Atlantische Umwälzzirkulation in der Gegenwart

Aus Klimawandel

Die Atlantische meridionale Umwälzzirkulation

Die Atlantische Umwälzzirkulation, gehört zu den zentralen Themen der Diskussion über den Klimawandel. Sie wird auch als Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (engl. Atlantic Meridional Overturning Circulation = AMOC bzw. AMO), als Golfstrom-System bzw. (etwas veraltet) als Thermohaline Zirkulation bezeichnet. Die Erdgeschichte hat gezeigt, dass sie in der heutigen Form kein stabiles System ist, der Hollywood-Film The Day After Tomorrow hat die Folgen ihres möglichen Zusammenbruchs einem Massenpublikum drastisch vor Augen geführt, und wissenschaftliche Experten sehen den gegenwärtigen Zustand des Strömungssystems, dem Europa sein mildes Klima verdankt, durch den Klimawandel gefährdet.

Abb. 1: Meeresströmungen im Nordatlantik
Abb. 2: Die wichtigsten Absinkregionen im Nordatlantik-Becken, in denen Tiefenwasser gebildet wird. OSNAP West/East (Overturning in the Subpolar North Atlantic Program): Messprogramm im Nordatlantik.

Die ungleiche Sonneneinstrahlung in den hohen und niederen Breiten hat Energieausgleichsströmungen in der Atmosphäre wie im Ozean zur Folge. Der Atlantische Ozean dominiert den globalen ozeanischen Wärmetransport, insbesondere mit dem Golfstrom und seinen Ausläufern. Weiter nordöstlich zweigt der Nordatlantikstrom vom Golfstrom ab, der als subpolarer Wirbel nach Osten dreht, und übernimmt den Energietransport nach Norden. Im subpolaren Nordatlantik gibt der Ozean die Wärme an die kältere Atmosphäre ab. Die vorherrschenden Westwinde im Nordatlantik transportieren die Wärme dann vor allem Richtung Westeuropa. Die aus dem Golf von Mexiko stammende Meeresströmung besitzt durch die starke Verdunstung in den Subtropen einen hohen Salzgehalt, der die Dichte des Wassers erhöht. Die Abkühlung in den hohen Breiten macht das Wasser dann noch einmal schwerer. Die Folge ist, dass im subpolaren Atlantik das Wasser über große Regionen in die Tiefe sinkt und hier nach Süden zurückströmt (Abb. 1). Das absinkende Wasser sorgt dafür, dass immer wieder neue Wassermassen aus den Subtropen nachströmen.

Die atlantische Umwälzzirkulation wird einerseits durch Dichteunterschiede angetrieben, die durch verschiedene Temperaturen und unterschiedlichen Salzgehalt hervorgerufen werden. Andererseits ist aber auch der Wind ein wichtiger Antriebsfaktor. Daher ist die Bezeichnung AMOC passender als der frühere Name Thermohaline Zirkulation, der sich nur auf die Dichte bezieht. Der nach Norden gerichtete Strom von warmem und salzhaltigem Wasser fließt in den oberen 1000 m, der nach Süden gerichtete Fluss von kaltem Wasser bewegt sich in 2-3 km Tiefe (Abb. 3).[1] Der Transport der AMOC beträgt bei 26,5 °N und ca. 500 m Tiefe nach Modellberechnungen 15,5 Sverdrup (Sv, 1 Sverdrup = 1 Mio. m3/s). Der Wärmetransport an dieser Stelle beläuft sich auf 0,81 PW (1 Petawatt = 1015 Watt).[2]

Abb. 3: Meridionale Zirkulation im Atlantik, mit Fließrichtungen und Salzgehalt; links: Verlauf des vertikalen Profils.

