Der Wärme-Pulsschlag des Nordatlantiks

Die Zukunft des Arktischen Ozeans entscheidet sich auch in der Framstraße. Durch das Seegebiet zwischen Grönland und Spitzbergen strömt nämlich warmes atlantisches Wasser Richtung Norden. Wie viel davon wirklich in der Arktis ankommt und welche verschlungenen Pfade die Wärme nimmt, untersuchen AWI-Ozeanograph Wilken von Appen und sein Team.

Den Moment, in dem das akustische Aus­löse-signal Richtung Meeresboden gefunkt wird, hat Wilken von Appen schon dutzende Mal erlebt. Dennoch kann sich der AWI-­Ozeanograph nicht entspannt auf der Brücke des deutschen Forschungseisbrechers Polar­stern zurücklehnen und abwarten. Zu viel steht auf dem Spiel. Sollte in weniger als 60 Sekunden nicht eine Handvoll gelber und orangefarbener Auftriebskörper mit einem Verankerungsseil im Schlepptau an der Meeresoberfläche auftauchen, wären die Messergebnisse eines ganzen Jahres in Gefahr – und Forschungstechnik im Wert mehrerer Kleinwagen verloren.

45 Sekunden … 50 Sekunden. Nichts.­ ­Wilken von Appen sucht mit dem Fernglas die Mee­r­esoberfläche ab. Im Hinterkopf spielt er schon mal die verschiedenen Suchszenarien durch. Vielleicht hat sich das mehr als zwei Kilometer lange Plastikseil mit den Messgeräten irgendwo unter einer der Eisschollen verfangen? Rund um das Schiff treiben genügend. Die Wissenschaftler könnten in diesem Fall einen Tauchroboter mit Kamera zu Wasser lassen und nach der Messkette suchen. Schwieriger wäre es, wenn die Auslöse­vorrichtung den Anker der senkrecht in der Wassersäule stehenden Verankerungskette erst gar nicht freigegeben hätte. Die drei schweren Eisenbahnräder mit der Auslösevorrichtung liegen in 2 500 Meter Tiefe auf dem Meeresboden – zu tief für den Roboter.

Eingangstor in den Arktischen Ozean

Die Verankerung gehört zu einem der wichtigsten Langzeitprojekte des Alfred-­Wegener-Institutes. Seit dem Jahr 1997 überwachen AWI-Ozeanographen in der Framstraße, dem Meeresgebiet zwischen Spitzbergen und der Nordostküste Grönlands, den Pulsschlag des atlantischen Strömungssystems. „Die Framstraße spielt für uns aus drei Gründen eine wichtige Rolle. Erstens stellt sie eines von zwei Eingangstoren dar, durch die der Atlantische Ozean Wasser und Wärme in den Arktischen Ozean transportiert. Die Wärme führt dort unter anderem zur Meereisschmelze. Wenn wir zum Beispiel wissen wollen, wie viel Wärme der Atlantik in den Arktischen Ozean transportiert, müssen wir an diesen beiden Punkten messen“, sagt Wilken von Appen.

Zweitens ist die Framstraße ein wichtiges Gebiet für die globale Meereszirkulation. Auf seinem Weg nach Norden gibt das relativ salzige atlantische Oberflächenwasser große Mengen Wärme an die Atmosphäre ab, wodurch es kälter und dichter wird. In der etwa 600 Kilometer breiten Framstraße sinkt das Wasser auf eine Tiefe von 200 bis 800 Meter ab und fließt an der östlichen Schelfkante Grönlands entlang zurück Richtung Süden. Südlich von Island stürzt es dann in gigantischen Wasserfällen in die Tiefseebecken des Nordatlantiks. Klimaforscher nennen diese Umwälzung „Konvektion“ und schenken der Tiefenwasserbildung viel Beachtung. Denn: Eine Hälfte des Golfstroms, der mit seiner Kraft viel Wärme aus den Tropen Richtung Mittel- und Nordeuropa transportiert, ist Teil dieser Umwälzzirkulation – und wenn sich ein Detail entlang des Weges dieses Förderbandes ändert, könnte sich dadurch das gesamte System verändern.

Der dritte Grund für den AWI-Fokus auf die Framstraße ist der Rückzug der Gletscher an der Ostküste Grönlands. „Wir vermuten, dass diese Gletscher nicht nur schrumpfen, weil die Luft wärmer wird, sondern weil warmes Atlantikwasser aus der Framstraße unter ihre Eiszungen gelangt und die Eismassen von unten schmilzt. Wir untersuchen am Beispiel des 79°-Nord-Gletschers, auf welchem Wege sich das warme Wasser aus der Framstraße seinen Weg unter den Gletscher bahnt“, sagt Wilken von Appen.

Ein Anstieg von ein Grad Celsius

Ob Tiefenwasserbildung oder Gletscher­schmelze – Ausgangsbasis jeder For­schungs­­­­­frage ist der mehr als 20 Jahre umfassende Datensatz des sogenannten Verankerungsschnittes. Er besteht aus 16 Einzel-­Verankerungen, welche AWI-Wissenschaftler gemeinsam mit norwegischen Kollegen im Abstand von zehn bis 30 Kilometer nebeneinander ausgesetzt haben. Aufgereiht wie an einer Perlenschnur reicht diese Observatoriumskette auf etwa 79 Grad Nord einmal quer über den 300 Kilometer breiten tiefen Teil der Framstraße. Sie misst an 365 Tagen im Jahr die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und den Salzgehalt der ein- und aus­strömenden Wassermassen.

