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Herzlich Willkommen bei “Küchenozeanographie im Advent”! 24 einfache Experimente, die Du mit Materialien durchführen kannst, die Du wahrscheinlich in Deiner Küche findest (Hier findest Du Listen der Dinge, die Du für alle 24 Tage brauchst, und was Du speziell für Tag 1 vorbereiten musst). Viel Spaß!

24 Tage Küchenozeanographie und sehr viel Ozeanphysik!

Auch wenn wir normalerweise nur mit der Meeresoberfläche oder einigen wenigen Metern darunter in Berührung kommen: Der Ozean ist durchschnittlich 4km tief und besteht aus vielen verschiedenen Schichten. Wenn es kalt genug ist, schwimmt ganz oben Eis. In warmen Regionen findet man ganz oben das besonders warme Wasser. Darunter sind dann unterschiedliche Wasserschichten angeordnet: Je kälter und salziger das Wasser ist, desto weiter unten findet man es. Ohne äußere Einflüsse würden die Schichten stabil übereinander liegen und sich nur sehr langsam durch die Bewegung der einzelnen kleinen Teilchen vermischen.

Aber der Ozean grenzt oben an Luft, die Atmosphäre. Die Temperatur des Wassers, genau wie sein Salzgehalt, wird an der Wasseroberfläche durch Austausch mit der Atmosphäre ständig verändert. Die Atmosphäre kann abkühlen oder erwärmen. Wenn in einer Region gekühlt wird, zum Beispiel in der Grönlandsee, wird das Wasser dort so schwer, dass es absinkt. Dadurch entsteht ein Sog und aus anderen Regionen strömt Wasser nach.

Schon alleine die unterschiedlichen Temperaturen verschiedener Wassermassen können die globalen Bewegungen von Ozeanströmungen erklären.

Nicht nur die Temperatur, auch der Salzgehalt beeinflusst die Dichte des Meerwassers und damit das Verhalten von Strömungen. Regen bringt Süßwasser in den Ozean, vermindert also den Salzgehalt dort, wo es geregnet hat. Wenn Wasser verdunstet, bleibt Salz zurück, ebenso wenn Meerwasser zu Eis gefriert. Beides hat zur Folge, dass der Salzgehalt dort steigt. Dadurch, dass manchmal der Einfluss der Temperatur, manchmal der Einfluss des Salzgehaltes auf die Dichte überwiegt, ist es nicht sofort offensichtlich, welche von zwei Wassermassen die mit der höheren Dichte ist, und also auch nicht, was für Strömungen sich bilden werden.

Zusätzlich werden Strömungen auch durch die Form der Küsten und des Meeresbodens beeinflusst. Manchmal sind Ozeanbecken zum Beispiel weit unter der Wasseroberfläche durch Tiefseegebirgsketten, sogenannte Rücken, voneinander getrennt. Dann kann es passieren, dass auf der einen Seite des Rückens ein Reservoir mit dort gebildetem, dichtem Wasser bis zur Höhe der niedrigsten Stelle des Rückens vollläuft. Wenn dieses Wasser dann durch ein Tal im Rücken überläuft, entsteht ein „Overflow“ des dichten Wassers.

Ein Overflow kann kontinuierlich oder auch in Schüben stattfinden. An der Grenzschicht zwischen dem dichten Wasser, mit dem das Reservoir bis zum tiefliegendsten Tal im Rücken aufgefüllt ist, und dem weniger dichten Wasser darüber können Wellen entstehen. Die Wellen an dieser Grenzschicht laufen viel langsamer als Wellen an der Meeresoberfläche, verhalten sich aber ansonsten sehr ähnlich. Mit Wellenkämmen, die den Rücken erreichen, wird dichtes Wasser über den Rücken gespült, während in Wellentälern der Stand des dichten Wassers am Rücken sinkt und weniger oder gar kein dichtes Wasser über die Schwelle schwappt.

Der Overflow selbst wird dabei „hydraulisch kontrolliert“. Das bedeutet, dass der Overflow nur von den Bedingungen stromaufwärts, wie zum Beispiel den Wellen an der Grenzschicht, abhängt. Die Strömung im Overflow selbst ist so schnell, dass Informationen über Änderungen der Bedingungen stromabwärts nicht schnell genug stromaufwärts wandern können, um dort einen Effekt zu haben. Sie werden auf ihrem Weg stromaufwärts einfach weggespült, wie wenn man versucht, eine nach unten fahrende Rolltreppe nach oben zu gehen.

Eine andere Art, wie die Form des Beckens Strömungen beeinflussen kann, sind Hindernisse, die umflossen werden. Stromlinien beschreiben genau, wo eine Strömung entlang fließt und wie schnell sie ist, zum Beispiel wenn sie um Hindernisse herum fließt.

Stromlinien funktionieren am besten für Strömungen, die sich über die Zeit nicht ändern. Stromlinien können aber auch die durchschnittliche Strömung beschreiben für Fälle, wenn sich Strömungen mit der Zeit ändern. Das ist oft der Fall, zum Beispiel immer dann, wenn irgendwo Wirbel entstehen, die sich ablösen und wandern.

Wirbel entstehen im Ozean beinahe überall. Zum Beispiel dort, wo das sehr warme und salzige Mittelmeerwasser in mittlerer Tiefe in den Atlantik fließt. Dort schichtet es sich seiner Dichte entsprechend zwischen kälteren und weniger salzigen Wassermassen darüber und darunter ein.

