Erwärmung des Ozeans

Abb. 1a: Meeresoberflächentemperatur im Mittel der Sommermonate (JJA) 1971-1990 in °C

Der globale Ozean bedeckt 3,61 x 10¹⁴ km². 40% des Ozeans liegen auf der Nordhalbkugel, 60% auf der Südhalbkugel. Die mittlere Tiefe beträgt 3.800 m. Durch seine große Masse und Wärmekapazität kontrolliert der Ozean das globale Klima. So ist er verantwortlich für die Aufnahme von zusätzlicher Wärme und Kohlendioxid infolge des Klimawandels. Die Zunahme der Treibhausgaskonzentration hat die im Erdsystem gespeicherte Wärme erhöht. Gewöhnlich wird das an der Erwärmung der Atmosphäre abgelesen. Aber der allergrößte Teil der zusätzlichen Energie, die zwischen 1971 und 2010 das Erdsystem erwärmt hat, nämlich ca. 93 %, geht in den Ozean. Die Wärmeaufnahme durch den Ozean stellt daher einen Puffer bei Klimaänderungen dar und verlangsamt im gegenwärtigen Klimawandel deutlich die Erwärmungsrate der Atmosphäre.

Abb. 1b: Meeresoberflächentemperatur im Sommer 2070-2099 nach RCP8.5 in °C

Die hohe Wärmeaufnahme des Ozeans bewirkt ein Ungleichgewicht der Energiebilanz der Erde, die für den Zeitraum 2005-2019 ca. 0,9 W/m² betrug. Auch bei Netto-Null-Emissionen oder einer Kohlenstoffneutralität (wenn der emittierte Kohlenstoff durch den absorbierten Kohlenstoff durch natürliche oder anthropogene Senken ausgeglichen ist) wird das Klimasystem noch für lange Zeit in einem Ungleichgewicht verharren, da der Ozean weiterhin Wärme in den tiefen Ozean transportiert. Nach dem Erreichen von Netto-Null-Emission wird jedoch CO₂ teilweise sowohl von den oberen Schichten des Ozeans (bis 200 m Tiefe) wie von der Landvegetation aufgenommen. Mit der Zeit werden daher die CO₂-Konzentration und der Strahlungsantrieb abnehmen. Das Klimasystem ist dann stabilisiert, wenn der tiefe Ozean sich nicht mehr erwärmt und die Wärmeströme im Gleichgewicht sind. Dieser Prozess kann Tausende von Jahren dauern, eine Dauer, die die thermale Trägheit des Ozeans verdeutlicht. Gegenwärtig hat der Ozean die globale Erwärmung zwar deutlich abgeschwächt, aber zugleich für die Wahrnehmung der Menschen verborgen, wie weit das Klima der Erde sich durch menschliche Einwirkungen bereits verändert hat, und damit rechtzeitiges Handeln erschwert.

Meeresoberflächentemperaturen

Die Meeresoberflächentemperatur (auch SST nach engl. Sea Surface Temprature) ist die Wassertemperatur der oberen Ozeanschicht. Die Tiefe der Schicht ist nicht genau definiert und beträgt zwischen weniger als einen mm bis einige m. Die Meeresoberflächentemperatur ist vor allem durch zwei Faktoren bestimmt:

1. die Temperatur der Atmosphäre und
2. die Meeresströmungen.

Entsprechend sieht man einerseits eine deutliche Temperaturabnahme vom Äquator zu den höheren Breiten und zweitens charakteristische Abweichungen von diesem Muster in bestimmten Regionen, die durch kalte bzw. warme Meeresströmungen geprägt sind (Abb. 1a). Auffällig sind in dieser Hinsicht zum einen die relativ kalten Temperaturen vor der Küste von Peru. Sie sind durch den kühlen Humboldt-Strom verursacht, der aus höheren südlichen Breiten kaltes Wasser Richtung Äquator transportiert. Hinzu kommt, dass der Humboldt-Strom vor der Peruanischen Küste durch die Corioliskraft nach Westen abdriftet und damit kaltes Auftriebswasser erzeugt. Bei dem ENSO-Phänomen, d.h. dem Wechsel zwischen La Niña und El Niño, spielt dieses kalte Wasser eine wichtige Rolle. Ähnlich wirken sich der Benguela-Strom vor der Westküste Südafrikas und der Kuroshio vor der Ostküste Japans aus (allerdings ohne ENSO). Zweitens fällt auf, dass das Oberflächenwasser des Atlantiks vor der europäischen Nordwestküste bis weit nach Norden relativ warm ist. Dafür sind der Golfstrom und seine Fortsetzung, der Nordatlantik-Strom, verantwortlich, die relativ warmes Wasser aus dem Golf von Mexiko bis vor die Küsten Norwegens transportieren.

