Südpolarmeer: Schwungrad fürs Erdklima

Pausenlos peitscht der Wind das Meer, haushoch türmen sich die Wellen. Wer südlich von Kap Hoorn oder von Tasmanien das Meer befährt, muss wissen, worauf er sich einlässt. Die „Roaring Forties“ südlich des 40. Breitengrads heißen nicht von ungefähr so. Mit dem Südpolarmeer, wie der Ozean rings um die Antarktis auch genannt wird, ist nicht zu spaßen. Das wissen europäische Seeleute seit Ferdinand Magellan und James Cook. Dass aber das Erdklima auf vielfältige Weise durch das Südpolarmeer beeinflusst wird – durch Speicherung von Wärme ebenso wie von Kohlendioxid –, ist Forschern erst in den vergangenen Jahren deutlich geworden. Stück für Stück entschlüsseln sie, welche Rolle das Südpolarmeer im Klimageschehen spielt.

Dieser Ozean ist ständig in Bewegung. Der Westwind und Unterschiede in der Wasserdichte treiben nahe dem Südkontinent die stärkste Meeresströmung des Planeten an, den „Antarktischen Zirkumpolarstrom“. Wie der Name sagt, verläuft er ringförmig. Er ist langsamer als der Golfstrom, aber das Volumen macht das locker wett. Der Zirkumpolarstrom transportiert mehr als 100-mal so viel Wasser wie alle Flüsse der Erde zusammen. Dabei verquirlt er das Meerwasser der drei großen Ozeane, die an ihn grenzen.

Trotz Erderwärmung: Die Temperaturen des Südpolarmeers steigt nicht

Bei vielen Klimaschwankungen spielt das Südpolarmeer eine zentrale Rolle, folgerten John Marshall vom Massachusetts Institute of Technology und Kevin Speer von der Florida State University in einem vielzitierten Artikel bereits im Jahr 2012. Ihr Urteil hängt eng mit der „Umwälzzirkulation“ zusammen, einer wichtigen ozeanischen Verbindung der Meere im Norden und Süden.

© Quaternary Science Reviews/TSP/Pieper-Meyer

Oft heißt es plakativ, durch die globale Erwärmung könne sich in Zukunft „der Golfstrom abschwächen“. Damit meinen Forscher, dass ein wichtiger Ast der Umwälzzirkulation erlahmen könnte, der Nordatlantikstrom. Das relativ warme Wasser, das an der Oberfläche von den Tropen in den Nordatlantik fließt, wird dort abgekühlt und sinkt in die Tiefe. Irgendwo muss das Wasser aber an die Oberfläche zurückkehren, um den Kreislauf zu schließen. Und das passiert im Südpolarmeer, wo Meerwasser und Atmosphäre riesige Mengen Wärme und Kohlenstoff austauschen können. Gerade aus diesem Grund halten Marshall und Speer das Südpolarmeer für ebenso wichtig für das Erdklima wie den Nordatlantik.

Dass im Südpolarmeer überhaupt Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche dringt, hängt mit dem Wind zusammen. Er treibt dass Wasser in der Region auseinander. Dadurch steigt an der südlichen Seite des Zirkumpolarstroms kaltes Wasser auf. Messungen zeigen, dass sich das Südpolarmeer entgegen dem globalen Trend der vergangenen Jahre nicht erwärmt hat, eher im Gegenteil. Das Meereis hat sich dort sogar leicht ausgedehnt.

Kaltes Wasser von unten

Es werde Jahrhunderte dauern, bis das Südpolarmeer auf die globale Erwärmung mit einem deutlichen Temperaturanstieg reagiere, berichtet jetzt ein Team um Kyle Armour von der University of Washington in Seattle im Fachjournal „Nature Geoscience“. Erst müssen tiefere Wasserschichten der Ozeane aufgeheizt werden, dann folgt die Oberfläche des Südpolarmeers. Und das dauert seine Zeit.

Wiewohl im Südpolarmeer die Temperatur stagniert, schluckt es doch zurzeit unter allen Weltmeeren im Schnitt den größten Teil der Wärmemenge, die durch den verstärkten Treibhauseffekt zugeführt wird – mehr als zwei Drittel. Forscher um Oleg Saenko vom Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis in Victoria haben Messungen im Meer mit Klimasimulationen verglichen. Demnach wird die Wärme per Meeresströmung nach Norden verfrachtet, während im Süden ständig kaltes Wasser von unten nachkommt. Dieser Auftrieb verhindert, dass die im Südpolarmeer aufgenommene Wärme einen Temperaturanstieg an der Oberfläche hervorruft.

