Europas Heizung in der Inspektion

Wie stark wird sich die AMOC abschwächen und welche Folgen wird das haben – der Stand des Wissens

Auf den Punkt gebracht

• Bislang gibt es keine eindeutigen Belege, dass sich die AMOC durch den menschengemachten Klimawandel bereits abgeschwächt hat. Direkte Messungen der Atlantik­zirkulation zeigen in den vergangenen 20 Jahren nur eine geringe Abnahme, deren Ursache nicht eindeutig ist.
• Konsens ist in der Klimaforschung, dass die AMOC bis zum Ende des Jahrhunderts an Kraft verlieren wird. Unklar ist, wie sehr und welche Folgen das für das Klima Europas hätte. Studien mit hochaufgelösten Modellen sollen helfen, die Fragen zu beantworten.
• Klar ist bereits, dass eine abgeschwächte AMOC den globalen Klimawandel weiter anheizen würde. Ökonomisch würden die so entstehenden globalen Schäden durch Extremwetterereignisse den Nutzen überwiegen, den eine möglicherweise verringerte Erwärmung Europas hätte, wenn die AMOC nachlässt.

Text: Denise Müller-Dum und Peter Hergersberg

Die Berichte über manche Studien zum aktuellen Klimawandel wirken paradox. Demnach soll dieser in Europa künftig zu einer Abkühlung führen – obwohl sich die Erde fast überall spürbar erwärmt. Der Grund: Die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation, kurz AMOC (für Atlantic Meridional Overturning Circulation), könnte sich stark abschwächen oder gar zum Erliegen kommen, wie es in den Berichten heißt. Damit verbunden wäre ein Temperaturabfall in weiten Teilen Europas. Die Studienlage ist in dieser Frage allerdings alles andere als eindeutig. Wie realistisch ist also das Szenario, dass die Atlantikzirkulation zusammenbricht und Europas Warmwasserheizung ausfällt?

Die AMOC ist ein globaler Wasserkreislauf, der von der Arktis bis zur Antarktis reicht. Teil von ihr ist der Golfstrom, der vom Golf von Mexiko an den USA vorbei Richtung Nordosten fließt. Auf dem weiteren Weg nach Europa wird er zum Nordatlantikstrom. Dieser bringt warmes Oberflächenwasser nach Norden, wo die Wärme an die Luft abgegeben und durch die Atmosphäre weiter nach Europa verfrachtet wird.

Dabei kühlt das Wasser nicht nur ab, durch Verdunstung steigt auch sein Salzgehalt. Das Wasser wird dichter und sinkt in die Tiefe, wo es zurück nach Süden fließt. Nahe der Antarktis steigt es wieder auf und nimmt den Weg nach Norden – der Kreislauf schließt sich. Er umfasst etwa das Fünfzigfache der Wassermenge, die der Amazonas ins Meer transportiert. Doch der Antrieb des Kreislaufs könnte durch den vom Menschen gemachten Klimawandel ins Stocken geraten, denn dadurch verändern sich Temperatur und Salzgehalt des Meeres. So schwemmen die schmelzenden Grönlandgletscher große Mengen an Süßwasser ins Meer und reduzieren den Salzgehalt. Auf diese Weise wird das Absinken der Wassermassen erschwert. Dies könnte weitreichende Folgen haben – insbesondere für Europa. Als Faustregel gilt, dass die AMOC den Nordwesten Europas durchschnittlich um zwei bis drei Grad erwärmt. Zum Vergleich: In Mittelengland war 1740 das kälteste Jahr seit Beginn der Temperaturaufzeichnungen vor fast 400 Jahren. Es war 2,4 Grad kälter als normal – und fiel in die Hochzeit der kleinen Eiszeit, in der auch die Themse immer wieder zufror. Unklar ist jedoch, was ein Erlahmen der AMOC im globalen Klimawandel für Europa bedeutet. Einige wissenschaftliche Publikationen beschwören Szenarien mit eisigen Wintern in Europa herauf, und diese Szenarien dominieren oft die me­diale Berichterstattung. Allerdings steht der zu erwartenden Abkühlung aufgrund einer schwächeren AMOC die menschengemachte Erwärmung gegenüber. Und in Europa steigt die Temperatur derzeit doppelt so schnell wie im globalen Mittel. Um den Stand des Wissens über das, was wirklich auf Europa zukommt, zu skiz­zieren, lohnt es sich, erst einmal einen Blick auf den gegenwärtigen Zustand der AMOC zu werfen: Wie viel warmes Wasser ist es eigentlich genau, das nordwärts strömt? Und gab es in den vergangenen Jahrzehnten, seit der Klimawandel immer deutlicher spürbar ist, bereits Veränderungen? „Da sind wir mitten im Schlamassel“, sagt Jochem Marotzke, Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie. Er erforscht seit mehr als 40 Jahren, welche Rolle die AMOC im Klimasystem spielt und wie sie sich mit der Erderwärmung verändert.