Die Frage nach dem Einfluss der globalen Erwärmung auf die Meeresoberflächen-Temperatur muss daher in zwei Fragen aufgeteilt werden:

1. Wie beeinflusst die wärmere Atmosphäre das Meerwasser?
2. Wie beeinflusst die wärmere Atmosphäre die Meeresströmungen?

Die Temperatur in den letzten 100 Jahren ist stärker über dem Land, insbesondere über den großen Kontinentalmassen, als in der oberen Schicht des Meeres angestiegen. So sind die Meeresoberflächentemperaturen im letzten Drittel des 20. Jahrhunderts nur etwa halb so stark gestiegen wie die Landtemperaturen. Einzelne Ozeangebiete zeigen sogar eine Abkühlung.

Die Meeresoberflächentemperaturen stehen in unmittelbarem Kontakt mit der Atmosphäre, weshalb sich deren Temperaturänderungen ähnlich auch bei den Temperaturen der Meeresoberfläche bemerkbar machen. Ähnlich wie bei den Temperaturen der Atmosphäre zeigt sich bei den Meeresoberflächentemperaturen ein deutlicher Anstieg vom Beginn des 20. Jahrhunderts bis ca. 1940, dann eine leichte Abnahme und seit den 1970er Jahren wieder ein sehr deutlicher Anstieg. Neben der atmosphärischen Temperatur spielen aber auch Schwankungen der Ozeanzirkulation eine wichtige Rolle für die Meeresoberflächentemperatur. Daher entwickeln sich die Temperaturen in den einzelnen Ozeanen durchaus abweichend. Im Pazifik besitzt das ENSO-Phänomen einen wichtigen Einfluss, im Atlantik die thermohaline Zirkulation.

Abb. 2: Mittlere zonale Temperaturveränderung des Ozeans bis zu einer Tiefe von 700 Metern 1971-2010 in °C pro Jahrzehnt; schwarze Linien: zonale Mitteltemperaturen in °C

Auf längeren Zeitskalen gibt es großräumige Abkühlungs- und Erwärmungsphasen bei den Meeresoberflächentemperaturen im Nordatlantik durch die Atlantische Multidekadische Oszillation (AMO), die zumindest teilweise von der thermohalinen Zirkulation bzw. Meridionalen Umwälzzirkulation (MOC) angetrieben wird. Der Nordatlantik hat sich seit den 1970er Jahren stark erwärmt, aber seit Beginn des neuen Jahrhunderts sind die Temperaturen nahezu konstant geblieben.

Ähnliche Temperaturschwankungen wie im Nordatlantik gibt es auch bei der Meeresoberflächentemperatur im Pazifik. Eine Ursache ist die erwähnte El-Niño-Southern-Oscillation (ENSO). So war z.B. 1998 deshalb ein außergewöhnlich warmes Jahr, weil der stärkste je gemessenen El Niño die Temperaturen weltweit nach oben getrieben hat. Einen fast so starken El Niño gab es auch 2015/16. Bei einem El Niño wird durch Umverteilung von Wassermassen im Pazifik kaltes Auftriebswasser im östlichen tropischen Pazifik unterdrückt und durch warmes Wasser aus dem westlichen Pazifik ersetzt. Bei einer La-Niña-Phase ist es umgekehrt: Kaltes Auftriebswasser gelangt vor der südamerikanischen Westküste vermehrt an die Oberfläche und breitet sich nach Westen aus. Seit dem Jahr 2000 gab es kein größeres El-Niño-Ereignis; vielmehr dominierten im tropischen Pazifik die kühlen La-Niña-Zustände. Außerdem spielt im Pazifik eine Schwankung eine Rolle, die als Pazifische Dekaden Oszillation (PDO) bezeichnet wird. Die Mechanismen sind noch wenig verstanden. Seit den späten 1970er Jahren zeigt der PDO-Index einen positiven Trend, der sich seit der Jahrhundertwende dann aber negativ entwickelt hat. Zusammen mit den vorherrschenden La-Niña-Zuständen könnte die PDO durchaus nennenswert zu den kühleren Meeresoberflächentemperaturen seit ca. 2000 beigetragen haben.