Die atlantische Umwälzzirkulation sorgt für einen Wärmetransport auch von der Südhalbkugel über den Äquator nach Norden (Abb. 3), wodurch sich der Atlantik fundamental vom Pazifik und Indischen Ozean unterscheidet. Dieser Wärmetransport führt zu einer Asymmetrie in der Verteilung von Temperatur und Niederschlag zwischen den beiden Hemisphären. So ist die Nordhalbkugel im Mittel etwa 1 °C wärmer als die Südhalbkugel. Außerdem ist die AMOC, neben der Verteilung von Land und Meer auf der Erde, möglicherweise auch für die Verschiebung der ITCZ um 5° nördlich des Äquators verantwortlich.[3] Das hat ein um 5 °C wärmeres maritimes Klima im nordwestlichen Europa im Vergleich mit dem Klima auf ähnlichen Breiten im Pazifik-Raum zur Folge. Aufgrund des warmen Atlantik-Wassers ist etwa der russische Hafen von Murmansk nördlich des Polarkreises das ganze Jahr über eisfrei.[4]

Neben dem klimatischen Einfluss bewirkt die AMOC auch eine Umverteilung des ozeanischen Salzgehalts, von Kohlenstoff und von Nährstoffen im Atlantik. Der Nordatlantik steht für 40 % des mittleren globalen Austausches von CO2 zwischen Atmosphäre und Ozean, vor allem nördlich des 50. Breitengrades. Damit nimmt der Nordatlantik auch einen größeren Teil des anthropogenen Kohlendioxids aus der Atmosphäre auf.[5] Durch neue Beobachtungen wurde deutlich, dass das traditionelle Bild einer sich langsam verändernden und durch die Konvektion in hohen Breiten angetriebenen Zirkulation die Variabilität der AMOC nicht hinreichend erklärt. Vielmehr zeigte sich, dass die AMOC auf allen Zeitskalen deutliche Schwankungen aufweist, von Tagen bis zu Jahrzehnten, und dass diese Schwankungen sich zwischen den Breitengraden unterscheiden. Die Beobachtungen haben weiterhin gezeigt, dass die Intensität der Zirkulation weniger durch Konvektion in der Labrador See bedingt ist, wie bisher angenommen, als durch die Umwandlung von warmem, salzreichem Obeflächenwasser in kaltes und weniger salzhaltiges Tiefenwasser östlich von Grönland, und zwar besonders in der Irmingersee (Abb. 2).[6]

Strömungsänderungen: Beobachtungen und Modellsimulationen

Die Änderung der Atlantischen meridionalen Umwälzzirkulation gilt als einer der zentralen Kipppunkte des Erdsystems. Ein Abbruch der Zirkulation ist mit abrupten Klimaänderungen bei eiszeitlichen Übergängen zwischen glazialen und interglazialen Phasen sowie in den glazialen Phasen selbst in Verbindung gebracht worden.[2] Bekannt ist ein Aussetzen der Umwälzzirkulation in relativ kurzer Zeit am Ende der letzten Eiszeit um 12.000 vh., die sog. Jüngere Dryaszeit, die zu einer erheblichen Abkühlung im Nordatlantikraum geführt hat. Klimamodelle projizieren eine Abschwächung der AMOC um rund ein Drittel für das Ende des 21. Jahrhunderts.[7]

Indirekte Ableitungen

Abb. 4: Änderung der Meeresoberflächentemperatur im Nordatlantik 1909 bis 2018. Schwarze Umrandung: das sog. „Erwärmungsloch“.

