Nicht nur für Seefahrer sind Meeresströmungen von großer Bedeutung, sondern auch für Fischfang und Landwirtschaft. Wasser in Bewegung bedeutet Energietransport – oft über weite Strecken. Kaum eine Meeresströmung ist etwa so berühmt wie der Golfstrom. Er transportiert große Mengen an Wärme nach Europa, von seiner Exitenz hängt Vieles in Europa ab. Längst sind nich alle Mechanismen geklärt, die für das Entstehung und die Aufrechterhaltung von Meeresströmngen von Bedeutung sind. Zu grobmaschig ist das Netz der Beobachtungen, zu komplex die zugrundeliegenden dynamischen Vorgänge. Die Sendereihe erzählt über die physikalischen Aspekte von Meeresströmungen und ihre Bedeutung für die Kulturlandschaften der Erde.
(Ab 1. Juni 2008 – das genaue Datum der Ausstrahlung ist unklar)
Interviewpartner: Michael Hantel, Meteorologe (Link zu Wikipedia)
Meeresströmungen — Wassermassen in Bewegung
Der Meteorologe Michael Hantel über Meeresströmungen
Teil 1: Der Transport von Energie
Erde ist von 70% von Wasser bedeckt. Klimatisch ist der Ozean daher sehr wichtig. Meeresströmungen sind eine Komponente. Wasser fließt, Wellen, sie bewegen Wasser hin und her. Wellen sind keine Meeresströmungen.
Meeresströmungen sind das, was übrigbleibt, wenn man sich die Wellen wegdenkt. Die Variabilität muss man sich auch wegdenken. Gezeitenströmungen zum Beispiel. 7 m/s in Irland.
Oststrom: West nach Ost. Ostwind: Aus Osten. “Ein westwärtiger Strom” ist einfacher zu verstehen 0,1 m/s = 0,2 Knoten, 360 m/ Stunde.
Beispiele: Golfstrom, Kuroshio, Äquatorialströmung, Antarktischer Strom.
Messung: Meeresströmungen merkt man nicht am Schiff. Columbus nach Amerika: geografische Position „heute“ + Kurs. Auf der Karte. Er rechnet vor. Er ist aber wo anders. Die Differenz ist die Meeresströmung. Segelt 6 m/s, Golfstrom nach Norden 6 m/s. Er segelt daher nach NW – nicht auf die Antillen. Sondern Cape Caverast in Amerika.
Viele Geheimnisse. In welchen Bewegungsformen steckt die hauptsächliche Energie? In den kleinen Wirbeln im Golfstrom, die Golfstromwirbeln. Das sind ziemlich tiefgehende Drehbewegungen des Wasserkörpers, 1000m, nicht dauernd beobachtbar, das geht einem ständig durch die Lappen. Weil das aber für Wärme und Energietransport wichtig ist, sind da viele Fragezeichen.
Auch die Tiefenzirkulation ist nicht ständig beobachtbar.
Teil 2: Das Phänomen der Ekman Spirale
Wie setzt sich die Strömung an der Oberfläche nach unten hin fort? Beim Fischen wird zum Beispiel die Leine mitgenommen: Das Phänomen der „Ekman Spirale“.
Fridtjof Nansen versuchte den Nordpol zu erreichen. Bäume aus Sibirien wurden an der Küste von Grönland gefunden, Lerchen. Daraus schloss er, dass es am Nordpol kein Land gibt. Das Schiff „Fram“ fror im Eis fest. 1893–1896. Nansen beobachtete Wind aus Osten. Das Eis wurde nicht nach Westen geführt, sondern nach Nordwesten. Wind aus Westen, Eis nicht nach Osten, sondern Südosten. Eis wurde um 45° nach rechts abgelenkt. Drift.
Nansen erzählte das in Bergen seinen Studenten. Ekman machte eine Theorie und löste das Problem in einer Nacht. Die Drehung kommt durch die Erdrotation zustande. Ostwind. Durch Reibung möchte er Reibung nach Westen mitnehmen. Warum nimmt er das mit? Wie ein Jugendlicher auf dem Surfbrett, er rennt hin, springt drauf, bei diesem Sprung gibt er seinen Impuls an das Surfbrett weiter. Jugendlicher ist der Wind, Surfbrett das Wasser. Weil sich Erde dreht, wird diese Strömung nach rechts abgelenkt. Kraft, die nach rechts geht, und die Kraft nach vorne, das sind 45 Grad. Nach unten immer weiter. Die obere Wasserschicht wirkt auf die untere. Noch weiter nach Norden, die noch weiteren Schichten fließen nach Norden und noch tiefer nach Osten zurück. Von oben alle verbundene Strömungsvektoren: eine Spirale, die sich auf ein Schwänzchen zusammenzieht. In den hohen Breiten. Am Äquator: Null. Das ist die Ekman Spirale. Das erklärt auch Eisdrift an der Oberfläche, auch Strömungsmessung von Nansen durch das 3 m dicke Polareis, Strömungsmessung in der Tiefe.
