Thermohaline Zirkulation im Nordatlantik Wohin steuert das Klima auf der nördlichen Hemisphäre? Astrid Ulrich und Nadine Finn Ingenieurshydrologie 1 im SS2012 Prof. Manfred Koch Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Gliederung Was bedeutet thermohaline Zirkulation Definition, Entstehung Beispiel Nordatlantikstrom Klimawandel Entstehung, Auswirkungen auf Wasserkreislauf Zusammenhang Klimawandel und thermohaline Zirkulation Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Thermohaline Zirkulation - Thermohalinität Eine Eigenschaft des Meerwassers ist Thermohalinität Aussage über Temperatur des Wassers (thermos) und die Salinität (halos) und in Folge die Dichte des Wassers. Ab einer Salinität über 1,0 % (entspricht 10 g/kg) spricht man von Salzwasser Reduktion oder Erhöhung beider Faktoren bewirkt ozeanische Zirkulation (Meeresströmungen) Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Thermohaline Zirkulation – Meeresströmung Horizontaler Transport von Wassermassen Einfluss durch die Topographie (Relief) des Meeresbodens, die Corioliskraft, die Zentrifugalkraft bei Rotationsbewegungen sowie die Reibungskraft beeinflusst Man unterscheidet nach Dauer, Entstehung, Temperatur und Salzgehalt sowie nach Lage (bzgl. Schichtung) Großer Einfluss auf das Klima Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Thermohaline Zirkulation – „Conveyor belt“ Das globale Wärmeaustauschband wird im Wesentlichen durch das winterliche Absinken des salzreichen und kalten Meereswassers im Nordatlantik auf 1 bis 4 km Tiefe initiiert, weshalb sich diese Regionen des globalen Kreislaufes dazu eignen, das Zirkulationsmuster von hier aus zu betrachten. Am oder nahe dem Meeresgrund fließt das Wasser als kalte Tiefenströmung (Nordatlantisches Tiefenwasser) bis zum Ausgang des Südatlantiks und wird dann mit dem Zirkumpolarstrom in den Indischen Ozean und den Pazifik transportiert. Der Zirkumpolarstrom des südlichen Ozeans umströmt den gesamten Globus und vermischt die Wassermassen der drei angrenzenden Ozeane und ist wahrscheinlich der Ort, wo das meiste kalte Wasser aufsteigt und durch windgetriebene Vermischung erwärmt wird. Von dort bewegen sich die durch Vermischung modifizierten Wassermassen wieder zurück an die Oberfläche (Oberflächenwasser, Pazifik) oder in wenige hundert Meter unter diese (Zwischenwasser, Indik). Das Wasser erwärmt sich in der Folge besonders in den äquatorialen Bereichen und fließt als warme Oberflächenströmung zunächst an Indonesien vorbei, hiernach um die Südspitze Afrikas herum in die Golfregion Mittelamerikas und schließlich als Golfstrom in den Nordatlantik, wo es erneut absinkt und den Kreislauf damit schließt. Im Nordatlantik verdunstet das in Relation zur Umgebung warme Wasser und somit erhöht sich der Salzgehalt. Das Wasser hat eine höhere Dichte (wird schwerer) und sinkt 1 bis 4 km nach unten. Zusätzlich kühlen Winde aus der Polarregion das Wasser ab. (Passatwinde) Gleichzeitig Erwärmung des Wassers in den Tropen (Golf von Mexiko), das dadurch eine geringere Dichte bekommt. Das Absinken des Wassers im Norden führt zu einem Sog, der das leichte, warme Wasser von den Tropen absaugt. Das wiederum führt zu einem unterirdischen Sog für das Kaltwasser aus dem Norden Richtung Süden. Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Thermohaline Zirkulation – Nordatlantikstrom Nördlicher Ausläufer des Golfstroms Dauer: ständig Entstehung: thermohalin Lage: starke Schichtung (Oberfläche) Salinität: 3,54 % Transport von Wärme in die nördliche Hemisphäre Durch kalte Luft am Nordpol wird das Wasser abgekühlt, die Dichte nimmt zu, es sinkt ab Geht in den Nordatlantischen Tiefenstrom über Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Thermohaline Zirkulation – Nordatlantisches Tiefenwasser Fällt wie ein unterseeischer Wasserfall auf den Meeresboden einige hundert bis mehrere 1000 m 16 – 18 Sv werden transportiert NADW: North Atlantic Deep Water AABW: Antarktisches Bodenwasser Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Wetter und Klima Wetter Klima Zustand der Atmosphäre über einem bestimmten Ort zu einer bestimmen Zeit Klima Durchschnittliches Wetter einschließlich seiner Extremwerte über einen