PRÄSENTATION INGENIEURHYDROLOGIE Thermohaline Zirkulation – Die Bedeutung des globalen Förderbandes Ein Vortrag von Niro Akbary und Niklas Lange 14.09.2011

Gliederung Einleitung und Motivation Das globale Förderband der Weltmeere Treibende Kräfte und physikalische Beschreibung des globalen Förderbandes Einfluss der Meeresströme auf das Weltklima Szenarien für die Zukunft Fazit 28.09.2010

Einleitung und Motivation Der Ozean spielt in der Gestaltung des Klimas eine große Rolle Meeresströmungen transportieren Wärme aus dem Äquatorialgebiet zu den Polargebieten Die treibenden Kräfte sind Temperatur- (thermo) und Salzgradienten (halin) im Gewässer und Winde in der Atmosphäre „Wissenschaftler sagen, dass das Weltklima ein non- lineares System ist. Das ist Fachchinesisch und sie wollen damit sagen, dass nicht alle Veränderungen allmählich vor sich gehen (…) manche kommen abrupt und in großen Sprüngen.“ [Al Gore 2006] 28.09.2010

Einleitung und Motivation Meeresströmungen sind sehr komplex und bisweilen nicht komplett erforscht Der Verständnis der Funktionsweise ist dennoch von großer Bedeutung für Klimaforscher Anmerkungen Meeresströmungen haben große Bedeutung für die Schifffahrt Klimatische Bedeutung an Küstenregionen Murmansk in der Arktis und die baltischen Häfen bei St. Petersburg sind für Russland wichtige Verbindungen zum Atlantik. Trotz der südlichen Lage wird St. Petersburg jedes Jahr mindestens ein Monat von Eis umgeben, während Murmansk immer eisfrei bleibt Trotz der Nähe zum Nordpol (11° vom Nordpol) bleibt das Gewässer um Murmansk das ganze Jahr über Eisfrei 28.09.2010

Das globale Förderband Das Weltklima ist wie ein großer Motor, der Wärme vom Äquator zu den Polen befördert Wärmetransport über Meeresströmungen und Windsysteme 28.09.2010

Das globale Förderband Das Weltklima ist wie ein großer Motor, der Wärme vom Äquator zu den Polen befördert Wärmetransport über Meeresströmungen und Windsysteme Die jährliche Durchschnittstemperatur beträgt weltweit ca. 14 °C bzw. 58°F 28.09.2010

Das globale Förderband Eine mittlere Erwärmung von 2, 75 °C (untere Grenze der Voraussagen) bedeutet: Am Äquator einen Anstieg von 0, 55°C (1°F), an den Polen allerdings ein Anstieg von 6, 6 °C (12°F) 28.09.2010

Das globale Förderband Seit der letzten Eiszeit haben sich relativ stabile Wind- und Strömungssysteme gebildet Die Zukunft auf Grund des Klimawandels ist ungewiss 28.09.2010

Das globale Förderband Eine besondere Sorge liegt im Nordatlantik, wo der Golfstrom nach Norden strömt und auf kalte Winde aus der Arktis trifft Wasser des Golfstroms verdunstet und wird abgekühlt Wasserdampf wird über Winde und Erddrehung nach Westeuropa getrieben Man nennt das entstehende Strömungssystem : „Förderband des Ozeans“ Rot – Warme Oberflächenströme Blau – Kalte Strömungen fließen in die entgegen gesetzte Richtung Der Golfstrom ist der bekannteste 28.09.2010

Das globale Förderband Kalte Strömungen verlaufen am Meeresgrund Nach dem Wärmeentzug am Nordatlantik verbleibt kälteres, salziges Wasser Das Wasser sinkt mit einem Volumenstrom von 19 Mrd. l/s Die Strömung zieht anschließend wieder nach Süden Rot – Warme Oberflächenströme Blau – Kalte Strömungen fließen in die entgegen gesetzte Richtung Kalte Strömungen verlaufen am Meeresgrund 28.09.2010

Das globale Förderband Mittlere Geschwindigkeit von ca. 1,5 – 2,5 km/h Transportdauer von bis zu 1000 Jahren Durchschnittstemperatur der Ozeane ca. 4 °C 1/3 des gesamten Wärmetransports läuft weltweit über Ozeane Klimamilderung in kalten Regionen Verringerung der Hitze in Wüsten- regionen Die Transportdauer ist schon ein Indikator dafür, dass Klimatische Veränderungen sehr träge reagieren 28.09.2010