Komplizierte Messung der Strömung

Bei der transportierten Wassermenge lässt sich das Problem mit einem Vergleich verdeutlichen: Wie viel Wasser in einem Fluss strömt, ist relativ leicht aus dem Flussquerschnitt und der Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen. Bei einer Strömung im Ozean ist das viel schwieriger, denn es gibt keine definierten Grenzen nach unten und außen. Zudem handelt es sich um keine laminare Strömung, die ruhig ihren Weg nimmt. Wind facht sie an, Hindernisse bremsen sie ab. Manchmal fächert sich der Strom auf. Auch gibt es Wirbel, die mit der Strömung wandern und eine Gegenrichtung vortäuschen. Würde man die Strömung nur an einzelnen Punkten messen, erhielte man kein Gesamtbild, sondern nur einen Flickenteppich einzelner Werte. Schon aus finanziellen Gründen könnte man niemals genug Strömungsmesser einsetzen, um alle Teile der AMOC zu erfassen. Eine exakte Vermessung der Gesamtströmung ist daher sehr schwierig.

Marotzke hat diese Herausforderung gewissermaßen zu seiner Lebensaufgabe gemacht. Schon seine Doktorarbeit hatte die Stabilität der AMOC zum Thema. Seine Idee, die er um die Jahrtausendwende im Detail entwickelte: Einer in der Klimaforschung allgemein akzeptierten Theorie folgend, die der Polarforscher Fridtjof Nansen formuliert hatte, zog Marotzke die Analogie mit dem Wettergeschehen. In der Atmosphäre gibt es Hoch- und Tiefdruckgebiete, und wegen des Druckunterschieds weht ein Wind vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet. Dann aber lenkt die Corioliskraft die Strömung nach rechts ab, sodass sie parallel zu Linien gleichen Drucks verläuft. Im Ozean geht es kaum anders zu. Dichteunterschiede entsprechen dabei den Hoch- und Tiefdruckgebieten, und die Strömungsgeschwindigkeit entspricht der Windstärke. Ziel ist es also gewissermaßen, eine Wetterkarte für den Ozean zu erstellen – und daraus die Strömung abzuleiten.

Im Jahr 2004 erhielt Marotzke mit einem Team des Southampton Oceanography Centre die Möglichkeit, diese Idee in die Praxis umzusetzen. Die Forschenden verankerten längs des 26. Breitengrads eine Kette von Instrumenten, die in unterschiedlichen Tiefen Temperatur, Salzgehalt, Druck und Strömungsgeschwindigkeit messen. Die Analogie zur Wetterkarte erlaubte es ihnen, mit einer relativ kleinen Anzahl von Verankerungen auszukommen. Dieses sogenannte Rapid-Array, das von den Bahamas im Westen bis nach Afrika auf der Höhe der Kanarischen Inseln im Osten reicht, hat die AMOC zum ersten Mal kontinuierlich direkt gemessen und wird bis heute von vielen Forschenden genutzt. Den 26. Breitengrad hat das Team zum einen gewählt, weil der Wärmetransport an dieser Stelle am größten ist. Zum anderen gab es auf dieser Breite schon eine andere Mess­einrichtung, die weitere Daten liefert. Seit 1982 wird dazu ein altes Telefonkabel genutzt, das zwischen den Bahamas und Florida auf dem Ozeanboden verläuft. Weil das Salzwasser durch das irdische Magnetfeld strömt, erzeugt es in dem Draht eine elektrische Spannung, die ein Maß für die Stärke des Golfstroms liefert.