Beobachtungen der AMOC haben sich vor 2004, dem Beginn von fest installierten direkten Strömungsmessungen (s.u.), auf Schiffsdaten zur Temperatur und Wasserdichte oder Satellitendaten zur Meeresspiegelhöhe gestützt.[4] Außerdem wurden Proxydaten von marinen Sedimenten genutzt. Die AMOC war danach relativ stabil in den letzten 8.000 Jahren. Ob es im 20. Jahrhundert zu einer Abschwächung kam, ist laut dem jüngsten Bericht des Weltklimarats IPCC wegen des Fehlens direkter Beobachtung schwer einzuschätzen.[8] Proxydaten von marinen Sedimenten zeigen nach einigen Studien eine Abschwächung der AMOC seit dem späten 19. Jahrhundert und über das 20. Jahrhundert. Beobachtungen, die sich auf die Meeresoberflächentemperatur und die Meeresspiegelhöhe stützen, lassen eine Abschwächung der AMOC über das 20. Jahrhundert ebenfalls vermuten.[9] Nach anderen Studien zeigen die Proxydaten keine solchen Signale, da z.B. Meeresoberflächentemperaturen auch von atmosphärischen und ozeanischen natürlichen Schwankungen abhängig sind. Viele Rekonstruktionen zeigen Schwankungen, die einen langfristigen Trend im 20. Jahrhundert überdecken. Der Weltklimarat schätzt zusammenfassend die Wahrscheinlichkeit einer Abschwächung der AMOC im 20. Jahrhundert als niedrig ein.[8]

Als ein Beleg für eine Abschwächung der AMOC gilt manchen Untersuchungen die Abkühlung in der Absinkregion der AMOC südlich von Island, das sog. Erwärmungsloch (warming hole) im subpolaren Nordatlantik. Möglicherweise besteht ein Zusammenhang zwischen einem geringeren ozeanischen Wärmetransport in höhere Breiten und dem Erwärmungsloch im Nordatlantik als Konsequenz einer höheren Treibhausgaskonzentration. Es werden jedoch auch andere Ursachen diskutiert wie eine Zunahme des ozeanischen Wärmetransport aus dem subpolaren Nordatlantik heraus in noch höhere Breiten oder der Einfluss von anthropogenen Aerosolen. Außerdem zeigen die Meeresoberflächentemperaturen im Gebiet des Erwärmungslochs eine Abkühlung nur zwischen 1930 und 1970, seit den 1990er Jahren dagegen starke Schwankungen ohne klaren Trend.[10]

Direkte Beobachtungen

In den letzten 20 Jahren wurden im Nordatlantik vor allem zwei Messprogramme zur direkten Beobachtung der AMOC etabliert, das RAPID-Programm bei 26 °N seit 2004 und das OSNAP-Programm im subpolaren Nordatlantik seit 2014.[1] Das RAPID-Programm ist das einzige AMOC-Beobachtungssystem, das seit über 15 Jahren kontinuierliche Messungen über die gesamte Tiefe der AMOC und das ganze Atlantik-Becken vornimmt.[11] Es weist in den ersten sechs Jahren bis 2010 eine starke Abschwächung der AMOC auf (Abb. 5).[4] Die Abschwächung der Umwälzzirkulation betrug 2004-2008 nach dem letzten Bericht des Weltklimarats IPCC knapp 3 Sv,[9] was etwa 20% entspricht. Der Zeitraum von wenigen Jahren ist jedoch zu kurz, um daraus einen Trend abzuleiten und eine Abschwächung der Zirkulation durch den Klimawandel von einer Dekaden-Schwankung zu unterscheiden.[8] Nach 2010 zeigt sich dagegen ein leichter Anstieg (Abb. 5),[4] der kaum aus dem deutlichen Temperaturanstieg durch die globle Erwärmung erklärt werden kann.

Abb. 5: Monatsdaten des Wassertransports der AMOC durch die Messprogramme RAPID (rot) und OSNAP bis 2018 (grün).
Abb. 6: Zirkulation der subpolaren AMOC. Braun: östlicher subpolarer Nordatlantik, grün: westlicher Teil, grau: beide Regionen zusammen. Farbflächen: Unsicherheitsbereich.