Link: Die Korkenzieherströmung, auch Ekman-Spirale – https://de.wikipedia.org/wiki/Korkenzieherströmung
Teil 3: Das Zusammenwirken von Kräften
Die Menschheit hat immer Seefahrt betrieben. Äquatorialströme: Pazifik und Atlantik, Wasser von Osten nach Westen, über 20.000 Kilometer. Durch den Passat getrieben, durch Wind. Dieser Windantrieb ist ein Transport von Impuls. Das heißt, dass der Wind einen horizontalen Impuls hat, wenn er weht. Und dass er den jetzt auf das Wasser überträgt. Dadurch entsteht die Wasserströmung in Windrichtung. Das ist die eine Kraft, die wirkt. Die andere Kraft ist die Schiefstellung der Meeresoberfläche. Wasser steht waagrecht, aber es sind ständig Kräfte da (der Wind etwa), die im Wasser Höhenunterschiede produzieren, kleine Berge und Täler. Wenn die Meeresoberfläche nicht exakt gerade ist, sondern an einer Stelle einen Berg bildet und einer anderen Stelle ein Tal, dann muss das Wasser vom Berg zum Tal fließen. Weil im Wasser Hochdruck herrscht. Das Wasser versucht vom Berg zum Tal zu fließen.
Man nennt diese Kraft, die das Wasser treibt, die Druckgradientkraft. Wir haben also Wind, Druckgradientkraft, und die dritte Kraft, die genauso wichtig ist, ist die ablenkende Kraft der Erdrotation. Das ist eine ganz unanschauliche Geschichte.
Da stellen Sie sich vor: wer hat schon mal den Film „Takshis Castle“ gesehen? Folgende Situation: die jugendlichen Wettbewerbsteilnehmer müssen über ein langes Brett gehen, ungefähr 10 m lang. Das Brett führt über ein Wasserbecken, in das darf man nicht fallen. Der Witz ist nun, dass sich das Brett in 1 Minute um sich selbst dreht. Man kann vom Rand an einer Stelle auf das Brett hinaufkommen. Und dann kommt man über Wasser und nach einer halben Umdrehung kommt das Ende vom Brett an dieser Stelle wieder vorbei. In der Zwischenzeit muss man über das Brett gegangen sein, dann kann man wieder ausseigen. Wenn man das nicht weiß, ist das zum Totlachen. Man muss die Jugendlichen sehen, die über das Brett laufen und von einer mächtigen Kraft abgelenkt ins Wasser fallen. Es schaffen es nur ganz wenige. Und diese Ablenkung heißt Corioliskraft. Man muss den Corioliseffekt wissen. Wenn man ihn weiß, kann man ihn berücksichtigen, dann braucht man sich nur vorher gegen die Kraft zu stemmen.
Zurück zur Meeresströmung: dieser Prozess des Ausgleichs zwischen der der Schrägstellung der Wasseroberfläche, das ist ganz wenig, 1 m pro Tausend km. Das sehen Sie gar nicht. Das ist die eine Kraft, und die andere Kraft ist die Corioliskraft, und die ist auch sehr schwach, die kennt man normalerweise nicht. und der Takashi-Castle-Spieler, der sieht die nur, weil er sich in einer ganz abnormen Situation befindet. Aber das Wasser, das Tag und Nacht der Erddrehung ausgesetzt ist, und diesen schwachen Kräften ausgesetzt ist, merkt die Corioliskraft, die Schiefstellung der Oberfläche, und bewegt sich unter diesen beiden Kräften. Und diese verschiedenen Kräfte wirken zusammen. Das nennt man das „Geostrophische Gleichgewicht“.
Ein Beispiel ist der Nordäquatorialstrom. Er fließt von Ost nach West, und wenn Sie sich die Karte ansehen, dann sehen Sie, dass die Wasseroberfläche im Atlantik und im Pazifischen Ozean ganz leicht nach Süden hin ansteigt. Dieser Ausgleich ist der ganz wichtige Ausgleich der Meeresströmung, dass die Balance der Meeresströmung im freien Weltmeer.
Ein anderes Beispiel ist der antarktische Wasserring. Das ist ein Strom, der um die Antarktis von West nach Osten permanent herumläuft. Das ist das Reich des Albatros, und in dieser Gegend haben wir eine Strömung, die sonst im ganzen Weltmeer in dieser Stärke nicht erreicht wird. Da passiert das Entsprechende. Auf der Südhalbkugel steigt der Wasserspiegel zu Antarktika hin an.