längeren Zeitraum an einem bestimmten Ort Statistik aus vielen Messwerten → Mittelwertberechnung Erhöhung der Verdunstung: Zusammenhang globale Erwärmung mit dem thermohalinen Zirkulationen. Jetzt stellt sich uns also die Frage: ist das globale Förderband in seinen nordatlantischen Ausläufern stabil? Die globale Erwärmung durch die Emission von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen verstärkt die Verdunstung, die besonders über den Ozeanen der Subtropen hoch ist. Die wärmere und mehr Wasserdampf enthaltende Luft transportiert die Feuchte von den Subtropen in höhere Breiten, wo sie dann als Niederschlag fällt und direkt oder durch Zuflüsse den Süßwassereintrag in den Nordatlantik erhöht. Außerdem wird durch die Erwärmung der Atmosphäre auch die Temperatur des Oberflächenwassers erhöht. Zusätzlich bedeutet das Abschmelzen großer Eismassen einen Eintrag von Süßwasser im Nordatlantik. All diese Effekte haben eine Verringerung der Dichte in den nordatlantischen Absinkgebieten der meridionalen Umwälzzirkulation (MOC)[1] zur Folge und damit eine Schwächung der Tiefenwasserproduktion und des Wärmetransports durch den Golfstrom und den Nordatlantikstrom - falls nicht andere Effekte dem entgegenwirken. Die MOC wird nämlich nicht allein durch die Änderung der Auftriebskraft in Folge von Austauschprozessen an der Oberfläche beeinflusst, sondern auch durch die Dichtestruktur des Atlantiks und die kleinräumige Durchmischung des Ozeanwassers. Zufällige natürliche Schwankungen können dabei ebenfalls wichtig sein. Wie die MOC auf eine erhöhte Süßwasserzufuhr und höhere Temperaturen reagieren wird, kann man einerseits durch Modellrechnungen abschätzen, andererseits aus der Vergangenheit abzuleiten versuchen. Geologische Daten haben in Verbindung mit Modellsimulationen in letzter Zeit ein zunehmend differenzierteres Bild über das Verhalten der MOC bei früheren Klimaänderungen, insbesondere während der letzten Kaltzeit, entstehen lassen. Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Klimawandel Synonym für Klimaveränderung Globale Erwärmung Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes Verbrennung fossiler Brennstoffe Abholzung von Wäldern Massentierhaltung → anthropogene Klimaveränderung Erhöhung der Verdunstung: Zusammenhang globale Erwärmung mit dem thermohalinen Zirkulationen. Jetzt stellt sich uns also die Frage: ist das globale Förderband in seinen nordatlantischen Ausläufern stabil? Die globale Erwärmung durch die Emission von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen verstärkt die Verdunstung, die besonders über den Ozeanen der Subtropen hoch ist. Die wärmere und mehr Wasserdampf enthaltende Luft transportiert die Feuchte von den Subtropen in höhere Breiten, wo sie dann als Niederschlag fällt und direkt oder durch Zuflüsse den Süßwassereintrag in den Nordatlantik erhöht. Außerdem wird durch die Erwärmung der Atmosphäre auch die Temperatur des Oberflächenwassers erhöht. Zusätzlich bedeutet das Abschmelzen großer Eismassen einen Eintrag von Süßwasser im Nordatlantik. All diese Effekte haben eine Verringerung der Dichte in den nordatlantischen Absinkgebieten der meridionalen Umwälzzirkulation (MOC)[1] zur Folge und damit eine Schwächung der Tiefenwasserproduktion und des Wärmetransports durch den Golfstrom und den Nordatlantikstrom - falls nicht andere Effekte dem entgegenwirken. Die MOC wird nämlich nicht allein durch die Änderung der Auftriebskraft in Folge von Austauschprozessen an der Oberfläche beeinflusst, sondern auch durch die Dichtestruktur des Atlantiks und die kleinräumige Durchmischung des Ozeanwassers. Zufällige natürliche Schwankungen können dabei ebenfalls wichtig sein. Wie die MOC auf eine erhöhte Süßwasserzufuhr und höhere Temperaturen reagieren wird, kann man einerseits durch Modellrechnungen abschätzen, andererseits aus der Vergangenheit abzuleiten versuchen. Geologische Daten haben in Verbindung mit Modellsimulationen in letzter Zeit ein zunehmend differenzierteres Bild über das Verhalten der MOC bei früheren Klimaänderungen, insbesondere während der letzten Kaltzeit, entstehen lassen. Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Folgen Treibhauseffekt Globale Erwärmung Anstieg der Durchschnittstemperatur bis 2100 bis 6,4  °C Gletscherschmelzung Intensivierung Wasserkreislauf (mehr Niederschläge/Verdunstung) Beispiel: Erhöhte Verdunstung über den Ozeanen der Subtropen →Transport der Feuchte in höhere Breiten Folgen: Verändertes Niederschlagsmuster Erhöhter Süßwassereintrag in den Nordatlantik → steigender Meeresspiegel bis zu 3cm pro Jahrzehnt Erwärmung der Ozeane Erhöhung der Verdunstung hängt mit dem Wasserkreislauf zusammen, der durch den Strahlungshaushalt in der Atmosphäre angetrieben wird. Den Ausgleich zwischen den erwärmten Erboden und der kühleren Atmosphäre schaffen Verdunstungen => Latente Wärmefluss Aufgrund von Absorption, Reflexion und Emission von kurzwelliger Solarstrahlung und langwelliger Wärmestrahlung stellt sich ein Überschuss an Energie an der Erdoberfläche und ein Defizit in der Atmosphäre ein. Entscheidend ist dabei die kurzwellige Solarstrahlung, die zu einem großen Teil ungehindert die Atmosphäre passiert und vom Boden absorbiert wird. Dabei wird die Atmosphäre deutlich weniger erwärmt als der Boden Verändertes Niederschlagsmuster: Grund, bei uns kommt es zu einer Abkühlung und die Feuchtigkeit regnet aus. Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Auswirkung Globale Erwärmung auf Wasserkreislauf Erwärmung um 1°C → 2-3 % mehr Niederschläge Salzgehalt Abnahme: in hohen Breiten und in den Tropen Zunahme: Subtropen Globale Niederschlagsveränderung Zunahme von Niederschlag in schon regenreichen Breiten und Abnahme in Trockengebieten Zukünftige Erwärmung 2-3 °C → 16-24 % Verstärkung des Wasserkreislaufs Zunahme latenter Energie in der Atmosphäre aufgrund von Verdunstung und Kondensation → Verstärkung von Wind Aerosole begünstigen die Bildung von kleineren Tröpfchen und begünstigen somit den Niederschlag aufgrund ihres Temperatureffekts. Man könnte sogar vermuten, dass die Veränderung des Aerosolengehalts den hydrologischen Zyklus mehr beeinflussen als die verstärkte Konzentration der Treibhausgase, jedoch haben die A. Nur eine kurze Lebensdauer und Wirkungen nur auf die Gebiete ihrer Entstehung, d.h. Der globale Effekt ist unklar. Kein globaler Trend der Niederschläge im Zeitraum 1951-2005 (nur regional Ab- bzw. Zunahme) . Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Auswirkung Globale Erwärmung auf Wasserkreislauf Regionale Trends: Abnahme des Abflusses Gelben Flusses in China trotz stagnierender Niederschläge Temperaturanstieg und damit Anstieg der Verdunstung Jahreszeitliche Veränderung in mittleren und höheren Breiten Frühe Schneeschmelze und frühes Aufbrechen des Flusseises Aerosole begünstigen die Bildung von kleineren Tröpfchen und begünstigen somit den Niederschlag aufgrund ihres Temperatureffekts. Man könnte sogar vermuten, dass die Veränderung des Aerosolengehalts den hydrologischen Zyklus mehr beeinflussen als die verstärkte Konzentration der Treibhausgase, jedoch haben die A. Nur eine kurze Lebensdauer und Wirkungen nur auf die Gebiete ihrer Entstehung, d.h. Der globale Effekt ist unklar. Kein globaler Trend der Niederschläge im Zeitraum 1951-2005 (nur regional Ab- bzw. Zunahme) . Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Zusammenhang Klimawandel – Thermohaline Zirkulationen Erhöhter Süßwassereintrag in den Nordatlantik → Verringerung der Dichte Thermohaline Zirkulation könnte im Extremfall erliegen Prognosen bis 2100: 15-20% Verringerung der Strömung 30 % Verminderung des Wärmetransport → Stocken des Nordatlantik bedeutet nicht, dass es dramatisch abkühlt (vgl. Kältestarre aus„The Day After Tomorrow“) → Verlangsamung würde die Folgen der Erderwärmung dämpfen Erhöhung der Verdunstung: Zusammenhang globale Erwärmung mit dem thermohalinen Zirkulationen. Jetzt stellt sich uns also die Frage: ist das globale Förderband in seinen nordatlantischen Ausläufern stabil? Die globale Erwärmung durch die Emission von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen verstärkt die Verdunstung, die besonders über den Ozeanen der Subtropen hoch ist. Die wärmere und mehr Wasserdampf enthaltende Luft transportiert die Feuchte von den Subtropen in höhere Breiten, wo sie dann als Niederschlag fällt und direkt oder durch Zuflüsse den Süßwassereintrag