Zappelnde Messkurve

Die Auswertungen der Rapid-Messungen ergaben, dass sich die Wassermenge, die nach Norden strömt, in den vergangenen beiden Jahrzehnten um etwa zehn Prozent vermindert hat, von rund 18 auf 16 Sverdrup (ein Sverdrup sind eine Million Kubikmeter pro Sekunde). Nach Ansicht von Marotzke sind die Messungen „sehr zuverlässig“, sie seien der „Goldstandard“, weil sie die Atlantikzirkulation so direkt wie möglich erfassen. Allerdings haben die Messungen, bei denen inzwischen
die britischen Kolleginnen und Kollegen die Federführung haben, auch ergeben, dass die AMOC extrem schwankt. Innerhalb von zehn Tagen von 3 bis 35 Sverdrup. „Das Ding zappelt wie wild“, sagt Marotzke über die Messkurve. Grund sei der Wind, der das Wasser aufwühlt. Bei der Interpretation der Ergebnisse ist Marotzke deshalb vorsichtig: Ob die seit der Jahrtausendwende gemessene Abschwächung auf den Klimawandel zurückzuführen ist oder ob sie einen natürlichen Ursprung hat, sei unklar. Dafür sei die Zeitreihe zu kurz.

Neben den direkten Messungen gibt es noch die Möglichkeit, die Stärke der AMOC indirekt zu bestimmen. Hierfür nutzt die Klimaforschung sogenannte Proxys, also „Stellvertreter-Daten“. Dazu gehören zum Beispiel Sedimente, die auf den Ozeanboden rieseln. Je schwächer die Strömung, desto feiner die Ablagerungen. Ohne Strömung gelangen selbst feinste Partikel auf den Meeresgrund. Auch die Wassertemperatur an der Oberfläche, die seit Jahrhunderten gemessen wird, gilt als Indiz. Daneben haben abgestorbene Kaltwasserkorallen den Zustand der Wassereigenschaften gespeichert. Auch diese geben einen Anhaltspunkt, denn strömendes Wasser ist meist sauerstoffreicher und nährstoffärmer. Schließlich liefern auch Eisbohrkerne und Tropfsteine wichtige Hinweise, denn mit ihnen lassen sich Temperaturänderungen ermitteln, die wiederum mit der AMOC zusammenhängen. Während direkte Messungen der AMOC erst seit wenigen Jahrzehnten möglich sind, reichen Proxy-Daten viel tiefer in die Vergangenheit. Manche dieser Proxy-Daten deuten darauf hin, dass sich die AMOC bereits deutlich abgeschwächt hat. Jochem Marotzke findet es richtig, nach aussagekräftigen Proxys zu suchen. Er hält es aber nicht für gerechtfertigt, die Proxy-Daten als Abbild der Wirklichkeit zu betrachten, denn deren Ergebnisse sind zumindest für das Industriezeitalter widersprüchlich, und sie ermitteln die Atlantikzirkulation eben nur indirekt. „Mit dem Widerspruch zu den direkteren Strömungsmessungen muss man sich auf jeden Fall auseinandersetzen“, sagt Marotzke.

Gibt es einen Kipppunkt für die Atlantikzirkulation?

