Ozeanographie

So wie es auf den Kontinenten eine Topographie mit Bergen und Tälern gibt, existiert auf den Ozeanen eine Meerestopographie. Im Vergleich zum Geoid, welches wir uns als Meeresfläche im Ruhezustand vorstellen können, sind diese „Berge und Täler" der Ozeane aber höchstens ein bis zwei Meter hoch oder tief. So entsteht eine dynamische Ozeantopographie, die mit Strömungen wie dem atlantischen Golfstrom oder dem Antarktischen Zirkumpolarstrom ein Gleichgewicht darstellt.

Bild: Meeresströme: in Blau Kalte und salzreiche Tiefenwasserströmung,
in Rot Warme Strömung der obersten Wasserschichten, rote
Pfeile im Nordatlantik zeigen den Golfstrom (Quelle: ESA)

Global transportieren die Meeresströme gigantische Mengen an Wärme und Masse und stehen in komplexen Wechselwirkungen mit Atmosphäre und Kryosphäre. Daher spielen die Ozeane für das Klima auf der Erde eine zentrale Rolle. Will man jedoch zuverlässige Klimavorhersagen treffen, müssen wichtige Fragen einer statischen Betrachtung der Ozeanzirkulation noch beantwortet werden:

  • Wie viel Wärme transportieren und verteilen die Ozeane um?
  • Was sind die absoluten Strömungsgeschwindigkeiten an den Meeresoberflächen?
  • Wie sieht die vertikale Strömung aus; wie werden hier Wärme, Masse, Nährstoffe und Spurenelemente verteilt?
  • Wie funktioniert der Austausch zwischen den Ozeanen und der Atmosphäre?
  • Wie wirken mittlere Strömung und Strudelfelder zusammen?
  • Wie beeinflusst die Topographie des Meeresbodens die Strömungsverhältnisse.

Auch für die Betrachtung zeitabhängiger Strömungsgrößen benötigt man hinreichend genaue Informationen über die mittlere Strömung, so dass auch hier viele Fragen noch offen sind:

  • Wie lassen sich saisonale und jährliche Schwankungen vergleichen?
  • Wie kommen globale und lokale Veränderungen des Meeresspiegels zustande?
  • Entsteht der Meeresspiegelanstieg jeweils durch Massen- oder Volumenänderungen?
  • Wie beeinflusst die Klimaänderung die Wärmespeicherung ?
  • Zu welchen die Veränderungen in der Atmosphäre führt die Nordatlantische Oszillation ?
  • Wie sind Anomalien des Ozeanbodendrucks und Veränderungen der Erdform und Erdrotation verbunden?
  • Wie entstehen durch Instabilitäten der mittleren Strömung Strudel?
  • Wie beeinflussen die Strudel die mittlere Strömung?

Bisherige Erkenntnisse reichen zur Beantwortung dieser Fragen nicht aus.

So wurde vor zehn Jahren zur Erforschung der Ozeanzirkulation das World Ocean Circulation Experiment (WOCE) durch das World Climate Research Programme (WCRP) ins Leben gerufen. Die WOCE Messphase ist beendet, die Analysephase für die Ergebnisse dauert noch an, ebenso wie einige strategische Insitu-Messungen, wie das weltweite Gezeitenmessungsnetz.

Besonders wichtig für die zukünftige Beobachtung der Weltmeere ist aber auch die Fernerkundung der Ozeane durch Satellitenaltimetrie. Zeitgleich zu WOCE und WCRP stehen nun auch Altimetriedaten der TOPEC/Poseidon und ERS-1/2-Missionen zur Verfügung. Die zukünftige Ozeanbeobachtung wird Daten aus den Missionen Jason-1, Envisat und anderen Missionen nutzen.

Die satellitengestützte Radaraltimetrie misst die zeitlichen Veränderungen der Ozeanoberflächen, wie sie z.B. als Folge der Ausdehnung durch Wärme, Gezeiten oder auch durch Veränderungen der Strömungsfronten entstehen, global mit höchster Präzision über einen langen Zeitraum. Altimetrische Daten können direkt mit den Prozessen und Strömungen im Ozean über die ganze Wassersäule hinweg in Beziehung gesetzt werden und, da sie relativ einfache ozeanische Größen darstellen, direkt in Ozean- und numerische Klimamodelle eingebracht werden.

Die dynamische Meerestopographie, die man zur Berechnung der (mittleren) Meeresströmung benötigt, konnte man bisher nur mit Gezeitenmessgeräten in Küstennähe erfassen. Um zu einem absoluten, globalen Wert zu gelangen, benötigt man als Referenzgröße den „Ozean in Ruhestellung", also das Geoid. Da die typische Skala der topographischen Erhebungen des Meeres zwischen 0,1 und 1 m liegt, muss das Geoid diese Strukturen erfassen können. Bisherige Geoidmodelle konnten das noch nicht.

Das neue, hochpräzise GOCE-Geoid, das Messwerte von ca. 1 cm Genauigkeit und Strukturen bis zu einer Größe von unter 100 km sichtbar werden lässt, stellt erstmalig eine Referenzgröße in ausreichender Qualität dar, mit der sich mit Hilfe von Ozeanmodellen die absolute dynamische Meerestopographie und die mittlere Ozeanströmung berechnen lässt.

Bild:Dynamische Meerestopographie

Angesichts der hochpräzisen Messungen der Veränderungen der Ozeanzirkulation, die die Satellitenaltimetrie bereits liefert, stellt sich die Frage, warum Ozeanographen so detaillierte Angaben der mittleren Strömung brauchen. Es gibt hierfür mehrere Gründe:

Welche Rolle spielen kleinskalige Ströme für Klimaveränderungen?