Der Golfstrom hat, der Kuroshio hat das, der Nordäquatorialstrom hat das. Und dieses Gleichgewicht sorgt dafür, dass Strömungen über 1000e km in eine Richtung fließen können.
Teil 4: Die Bedeutung des Golfstroms
Man muss mal im Golfstrom getaucht haben. Man muss gesehen haben, wenn die Wellen durchfließen und wenn die goldenen Schwärme von Fischen zu 1000en, kleine 10 cm lange Fische, 1000 Fische unter der Wasseroberfläche stehen, dann in der Welle gleichmäßig mit rauf und runtergehen. Und wenn die Sonne reinscheint und man wieder auftaucht, muss man das fast UV-blaue Licht auf der Wasseroberfläche gesehen haben. Man kann UV-Licht nicht sehen, aber wenn man dieses tiefe Blau sieht, denkt man, dass man UV sehen kann.
Der Golfstrom ist bedeutend auf ganz vielen Gründen. Einer davon ist, dass er riesige Mengen von Wärme aus der Golfregion in die Polargebiete transportiert. Ein anderer ist, dass er das Gebiet der stärksten Sturmtätigkeit in der Atmosphäre markiert. Das hängt damit zusammen, dass durch die Wärme am Golfstrom ein sehr starker Vertikalaustausch von Wärme und Feuchte zwischen Ozean und Atmosphäre passiert. Er ist also energetisch äußerst wichtig, nicht nur der Golfstrom, sondern der Curoshio im pazifischen Ozean genauso.
Was ist das Besondere am Golfstrom? Im Passatgebiet herrscht Hochdruck in der Atmosphäre. In den Subtropen, bis in die Tropen hinein, herrscht über dem Weltmeer, dem Atlantik und auch über dem Pazifik ein Windsystem, das von Nordosten her weht. Das ist der NO-Passt. Er weht von NO nach Südwest. Er ist sehr beständig, er treibt die Seefahrer auf ihren Weltumsegelungen von Europa nach Amerika. So ist Columbus nach Amerika gesegelt, im NO-Passat. Auf der Südbhalbkugel ist es der SO-Passat. Er weht auch nach O aber mit einer Komponente von S nach N. Die Passate treffen sich am Äquator und treiben das äquatoriale und das subtropische Strömungssystem am Ozean. Jetzt haben wir gleichzeitig nicht nur Winde dort, sondern auch Druck. Das Passatgebiet über dem subtropischen Ozean herrscht relativer Hochdruck in der Atmosphäre. Das Besondere ist, dass sich im Hochdruckgebiet die Luft entgegen der Erdrotation dreht, das nennt das „antizyklonal“. Das ist mit dem Linkswalzer vergleichbar. Die Erdrotation ist ein Rechtswalzer, die Antizyklonalrotation ist ein Linkswasser. Diese Linkswasserdrehung der Luft wird auf das Wasser übertragen. Das heißt, das Wasser bekommt Linkswalzerdrehung mit. Gleichzeitig führt der NO-Passat aber dazu, dass das Ozeanische Oberflächenwasser als Ganzes nach Süden fließt, nach Südwesten. Vor der amerikanischen Küste muss es wieder nach Norden zurück, sonst würde der Atlantik nach Süden leerlaufen. Wenn der Strom an der Westseite nach Norden zurückfließt, konzentriert er sich auf einen schmalen Küstenstreifen. Er ist nicht viel breiter als 100 km, vergleichen mit dem etwa 5000 km breiten Atlantik. Durch diesen schmalen Streifen muss das Wasser wieder nach Norden zurück, das heißt, das Wasser muss 50-mal so schnell sein im nordwärtigen Teil wie im südwärtigen Teil, um den Ausgleich zu machen. Im Golfstrom herrscht ungefähr 5 m/s, das sind ungefähr 18 Stundenkilometer. 20 km/h.
Das Beständigste am Golfstrom ist seine ständige Veränderlichkeit. Er ist hochvariabel, er bildet Ringe, er fluktuier, er mäandriert. Und er ist jedes Jahr anders. Das ist das Normale. Jetzt hört man, der Golfstrom bricht zusammen. Das stimmt nicht. Ja, er bricht immer wieder zusammen und dann bildet er sich immer wieder neu. Er muss sich immer wieder neu bilden, der Mechanismus des Golfstroms ist so stark. Wenn die atmosphärische Zirkulation auch weiterhin die Aufgabe hat, das globale Windsystem aufrechtzuerhalten und dabei den Wärmetransport und den Drehimpulstransport und den Wassertransport in die hohen Breiten zu bewerkstelligen, dann muss das atlantische und das pazifische Stromsystem so funktionieren, dass dort immer dieser Linkswalzerimpuls aus der Atmosphäre in den Ozean hineingeht und dann ist der Golfstrommechanismus immer aktiv.
