Die Diskussion über den Einfluss der Klimawandels auf die thermohaline Zirkulation

Das Globale Förderband ist ein maritimes Strömungssystem, welches nahezu den gesamten Erdball umspannt und vier der fünf großen Ozeane miteinander verbindet. Angetrieben wird es durch die thermohaline Zirkulation.

Die Golfstromzirkulation wirkt wie eine Klimaanlage für Europa, sie mildert Temperaturspitzen nach unten und oben ab. Das Strömungssystem trägt elementar zum moderaten Klima Nordeuropas bei, da es warmes Wasser aus den Subtropen bis in die Arktis transportiert. Diese wichtige Rolle für unsere Gesellschaft wird in Büchern oder Filmen aufgegriffen – etwa in Roland Emmerichs Eiszeitszenario „The Day After Tomorrow“. Eine so extreme Abkühlung befürchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht, ein plötzliches Ausbleiben der Golfstromzirkulation ist nach dem Stand der Forschung äußerst unwahrscheinlich. Für die Zukunft rechnen die Forschenden aber mit einer Abschwächung. Das klingt weniger spektakulär, hätte jedoch spürbare Folgen: der Meeresspiegelanstieg könnte sich regional zusätzlich verstärken, die Niederschlagsmuster würden sich verschieben und die Ökosysteme sowie Fischbestände im Atlantik wären betroffen.

Deutsches Klimakonsortium (o. J.). Zukunft der Golfstromzirkulation.

Theoretischer Hintergrund

Der Zirkulationsprozess des Globalen Förderbandes resultiert aus mehreren ineinandergreifenden Faktoren. Eine wichtige Rolle spielen die Wind- und Druckgürtel der atmosphärischen Zirkulation der Erde, welche vornehmlich durch die unterschiedliche Strahlungsintensität der Sonne, je nach Breitenlage, bedingt sind. Diese haben Einfluss auf die Oberflächenströmungen bis hin zu einer Tiefe von maximal 200 Metern (vgl. Büttner et al. 2009: 26 f.). Winde, die über Ozeanen wehen, erzeugen Wellen und Turbulenzen in den oberflächennahen Schichten des Meeres und versetzen so Wassermassen in Bewegung, welche diesen Impuls ins Innere übertragen (vgl. Fahrbach 2013: 26). Neben der Bewegung von Oberflächenströmungen ist der Antrieb der kälteren Tiefenströmungen entscheidend für den Zirkulationsprozess in den Meeren. Die Tiefenströmungen werden hauptsächlich aufgrund thermohaliner Unterschiede in Bewegung versetzt. Die Wasserbewegung geht auf Druck- und Dichteunterschiede zwischen warmen und kalten (thermo – angetrieben durch Temperaturunterschiede) sowie salzreichen und salzarmen (halin – angetrieben durch Salzgehaltunterschiede) Wassermassen zurück (vgl. ebd.: 26 und World Ocean Review 2010: 16). Verursacht werden Temperatur- und Salzgehaltunterschiede in erster Linie durch die Intensität der Sonneneinstrahlung, abhängig von der geographischen Breite und daraus resultierenden Niederschlags- und Verdunstungsprozessen. Der Salzgehalt der Meere ist im globalen Vergleich uneinheitlich. Ursächlich ist das Verhältnis zwischen Verdunstung und Niederschlag. Eine Verdunstung oder das Gefrieren von Meerwasser erhöht die Salinität der entsprechenden Region, der Eintrag von salzfreien Niederschlägen oder Eisschmelzen vermindert sie. Stark vereinfacht ausgedrückt nimmt die Dichte des Wassers mit steigender Salinität und sinkenden Temperaturen zu. Man beachte jedoch die Anomalie von Wasser, welches die größte Dichte bei vier Grad Celsius hat. Bis Null Grad Celsius sinkt die Dichte leicht, bei Gefrieren vergrößert sich das Volumen, weshalb die Dichte abnimmt und Eis auf dem Wasser schwimmt. Salzwasser verhält sich jedoch anders. Hier nimmt die Dichte bis minus 3,8 Grad Celsius zu. Das heißt, es bildet sich dichtes, schweres Wasser, welches absinkt oder teilweise bei minus 1,9 Grad Celsius in den Polregionen gefriert. (vgl. World Ocean Review 2010: 17)