in den Nordatlantik erhöht. Außerdem wird durch die Erwärmung der Atmosphäre auch die Temperatur des Oberflächenwassers erhöht. Zusätzlich bedeutet das Abschmelzen großer Eismassen einen Eintrag von Süßwasser im Nordatlantik. All diese Effekte haben eine Verringerung der Dichte in den nordatlantischen Absinkgebieten der meridionalen Umwälzzirkulation (MOC)[1] zur Folge und damit eine Schwächung der Tiefenwasserproduktion und des Wärmetransports durch den Golfstrom und den Nordatlantikstrom - falls nicht andere Effekte dem entgegenwirken. Die MOC wird nämlich nicht allein durch die Änderung der Auftriebskraft in Folge von Austauschprozessen an der Oberfläche beeinflusst, sondern auch durch die Dichtestruktur des Atlantiks und die kleinräumige Durchmischung des Ozeanwassers. Zufällige natürliche Schwankungen können dabei ebenfalls wichtig sein. Wie die MOC auf eine erhöhte Süßwasserzufuhr und höhere Temperaturen reagieren wird, kann man einerseits durch Modellrechnungen abschätzen, andererseits aus der Vergangenheit abzuleiten versuchen. Geologische Daten haben in Verbindung mit Modellsimulationen in letzter Zeit ein zunehmend differenzierteres Bild über das Verhalten der MOC bei früheren Klimaänderungen, insbesondere während der letzten Kaltzeit, entstehen lassen. Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Gegenthese: Erwärmung durch Agulhasstrom Keine komplette Reflexion an Ostküste Afrikas, sondern ein kleiner Teil fließt in Form der Agulhasringe Richtung Atlantik ab → führt zu einem starken Salzwassereintrag. Der Eintrag verstärkt sich, beobachtbar in den letzten Jahren. Salinität von 3,48 % → Verstärkung des Nordatlantik- stroms und damit Erwärmung statt Abkühlung des Klimas. → Simulation der Uni Kiel Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Temperaturanstieg des Golfstroms bringt dem Norden mehr Wärme Konfliktthesen Temperaturanstieg des Golfstroms bringt dem Norden mehr Wärme Das Stocken des Nordatlantik führt zu einer Drosselung der europäischen Fernheizung Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Quellen http://www.welt.de/wissenschaft/umwelt/article13845405/Der- Golfstrom-dreht-Europas-Fernheizung-auf.html http://www.spiegel.de/wikipedia/Globale_Erw%C3%A4rmung.html http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Wasserkreisla uf_und_Klima http://www.focus.de/fotos/wassertemperaturen-und-stroemungen- um-suedafrika-der-agulhasstrom_mid_567107.html Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Mittlere Niederschlagshöhe im Winter in Deutschland 1901/02-2010/11 Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Woher Treibhausgase stammen? Treibhausgase: CO2, Methan, FCKW, Lachgas, Ozon Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Treibhauseffekt - Entstehung 1. kurzwellige Sonnenstrahlung → Reflektion an Atmosphäre, der Rest gelang zur Erdoberfläche 2. Umwandlung in kurzwellige Infrarotstrahlung (Wärme) an der Erdoberfläche und reflektiert. 3. Ein Teil dringt durch die Lufthülle, der andere wird jedoch zurückgeworfen. → Treibhausgase verstärken die Wärmerückstrahlung (anthropogener Treibhauseffekt) Folge: Erderwärmung Natürliche Treibhauseffekt ermöglicht Leben auf der Erde, d.h. Er ist notwendig! Der natürliche wird nun seit ca. 250 Jahren durch den anthropogenen Treibhauseffekt überlagert, d.h. Von Menschen beeinflusst (negative Auswirkungen für die Erde) Die Temperatur der Erde ist das Ergebnis des Strahlungsgleichgewichtes, d.h. Die Erde erreicht eine Temperatur von – 18 Grad Celsius, wenn sich die ankommenden und abgegeben Strahlen ausgleichen. Hinzu kommt jedoch der natürliche Treibhauseffekt, der dadurch entsteht, dass die Atmosphäre die komplette Infrarotstrahlung entweichen lässt (Bestandteile: Wasserdampf und CO2) weshalb man bei +15 Grad Ceslius ist. http://www.pik-potsdam.de/~stefan/leser_antworten.html Übergang: d.h. Wir erkennen, dass unser eigentliches Problem bei den Treibhausgasen liegen. Deshalb: was gibt es überhaupt für welche und woher? Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch

Mittlere jährliche Niederschlagshöhe in Deutschland 1901-2011 Astrid Ulrich und Nadine Finn – Ingenieurshydrologie 1 SS 2012 bei Prof. Manfred Koch