Förderband aus Meereis versüsst Südpolarmeer
Das Meereis rund um die Antarktis treibt in den vergangenen Jahrzehnten verstärkt nach Norden. Damit einhergegangen ist eine Ausdehnung des Meereises und eine Abnahme des Salzgehalts des Meerwassers an der Eisgrenze – mit noch unerforschten Folgen für das globale Klima und die antarktischen Ökosysteme.
Langjährige Messungen des Salzgehaltes im Südpolarmeer zeigen, dass dieser während den letzten Jahrzehnten abgenommen hat. So stark wie in diesem Ozean hat sich der Salzgehalt in keinem anderen Meer verändert. Eine vollständige Erklärung dafür hatte die Forschung bislang nicht.
In einer soeben in der Fachzeitschrift «Nature» erschienenen Studie zeigen nun Ozeanforscher der ETH Zürich, des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und der Universität Hamburg den Grund für diese «Versüssung» (engl. freshening) des Südpolarmeeres auf.
In ihrer Studie weisen die Wissenschaftler zum ersten Mal nach, dass die verstärkte Bildung von Meereis entlang der Küste der Antarktis und dessen Abschmelzen an der Meereiskante hauptverantwortlich sind für die Veränderungen des Salzgehalts und der Salzverteilung im Südpolarmeer.
Das Antarktische Eis wandert
Es scheint paradox: Während in der Arktis das Meereis rapide schrumpft, dehnt es sich rund um die Antarktis trotz Klimaerwärmung stärker aus. Seit mehreren Jahrzehnten beobachten Forschende, dass die maximale Eisbedeckung des Südpolarmeeres weiter nach Norden reicht als noch vor 30 Jahren. Ein Hauptgrund für diese Ausdehnung ist ein verstärkter Transport, der das Meereis wie auf einem Förderband weiter nach Norden treibt. Nun zeigen die Forscher, dass dieser Prozess auch Folgen für den Salzgehalt des Meerwassers hat: Das Antarktische Meereis bildet sich und schmilzt jedes Jahr von neuem. Auf dem Höchststand bedeckt es eine Fläche von 18 Mio. km² – das entspricht der Grösse der USA und Kanadas. Beim Gefrieren fällt Salz aus und bleibt im Meer zurück. Dies macht das Wasser salziger. Beim Schmelzen des Eises gelangt Süsswasser in den Ozean, sodass sich dessen Salzgehalt verringert.
Das Eis bildet sich mehrheitlich in Küstennähe. Starke Winde und Meeresströmungen treiben das Eis dann mehr als 1000 Kilometer weit nach Norden auf das offene Meer hinaus. Die nördliche Meereiskante liegt ungefähr bei 60 Grad südlicher Breite. Dort beginnt das Eis im Frühjahr zu schmelzen und setzt so auf dem offenen Meer Süsswasser frei.
Kaltes Schmelzwasser wird Zwischenwasser
Das nun in den Ozean einströmende kalte Schmelzwasser kühlt das Meerwasser ab und macht es gleichzeitig süsser. Diese Wassermassen sinken dann unter Anschub der Winde und anderer Faktoren unter das wärmere Oberflächenwasser ab und bilden das sogenannte Antarktische Zwischenwasser, eine Wassermasse mit vergleichsweise tiefem Salzgehalt. Diese liegt auf rund 600 m bis 1500 m Tiefe und dehnt sich zungenförmig nach Norden aus. Die Zungenspitze reicht bis zum Äquator und im Ostatlantik sogar bis zur Iberischen Küste.
«Unsere Arbeit zeigt auf, dass sich der tiefe Salzgehalt im Antarktischen Zwischenwasser zu einem grossen Teil durch das Schmelzwasser vom Meereis erklären lässt», sagt Matthias Münnich, Dozent für physikalische Ozeanographie an der ETH Zürich, der massgeblich an der Studie beteiligt war.
Süsswassereintrag markant gestiegen
«Dieser Süsswassereintrag in das Antarktische Zwischenwasser durch das Meereis, aber auch derjenige in die Oberflächengewässer, hat in den vergangenen Jahrzehnten markant zugenommen. Diese Prozesse konnten wir zum ersten Mal abschätzen. Grund dafür sind vermutlich verstärkte nordwärts wehende Winde in diesem Zeitraum», sagt der Erstautor der Studie, Alexander Haumann, Doktorand in der Gruppe für Umweltphysik der ETH Zürich.
Der Süsswassertransport durch das Meereis hat gemäss den Berechnungen des Forschers und seiner Kollegen zwischen 1982 und 2008 um bis zu 20 Prozent zugenommen. In dieser Zeit hat der Salzgehalt des Meerwassers in der Schmelzzone kontinuierlich abgenommen, und zwar alle zehn Jahre um bis zu 0,02 Gramm pro Kilogramm Meerwasser. «Diese Zahl deckt sich mit langjährigen Messdaten», sagt Nicolas Gruber, Professor für Umweltphysik der ETH Zürich.