Treibende Kräfte Windgetriebene Zirkulation Thermohaline Zirkulation Windsysteme übertragen Impuls an die Wassermassen Drift der Oberschicht (3,5 %) in Windrichtung Auf der Nordhalbkugel lenkt das Wasser nach rechts / auf der Südhalbkugel nach links ab (Corioliskraft) Korkenzieherströmung  Ekman-Spirale Thermohaline Zirkulation Zirkulation der Unterschicht (96,5 %)  Differenz der Salzkonzentration und Temperatur Kalter Tiefentransport erfolgt von der Arktis in Richtung Äquator Aufstieg des Meerwassers in südlichen Breiten Impuls durch Oberflächenreibung am Wasser, „Upwelling am gesamten Ozean“ 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Windgetriebene Zirkulation Wind treibt Wassermassen Corioliseffekt drängt das Wasser dabei um 45°ab Abnehmender Geschwindigkeitsgradient und stärkere Richtungsabweichung mit zunehmender Tiefe Ab einer bestimmten Tiefe sogar gegen die Windrichtung Impuls durch Oberflächenreibung am Wasser 45° je nach Nord/- oder Südhalbkugel nach rechts oder links (Nord = rechts) (süd = links) 1 – Wind 2 – Windbestimmte Strömungsrichtung 3 – Tatsächliche 4 – Corioliseffekt 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Oberflächennahe Strömung treibt Richtung Norden Durch Verdunstung nimmt der Salzgehalt zu Starke Abkühlung im Nordatlantik  Zunahme des Salzgehalts durch Eisbildung Keine Bewegung mehr Richtung Norden Temperatur nimmt im Mittel vom Äquator zu den Polen zu Der Salzgehalt wird zum Äquator geringer In den Polarregionen stehen Verdunstung und Niederschlag im Gleichgewicht Unterscheidung des Salzgehaltes zwischen Nord- und Südhalbkugel Dichte nimmt zu Dichte nimmt ab Impuls durch Oberflächenreibung am Wasser Nordhalbkugel – Maximaler Salzgehalt bei 65 ° Südhalbkugel - Gleichbleibende Werte zwischen 50 und 80°, 33.9 pro Mill mittlerer Salzgehalt,  Im Gegensatz zur Nordhalbkugel sehr Salzreich 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Dichte in Abhängigkeit von Salzgehalt und Temperatur Impuls durch Oberflächenreibung am Wasser Nordhalbkugel – Maximaler Salzgehalt bei 65 ° Südhalbkugel - Gleichbleibende Werte zwischen 50 und 80°, 33.9 pro Mill mittlerer Salzgehalt,  Im Gegensatz zur Nordhalbkugel sehr Roh,ref = 1000 kg/m³ 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Isoplethengleichung σ Dichteanormalität S Salzgehalt σ0 Referenzwert S0 Salzreferenzwert dρ Dichteänderung α Steigung im Graphen T ρref Referenzwert β Steigung im Graphen S T Temperaturwert T0 Ausgangstemperatur PSU – Praktical Salinity Units [g/kg] – Bezugsgröße für die Salinität α = 10^(-4) /°C β = 10 ^(-7) /psu 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Gleichung für den vertikalen Auftriebfluss E Verdunstung P Niederschlag Q Energiezugabe cw Wärmespeicherkapazität von Wasser Q stellt immer den Wärmefluss zwischen Atmosphäre und Meer dar: · QSW ist die Wärme, die auf der Meeresoberfläche durch die Sonneneinstrahlung entsteht · QLW ist die Wärme, die durch Schwarzkörperstrahlung des Meeres an die Atmosphäre abgegeben wird · QS ist die Wärme, die durch turbulenten Austausch über die Meeresoberfläche an die Atmosphäre abgegeben wird QL: Wärmeverlust durch die Meeresoberfläche durch Latente Wärme Der erste Teil der Gleichung für den Auftriebsfluss stellt den temperaturabhängigen Anteil am Auftrieb dar, der zweite den salzgehaltabhängigen. 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Bei Anwendung der Gleichung ergibt sich folgende Darstellung Wie man sieht ist der thermale Einfluss auf den Abtrieb viel größer, als jeder der durch Salzhaltigkeit des Wassers entsteht Stellen mit größten Tiefenfluss müssten an den Substropen liegen  Sie sind jedoch in der Nordhemisphäre zu finden Es muss also noch weitere Einflussgrößen geben!! 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Die Thermocline als Hindernis Schichtung von Wassermassen mit unterschiedlicher Temperatur und Salzgehalt bis zur einer Tiefe von 1000 m Ein Absinken von Wassermassen wird verhindert, da Temperaturunterschiede und Unterschiede der Salinität überwunden werden müssen Es existieren allerdings auch Stellen, die eine solche Schichtung nicht besitzen (Mixed Layer) 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Mixed Layer stellen das Prinzip der Vermischung unterschiedlicher Wassermassen dar (homogene Wasserschicht)  Annähernd gleiche Dichten Herstellen einer Verbindung zum Tiefenwasser  oberflächennahes Wasser kann absinken Speziell an polaren Zonen Auf Grund des negativen Auftriebs an polarer Stelle tritt auch nur hier eine Tiefenkonvektion auf 28.09.2010

Physikalische Beschreibung Thermohaline Zirkulation (Conveyer Belt Model) Absinken in große Tiefen Wassermassen sinken in den Polargebieten ab „Upwelling“ gleicht Wasserstand aus Dichtes, kaltes, salzhaltiges Wasser fließt zurück 28.09.2010

