Die Ozeane bedecken ca. 70 Prozent der Erdoberflaeche. Die grundlegende Rolle der Ozeane im Klimasystem besteht darin, die in tropischen Breiten aufgenommene Waerme in hoehere Breiten zu transportieren. Im Hinblick darauf soll in diesem Kapitel insbesondere behandelt werden, welche Rolle die Ozeane bei abrupten Klimawechseln in der Vergangenheit spielten und in der Zukunft spielen koennten. Dabei wird die sogenannte Thermohaline Zirkulation im Nordatlantik besonders betrachtet sowie auf Begriffe wie Stabilitaetsdiagramme, nichtlineares Verhalten, verschiedene Klimazustaende eingegangen. Im Hinblick auf den Treibhauseffekt ist auch wichtig, dass Ozeane sehr grosse Mengen an CO2 aufnehmen koennen. Es soll dargestellt werden, welche biologischen und ozeandynamischen Prozesse dafuer wichtig sind.

Zirkulationssysteme im Ozean

Die zwei wichtigsten Komponenten der globalen Ozeanzirkulationssysteme sind zum einen die windgetriebenen Oberflaechenstroeme und zum anderen die von Dichtenunterschieden angetriebenen Tiefenzirkulationen. Bezieht man sich auf grosse Skalen, wird oft von einem 'Foerderband' im globalen Ozean gesprochen. Das Förderband veranschaulicht die Idee, dass alle Weltmeere miteinander verbunden sind durch ein Zirkulationssystem, das warmes Wasser entlang der Ozeanoberflaeche und kaltes Wasser zurueck in der Tiefe transportiert. Dieses Bild ist fuer den globalen Ozean nicht ganz richtig, da dieser nicht als Ganzes reagiert und insbesondere der Pazifik und Atlantik nur schwach miteinander verbunden sind. Im Atlantik jedoch funktioniert die Zirkulation tatsaechlich wie ein 'Förderband'. Die dortige sogenannte Thermohaline Zirkulation wird durch Dichteunterschiede in der Tiefe zwischen dem Nord- und Suedatlantik angetrieben (die Dichte im Ozean haengt von Temperatur und Salzgehalt ab, daher ThermoHalin, griechisch fuer Temperatur und Salz). Kaltes dichtes Wasser sinkt im Nordatlantik ab und fliesst in der Tiefe wieder Richtung Sueden. Gleichzeitig gelangt warmes Wasser an der Ozeanoberflaeche nach Norden. Der Golfstrom - Europas Heizung - transportiert Energie äquivalent zur Leistung von 1/2 Millionen Kraftwerken aus dem Golf von Mexiko quer ueber den Atlantik bis nach Norwegen. Westwinde transportieren die warme Atlantikluft zu uns nach Europa und sorgen dafür, dass es in Nordeuropa fünf bis zehn grad waermer ist, als es dem jeweiligen Breitengrad ensprechen wuerde.

Ozeane und Klima in der Vergangenheit

Die letzte Eiszeit begann vor etwa 100.000 Jahren und endete vor etwa 10.000 Jahren. Eisbohrungen in Groenland haben gezeigt, dass es waehrend der letzten Eiszeit zu mehreren abrupten Klimawechseln kam, ploetzliche Erwaermungen um mehr als 10 Grad innerhalb eines Jahrzehnts. Diese sogenannten Dansgaard Oeschger Ereignisse erwaermten zumindest den gesamten Nordatlantikraum und dauerten jeweils einige hundert bis eintausend Jahre an. Messungen und Simulationen haben gezeigt, dass diese, meist in einem Abstand von 1500 Jahren auftretenden Ereignisse, wahrscheinlich eng an Aenderungen der Ströme im Atlantik gekoppelt sind. Im normalen, kalten Zustand, der in den Eiszeiten meist herrschte, gelangte warmes Wasser aus den Tropen nur bis suedlich von Island. Dansgaard Oeschger Ereignisse könnten einem ploetzlichen Umschalten der Stroemung vom Normalzustand in den warmen Zustand entsprechen, bei welchem warmes Wasser bis ins Nordmeer vordringt. Dieser warme Zustand ist jedoch nicht stabil und somit gehen die Dansgaard Oeschger Ereignisse von alleine wieder zu Ende.