«Die Forschung hat schon lange beobachtet, dass der Salzgehalt des Antarktischen Zwischenwassers stark zurückgeht», erklärt er. Die Wissenschaftler nahmen jedoch an, dass dies auf verstärkten Niederschlag über dem Südpolarmeer zurückzuführen ist. «Allerdings waren die Veränderungen im Niederschlag, die man mit Computermodellen rekonstruiert hat, viel zu klein, um die beobachteten Veränderungen im Salzgehalt erklären zu können.» Der ETH-Professor ist sich deshalb sicher: «Es ist der verstärkte nordwärts Transport von Süsswasser durch das Meereis, der für einen grossen Teil dieser Veränderung verantwortlich ist.»
Einschnitt ins globale Klima
Das Meereis beeinflusst jedoch nicht nur den Salzgehalt des Wassers, sondern auch dessen Schichtung. Wasser mit geringem Salzgehalt ist leichter als solches mit hohem Salzgehalt und schwimmt oben. Wenn also die Oberflächengewässer «süsser» und damit leichter werden, kann schwereres salzhaltiges Wasser aus der Tiefe weniger gut nach oben gelangen. Die Schichtung der Wassermassen wird insgesamt stabiler. Dies wiederum beeinflusst wie und ob die unterschiedlichen Wassermassen untereinander und mit der Atmosphäre Klimagase wie CO₂ und Wärme austauschen. «Durch eine stabilere Schichtung könnte das Südpolarmeer theoretisch mehr Kohlenstoffdioxid aufnehmen, weil CO₂-reiches Tiefenwasser nicht mehr an die Oberfläche gelangt, wo es das CO₂ abgibt», sagt Gruber. Bei der Wärme wäre es gerade umgekehrt. Ein stabiler geschichteter Ozean würde weniger Wärme aufnehmen.
Lange Zeit nahmen die Forscher an, dass der Austausch von Wärme und Kohlendioxid hauptsächlich durch Veränderungen in den starken Winden dieser Region gesteuert wird. Die Studie von Grubers Gruppe zeigt nun, dass das System viel komplizierter ist. Veränderungen des Meereises rund um die Antarktis könnten darin eine wesentlich grössere Rolle spielen als bisher angenommen.
«Bis jetzt haben wir dem Meereis in der Arktis viel mehr Aufmerksamkeit geschenkt, da es dramatisch abnimmt. Die Veränderungen in der Antarktis könnten aber auf lange Sicht wesentlich bedeutender für unser Klima sein, da sie den Wärme- und Kohlenstoffhaushalt der Erde wesentlich beeinflussen», sagt Haumann.
Unklar ist, ob sich die nordwärts gerichteten Winde aufgrund des menschgemachten Klimawandels verstärkt haben oder ob es sich um natürliche Schwankungen handelt. «Wenn diese Veränderungen wirklich menschgemacht wären, wäre das eine dramatische Folge des menschlichen Einflusses für das Klima- und Ökosystem in einem der entferntesten und vermutlich bis heute am wenigsten berührten Winkel unserer Erde.»
Das Südpolarmeer wirkte bisher als Klimaregulator und Kohlenstoffsenke: Klimamodelle zeigen, dass dieser Ozean rund drei Viertel der zusätzlichen Wärme aufgenommen hat. Auch hat das Südpolarmeer die Hälfte der von den Weltmeeren aufgenommenen CO₂ -Gesamtmenge geschluckt.
Schweizerische Polarforschung
Gemeinsam mit der EPFL, der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL und der Universität Bern hat die ETH Zürich im April 2016 das Swiss Polar Institute (SPI) gegründet. Das Konsortium will die Polregionen und andere extreme Lebensräume erforschen. Das erste Projekt des SPI ist ehrgeizig: Eine internationale externe Seite Expedition mit 55 Forschenden aus 30 Ländern wird Ende Dezember 2016 die Antarktis auf einer mehrmonatigen Cruise ganz umrunden. Mit dabei ist der Klimaforscher Alexander Haumann aus der Gruppe von ETH-Professor Nicolas Gruber. Ziel der Expedition ist es, den Einfluss des Klimawandels und die Umweltbelastung des Südpolarmeeres zu erfassen und zu quantifizieren.
Literaturhinweis
Haumann FA, Gruber N, Münnich M, Frenger I, Kern S. Sea-ice transport driving Southern Ocean salinity and its recent trends. Nature, 31. August 2016. DOI: externe Seite 10.1038/nature19101