Die Verbindung der beiden Faktoren, Wind und Dichteunterschiede des Wassers, bilden den Antrieb der ,Umwälzpumpe der Ozeane‘ (vgl. Barth 2005: 14). Die Zirkulation der Ozeane vollzieht sich zum einen an der Oberfläche, zum anderen in der Tiefe. Dort bewegt sich dichtes Wasser in wenigen tausend Metern Tiefe, meist entlang der westlichen Seite des Ozeanbeckens aufgrund der Corioliskraft und der Erdrotation (vgl. Fahrbach 2013: 30 und World Ocean Review 2010: 18). Im Nordatlantik kann dieser Dichteunterschied anhand des Absinkens großflächiger Wassermassen beobachtet werden. Das in niederen Breiten aufgeheizte Wasser (des Golfstroms) verdunstet auf seinem Weg nach Nordosten, wodurch die Salinität der Strömung ansteigt. Dieses salzreiche Wasser trifft im Nordatlantik und im Bereich des europäischen Nordmeers auf sehr kalte Wassermassen und kalte Winde aus nordöstlicher Richtung. Dadurch erfährt das Wasser eine Abkühlung und es kommt teilweise zur Eisbildung, was zu einer weiteren Zunahme des Salzgehaltes des Meerwassers führt. Eis weist nur ca. 0,005 Prozent Salzgehalt auf (zum Vergleich: der Nordatlantik verfügt im Durchschnitt über einen Salzgehalt von gut 3,5 Prozent). Somit bleibt das Salz bei Gefrieren des Wassers im Meer zurück (vgl. Barth 2005: 14 und World Ocean Review 2010: 18). Aufgrund der – im Vergleich zum Umgebungswasser – höheren Dichte des salzreichen, erkalteten Wassers vollzieht sich ein Absinkprozess in Form einer Vertikalbewegung in die Tiefe. Dieser Absinkprozess, vereinfacht auch als Downwelling bezeichnet, hat einen Sogeffekt zur Folge, da das absinkende Wasser durch weitere Wassermassen von Süden ersetzt werden muss. Anschließend strömt das abgesunkene Wasser als (Nordatlantisches) Tiefenwasser in Richtung Süden zurück und wird schließlich in den antarktischen Zirkumpolarstrom geleitet. Nahe der Antarktis umkreist der Zirkumpolarstrom des südlichen Ozeans die Erdkugel im Uhrzeigersinn und verbindet dadurch die Wassermassen des Pazifiks, des Atlantiks und des Indiks und nährt sie mit kalten, sauerstoffreichen Wassermassen aus der Tiefe. Von dort gelangen die aufsteigenden Wassermassen in die Oberflächenströmungen der großen Weltmeere und setzen ihre Reise fort. In Äquatornähe erwärmt sich die Oberflächenströmung. Von dort fließt das Wasser beispielsweise in Form des Äquatorialstroms zunächst an Indonesien, anschließend um Afrika Richtung Golfregion, bei Mittelamerika weiter in den Golfstrom und abschließend von dort Richtung Nordatlantik. (vgl. Büttner et al. 2009: 28 f. und Diercke Weltatlas 2015: 244 ff.) Der Zirkulationsvorgang von Oberflächen‐ und Tiefenströmung wird damit vervollständigt und kann von vorne beginnen (vgl. Fahrbach 2013: 29). Nicht vernachlässigt werden darf dabei die Verteilung der Kontinente, welche ebenfalls Einflüsse auf die Meeres- sowie die Luftströmungen haben (vgl. Büttner et al. 2009: 29).

Modellversuch im Unterricht

Die Theorie, wonach Meeresströmungen hauptsächlich durch Temperaturunterschiede entstehen, lässt sich leicht mittels eines Modellversuchs überprüfen bzw. bestätigen; hier zu benötigt man das folgende Material:

  • ein großes, durchsichtiges und quaderförmiges Gefäß (bspw. ein Aquarium)
  • zwei verschiedene Farben (idealerweise Tinte oder flüssige Lebensmittelfarbe in rot und blau)
  • einen Eisblock (bzw. mehrere Eiswürfel)
  • ggf. eine Schreibtischlampe

Versuchsdurchführung und Versuchsbeobachtung

Das durchsichtige Gefäß wird gleichmäßig zu gut zwei Dritteln mit kühlem bis lauwarmen Wasser befüllt. Auf der einen (rechten) Seite kann eine Lampe aufgestellt werden, um das Wasser an dieser Stelle zu erhitzen ( niedere Breiten). Dies dient vor allem zur visuellen Verdeutlichung der hohen Sonneneinstrahlung im Bereich der Tropen. Am anderen (linken) Rand des Gefäßes wird ein Eisblock ins Wasser gelegt ( hohe Breiten). Anschließend wird rote Farbe (mit einer Spritze oder Pipette) im Bereich der Lampe („des Äquators“) in das Wasser nahe der Oberfläche injiziert. Gleichzeitig wird unmittelbar vor den Eisblock blaue Farbe in das Wasser gegeben. Aufgrund der nun wirkenden physikalischen Kräfte, wird die blaue Farbe bzw. das blau gefärbte Wasser unter den Eisblock gesogen und sinkt auf den Boden des Aquariums ab. Von dort aus bewegt es sich als Tiefenströmung am Boden entlang in entgegengesetzte Richtung, hin zum rechten Rand (warmer Abschnitt). Dort angekommen, steigt es wieder zur Oberfläche auf und trifft dort auf das wärmere rote Wasser. Dieses wird ebenfalls in Bewegung versetzt und bewegt sich von der warmen Region oberflächennah zum Eisblock hin. Beim Erreichen des Eisblocks kühlt das rot gefärbte Wasser ebenfalls ab und wird nach unten gesogen. Eine Zirkulation ist entstanden.