Das heißt, der Golfstrom kann nicht zusammenbrechen. Der Golfstrom wird sozusagen, wenn er mal schwächer geworden ist, ständig neu gebildet.
Teil 5: Die Kälte der Tiefsee
Als die Amerikaner in den 50er Jahren das Problem des radioaktiven Abfalls hatten, kamen sie auf die Idee, das am Meeresboden abzulagern. Da wurden Experten befragt, ob das gefährlich sei, weil man eigentlich der Meinung war, dass es in der Tiefsee überhaupt keine nennenswerten Stromgeschwindigkeiten mehr geben könnte. Und ich weiß, dass mein Lehrer Georg Wüst damals gewarnt hat und Stromgeschwindigkeiten in der Gegend von 10 cm pro Sekunde, das ist also eine ziemliche Schneckengeschwindigkeit, das sind so kleine Geschwindigkeiten, dass man die normalerweise nur dadurch messen kann, dass man dort Unterseeboote hinschickt. Die würde aber reichen, um radioaktiven Abfall, den man dort ablagert, im Laufe der Zeit dort wegzutragen. Daraufhin wurde dieses Projekt abgeblasen, und ich weiß noch, mit welchem Stolz Wüst die ersten direkten Strommessungen und Fotografieren von dem Meeresboden zeigte. Da gibt es nämlich Rippeln, die bilden sich erst bei mindestens 10 cm Stromgeschwindigkeit. Das war der Beweis, dass es am Meeresboden Wasserbewegungen gibt. Auf diese Weise ist verhindert worden, dass radioaktiver Abfall am Meeresboden abgelagert worden ist.
Diese Strömungsgeschwindigkeiten in der Tiefsee: Es fließt vor allem das kalte Wasser unten zum Äquator hin. Woher kommt dieses kalte Wasser? Warum ist der Ozean unten überhaupt kalt. Das Innere des Meeres ist doch warm?
An der Oberfläche ist das tropische Wasser warm. Aber das Tiefenwasser ist kalt, ungefähr 4 Grad, 3 Grad, 1 Grad. Ganz kalt. Das kann doch eigentlich gar nicht sein. Und es ist dadurch so, dass das kalte Wasser ständig durch arktisches und antarktisches eiskaltes Wasser gespeist wird. Das passiert auf der Nordhalbkugel, das in einem ganz schmalen Bereich durch die sogenannte Konvektion vor Labrador. In der Labradorsee befinden sich Areale, die sind im freien Ozean zum Teil nur 50 oder weniger km im Durchmesser, da ist das Wasser so kalt, durch Kälteausbrüche aus Kanada und der inneren Arktis, vor allem im Winter, da haben wir dort in der Luft Temperaturen von –20 Grad und weniger. Das Wasser wird abgekühlt und stürzt, weil es kalt ist, und damit schwer, an dieser Stelle im Ozean in die Tiefe und fällt auf 1000, 2000 Meter ab. Das ist eine Art kalter Wasserfall nach unten. Der jetzt am Meeresboden ankommt und sich dort in einem schmalen Strom entlang Amerika südwärts ausbreitet. Das fließt jetzt in Richtung zum Äquator und speist das gesamte ozeanische Tiefenwasser im Atlantik. Dieses kalte Wasser breitet sich nun dann aus, zum Äquator hin aus und wird dort wieder zurückgeführt und das gesamte ozeanische Stromsystem, das im Atlantik entwickelt ist, das im Pazifik entwickelt ist, im Indischen Ozean entwickelt, und das durch den entsprechenden Prozess vor Antarktika, wo es ebenfalls solche Konvektionszellen gibt, die kaltes Wasser nach unten führen und äquatorwärts führen, dieses gesamte ozeanische Stromsystem bezeichnet man als ein Förderbandsystem, die englische Fachbezeichnung ist „Conveyer Belt“.
Da geht es zu wie in einem Netzwerk, auf der Autobahn, einer Mischung aus hektischer Schnellbewegung und ganz ruhiger Bewegung dazwischen. Das Interessante ist, dass diese Tiefenzirkulation eigentlich im Wesentlich auf der deutsch-österreichischen Atlantik-Expedition mit dem Forschungsschiff und Vermessungsschiff Meteor 1925–1927 entdeckt wurde. Und das Verrückte ist, dass eben das Wasser nicht, wie man denken sollte, sich völlig gleichmäßig organisiert, sondern sich in starken Strömungen konzentriert. Und die Kräfte, die das bewirken sind immerfort am Werke. Wenn ein solcher Storm sich mal gebildet hat, bildet er sich immer wieder, auch wenn er mal zusammenbricht.