Abb. 3: Ozeanerwärmung in den oberen 700 m für die Zeit 1955 bis Juni 2018

Der tiefere Ozean

Abb. 4: Speicherung der zusätzlichen Energie durch die globale Erwärmung 1971-2010; gestrichelte Linie: Unsicherheitsbereich bei der Abschätzung der Erwärmung des Ozeans

Zwischen 1971 und 2010 hat die Erde durch den Anstieg der Treibhausgaskonzentration eine Energiemenge von 274 ZJ (1 Zettajoule= 10²¹ Joule ) gewonnen. 93 % dieser Energiemenge ist im Mittel über den Zeitraum 1971-2010 in den Ozean gegangen. Der obere Ozean (0-700 m) hat 64 %, der tiefere (700-2000) 29 % aufgenommen. 3 % sind in das Schmelzen von Eis eingegangen, ebenfalls 3 % durch die Erwärmung der Landoberfläche der Kontinente und 1 % durch die Erwärmung der Atmosphäre. Die Erwärmung bis 2000 m Tiefe des Weltozeans hat zwar zwischen 1955 und 2010 nur 0,09 °C betragen. Würde man jedoch die 24x10²² Joule, die diese Erwärmung bewirkt haben, auf die unteren 10 km der Atmosphäre übertragen, würde sich diese Atmosphärenschicht um 36 °C erwärmen. Der erstaunliche Unterschied kommt dadurch zustande, dass die Gesamtmasse des Ozeans die der Atmosphäre um mehr als das 250fache übertrifft und die Wärmekapazität des Meerwassers vier Mal so groß ist wie die der Luft.

2019 war für den globalen Ozean das wärmste je gemessene Jahr. In den oberen 2000 m lag der Wärmegehalt um 228 Zetta Joule (1 ZJ=10²¹ Joule) über dem Mittel von 1981-2010 und 25 ZJ über dem Vorjahr 2018. Die letzten 5 Jahre waren die wärmsten Ozean-Jahre seit Beginn der Messungen, und zwar in der folgenden Reihenfolge: 2019 (228 ZJ über 1981-2020), 2018 (203 JZ), 2017 (193 ZJ), 2015 (185 ZJ) und 2016 (180 ZJ). Wichtiger als die Erwärmung in einem Jahr sind jedoch die Langzeit-Trends. Während der Periode 1955-1986 hat sich der Ozean relativ konstant um 2,1 ZJ/Jahr erwärmt, 1987-2019 waren es dagegen 9,4 ZJ/Jahr, eine Steigerung um ca. 450%. Neue Daten erlauben, die Erwärmung von der Meeresoberfläche bis auf den Meeresboden zu bestimmen. Sie zeigen von 1960 bis 2019 eine Erwärmung um 370 ZJ. Davon fielen 41% auf die oberen 300 m, 21,5% auf die Schicht 300-700 m, 28,6% auf 700-2000 m und 8,9% auf die Wassersäule unter 2000 m. Die Erwärmung war über alle Weltmeere verteilt. Der Atlantische Ozean und der Südliche Ozean erwärmten sich jedoch stärker als die Übrigen Ozeanbecken. Der Südliche Ozean nahm mit 35-43% der globalen Ozeanerwärmung zwischen 1970 und 2017 am meisten Wärme auf.

