Südpolarmeer stemmt sich gegen den Trend

Klima-​ und Meeresforscher beobachten überall auf der Welt, dass das Land und die Meere immer wärmer werden. Im Durchschnitt ist die globale Temperatur über Landoberflächen seit Mitte des 19. Jahrhunderts um 1 Grad Celsius gestiegen, die der Ozeanoberflächen um 0,6 Grad. Besonders stark erwärmen sich alpine Regionen oder die Arktis.

Anders verhielten sich jedoch Teile des Südpolarmeers, also jenes Ozeans rund um den antarktischen Kontinent bis zum 55. südlichen Breitengrad. Zwischen 1982 und 2011 kühlte sich diese Meeresregion an der Oberfläche ab.

Am stärksten war der Effekt im pazifischen Sektor, wo sich die Meeresoberfläche um rund 0,1 Grad Celsius pro Dekade abkühlte, am kleinsten in den Sektoren des Atlantiks und des Indischen Ozeans.

Weshalb sich Teile des Südpolarmeers dem weltweiten Erwärmungstrend widersetzten, konnten Klima-​ und Meereswissenschaftler bislang nicht überzeugend erklären.

Nun hat eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von ETH-​Professor Nicolas Gruber das Rätsel mit einem hochauflösenden Ozeanmodell gelöst. Die Ergebnisse wurden soeben im Fachmagazin AGU Advances veröffentlicht.

Simulationen deuten auf Einfluss des Meereises

Anhand von Simulationen weisen die Forschenden nach, dass sehr wahrscheinlich Veränderungen des Meereises für die Abkühlung der Oberfläche des Südpolarmeers verantwortlich sind. Berücksichtigten der Erstautor der Studie, Alex Haumann, und das Team im Modell die in natura beobachteten Veränderungen des Meereises, gaben die Simulationen die beobachteten Muster der Temperaturveränderungen an der Meeresoberfläche korrekt wieder.

Vernachlässigten die Forschenden aber diesen Effekt und berücksichtigten nur andere mögliche Faktoren, wie etwa die stärkere Ozeanzirkulation oder den erhöhten Süsswassereintrag durch das Abschmelzen der Antarktischen Gletscher, konnten die Simulationen diese Muster nicht reproduzieren. 

Die Überlegung, dass das Meereis sehr wichtig sein könnte, basierte auf einer aussergewöhnlichen Beobachtung: Im Zeitraum von 1982 bis 2011, indem sich die Abkühlung abspielte, dehnte sich das Meereis im Südpolarmeer stetig weiter aus. In der Arktis hingegen schrumpfte das Meereis im gleichen Zeitraum deutlich.

Eistransport ist Süsswassertransport

Bereits vor einigen Jahren entdeckten Haumann und Gruber und weitere Kollegen den Hauptgrund für die grössere Ausdehnung des Meereises im Südpolarmeer: ein durch stärkere Südwinde angetriebener Transport von Meereis, das wie auf einem Förderband weiter nach Norden ins offene Meer hinaustreibt.

Das Eis bildet sich an der Küste aus gefrierendem Meerwasser. Dabei fällt Salz aus, das Eis ist also regelrecht entsalzt. Im Sommer schmilzt das Eis, weitab der Küste auf dem offenen Ozean. Dadurch gelangt Süsswasser in das Oberflächenwasser des Südpolarmeers, was den Salzgehalt (Salinität) des Meerwassers senkt.

Diese Verringerung des Salzgehalts an der Oberfläche verstärkte schliesslich die vertikale Schichtung des Meerwassers: das «süssere» und in diesem Teil des Ozeans leichtere Wasser verbleibt in der obersten, 100 Meter dicken Schicht. Darunter liegt dichteres salzigeres Wasser. Denn im Allgemeinen gilt: je salziger und kälter das Wasser, desto grösser ist seine Dichte und desto tiefer ist es im Ozean eingeschichtet.

Weniger Wärmetausch zwischen Schichten

Die stabilere Schichtung reduzierte allerdings den Wärmeaustausch zwischen den tieferen Schichten und dem Oberflächenwasser, so dass die Wärme in der Tiefe eingeschlossen blieb. Hinzu kommt, dass die Luft über dem Südlichen Ozean im Winter im Allgemeinen kälter ist als die Temperatur des Meerwassers. Zusammen mit der Verringerung des vertikalen Wärmeaustauschs im Ozean führte dies letztlich zu der beobachteten Situation, in der sich das Oberflächenwasser abkühlte und sich die darunterliegende Wasserschicht erwärmte.

Die starke Rolle des Salzgehalts bei der Steuerung der vertikalen Schichtung ist eine Besonderheit des Südlichen Ozeans, da zwischen dem Oberflächenwasser des Ozeans und dem Untergrund tatsächlich nur ein sehr geringer Temperaturunterschied von nur wenigen Zehntel Grad besteht. Die vom Salzgehalt bestimmte starke Schichtung erklärt auch, warum sich die Schichten trotz Abkühlung der Oberfläche nicht durchmischten.

Kein Argument für Klimaleugner

«Die Abkühlung des Südpolarmeers über drei Jahrzehnte ist wirklich aussergewöhnlich, wenn man bedenkt, dass sich alle anderen Gebiete und insbesondere die Landoberflächen erwärmt haben», sagt Nicolas Gruber.

Nur weil sich eine Meereszone abkühle, heisse das nicht, dass sich das gesamte Klimasystem weniger erwärme. Es handle sich hierbei lediglich um eine Umverteilung von Wärme im Südpolarmeer von der Oberfläche in die Tiefe.

«Wir gehen davon aus, dass das Auftreten der Starkwinde, welche das Eis nach Norden auf die offene See befördern, möglicherweise ein Nebeneffekt des Klimawandels ist», betont Gruber. «Der Klimawandel ist klar menschgemacht. Dies lässt sich trotz einer sich abkühlenden Meeresregion nicht vom Tisch wischen.»

Die vorliegende Studie beschreibt zudem nur die Situation bis zum Jahr 2011. «Seit 2015 beobachten wir eine Umkehr. Das Meereis geht nun auch um die Antarktis massiv zurück», sagt der ETH-​Professor. «Und das liegt im Trend der fortschreitenden globalen Erwärmung.»

Prof. Dr. Nicolas Gruber, Institut für. Biogeochemie/Schadstoffdyn., ETH Zürich, 8092 Zürich, Schweiz, nicolas.gruber@env.ethz.ch

Haumann FA, Gruber N, Münnich M. (2020). Sea‐ice induced Southern Ocean subsurface warming and surface cooling in a warming climate. AGU Advances, 1, e2019AV000132. doi:10.1029/2019AV000132