Trotz zahlreicher Modellstudien über die Änderungen der Tiefenwasserbildung im subpolaren Nordatlantik gab es vor 2014 keine kontinuierliche Beobachtung der AMOC-Schwankungen in dieser Region. Das änderte sich mit dem OSNAP-Programm, das nicht nur den Wasser-, sondern auch den Wärme- und Süßwassertransport durch ein von Labrador über die Südspitze Grönlands bis nach Schottland reichendes Beobachtungsystem erfasst. Die neuen Beobachtungsdaten des OSNAP-Programms von 2014 bis 2020 weisen zum einen darauf hin, dass im Gegensatz zu der tradierten Sicht nicht die Labradorsee im Westen die Umwälzzirkulation im subpolaren Nordatlantik bestimmt, sondern der Ostteil der Absinkregion mit dem Irminger und Island-Becken (Abb. 1). In den östlichen Absinkregionen zwischen Grönland und Schottland beträgt die Umwälzzirkulation 16 Sv (vor allem in der Irminger See), gegenüber nur 3 Sv im westlichen Teil. Auch der Wärmetransport unterscheidet sich mit 0,42 PW im östlichen und 0,08 PW im westlichen Teil erheblich. Nur der Süßwassertransport in die Labradorsee, der vor allem in künftigen Jahren verstärkt durch abschmelzendes Meereis und Landeis zu erwarten ist, ist etwa ähnlich groß wie in der östlichen Region. In beiden Gebieten zeigt die AMOC-Zirkulation neben starken Schwankungen zwischen den Jahreszeiten und von Jahr zu Jahr einen Wassertransport von ca. 15 Sv, der sich über den Gesamtzeitraum kaum verändert hat (Abb. 6).[12]

Modellsimulationen

Abb. 7: Änderungen der AMOC nach Beobachtungen und Modellsimulationen 1950 bis ca. 2020. Beobachtungsdaten nach Fraser and Cunningham et al. (2021)[13] (blau) und Caesar et al. (2018) (hellblau). Modellsimulationen nach CMIP5 (dunkelblau) und CMIP6 (rot), jeweils als Mittel mehrerer Modellrechnungen.

Klimamodelle berechnen die Folgen der externen Antriebe wie der Erhöhung der Treibhausgas-Konzentration oder der Änderung der anthropogenen Aerosolbelastung. Das Mittel der Modellsimulationen erfasst jedoch nicht die natürlichen Schwankungen des Klimasystems. Das ist allerdings für die Bestimmung der Folgen des Klimawandels auf die AMOC kein großes Problem, zumal sich bei der Modellierung der natürlichen Schwankungen die voneinander abweichenden Modellergebnisse weitgehend gegenseitig aufheben. Allerdings werden die tatsächlichen Änderungen der AMOC über die letzten Jahrzehnte, wenn die natürlichen Schwankungen bedeutsam sind, nicht korrekt dargestellt, noch ist das für die Zukunft zu erwarten. Hinzu kommt, dass Modelle immer noch eine zu geringe Auflösung besitzen und bestimmte physikalische Prozesse wie interaktive Eisschilde, den Süßwassereintrag oder die Bildung von Tiefenwasser nicht zutreffend abbilden.[4] Das Ergebnis für die historischen Änderungen der AMOC ist, dass Modelle und Beobachtungen nicht übereinstimmen. Die wenigen Rekonstruktionen der AMOC über das 20. Jh. auf der Grundlage von Proxydaten weisen auf eine Abschwächung der AMOC zwischen 1960 bis in die 1980er Jahre und eine Intensivierung zwischen 1985 und 2000, während Modellergebnisse das Gegenteil zeigen (Abb. 7).[4]

Ursachen von Änderungen der AMOC

Beobachtungen und Modellsimulationen zeigen beide keinen eindeutigen Trend der nordatlantischen meridionalen Zirkulation in den letzten Jahrzehnten. Bei einer mittleren globalen Erwärmung projizieren Klimamodelle jedoch eine deutliche Abschwächung während des 21. Jahrhunderts, die vom IPCC als ‚sehr wahrscheinlich‘ eingestuft wird. Die Abschwächung liegt je nach Szenario in den CMIP6-Simulationen bei 24% bis 39%. Ein Abbruch der Zirkulation bis 2100 ist nach Einschätzung des Weltklimarats IPCC allerdings sehr unwahrscheinlich, bis 2300 bei einer weiteren Zunahme der Treibhausgasemissionen jedoch möglich.[7][2]

