Ozeanwirbel

Grundlagen und Entstehung

Ozeanwirbel oder Meereswirbel sind großräumige Zirkulationssysteme der Weltmeere. Sie verteilen Wärme, Salz, Nährstoffe und Kohlenstoff und beeinflussen dadurch Klima und biologische Produktivität. Unterschieden werden beständige subtropische Gyren, dynamischere subpolare Gyren und kleinere, meist kurzlebigere mesoskalige Eddys.

Für die Entstehung sind vor allem globale Windmuster, die Erdrotation und die Begrenzung durch Landmassen verantwortlich. Wind überträgt durch Reibung Bewegung auf die Meeresoberfläche. Aufgrund des Coriolis-Effekts werden diese windgetriebenen Oberflächenströmungen um etwa 45° abgelenkt: auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. Kontinente, Inseln, der Äquator und große Strömungen bestimmen zusätzlich die Form und Ausdehnung der Wirbel.

Der Südpazifikwirbel erstreckt sich beispielsweise über Hunderte Kilometer offenen Ozeans und wird durch Australien, Südamerika, den Äquator und den Antarktischen Zirkumpolarstrom begrenzt. Der kleinere Wirbel im nördlichen Indischen Ozean wird dagegen stark durch das Horn von Afrika, Sri Lanka, den indischen Subkontinent und den indonesischen Archipel eingeengt.

Strömungsaufbau und subtropische Gyren

Ein subtropischer Wirbel wird von vier verbundenen Strömungen umgeben: je einer Randströmung im Osten und Westen sowie zwei ungefähr ost-westlich verlaufenden Strömungen im Norden und Süden. Wegen der Erdrotation und der Anordnung der Landmassen sind westliche Randströmungen besonders schmal, tief und schnell. Sie erreichen mehr als 2,5 Meter pro Sekunde und können bis zur 100-fachen Abflussmenge aller Flüsse der Welt transportieren. Dieses Muster heißt westliche Intensivierung. Beispiele sind Golfstrom, Kuroshiostrom und Agulhasstrom.

Die warmen westlichen Randströmungen fließen polwärts, breiten sich anschließend aus, werden langsamer und wenden sich nach Osten. Die kälteren östlichen Randströmungen bewegen sich aus hohen Breiten zum Äquator. Sie sind langsam und diffus; in Äquatornähe wenden sie sich nach Westen und werden durch Passatwinde und die Wärme der tropischen Sonne beschleunigt.

Es gibt fünf permanente subtropische Wirbel: jeweils zwei im Atlantik und Pazifik sowie einen im Indischen Ozean. Sie entstehen aus dem Zusammenwirken von Passatwinden, Westwinden und Corioliskraft. Auf der Nordhalbkugel drehen sie sich im Uhrzeigersinn, auf der Südhalbkugel dagegen. Sie transportieren warmes Oberflächenwasser in höhere Breiten und kaltes Tiefenwasser zurück zum Äquator. Ihre stabilen Zentren sind meist nährstoffarm und weisen eine geringe Primärproduktion auf. Studien zeigen, dass sich diese Wirbel infolge des Klimawandels polwärts verlagern.

Die fünf großen subtropischen Wirbel

Der Nordatlantische Wirbel liegt zwischen der Intertropischen Konvergenzzone (ITCZ) und Island. Der Nordäquatorialstrom führt Wasser westwärts, das sich in der Karibik mit warmem Wasser aus dem Golf von Mexiko zum Golfstrom vereinigt. Dieser setzt sich nordostwärts als Nordatlantikstrom fort. Der südwärts fließende Kanarenstrom schließt die Zirkulation. Im Zentrum liegt die Sargassosee mit dichten Ansammlungen von Sargassum-Algen.

Der Südatlantische Wirbel erstreckt sich zwischen ITCZ und Antarktischem Zirkumpolarstrom. Zu ihm gehören Südäquatorialstrom, Brasilstrom und Benguelastrom. Benguela-Niño-Ereignisse, die atlantische Entsprechung zu El Niño im Pazifik, beeinflussen die biologische Produktivität im Benguela-Auftriebsgebiet.

Im Indischen Ozean bildet der Südäquatorialstrom die Nordgrenze des Wirbels. Bei Madagaskar teilt er sich in Mosambikstrom und Ostmadagaskarstrom. Beide vereinigen sich südlich der Insel zum Agulhasstrom, der Wasser in Richtung Atlantik leitet. Der Antarktische Zirkumpolarstrom und der nordwärts fließende Westaustralische Strom vervollständigen die Zirkulation.

Der Nordpazifische Wirbel reicht von der ITCZ bis ungefähr 50° N und gehört zu den größten Ökosystemen der Erde. Seine wichtigsten Strömungen sind Nordäquatorialstrom, Kuroshio-Strom, Nordpazifischer Strom und Kalifornienstrom. Nahe Nordamerika teilt sich der Nordpazifische Strom außerdem in den nordwärts gerichteten Alaskastrom und den südwärts gerichteten Kalifornienstrom. Im Wirbel befindet sich der „Great Pacific Garbage Patch“, eine riesige Ansammlung vor allem aus Plastikmüll.