Einfluss der Meeresströmung auf das Weltklima Wärmehaushalt des Wassers hängt von der eingestrahlten Wärme und von der von der Meeresströmung entstehenden Wärme ab Wird eine Wassersäule durch Sonneneinstrahlung erwärmt, entsteht ein Wassertransport in Bereiche geringerer Wärme o. sa 28.09.2010

Einfluss der Meeresströmung auf das Weltklima Überschuss an Energie in niedrigen Breiten Unterschuss an Energie in hohen Breiten Mildern das Klima in kalten Regionen Verringern Hitze in tropischen Wüsten Warme Ströme haben folgende Auswirkungen In Nordeuropa ist es wesentlich Wärmer als in vergleichbaren Breiten in Kanada Temperaturunterschiede können bis zu 15°C betragen Entscheidender Aspekt für Landwirtschaft Klimazone reicht bis zum 65. Breitengrad Nordeuropa ist immer grün 28.09.2010

Einfluss der Meeresströmung auf das Weltklima Kalte Meeresströmungen (Humboldstrom, Benguelastrom) An den Westküsten Amerikas und Afrikas wird Wasser durch Corioliskraft Seewärts gelenkt  Kaltes Seewasser quellt auf Die Oberflächentemperatur des Benguelastroms liegt daher bei 12°C im Winter und bei 17°C im Sommer Auf Grund des Humboltstroms ist die Temperatur um 12°C geringer als in vergleichbaren Breiten Ausbildung einer Inversionsschicht  Verhindert Austausch der warmen Luft und der darunter liegenden kalten Luft Unterbindung der Konvektion führt zu einer Ansammlung von Dunst  Nebelentstehung Entstehung von Küstenwüsten  z.B. Atacama-Wüste Die Atacamawüste befindet sich in Südamerika Nahe der Küste verhindert eine kalte Meeresströmung, der Humboldtstrom, die Entwicklung von Regenwolken, so dass, anders als weiter nördlich oder südlich, kein Steigungsregen fällt. 28.09.2010

Einfluss der Meeresströmung auf das Weltklima - Wirbelbildung Wirbelbildung spielt für das Klima eine Rolle Wärmetransport durch Wirbel Auftreten unterschiedlicher Wassertiefen bis 1000 m In Gebieten mit großen Dichte- und Temperaturunterschieden Die Atacamawüste befindet sich in Südamerika

Szenarien Klimaerwärmung verändert den Golfstrom und ein veränderter Golfstrom verändert das Klima Klimaerwärmung lässt Polkappen schmelzen und führt zu Geringere Dichte des Wassers Temperatur des Wasser nimmt zu Thermohaline Zyklus steht in Gefahr abzubrechen Winde und hydrologische Einflüsse brechen jedoch nicht ab Wassermassentransport des Nordatlantiks nimmt ab Temperatur im Nordatlantik und Europa würden am stärksten beeinflusst Temperaturabnahme von 2 bis 16 °C in Europa Anthropogener Treibhauseffekt würde dem jedoch entgegen wirken Niederschläge nehmen zu, Albedo nimmt ab  Weitere Abschwächung der Umwälzung um 25 % Weniger Eis zum Reflektieren sorgt dafür, dass mehr absorbiert wird  Wärmezunahme Treibhausgase sorgen für weitere Erwärmung  Wärmezunahme Strom bricht ab  Eiszeitgefahr -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- In der Summe wird sich das Ganze vermutlich ausgleichen = +/- 0 28.09.2010

Szenarien Eiszeitszenario ist jedoch auf Grund des Anthropogenen Treibhauseffektes nicht zu befürchten! Weniger Eis zum Reflektieren sorgt dafür, dass mehr absorbiert wird  Wärmezunahme Treibhausgase sorgen für weitere Erwärmung  Wärmezunahme Strom bricht ab  Eiszeitgefahr -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- In der Summe wird sich das Ganze vermutlich ausgleichen = +/- 0 28.09.2010

Fazit Meeresströmungen sind auf Grund der vielfältigen Einflüsse schwer erfassbar Non-lineare Systeme sind schwer zu beschreiben Alle Einflüsse in Modellen zu erfassen ist unmöglich Die Strömungen haben einen wichtigen Einfluss auf unser Klima Klimaveränderungen sind beim Abreißen der Strömungen zu erwarten Ein Abreißen ist allerdings auch nicht zu erwarten Forschungen sind in dem Bereich weiterhin nötig 28.09.2010

Danke für Ihre Aufmerksamkeit 28.09.2010

Quellen 1 Katalog der Ausstellung „Abenteuer Meeresforschung“ in Würzburg, 06.10.2011 2 „Thermohaline Zirkulation“ von Peter Lutz, 31.11.2010 vom Ausbildungsseminar Klima und Wetter 3 Meeresströmung und Klima Einfluss von Sabrina Kurz, 31.04.2008 Seminararbeit 4 „Die Weltmeere – Motor des globalen Klimas“, Tim Schröder 28.09.2010