Nur wenn verschiedene Proxys in dieselbe Richtung deuten, sind sie aussagekräftig. Das ist für die letzte Eiszeit der Fall. Demnach kam die AMOC hier vermutlich mehrmals zum Erliegen. Die Temperaturen im Norden fielen dabei und stiegen rasch, als die Strömung wieder ansprang. Das legt nahe, dass es einen Kipppunkt gibt, bei dem sie unweigerlich von einem Zustand in den anderen wechselt. Forschende unter anderem vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und auch vom Königlichen Wetterdienst der Niederlande sehen im aktuellen Klimawandel Hinweise auf einen drohenden Zusammenbruch der AMOC in der Zukunft.

Marotzke gibt aber zu bedenken, dass während der Eiszeit ganz andere Bedingungen herrschten als heute. Vor allem waren weite Teile des Atlantiks von einer Eisschicht bedeckt. Dadurch konnte das Wasser im Norden nicht mehr absinken. Zudem sind Aussagen über die Zukunft noch schwieriger als der Blick in die Vergangenheit, da es dafür naturgemäß gar keine Messdaten gibt. Forschende verwenden für Vorhersagen Modelle, die die Wirklichkeit nicht komplett abbilden. Allerdings erlauben es Modelle zu testen, wie die AMOC etwa auf den erhöhten Eintrag von Schmelzwasser reagiert.

Ein häufig verwendeter Typ virtueller Experimente sind sogenannte Hosing-Experimente: Dabei wird dem Nordatlantik in einer Simulation Süßwasser hinzugegeben, um zu testen, wie sich ein reduzierter Salzgehalt auf die AMOC auswirkt. So nahm ein Team um Marotzke in einer 2006 erschienenen Studie an, dass der Grönländische Eispanzer innerhalb von 1000 Jahren, also relativ schnell, vollständig abschmelzen würde. Das Ergebnis: Die Gletscherschmelze hat zwar einen Einfluss auf die atlantische Strömung, aber keinen erheblichen.

Manche Simulationen gehen von unrealistischen Bedingungen aus

Einige Simulationen, die dagegen einen Zusammenbruch der AMOC zeigen, gehen von unrealistischen Bedingungen aus. So hat etwa ein Team um René van Westen, Wissenschaftler an der Universität Utrecht, die Strömung in einer Studie von Anfang 2024 abgewürgt, indem sie in einer Simulation dreimal mehr Süßwasser in den Nordatlantik kippten, als in den Gletschern Grönlands gebunden ist. In der Rechnung kühlte sich Nordeuropa bis hin nach Großbritannien zudem deutlich stärker ab, als ein kompletter Ausfall der AMOC-Heizung erwarten ließe. „Das lag daran, dass sich das Meereis in der Simulation bis an die Küste Großbritanniens ausdehnte“, erklärt Jochem Marotzke. „Der Klimawandel wird dem Meereis aber den Garaus machen.“

Die unrealistischen Annahmen sind wissenschaftlich sinnvoll: So testen Forschende, wie sich die Atlantikzirkulation unter verschiedenen Bedingungen verhält. „Die Grundlagenforschung kann aus solchen Studien viel lernen“, sagt Marotzke. Einigermaßen fassungslos mache ihn allerdings, wenn die Ergebnisse solcher Simulationen in der Öffentlichkeit als realistische Zukunftsszenarien präsentiert werden. „Es ist wichtig, hier genau zu differenzieren und das in der Kommu­nikation nach außen transparent zu machen“, sagt der Klimaforscher.

