Umwälzzirkulation im Südozean

Für den zonalen Transport von Wassermassen im Südozean sorgt der Antarktische Zirkumpolarstrom (ACC). Starke Westwinde und Temperaturunterschiede zwischen den Subtropen und der vereisten Antarktis treiben diesen mächtigsten Meeresstrom der Erde an.  Überlagert wird die von West nach Ost setzende Zonalströmung von einer meridionalen Umwälzzirkulation, die mit einer Divergenz im großräumigen Windfeld zusammenhängt.

Ein Teil des in der Antarktischen Divergenz aufquellenden Tiefenwassers, angesogen aus seinem nordatlantischen Entstehungsgebiet, wird zunächst oberflächennah nordwärts getrieben und in der Konfluenz am Nordrand des ACC wieder in mittlere Wasserschichten um 1000 m Tiefe gedrückt. Als Antarktisches Zwischenwasser dringt es bis in die gemäßigten nördlichen Breiten vor, wo es über Temperatur- und Salzgehaltsänderungen die Großwetterlagen beeinflusst und über die mitgeführten Nährstoffe die Fischereierträge bestimmt. Ein anderer Teil des aufgetriebenen Tiefenwassers gelangt mit den im Uhrzeigersinn drehenden Stromsystemen im Ross- und Weddellmeer an den antarktischen Kontinentalhang.

Wärmeverluste an die Atmosphäre, Wechselwirkungen mit dem angrenzenden Schelfeis sowie Anreicherungen mit Salzlauge, die bei der Meereisbildung austritt, lassen Wassermassen sehr hoher Dichte entstehen, die den Kontinentalhang hinab in die Tiefe gleiten. Das neu gebildete sauerstoffreiche Bodenwasser unterströmt, von der Bodentopographie gelenkt, den Zirkumpolarstrom, um dann die tiefen Becken des Weltozeans zu füllen.

Das in der Antarktischen Divergenz aufquellende Tiefenwasser ist reich an Nährstoffen und natürlichem CO₂; wenn keine Meereisdecke den Gasaustausch behindert, würde es CO₂ an die Atmosphäre abgeben. Mit der Primärproduktion von organischen Kohlenstoffverbindungen bei der Photosynthese des pflanzlichen Planktons aber wird CO2 aufgenommen. Ein Teil des organischen Materials sinkt in Form biogener Partikel in tiefere Ozeanschichten oder bis zum Meeresboden ab und nimmt dabei sowohl Kohlenstoff als auch Nährstoffe mit. Dieser Prozess wird als biologische Pumpe bezeichnet. Ob der Südozean als Quelle oder Senke von CO₂ für die Atmosphäre wirkt, hängt ab von der Balance zwischen der an die Umwälzzirkulation gekoppelten physikalischen und der biologischen Kohlenstoffpumpe. Dem windbedingten Auftrieb von Tiefenwasser wirken mesoskalige Wirbel entgegen. Diese Wirbel mit 10 bis 100 Kilometern Durchmesser, die sich im ACC ständig neu bilden und nach einigen Wochen oder Monaten wieder auflösen, beeinflussen zudem die Tiefe der durchmischten Oberflächenschicht und damit die Lichtversorgung des pflanzlichen Planktons sowie die Zufuhr von Nährsoffen, einschließlich des essentiellen Spurennährstoffes Eisen.

International kontrovers diskutiert wird, ob die in den vergangenen Jahrzehnten beobachtete Zunahme des Windes über dem ACC zu einer Verstärkung der Umwälzzirkulation oder zu stärkerer mesoskaliger Wirbelaktivität führt. Damit ist auch unklar, in welche Richtung sich die Balance zwischen physikalischer und biologischer Kohlenstoffpumpe in Zukunft verschieben und ob der Klimawandel aufgrund anthropogener Treibhausgasemissionen verstärkt oder gedämpft werden wird.

Als physikalische Ozeanographen untersuchen wir hauptsächlich die physikalische Vorgänge, aber auch chemische Veränderungen im Südozean und arbeiten zusätzlich eng mit Biologen zusammen, um die Kopplung von physikalischen und biologischen bzw. biogeochemischen Prozessen zu verstehen. Dabei erfassen unsere Untersuchungen die gesamte Wassersäule von der eisbedeckten oder offenen Meeresoberfläche bis in die Bodenwasserschicht und decken Zeit- und Raumskalen ab, die von mikroskaliger Turbulenz über die mesoskalige Dynamik bis zu dekadischen Schwankungen der großskaligen Zirkulation reichen.

Unsere auf das Weddellmeer konzentrierten Langzeitbeobachtungen begannen 1984 und bilden damit die längste polare Zeitreihe im offenen Ozean. Sie stützen sich auf wiederholte Messungen an hydrographischen Schnitten, auf verankerte Messgeräte und in den letzten Jahren zunehmend auf autonom messende Treibkörper (floats), deren Positionen unter dem Meereis akustisch durch verankerte Schallquellen bestimmt werden und die ihre Daten per Satellitenkommunikation übermitteln. Unsere Langzeitreihen dokumentieren, dass das Bodenwasser im Weddellmeer während der letzten Jahrzehnte wärmer geworden ist und sich dessen Gehalt an anthropogenem CO₂ kontinuierlich erhöht hat; mit detaillierten Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass der dichteste Teil des frisch gebildeten Bodenwassers im Gasgleichgewicht mit der Atmosphäre steht.

Neben den Langzeitmessungen führen wir sowohl im Weddellmeer als auch im ACC interdisziplinäre Prozessstudien durch, mit denen wir besseres oder auch neues Wissen über Energie und Stoffflüsse zwischen Atmosphäre und Ozean, über Wechselwirkungen zwischen Deckschicht-Turbulenz und mesoskaliger Dynamik sowie den Einfluss physikalischer Umweltparameter auf das Plankton und die biogeochemischen Flüsse schaffen wollen. In die Datenanalyse werden vielfach numerische Modelle einbezogen.