Der Effekt wird deutlicher, wenn man die rote Farbe vorher erwärmt. Eine Kühlung der blauen Farbe ist nicht notwendig. Durch den Versuch wird klar, dass warmes Wasser oben fließt und kaltes Wasser absinkt. In Abhängigkeit ihres Vorwissens können die Schülerinnen und Schüler dieses Phänomen ggfs. selbst anhand von Dichteunterschieden erklären. Um den geographischen Kontext zu betonen und für die Schüler*innen zugänglicher zu machen, bietet es sich an, geographische Breitenangaben beim Versuch zu ergänzen.

Anmerkungen und weiterführende Vorschläge zum Modellversuch

Der Versuch ist eine starke Vereinfachung und stellt die Grundzüge einer thermohalinen Zirkulation minimalistisch dar. Der Vorteil liegt in seiner großen Anschaulichkeit. Für die Schülerinnen und Schüler wird somit ein komplexer Prozess leicht nachvollziehbar aufbereitet. Mittels gezielter Fragen in Form eines geleiteten Unterrichtsgesprächs kann im Anschluss der Begriff ,thermohalin‘ – zumindest teilweise – geklärt werden.

Der Versuch verdeutlicht jedoch nur eine Teilursache der thermohalinen Zirkulationsbewegung, nämlich Dichteunterschiede aufgrund unterschiedlich hoher Temperaturen. Die Auswirkungen der Salzkonzentration des Wassers werden hierbei außer Acht gelassen. Um auch diese Prozesse deutlich machen zu können, müssten weitere Versuche durchgeführt werden.

Versuch zur Salinität (Schulbiologiezentrum 2016)

So bietet sich beispielsweise Folgendes an: Zwei Luftballons werden mit der exakt gleichen Menge Wasser befüllt – jedoch einmal mit normalem Leitungswasser und einmal mit stark salzhaltigem Wasser. Anschließend werden die Luftballons in ein großes mit Leitungswasser befülltes Gefäß gegeben (hier ist darauf zu achten, dass das Leitungswasser im Gefäß die gleiche Temperatur wie das Wasser in den Luftballonen hat!). Der salzwassergefüllte Luftballon ist aufgrund seiner höheren Dichte schwerer als das Umgebungswasser und als der andere Ballon und sinkt deshalb ab. Der leitungswassergefüllte Ballon, dessen Inhalt die gleiche Dichte wie das umgebende Wasser aufweist, steigt im Becken auf bzw. gleitet im Wasser. (vgl. Schulbiologiezentrum 2016, s. o.)

Autor*in: Mona Augustin (2021)

Video zum Versuch: Mona Augustin (2021)

Titel & Expert*innen-Video: Deutsches Klimakonsortium (https://www.deutsches-klima-konsortium.de/de/golfstrom.html)

Lehrvideo: Wetteronline (https://www.youtube.com/user/WetterOnlineGmbH)

Literaturhinweise

Barth, Hans‐Jorg (2005): Erzählt uns Hollywood die Zukunft? Wie stabil ist der Golfstrom? in: Praxis Geographie, 5/2005, S. 14‐16.

Büttner, Wilfried; Dimpfl, Hans; Eckert-Schweins, Werner; Eckert- Schweins, Werner; Raczkowsky, Bernd (2009): Abitur-Training Geographie, München: Stark.

Deutsches Klimakonsortium (o. J.). Zukunft der Golfstromzirkulation. https://www.deutsches-klima-konsortium.de/fileadmin/user_upload/pdfs/Publikationen_DKK/Zukunft_der_Golfstromzirkulation_DKK_KDM.pdf (18.1.2020)

DIERCKE Weltatlas (2015): Diercke Weltatlas Ausgabe Bayern, Braunschweig: Westermann.

Fahrbach, Eberhard (2013): Meeresströmungen und Wassermassen, in: Lozán, J. (Hrsg.), Warnsignal Klima: Die Meere – Änderungen und Risiken, S. 25‐31.

Schulbiologiezentrum (2016): Der Golfstrom im Aquarium. http://www.schulbiologiezentrum.info/AH%2019.86%20Golfstrom%20Arbeitsfassung%20240416Me.pdf (18.01.21).

World Ocean Review (2010): Die Weltmeere, Motor des globalen Klimas, in: maribus (Hrsg.), World Ocean Reviews, S. 10-25.