Globale Erwärmung

Der fehlende Trend der AMOC in den letzten Jahrzehnten schließt eine Erklärung durch die globale Erwärmung weitgehend aus. Der langfristig zunehmende Temperaturanstieg zeigt sich nicht in der Änderung der Intensität der AMOC. Dass anthropogene Antriebe für die Abschwächung der Umwälzzirkulation bei 26 °N um 2,9 Sv in dem kurzen Zeitraum 2004 bis 2012 verantwortlich sind, ist laut IPCC höchst unsicher. Geringes wissenschaftliches Vertrauen besteht auch insgesamt darin, dass anthropogene Antriebe (Treibhausgase, Aerosole) einen signifikanten Einfluss auf die AMOC-Schwankungen über den längeren Zeitraum 1860-2014 gehabt haben.[9]

Die Modellsimulationen für das 21. Jahrhundert, die von einem Fortschreiten der globalen Erwärmung ausgehen, berechnen jedoch eine deutliche Abschwächung der AMOC. Die Gründe liegen vor allem in dem teilweisen Abschmelzen des grönländischen Eisschilds und des arktischen Meereises sowie in höheren Niederschlägen in den hohen nördlichen Breiten. Dadurch gelangt mehr Süßwasser in die Absinkgebiete der nordatlantischen Zirkulation, das die Dichte des Meerwassers verringert und damit das Absinken in die Tiefe abschwächt. Eine ähnliche Wirkung hat auch die Temperaturerhöhung des Wassers durch die globale Erwärmung. Die Reaktion der AMOC auf einen Süßwassereintrag hängt dabei stark von der Region des Eintrags ab. Die stärkste Abschwächung wird nach neueren Erkenntnissen durch eine Südwasserzufuhr in der Irmingersee südöstlich von Grönland bewirkt. Nach Ende des Eintrags dauert es in Modellsimulationen 50 Jahre, bis der alte Zustand wieder hergestellt ist. Paläoklimatische Daten zeigen, dass das Abschmelzen von Eisschilden ein Schlüsselfaktor für die stärksten Änderungen der AMOC am Ende der letzten Eiszeit war.[2]

Aerosole

Nach neueren Erkenntnissen hat sich zudem gezeigt, dass anthropogene Aerosole, die sich in den letzten Jahrzehnten besonders über dem Nordatlantik stark geändert haben, einen wichtigen Einfluss auf die Schwankungen der AMOC besitzen. Nach Modellsimulationen haben Treibhausgase eine Abschwächung der AMOC im 20. Jahrhundert bewirkt, während die Zunahme anthropogener Aerosole in der Atmosphäre die Zirkulation verstärkt haben.[14] Ein Grund für die nach Modellsimulationen deutliche Verstärkung der AMOC zwischen 1940 und 1985 könnte auch laut IPCC die Zunahme anthropogener Aerosole im nordatlantischen Raum sein, die die Wirkung der höheren Treibhausgaskonzentration übertroffen haben könnte. Da die Aerosolkonzentration nach 1985 durch die Luftreinhaltepolitik wichtiger an den Atlantik angrenzender Staaten abgenommen hat, haben Aerosole und Treibhausgase nach 1985 in dieselbe Richtung gewirkt und zusammen zu einer Abschwächung der AMOC beigetragen.[9]