Die mittleren Strömungen realer Meere und der Ozeanmodelle haben auch räumlich kleinskalige Abschnitte. Um diese mit Informationen aus der konventionellen Hydrologie vergleichen zu können, um zu verstehen, wie sie von der Bathimetrie vor Ort beeinflusst werden und um herauszufinden, welche Bedeutung sie für den Massen- und Wärmetransport haben, muss man Lage und Größe dieser kleinskaligen Bereiche altimetrisch vermessen und in Beziehung zum Geoid setzen. Da man weiß, dass die Ozeane Wärme, Süßwasser und Kleinstteile sowohl im mittleren Strom als auch in den Stromvarianten wie Strudeln transportieren, könnten auch diese kleinskaligen Ströme von Bedeutung für Klimaveränderungen sein.

Der Mittlere Strom als notwendige Berechnungsbasis für nicht-lineare Prozesse und zeitabhängige Varianzen

Strudel lassen sich zwar auch altimetrisch erfassen, d.h. sehen, aber verstehen lässt sich ihre Ursache erst aus der Kenntnis der sie umgebenden mittleren Ströme. In numerischen Ozeanzirkulationsmodellen lassen sich verschiedene Grade der Abweichung „durchspielen", ausgehend von den mittleren Strömen, auf denen diese Modelle basieren und den Parametern, die diese mittleren Ströme charakterisieren (z.B. die topographische Gestalt des Meeresbodens, auch Bathimetrie genannt). Mit solchen Modellierungen lässt sich berechnen, ob die Abweichungen z.B. verstärkend oder bremsend auf den mittleren Strom wirken. Es liegt auf der Hand, dass die Ausgangsbasis zur Betrachtung solch nicht linearer Prozesse und zeitabhängigen Varianzen im „System Ozean" so genau wie möglich sein sollte.

Die dynamische Meerestopographie „ordnet" die Modellierung der Ozeanzirkulation

Die Methoden der Datenanpassung für „Meeresvorhersagen" haben inzwischen ein solches Niveau erreicht, dass altimetrische Daten über Strömungsveränderungen optimal genutzt werden können, wenn die absolute Meereszirkulation gleichermaßen präzise parametrisiert werden kann. Die dynamische Meerestopographie, die sich aus Meereshöhe minus Geoid ergibt, stellt somit eine sehr wirkungsvolle Bedingung bei der Modellierung und Datenanpassung dar und ermöglicht so tiefgehende Einblicke in die Meeresabläufe.

Auch kleinere Meeresabschnitte lassen sich ins Visier nehmen

Erstmalig lassen sich mit dem GOCE-Geoid auch kleinskalige Phänomene, wie das Antarctic Circumpolar Current (ACC)Jet banding oder lokale Erscheinungen in der Äquatorzone untersuchen.

Zur Berechnung von Strömen in kleineren Meeresabschnitten liefert ein räumlich kleinskaliges Geoid, wie GOCE es schafft, die Nebenbedingungen für die Integration der Informationen, die aus Altimetrie oder Hydrologie in die Ozeanzirkulationsmodelle eingehen.

Mit der daraus hergeleiteten dynamischen Meerestopographie können fast alle geostrophischen Meeresströmungssysteme, angefangen mit den stärksten (Golfstrom, Antarktischer Zirkumpolarstrom) bis zu den schwächeren Tiefseeströmen und Küstenströmen in ihrer Größe und Lage erfasst werden.

So wird deutlich, dass ein Verständnis des mittleren Meeresstromes Hand in Hand mit der Kenntnis der Veränderungen in der Meereszirkulation gehen muss, wenn man die nächste Generation numerischer Ozeanmodelle im Visier hat und es gelingen soll, den Einfluss der Ozeane auf das globale Klima besser zu beschreiben.

Die Kenntnis des hochpräzisen GOCE-Geoids über den Ozeanen bringt:

  • Eine Kartierung der dynamischen Topographie im kleinskaligen Bereich (100-200 Km) mit einer Genauigkeit von 1-2 cm für die gesamte Erdoberfläche
  • Die Erfassung praktisch aller Erscheinungen innerhalb des mittleren geostrophischen Strömungsfeldes durch eine genauere Kenntnis der dynamischen Topographie
  • Ein besseres Verständnis der Bedeutung kleinskaliger Strömungen und Wirbel für die Ozeanzirkulation
  • Eine signifikante Reduzierung der Unsicherheiten über den globalen Massen- Wärmetransport der Ozeane

Große Herausforderungen begleiten die zu erwartenden Verbesserungen und Möglichkeiten: Mit den Satellitengravitations- und Altimetriedaten einerseits und Insitu-Daten andererseits fließen sehr heterogene Daten in die Ozeanzirkulationsmodelle ein. Weiter stellt sich die Frage, wie Meeresspiegelanstieg durch thermische Expansion, Eisschmelze, Massenumverteilung oder vertikale Landbewegungen sich trennen und in Modellen angemessen simulieren lassen. Und schließlich die muss noch die weitgefasste Aufgabe, zeitabhängig und global die absoluten Meeresströmungsfelder im Ozeanquerschnitt zu erfassen, bewältigt werden.

Quellen

Reports for Mission Selection; Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Mission, ESA 1999
Mass Transport and Mass Disrtibution in the Earth System, GOCE-Projektbüro Deutschland 2005