Die verstärkte Erwärmung der Weltmeere ist verantwortlich für das vermehrte Auftreten von marinen Hitzewellen und stellt ein hohes Risiko für Ökosysteme und Fischerei dar. Außerdem verstärkt die den globalen Meeresspiegelanstieg und ist mitverantwortlich für Schmelzen von Meereis und angrenzendes Landeis. Die höheren Temperaturen des Oberflächenwassers verstärkt außerdem die Verdunstung, woraus eine erhöhte Luftfeuchtigkeit und die Zunahme von Starkniederschlägen und Überschwemmungen folgen. Auch die Intensität von Dürren und Waldbränden wird davon beeinflusst.

Abb. 5: Änderung der Meeresoberflächentemperatur 2070-2099 im Vergleich zu 1961-1990 nach dem Szenario RCP8.5 in °C

Projektionen

Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts wird die stärkste Erwärmung des Ozeans in den oberen paar hundert Metern erwartet. Nach Modellrechnungen wird sich bei dem Szenario RCP2.6 die Temperatur der oberen Schicht bis 1 km Tiefe um 0,5 °C und nach dem Szenario RCP8.5 um 1,5 °C bis 2100 erhöhen. Am stärksten wird dabei die Erwärmung in den tropischen und subtropischen Gebieten ausfallen. Dabei werden sich die Regionen mit einer SST zwischen 26 °C und 30 °C, die geeignet sind, tropische Wirbelstürme entstehen zu lassen, in allen drei Ozeanen deutlich ausdehnen (vgl. Abb. 1a und 1b).

Regional gibt es zwei zentrale Muster der Erwärmung der SST: einen deutlichen Höhepunkt am Äquator und einen deutlichen Unterschied zwischen den nördlichen und südlichen Subtropen (Abb. 5). Für die geringere SST-Zunahme in den Subtropen wird eine Zunahme der Windgeschwindigkeit der Passate angenommen, die eine Dämpfung der SST-Zunahme bewirkt, während die sich kaum verändernden tropischen Winde nur einen geringen Einfluss besitzen. Außerdem nimmt die Verdunstung, die einen Abkühlungseffekt bedsitzt, in den Subtropen stärker zu als in den Tropen. Die Verdunstung wiederum ist abhängig von der SST, der Windgeschwindigkeit und der relativen Feuchte. Das zweite Muster zeigt eine um 0,5 °C höhere SST-Zunahme in den nördlichen im Vergleich zu den südlichen Subtropen. Als Ursache wird ein höherer Anstieg der Verdunstung in den südlichen Subtropen angenommen, der dadurch bedingt sei, dass die Windgeschwindigkeit der Südostpassate durch den Klimawandel um 0,3 m/sec zunehmen wird, während die Nordostpassate sich leicht abschwächen.

In den mittleren Breiten spielt der Einfluss der Atmosphäre eine wesentlich geringere Rolle. Wichtiger sind hier die Ozeanströmungen und ihr Wärmetransport für die Muster der SST-Erwärmung.

Einzelnachweise

Klimadaten zum Thema

Klimadaten zum Thema selbst auswerten? Hier können Sie aus globalen Daten eigene Karten erzeugen:

Daten zur Meeresoberflächentemperatur: Meeresoberflächentemperatur

Hier finden Sie eine: [hhttps://bildungsserver.hamburg.de/themenschwerpunkte/klimawandel-und-klimafolgen/arbeitsanweisungen-panoply-263990 Anleitung zur Visualisierung der Daten].

Klimamodell-Experimente zum Thema

Mit dem einfachen Klimamodell Monash Simple Climate Model (MSCM) können Experimente zur Bedeutung des Ozeans im Klimasystem und zur Erwärmung des Ozeans in einem zukünftigen Klima durchgeführt werden:

• Experiment zum Ozean im Klimasystem Durchführung des Experiments mit dem MSCM
• Experiment zur Ozeanerwärmung in einem künftigen Klima Durchführung des Experiments mit dem MSCM nach dem Szenario RCP8.5

• Bedienungsanleitung Kurzanleitung zur Nutzung des MSCM
• Arbeitsblätter und Lehrerhandreichungen Anleitung zur Arbeit mit Schülern

Bildergalerie zum Thema

• Bilder zu: Ozeanerwärmung (Bilder)

Lizenzhinweis

Kontakt: Dieter Kasang