Für die Zukunft wird mit einer weiteren Abnahme der Aerosolkonzentration in der Atmosphäre gerechnet. Weltweit könnte sich der Rückgang bis 2050 auf mehr als 50% belaufen, da auch asiatische Schwellenländer wie China und Indien die Emissionen von vor allem Schwefeldioxid reduzieren werden.[15] Die Folge wäre eine verstärkte Erwärmung und weitere Abschwächung der AMOC. Eine stärkere Erwärmung in den Absinkgebieten des subpolaren Nordatlantiks hat allerdings auch zur Folge, dass weniger Wärme aus den Subtropen in höhere Breiten transportiert wird, was die Abschwächung der AMOC verringern könnte.[16]

Projektionen: Abschwächung der thermohalinen Zirkulation

Einzelnachweise

  1. ↑ Hochspringen nach: 1,0 1,1 Srokosz, M.A., N.P. Holliday, H.L. Bryden (2023): Atlantic overturning: new observations and challenges. Phil. Trans. R. Soc. A 381: 20220196
  2. ↑ Hochspringen nach: 2,0 2,1 2,2 2,3 Ma, Q., X. Shi and P. Scholz et al. (2024): Revisiting climate impacts of an AMOC slowdown: dependence on freshwater locations in the North Atlantic, Science Advances 10, 47
  3. ↑ Bellomo, K., & Mehling, O. (2024): Impacts and state-dependence of AMOC weakening in a warming climate. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107624
  4. ↑ Hochspringen nach: 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 McCarthy, G.D., L. Caesar (2023): Can we trust projections of AMOC weakening based on climate models that cannot reproduce the past? Phil. Trans. R. Soc. A 381: 20220193.
  5. ↑ Lozier, S. et al. (2017): Overturning in the Subpolar North Atlantic Program: a new international ocean observing system. Bull. Am. Meteorol. Soc. 98, 737–752
  6. ↑ Frajka-Williams, E., N. Foukal and G. Danabasoglu (2023): Should AMOC observations continue: how and why? Phil. Trans. R. Soc.
  7. ↑ Hochspringen nach: 7,0 7,1 IPCC AR6, WGI (2021): Climate change 2021: The physical science basis, 9.2.3.1
  8. ↑ Hochspringen nach: 8,0 8,1 8,2 IPCC AR6, WGI (2021): Climate change 2021: The physical science basis, 2.3.3.4
  9. ↑ Hochspringen nach: 9,0 9,1 9,2 9,3 IPCC AR6, WGI (2021): Climate change 2021: The physical science basis, 3.5.4.1
  10. ↑ Latif, M., J. Sun, M. Visbeck et al. (2022): Natural variability has dominated Atlantic Meridional Overturning Circulation since 1900, Nat. Clim. Chang. 12, 455–460
  11. ↑ Johns W.E., S. Elipot, D.A. Smeed et al. (2023): Towards two decades of Atlantic Ocean mass and heat transports at 26.5° N, Phil. Trans. R. Soc. A.38120220188
  12. ↑ Fu, Y., M.S. Lozier, T.C. Biló et al. (2023): Seasonality of the Meridional Overturning Circulation in the subpolar North Atlantic. Commun Earth Environ 4, 181
  13. ↑ Fraser, N.J., and S.A. Cunningham (2021): 120 Years of AMOC variability reconstructed from observations using the Bernoulli inverse. Geophys. Res. Lett. 48
  14. ↑ Allen, R.J., Vega, C., Yao, E. et al. (2024): Impact of industrial versus biomass burning aerosols on the Atlantic Meridional Overturning Circulation. npj Clim Atmos Sci 7, 58 (2024). https://doi.org/10.1038/s41612-024-00602-8
  15. ↑ Wang, P., Yang, Y., Xue, D. et al. (2023): Aerosols overtake greenhouse gases causing a warmer climate and more weather extremes toward carbon neutrality. Nat Commun 14, 7257, https://doi.org/10.1038/s41467-023-42891-2
  16. ↑ Yamaguchi, R., J.-E. Kim, K.B. Rodgers et al. (2023): Persistent ocean anomalies as a response to northern hemisphere heating induced by biomass burning variability. J. Clim. 36, 8225 – 8241

Weblinks


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