Ozeane und Klima heute und in der Zukunft

Was koennen wir von der Vergangenheit lernen ? Tatsächlich traten Klimaänderungen in der Vergangenheit wie oben beschrieben oft nicht als langsame Änderungen sondern in Form von abrupten Klimawechseln auf und die Ozeane spielten dabei sehr wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Zentral ist hierbei, dass es sich bei dem gekoppelten System Atmosphäre-Ozean um ein stark NICHTLINEARES System handelt. Was bedeutet eigentlich NICHTLINEAR ?
Kleine Aenderungen im System koennen grosse Wirkungen haben. So kann es zum Beispiel passieren, dass bei Erreichen von bestimmten Schwellenwerten die Ozeanzirkulationen ploetzlich von einem Zustand in einen ganz anderen übergehen, wie möglicherweise während der Dansgaard Oeschger Ereignisse geschehen.

Was könnte dies für die Zukunft unseres Klimas bedeuten ? Viele Klimamodelle sagen voraus, dass es mehr Niederschlaege im Nordatlantik geben wird, wenn die globale Temperatur ansteigt (was nicht bedeutet, dass das unbedingt so eintreten muss, aber mit dem Wissen, das man zur Zeit hat und in die Modelle integriert, wird es von den Modellen so berechnet). Das könnte bedeuten, dass das Wasser im Nordatlantik frischer und somit weniger dicht wird und nicht mehr so gut absinken kann. Damit fehlt der Thermohalinen Zirkulation der Antrieb und der wärmebringende Nordatlantikstrom koennte sich stark abschwächen.

Ozeane im Computer

Wie kann man sich das eigentlich vorstellen, den Ozean im Computer ? Zunaechst wird er in viele verschiedene Gitterboxen unterteilt. Beispielsweise könnte man 200 Boxen in der geografischen Laenge, 100 in der Breite und noch 20 Schichten in der Tiefe nehmen. Ingesamt ergaebe sich damit eine Anzahl von 200x100x20 = ungefaehr 1/2 Millionen Gitterboxen ! (wobei noch die Gitterboxen, die Land sind, abgezogen werden muessen). In jeder Gitterbox werden dann im Wesentlichen die Temperatur, der Salzgehalt und die Geschwindigkeiten der Stroeme aus den grundlegenden Gleichungen der Hydrodynamik und Thermodynamik berechnet, und das fuer jeden Zeitschritt, der programmiert ist. Hinzu kommt, das an der Ozeanoberfläche der Austausch von Wärme mit der Atmosphäre, Niederschläge, Verdunstung, der Wassereintrag von Fluessen und der Einfluss von Winden beschrieben werden müssen. Das Modell kann dann berechnen, welche Stroeme und Waermetransporte sich in diesem 'vituellen Ozean' entwickeln und wie sie sich verhalten, wenn wichtige Parameter sich ändern!

Ozeane und CO2

CO2 wird im Ozean gelöst und dort durch verschiedene biologisch-chemische Prozesse umgewandelt und durch die Ozeanstroemungen weitertransportiert. Nach Schätzungen nehmen die Ozeane momentan etwa 18 bis 40 Prozent des anthropogen produzierten CO2 auf. Wichtig bei den biologischen Prozessen ist zum Beispiel die sogenannte organische Pumpe. Pflanzen nehmen CO2 im oberen Ozean auf, sterben ab, sinken in die Tiefe, wo das CO2 wieder frei wird. Durch die organische Pumpe wird CO2 sozusagen im tiefen Ozean gespeichert. Änderungen der Ozeanzirkulationen haben grossen Einfluss auf den Transport der Stoffe, die Aufnahme von CO2 durch die Ozeanoberflaeche, die Zufuhr von Nährstoffen aus dem tiefen Ozean und so weiter... All dies soll weiter diskutiert werden.