Bei der Atlantischen Umwälzbewegung zählen die Details

Sie gilt als die Heizung Nordwesteuropas: Die Atlantische Meridionale Umwälzbewegung (AMOC) führt warmes Wasser aus den Tropen an der Oberfläche nach Norden. Dessen gespeicherte Wärme wird in den mittleren bis hohen Breitengraden abgegeben und sorgt für das milde Klima in Europa. Durch die Wärmeabgabe wird das salzige Oberflächenwasser dichter und sinkt ab. Dieses kühlere, dichtere Wasser fließt dann in der Tiefe nach Süden und vervollständigt so die Umwälzströmung.

Der anthropogene Klimawandel wird voraussichtlich die Stärke der AMOC verringern, denn sowohl steigende Temperaturen als auch der Eintrag von Süßwasser aus schmelzendem Land- und Meereis in den Ozean reduzieren die Dichte des Oberflächenwassers. Das bedeutet, dass die Bildungsrate von dichtem Wasser, aus dem der tiefe Teil der AMOC besteht, ebenso wie ihre Gesamtstärke abnimmt.

Sollte diese Erwartung eintreten, so hätte das global und regional weitreichende Folgen. Europa würde sich abkühlen – ein Effekt, der gleichzeitig mit der globalen Erwärmung auftritt und dieser gegenläufig ist. Gemeinhin wird angenommen, dass diese Abmilderung der Erwärmung positive wirtschaftliche Auswirkungen habe. Zwei Forscher unseres Instituts und der Universität Hamburg haben allerdings kürzlich gezeigt: Weil ein Abschwächen der AMOC auch dazu führt, dass der Ozean weniger Kohlendioxid speichert, würde die globale Erwärmung weiter verstärkt, was wirtschaftliche Schäden verursacht. Im Ergebnis würde eine AMOC-Abschwächung so bis 2100 Folgekosten von mehreren Billionen Euro verursachen.

Klimamodelle und die AMOC

Die konkreten Folgen hängen stark davon ab, wie sehr sich die AMOC abschwächt. Traditionelle Klimamodelle liefern hierzu keine konsistente Prognose: Unterschiedliche Simulationen kommen zu teils völlig verschiedenen Ergebnissen. In der Vergangenheit konnten Klimamodelle nur Strukturen und Vorgänge mit einer Größe von mehr als 100 bis 200 Kilometern erfassen. Kleinräumige Merkmale der Ozeanzirkulation, wie Grenzströmungen und Wirbel, stellten sie hingegen nur unzureichend dar.

In den vergangenen 20 Jahren haben Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Meteorologie zusammen mit Partnerinstitutionen das Erdsystemmodell ICON entwickelt. Dieses erweitert die Grenzen der Auflösung, mit der wir die AMOC und das Klima der Erde untersuchen, in bemerkenswerter Weise. Zwei von der Europäischen Union geförderte Projekte, an denen wir uns beteiligen, sind besonders relevant für die Forschung zur AMOC: EPOC (Explaining and Predicting the Ocean Conveyor) verwendet eine flexible Verfeinerung des Rechengitters von bis zu einem Kilometer im Nordatlantik, um die Rolle von Wirbeln und Randströmen bei der Tiefenwasserbildung zu entschlüsseln. Dabei hat sich gezeigt, wie wichtig Randströme sind. Die Rolle der Wirbel für die Tiefenwasserbildung variiert von Region zu Region.

Das zweite Projekt, EERIE (European Eddy-Rich Earth System Models), entwickelt Erdsystemmodelle mit einer etwas gröberen, im Vergleich zu herkömmlichen Modellen aber immer noch sehr hohen Auflösung und erstellt damit Simulationen über längere Zeiträume. Neben ICON stehen uns damit drei weitere, in Partnerinstituten entwickelte, hochauflösende Modelle für vergleichende Analysen zur Verfügung. Die Ergebnisse helfen uns unter anderem zu beurteilen, wie sich die AMOC in Zukunft verändern wird.

Warum Wirbel und Randströme wichtig sind

Die Zirkulation in den Gewässern um Grönland wird oft beschrieben als eine Umwälzung von Wassermassen mit hohem Salzgehalt – in Verbindung mit der AMOC – und einer Süßwasserzirkulation an den Küsten um Grönland herum. Nur hochauflösende Modelle können die kleinskaligen Grenzströmungen auflösen, die diese beiden Systeme voneinander trennen. Damit sich im Modell das Schmelzen des Landeises auf die AMOC auswirken kann, muss das relativ süße Wasser den Randstrom um die Küste verlassen und sich der salzigen Umwälzströmung anschließen. Der Prozess, durch den die Vermischung von salzigem und Süßwasser geschieht, wird als „diahaline Vermischung” bezeichnet. Im Rahmen des EERIE-Projekts haben wir untersucht, wie sich die diahalinen Vermischungsraten je nach Region und Jahreszeit um Grönland herum unterscheiden, und eine neuartige Methode eingesetzt, um die Quellen des vermischten Wassers aufzudecken.

Ein wichtiges Ergebnis war, dass die diahalinen Mischungsraten je nach Jahreszeit und Ort um Grönland herum stark variieren. Dies deutet darauf hin, dass der Zeitpunkt und der Ort des Süßwassereintrags durch schmelzendes Landeis für die Reaktion der AMOC von Bedeutung sein könnten. Bisherige Experimente mit konventionellen Modellen haben dies in der Regel nicht berücksichtigt.

Kolleg*innen am Barcelona Supercomputing Centre (BSC) verwenden hochauflösende Modelle, in denen das Schmelzwasser vom Grönländischen Eisschild dem Ozean in realitätsnaher Weise zugegeben wird. Zusammen mit unserem Gast Eneko Martin-Martinez vom BSC haben wir geprüft, wie die AMOC auf dieses quasi-realistische Schmelzen des Grönländischen Eisschilds reagiert, und haben uns außerdem regionale Änderungen im subpolaren Nordatlantik angeschaut. Erste Ergebnisse bestätigen nicht nur die Abschwächung der AMOC, sondern zeigen auch, dass sich gleichzeitig die Randströme rund um Grönland beschleunigen.

Literaturhinweise