Massenhaft Kohlendioxid in der Tiefe versteckt

In der Tiefe des Südpolarmeers lockt Klimaforscher ein ganz besonderer Schatz: Dort haben sich an manchen Stellen meterdicke Meeressedimente angesammelt. Diese natürlichen Klimaarchive verraten eine Menge über Temperaturen und Kohlendioxidgehalt während der letzten Eiszeit. „Das Sediment ist eigentlich ein extrem feiner, grauer Schlamm“, erzählt Samuel Jaccard vom Oeschger-Zentrum für Klimaforschung der Universität Bern, der regelmäßig die Proben auswertet. Anhand von Mikroorganismen wie Foraminiferen und Diatomeen, die zum Plankton zählen und nach ihrem Tod Teil des Sedimentschlamms werden, rekonstruiert Jaccard Klimageschichte über viele Jahrtausende.

Forscher sind sich ziemlich sicher, dass das Südpolarmeer in der letzten Eiszeit, die vor gut 10 000 Jahren endete, riesige Mengen Kohlendioxid speicherte und so der Atmosphäre entzog. Plankton nahm das CO2 an der Oberfläche auf und sank nach dem Absterben in die Tiefe. Bakterien zersetzten das Plankton aber recht bald wieder. Dabei wurde das CO2 zwar wieder frei, doch es verblieb in gelöster Form in tiefen Meeresschichten. Bis zum Ende der Eiszeit lag der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre darum ungefähr ein Drittel unter dem Gehalt in der aktuellen Epoche, dem Holozän.

"Eisendüngung" treibt die CO2-Pumpe an

Der Gehalt an Kohlendioxid blieb während der Eiszeit aber nicht konstant, sondern schwankte stark. Welche Prozesse die Aufnahme und Abgabe von CO2 durch den Ozean diktierten, darüber rätseln Forscher noch etwas. Entscheidend könnten zwei Prozesse gewesen sein. Zum einen änderte sich in der letzten Eiszeit mehrmals die Stärke der globalen Umwälzzirkulation, was die Abgabe oder Aufnahme von CO2 durch den Ozean beeinflusste. Zum anderen variierte die „Düngung“ des Ozeans durch eisenhaltigen Staub, der von den Kontinenten nach Süden geweht wurde. Und das beeinflusste die „biologische CO2-Pumpe“, die das Kohlendioxid per Plankton in die Tiefe befördert. Denn die Mikroorganismen gedeihen nur dann exzellent, wenn das Wasser genug Eisen enthält. „Welcher der beiden Prozesse den CO2-Haushalt damals dominierte, ist noch nicht klar“, sagt Nicolas Gruber von der ETH Zürich.

Der Kohlenstoffhaushalt des Südpolarmeers hält gemäß Jaccard noch weitere Forschungsfragen parat. Zum Beispiel stieg der CO2-Gehalt der Luft gegen Ende der letzten Eiszeit rasch an. Doch wie konnten damals derart gigantische Mengen an Kohlendioxid freigesetzt werden? Irgendwie muss das Südpolarmeer plötzlich stärker durchmischt worden sein, was kohlendioxidreiches Wasser an die Oberfläche beförderte, wo es dann an die Luft abgegeben wurde. Die Ursache waren vermutlich veränderte Winde.

Stärke und Position der „Roaring Forties“ schwanken

Das Südpolarmeer beeinflusst auch das Ausmaß des künftigen Klimawandels. Aktuell werden nirgends auf dem Planeten größere Mengen des Treibhausgases CO2 aus der Luft aufgenommen als dort. Das hängt unter anderem vom Wind ab. Die Westwindzone rings um die Antarktis hat allerdings eine eigene Dynamik, die man erst in groben Zügen versteht. In mehreren Studien haben Forscher belegt, dass Stärke und Position der „Roaring Forties“ im Laufe der vergangenen Jahrtausende schwankten.

Vielleicht finden Klimaforscher ab Dezember mehr darüber heraus, im nächsten Südsommer. Dann unternimmt das Konsortium „Swiss Polar Institute“ eine Erkundungsfahrt mit einem russischen Forschungsschiff – einmal um die Antarktis herum. Insgesamt 55 Wissenschaftler aus 30 Ländern fahren mit. Sie haben sich allerhand vorgenommen. Jaccard zum Beispiel möchte bei dieser Gelegenheit die biologische CO2-Pumpe besser verstehen lernen, unter anderem mithilfe frischer Sedimentproben – wenn das Wetter mitspielt und die See einigermaßen ruhig ist.