströmungen transportieren Wärme von den Tropen in höhere Breiten und wirken dadurch temperaturausgleichend. Der Golfstrom erwärmt Westeuropa. An der Südwestküste Englands wachsen deshalb Palmen; im Winter liegen die Temperaturen meist über dem Gefrierpunkt. Auch die Westküste Norwegens bleibt weitgehend eisfrei, während die Ostküste Grönlands auf ähnlichen Breitengraden viele Eisberge und Gletscher aufweist. Das relativ milde Klima Islands wird ebenfalls auf den Golfstrom zurückgeführt.

Warmes Meerwasser fördert Verdunstung. Feuchte Luft kann über kälterem Land oder beim Aufsteigen an Bergen abkühlen und Niederschlag bilden. Dabei wird thermische Energie durch Verdunstungskälte und Kondensationsenthalpie übertragen. Kalte Strömungen können dagegen trockene Küstengebiete begünstigen. Der Humboldtstrom trägt zur Entstehung der Atacama und der Benguelastrom zur Entstehung der Namib bei. Kaltes Wasser führt zu vorzeitiger Kondensation und hemmt die Konvektion; dadurch fällt wenig Niederschlag. Häufiger Nebel kann jedoch durch Nebelkondensation von Lebewesen zur Wassergewinnung genutzt werden.

Meeresströmungen steuern marine Ökosysteme und die Biodiversität. Auftriebsgebiete entstehen durch divergente Strömungen und Windantrieb. Sie bringen nährstoffreiches Tiefenwasser in die euphotische Zone, also den lichtdurchfluteten Bereich, und ermöglichen eine hohe Primärproduktion. Humboldtstrom und Benguelastrom gehören deshalb zu den produktivsten und fischreichsten Meeresregionen.

Strömungen beeinflussen die Verbreitung und Wanderung von Plankton, Fischen, Meeressäugern und Schildkröten. Sie können Lebensräume, Nahrungsnetze und Fischereierträge verändern. Auch El Niño und La Niña hängen eng mit Veränderungen der äquatorialen Strömungsmuster im Pazifik zusammen. Laut IPCC-AR5 wurden von 1971 bis 2010 mit hoher Wahrscheinlichkeit 90 % der zusätzlichen Energieansammlung durch die globale Erwärmung vom Ozean aufgenommen.

Klimawandel, Kipppunkte und Beobachtung

Der Klimawandel verändert Temperatur- und Salzgehaltsverteilungen im Meer. Ursachen sind unter anderem die Erwärmung der Atmosphäre, das Abschmelzen von Gletschern und Meereis sowie Veränderungen von Niederschlag und Verdunstung. Auch veränderte Windfelder und atmosphärische Druckmuster wirken auf windgetriebene Strömungen. Im Südpazifik und Südatlantik wurden Verschiebungen westlicher Windgürtel und zunehmende Windgeschwindigkeiten beobachtet, die beschleunigte Zirkulationen bewirken können. Wirbel und Fronten sowie submesoskalige Prozesse verändern sich ebenfalls und beeinflussen vertikalen Austausch und Nährstoffangebot.

Besonders untersucht wird eine mögliche Abschwächung der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC), zu der auch der Golfstrom zählt. Süßwasser aus Grönland und veränderte Oberflächentemperaturen können die Dichteverhältnisse und damit die Tiefenwasserbildung stören. Beobachtungen und Modellrechnungen weisen darauf hin, dass die AMOC im 20. Jahrhundert bereits deutlich an Stärke verloren hat.

Kipppunkte sind Zustände, bei denen Strömungssysteme abrupt und möglicherweise irreversibel auf vergleichsweise kleine Störungen reagieren. Ein starker Süßwassereintrag in den Nordatlantik könnte die AMOC abschwächen oder stoppen. Mögliche Folgen wären eine Abkühlung Europas, eine Verschiebung tropischer Regenzonen, stärkere Dürren in Afrika und Südostasien sowie ein beschleunigter Meeresspiegelanstieg an der nordamerikanischen Ostküste. Modelle zeigen mehrere stabile Zustände der AMOC, darunter einen „abgeschalteten“ Zustand. Auch arktische Wirbel und regionale Systeme können Kipppunkte aufweisen.

Zur Beobachtung dienen Satelliten, etwa durch Altimetrie, ozeanografische Bojen wie ARGO, Strömungsmesser und autonome Unterwasserfahrzeuge. In den Polarregionen wird die Drift des Meereises als Hinweis auf ozeanische Strömungen genutzt. Die Messungen sind wichtig für globale Klimamodelle und Langfristprognosen über Jahrzehnte bis zu Jahrhundert-Skalen.