Der Südpazifische Wirbel umfasst 10 % der globalen Ozeanfläche. Südäquatorialstrom, Ostaustralischer Strom, Antarktischer Zirkumpolarstrom und Humboldtstrom bilden seine Zirkulation. Auch hier gibt es einen großen Müllteppich, der wegen der Abgelegenheit des Gebiets erst 2016 entdeckt wurde.

Subpolare Wirbel und Eddys

Subpolare Gyren entstehen in hohen Breiten um 60° und zirkulieren um Tiefdruckgebiete wie das Aleutentief und das Islandtief. Auf der Nordhalbkugel drehen sie sich gegen den Uhrzeigersinn, auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. Windschub verursacht Ekman-Transport und damit Upwelling, also den Aufstieg nährstoffreichen Tiefenwassers. Deshalb können sich dort produktive marine Ökosysteme entwickeln. Die Veränderlichkeit dieser Wirbel hängt unter anderem mit der Pazifischen Dekaden-Oszillation und der Nordatlantischen Oszillation (NAO) zusammen.

Der Nordatlantische Subpolarwirbel südlich von Grönland ist Bestandteil der atlantischen meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC). Er führt warmes, salziges Wasser nach Norden und beeinflusst das europäische Klima. Kaltes, weniger salzhaltiges Wasser sinkt ab und bildet Tiefenwasser. Der Nordpazifische Subpolarwirbel liegt zwischen 45° N und 60° N. Zu ihm gehören der warme Alaskastrom und der kalte, nährstoffreiche Oyashio-Strom; außerdem ist er eine wichtige CO₂-Senke.

In der Antarktis drehen sich Ross-Wirbel und Weddellwirbel im Uhrzeigersinn. Der Ross-Wirbel beeinflusst Meereisverteilung und Schelfeisschmelze und transportiert Wärme und Nährstoffe. Der Weddellwirbel ist wichtig für die Bildung antarktischen Bodenwassers sowie für globalen Ozeanaustausch und Klima. Der gegen den Uhrzeigersinn rotierende Beaufortwirbel in der arktischen Beaufortsee ist mit 20.000 km³ das größte Süßwasserreservoir der Arktis und beeinflusst Meereistransport und globale Süßwasserverteilung.

Mesoskalige Eddys sind kleinere Wirbel mit Durchmessern von 10 bis 500 km. Sie entstehen häufig an instabilen Strömungen wie dem Golfstrom und transportieren Wärme, Salz, Kohlenstoff und Nährstoffe. Durch Auftrieb und vertikalen Austausch bringen sie Nährstoffe aus der Tiefe an die Oberfläche. Als „mobile Ökosysteme“ können sie Planktonblüten, Fischnahrung und ganze Biozönosen in entfernte Gebiete befördern.

Bedeutung für Klima und Ökosysteme

Ozeanwirbel sind zentrale Bestandteile der Meereszirkulation. Ihr horizontaler Wärmetransport verteilt Energie zwischen Tropen und höheren Breiten und prägt damit das globale Klima. Sie modulieren auch Erscheinungen wie El Niño und die Pazifische Dekaden-Oszillation. Der Nordatlantikwirbel trägt zur Erwärmung Europas bei.

Die Nährstoffverteilung bestimmt wesentlich die Primärproduktion, also den Aufbau organischer Stoffe durch Phytoplankton. Subpolare Wirbel sind durch den Aufstieg von Tiefenwasser nährstoffreich und bilden Hotspots für Fischerei und Biodiversität. Die stabilen Zentren subtropischer Wirbel sind dagegen so nährstoffarm und biologisch wenig produktiv, dass sie als „ozeanische Wüsten“ gelten.

Mesoskalige Eddys fördern durch Nährstofftransport das Planktonwachstum. Wandernden Thunfischen, Walen und Meeresschildkröten bieten sie zeitweilige Nahrungsgründe und Schutzräume. Wirbel unterstützen außerdem die biologische Kohlenstoffpumpe: Totes Plankton, gelöste organische Stoffe und anderes organisches Material gelangen in tiefere Wasserschichten. Dadurch wird CO₂ langfristig im Tiefenwasser gebunden.

Die stabilen Bereiche subtropischer Wirbel sammeln zugleich Kunststoff und andere Abfälle in großen Müllstrudeln. Solche Ansammlungen, besonders der „Great Pacific Garbage Patch“, gefährden zahlreiche Organismen und können marine Nahrungsketten stören.

Folgen der globalen Erwärmung

Die globale Erwärmung verändert Lage, Aufbau und Wirkung der Ozeanwirbel. Eine stärkere Schichtung des Meerwassers erschwert die Durchmischung verschiedener Wasserschichten. Dadurch gelangen weniger Nährstoffe an die Oberfläche, besonders in subtropischen Wirbeln.

Veränderte Windmuster können Wirbel verschieben oder ihre Strukturen verändern. Zusätzlich kann Schmelzwasser subpolare Wirbel abschwächen und dadurch die Bildung von Tiefenwasser stören. Eine mögliche Zunahme mesoskaliger Eddys könnte örtliche Ökosysteme kurzfristig fördern, weil zusätzliche Nährstoffe transportiert werden. Langfristig kann sie jedoch das ökologische Gleichgewicht verschieben.