Diese als Wasserlinsen rotierenden Wirbel werden “Meddies” (von M(ittelmeer) und Eddies = Wirbel) genannt und können über weite Strecken Wasser, und damit auch die Eigenschaften der Wassermasse, transportieren. Mit dem Wasser in Wirbeln werden – neben Temperatur und Salzgehalt – auch andere Dinge bewegt. Das können gelöste Stoffe sein wie Gase oder Nährstoffe, aber auch Plankton oder Plastik. Dadurch, dass die Eddies um ihre eigene Achse rotieren, wird das Wasser durch Reibung mit umgebenden Wassermassen verformt, so dass sich die innere und die äußere Wassermasse langsam miteinander vermischt.

Stoffe, die mit Meeresströmungen transportiert werden, aber eine andere Dichte als das umgebende Wasser haben, schwimmen entweder oben (wie Plastikmüll) oder bleiben in der Nähe des Grundes (wie Sediment). Sie sammeln sich dann in Bereichen an, in denen Wasser aufsteigt oder absinkt, die Stoffe durch ihre andere Dichte aber nicht mitgenommen werden können.

Für im Wasser gelöste Stoffe, die passiv im Wasser mittransportiert werden, gibt es viele Prozesse, die für Vermischung sorgen. Zusätzlich zum „Rühren“ durch Wirbel entsteht zum Beispiel auch durch windgetriebene Wellen an der Oberfläche Vermischung.

Mitten im Ozean findet Vermischung zwischen zwei Wassermassen oftmals dadurch statt, dass durch Ebbe und Flut angeregte interne Wellen an der Grenzfläche zwischen den Wassermassen auf Tiefseegebirgsketten treffen und dort brechen.

Vermischung kann aber auch durch andere Prozesse geschehen, zum Beispiel durch doppeldiffusive Vermischung. Bei doppeldiffusiver Vermischung werden zwei Stoffe vermischt, weil sich die unterschiedlichen Komponenten unterschiedlich schnell vermischen. Es passt sich z.B. Temperatur 100 Mal schneller an die Umgebung an als der Salzgehalt. Das kann zu instabilen Dichteschichtungen und dadurch zu Vertikalbewegungen führen, und die Vertikalbewegungen rühren dann quasi um und vermischen die unterschiedlichen Wassermassen.

Doppeldiffusive Vermischung wird im Ozean z.B. an der unteren Grenze des Mittelmeerausstroms beobachtet, wo warmes und salziges Wasser über kälterem und frischerem Wasser liegt. Dort bilden sich sogenannte „Salzfinger“, die für schnellere Vermischung sorgen, als es die molekulare Diffusion alleine könnte.

Eine zweite Art der doppeldiffusiven Vermischung wird an der oberen Grenze des Mittelmeerausstroms beobachtet, wo kälteres und weniger salziges über warmem und sehr salzigem Wasser liegt. Hier heißt der Prozess „diffusive layering“ und es bilden sich durch Konvektion homogene Schichten.

Diese Art der Schichtung mit kaltem und weniger salzigem Wasser über wärmerem und salzigerem Wasser kommt auch in der Arktis vor. Dort entsteht die Schichtung sowohl durch Niederschlag als auch, wenn Meereis im Sommer schmilzt. Denn auch Eis, das aus salzigem Meerwasser gefroren wurde, besteht beinahe ausschließlich aus Süßwasser.

Im Gefrierprozess wird das Salz nämlich „ausgefroren“. Es entsteht eine gleichmäßige Kristallstruktur aus Wassermolekülen, die aber Poren enthält, durch die die Salzlake zum Rand des Eises gedrängt wird und absinkt. Manchmal bleiben aber auch kleine Blasen von konzentrierter Salzlake im Eis erhalten. Meereis hat deshalb eine schwammig aussehende Struktur.

Eis kann sich aber nicht nur aus flüssigem Wasser bilden sondern auch aus Wasserdampf. Der Phasenübergang vom gasförmigen zum festen Zustand heißt „Resublimation“ und ist zum Beispiel bei der Bildung von Rauhreif oder Schneeflocken sichtbar.

In Regionen, in denen die Temperaturen immer unterhalb des Gefrierpunktes liegen, lagert sich Schnee über viele Jahre in Schichten ab und wird dann über Jahrhunderte zum Gletscher. Die Schichten eines Gletschers werden dabei zu einem Klimaarchiv, weil mit jedem Schneefall auch Informationen, zum Beispiel über Gaskonzentrationen in der Atmosphäre oder Pollen der zu der Zeit blühenden Pflanzen, abgelagert werden.

Wenn Gletscher – wie momentan durch den Klimawandel verursacht – abschmelzen, wird Wasser, das seit vielen Jahren nicht am Wasserkreislauf von Niederschlag und Verdunstung teilgenommen hat, weil es im Gletscher gebunden war, wieder diesem Kreislauf zugeführt und landet zum Großteil im Ozean. Der Eintrag dieses zusätzlichen Wassers hat zur Folge, dass der Meeresspiegel ansteigt.

Auch Wasser, das bereits als Eis im Ozean schwimmt, schmilzt durch die zunehmend wärmeren Temperaturen der Atmosphäre schneller. Und nicht nur das, auch wärmere Ozeanströmungen nagen von unten am Eis und können zum verstärkten Schmelzen beitragen.

Beim Schmelzen von Meereis wird der Meeresspiegel zwar im Gegensatz zum Schmelzen von Gletschern nicht durch den Eintrag von zusätzlichem Wasser erhöht, aber selbst die reine Erwärmung von vorhandenem Wasser trägt zum Meeresspiegelanstieg bei, weil sich Wasser bei Erwärmung ausdehnt.

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