„Das Strömungssystem der Framstraße ähnelt an seiner Oberfläche einer Hauptstraße. Auf der rechten Spur fließt etwa drei bis sechs Grad Celsius warmes, salziges atlantisches Wasser im Westspitzbergenstrom Richtung Norden. Auf der linken Spur dagegen wandern minus 1,8 Grad Celsius kaltes, relativ salz­armes Wasser und Meereis im Ostgrönlandstrom aus der Arktis in den Nordatlantik“, sagt Wilken von Appen. Zwischen beiden Spuren gibt es dann Wegegabelungen, an denen Teile des atlantischen Wassers Richtung Westen abbiegen, um sich unter den Gegenstrom einzuordnen. Der Rest fließt weiter geradeaus in den Arktischen Ozean.“

Dieses System transportiert heute deutlich wärmeres Wasser in die Arktis als zu Beginn der Messungen. „Die Wassermassen des Westspitzbergenstroms sind heute im Durchschnitt ein Grad Celsius wärmer als im Jahr 1997. Das bedeutet, dass auch jene Wassermassen wärmer geworden sind, die den Westspitzbergenstrom Richtung Grönland verlassen und in Teilen bis vor die Gletscher gelangen. Eine Veränderung mit weitreichenden Konsequenzen für die grönländischen Eismassen“, sagt Wilken von Appen. Zu spüren ist ein Temperaturanstieg auch in der Tiefe. „Die Umwälzung der Wassermassen in der Grönlandsee erfolgt nicht mehr bis zum Meeresboden, sondern das Wasser wird nur noch in Tiefen von weniger als 1 000 ­Meter durchmischt. Welche Implikationen diese Veränderung für das atlantische Strömungs­system hat, ist bisher noch nicht abzusehen“, so Wilken von Appen.

Das Rätsel der kleinen Wirbel

Er hat sich in den zurückliegenden Jahren darauf konzentriert, herauszufinden, welche Kräfte das Atlantikwasser aus dem Westspitzbergenstrom Richtung Westen wandern lassen. Beim genaueren Hinsehen nämlich erweist sich die Physik des Meerwassers als schwer durchschaubare Materie mit so manchem Scheinwiderspruch. Von Appens Lieblingsbeispiel dafür ist die Erkenntnis, dass sich verschiedene Wassermassen von allein eigentlich nicht mischen. „Temperatur­unterschiede und Unterschiede im Salzgehalt zweier Wassermassen lassen Schichten und Fronten entstehen, die nur schwer zu durchbrechen sind. Das heißt in einer Strömung fließt das Wasser im Grunde wie in einem Wasserrohr. Ein Ausbrechen nach links oder rechts ist im Grunde nicht vorgesehen“, so der AWI-Wissenschaftler.

Und trotzdem beobachten die AWI-Forscher in der Framstraße, dass sich Wassermassen teilen. „Ermöglicht werden sie durch Wirbel im Westspitzbergenstrom. Sie haben einen Durchmesser von einigen Kilometern und reichen meist mehrere hundert Meter tief, in manchen Fällen sogar bis zum Meeresboden“, so Wilken von Appen. Und wo Wasser sich dreht, werden auch Fronten instabil. „Auf diese Weise entsteht zum einen die Westströmung in der Framstraße. Der gleiche Mecha­nismus ist unserer Meinung nach aber auch der Grund, warum es dem warmen und schweren Atlantikwasser gelingt, sich unter das eiskalte Wasser im Ostgrönlandstrom zu schieben“, sagt Wilken von Appen.

In den Ozean-Computermodellen seiner AWI-Kollegen Dr. Claudia Wekerle und Dr. Tore ­Hattermann kann Wilken von Appen mit eigenen Augen sehen, wie diese Wirbel vermutlich aussehen. Sie aber auf hoher See nachzuverfolgen und die wissenschaftliche Hypothese zu bestätigen, ist eine ganz andere Herausforderung. „Als Teil der großen AWI Infrastrukturinitiative FRAM haben wir im Sommer 2016 neue Verankerungen genau an jenen Stellen ausgelegt, an denen dem Modell zufolge ein Teil des Atlantik­wassers Richtung Westen abdreht. Bisher gehen wir von zwei solcher Wendemarken aus. Unsere Messdaten müssen diese Annahme aber erst noch bestätigen“, so ­Wilken von Appen.

Wenn es nur nicht zu nervenaufreibend wäre, diese Daten zu bergen. 1:05 Minuten sind seit dem Aussenden des Funksignals vergangen. „Auftrieb gesichtet“, ruft plötzlich der diensthabende Offizier und zeigt mit dem Finger auf ein paar Eisschollen, die längsseits des Forschungseisbrechers treiben. Wilken von Appen atmet kurz durch und schaltet auf Auto­pilot: Bergung protokollieren, Mess­geräte reinigen, Daten auslesen und kontrollieren, vielleicht sogar erste schnelle wissenschaftliche Erkenntnisse – sein Arbeitspensum für die nächsten 48 Stunden steht fest. Und das war erst Nummer eins von mehr als 20 ­Verankerungen!

Text: Sina Löschke

Klimamagazin

Dieser Text erschien im AWI-Klimamagazin. Eine Übersicht aller Themen sowie die Möglichkeit für einen pdf-Download finden Sie im Fachbereich Klimawissenschaften