In Simulationen wird Süßwasser in den Nordatlantik gekippt

Wie sich die Simulationen realistischer gestalten lassen, hat Fraser Goldsworth, Forscher in Marotzkes Abteilung, kürzlich untersucht. „Die Vorgänge variieren stark mit der Jahreszeit und je nach Region“, sagt der Ozeanograf. „Hosing-Experimente, die das nicht berücksichtigen, könnten daher den Anteil des Süßwassers, das in die AMOC gelangt, überschätzen und damit auch die Sensitivität der AMOC auf einen Süßwassereintrag, etwa durch Schmelzwasser vom Grönländischen Eisschild.“ Hosing-Experimente sind für die Forschung wichtig, aber sie sind keine Klimaprojektionen. Diese basieren auf plausiblen Annahmen etwa über zukünftige Treibhausgasemissionen. Die Modelle berechnen dann die Wechselwirkungen unter anderem zwischen Atmosphäre, Ozean sowie Meereis und erlauben so Vorhersagen. In Bezug auf die AMOC liefern diese Projektionen nur in einem Punkt ein klares Bild: „Als praktisch gesichert gilt, dass sich die AMOC abschwächen wird“, sagt Marotzke. Offen ist jedoch, wie stark und welche Folgen das hat, denn hier widersprechen sich unterschiedliche Modelle.

Erst kürzlich machte die Studie eines Teams um Valentin Portmann, Wissenschaftler der französischen Forschungsorganisation CNRS, Schlagzeilen. Demnach soll sich die Atlantikzirkulation bis zum Ende des Jahrhunderts um rund 50 Prozent abschwächen. Zu dem Ergebnis kommen die Forschenden, weil sie unter den vielen verschiedenen vorliegenden Modellsimulationen diejenigen stärker gewichten, die einen höheren Salzgehalt an der Ober­fläche des Südatlantiks berechnen. „Das bringt uns einen Erkenntnisfortschritt“, sagt Marotzke. Denn Beobachtungen zeigen, dass der höhere Salzgehalt realis­tischer ist. Die entsprechenden Modelle ergeben stets eine stärkere Abschwächung der Atlantikzirkulation. Den prognostizierten Grad der Abschwächung hält Marotzke allerdings noch nicht für belastbar, denn alle gegenwärtig für Vorhersagen genutzten Modelle hätten ein prinzipielles Defizit: Ihre Detailliertheit ist zu gering – ihre Auflösung beträgt einige zehn bis zu hundert Kilometer. „So bleiben Vorgänge unberücksichtigt, die sich in einer Größenordnung von kaum mehr als einem Kilometer abspielen, für das Verhalten der AMOC aber wichtig sein könnten“, sagt Marotzke.

Höher aufgelöste Modelle sollen zur Klärung beitragen

Modelle mit einem Rechengitter von nur wenigen Kilometern sollen diese Details auflösen. Das Max-Planck-Institut für Meteoro­logie entwickelt gemeinsam mit Partnerinstitutionen seit gut 20 Jahren ein solches Modell. Konkret versuchen die Forschenden in Modellrechnungen mit einer Auflösung von rund zwei Kilometern zu entschlüsseln, welche Rolle Wirbel und Randströme beim Absinken des Wassers im Nordatlantik spielen. In einem weiteren Projekt simulieren sie die Entwicklung der AMOC mit einem etwas gröberen, im Vergleich zu herkömmlichen Modellen aber immer noch engmaschigen Rechengitter über einen längeren Zeitraum. So wollen sie belastbarer vorhersagen, wie sich die Meeresströmung mit dem Klimawandel verändern wird.

Wenn das geklärt ist, bleibt aber weiterhin die bislang kaum untersuchte Frage, wie sich eine Abschwächung der AMOC auf das Klima Europas auswirken wird. Auch das ver­suchen Forschende der Universität Hamburg und des Max-Planck-Instituts für Meteorologie derzeit zu beantworten. Klar ist bereits: Aus ökonomischer Sicht wäre es kein Grund zur Erleichterung, wenn eine schwächelnde Atlantikzirkulation manche teuren Folgen der globalen Erwärmung in Europa abmilderte. Denn eine schwächere AMOC entzöge der Atmosphäre auch weniger CO₂. Das wiederum würde den Klimawandel global noch weiter anheizen – und auf der ganzen Welt unter anderem zu mehr verheerenden und teuren Dürren und Starkregen führen.