Die im Jahr 1873 gegründete Internationale Organisation für Meteorologie (IMO) wurde am 23. März 1950, mit Inkrafttreten ihrer Konvention, durch die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) ersetzt. Um diesen Tag in Erinnerung zu behalten, wurde der Welttag für Meteorologie am 23. März eingeführt. Das Motto des diesjährigen Welttags der Meteorologie lautet „Der Ozean, unser Klima und Wetter“. Bei dieser Gelegenheit möchte MeteoLux Ihnen einen kurzen Einblick in die Theorie der Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean geben.

Was sind die primären Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean?

Der Ozean und die Atmosphäre haben eine gemeinsame Schnittstelle, die sogenannte Luft-Meer-Grenzfläche, welche ungefähr 71% der Erdoberfläche bedeckt. Der direkte physische Kontakt in dieser Grenzfläche ermöglicht es der Luft und dem Meer, Energie und Materie auszutauschen. Die Wechselwirkung zwischen Luft und Meer nimmt viele Formen an und findet auf mehreren Skalen statt (Abb. 1). Eine bekannte Wechselwirkung ist die Erzeugung von Wellen: der Wind verursacht eine Verformung der Wasseroberfläche. Die Höhe der Wellen hängt hauptsächlich von der Stärke des Windes, seiner Wirkdauer und der verfügbaren Fläche ab. Wenn die Wellen brechen, platzen Luftblasen an der durch den Wind aufgewühlten Meeresoberfläche und bilden marine Aerosolpartikel. Diese Aerosole dienen unter anderem als Kondensationskeime für die Wolkenbildung.

Das Strahlungsgleichgewicht der Meeresoberfläche wird auch von der Atmosphäre beeinflusst [1]. Das Meerwasser erhält Energie durch die Sonnenstrahlung, die die Atmosphäre durchquert und teilweise in die Wasseroberfläche eindringt. Zudem wird Energie von der Oberfläche der Ozeane in Form von Infrarotstrahlung und durch Wasserverdunstung (Übertragung latenter Wärme) an die Atmosphäre abgegeben. Durch die Kollision von Molekülen in der Luft-Meer-Grenzfläche kommt es zusätzlich zu einer Übertragung fühlbarer Wärme zwischen Luft und Wasser. Es ist dabei wichtig anzumerken, dass das Meereis, aufgrund einer deutlich höheren Albedo als die des Wassers (die Albedo entspricht dem Verhältnis von reflektiertem zu einfallendem Sonnenlicht), einen großen Einfluss auf das Strahlungsgleichgewicht hat (kühlender Effekt). Darüber hinaus absorbieren die Ozeane Kohlendioxid (CO₂) durch zwei Prozesse: Lösung des Gases im Oberflächenwasser und Photosynthese durch pflanzliches Plankton (Phytoplankton).

Die physikalischen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean beeinflussen auch meteorologische und klimatologische Phänomene auf der ganzen Welt. Insbesondere die Bildung tropischer Wirbelstürme erfordert unter anderem eine ausreichend warme Wasseroberfläche (ca. 26,5 °C). Ein weiteres großräumiges Phänomen des gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Systems ist die ENSO (El Niño Southern Oscillation). ENSO findet im äquatorialen Pazifikbecken statt und ist durch zwei Phasen mit signifikanten Anomalien geprägt: El Niño und La Niña. Während einer El Niño-Phase schwächen sich die Passatwinde ab oder kehren sich sogar um und das Oberflächenwasser erwärmt sich (positive Anomalie im Vergleich zum Klimareferenzwert) [2]. Unter La Niña-Bedingungen wehen die Passatwinde ziemlich stark und die Oberflächenwassertemperatur liegt weit unter dem Klimadurchschnitt [2]. Aufgrund des Ausmaßes dieses Phänomens (stark ausgeprägte thermische Anomalie über einem ausgedehnten Gebiet und über eine lange Dauer) wird das Klima in vielen Regionen der Erde vom ENSO-Phänomen beeinflusst, insbesondere auf dem amerikanischen Kontinent, im Osten Asiens und in Australien [3].

Schlussendlich beeinflusst das Meer das Klima der Küstengebiete sehr stark. Nehmen wir das Beispiel der belgischen Küste. Dort ist es im Winter milder und im Sommer kühler als im Landesinneren, insbesondere bei Seewind [4].


Abbildung 1. Schema der physikalischen und biogeochemischen Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean. Quelle: https://www2.whoi.edu/site/casimas/.

Wie wirkt sich der Klimawandel auf den Ozean aus ?

Die Erhöhung der CO₂-Konzentration und anderen Treibhausgasen führt zu einem Ungleichgewicht in der Strahlungsbilanz der Atmosphäre, das durch eine Anhäufung von Energie in Form von Wärme im Erdsystem zur globalen Erwärmung führt. Der Wärmeinhalt der Ozeane (eng. Ocean Heat Content (OHC)) ist ein adäquates Maß, um diese Wärmeakkumulation im Erdsystem abzuschätzen. In den letzten zwei Jahrzehnten ist ein sehr deutlicher Anstieg des Wärmeinhalts zu verzeichnen (Abb. 2). Die Erwärmungsrate des Ozeans für die Wasserschicht bis zu einer Tiefe von 2000 m beträgt im Zeitraum 2010-2019 durchschnittlich 1,2 ± 0,2 W/m² [5]. Seit 1993 ist der Meeresspiegel durchschnittlich um 3,3 ± 0,3 mm pro Jahr gestiegen [5]. Die Hauptursachen für diesen Anstieg sind die thermische Ausdehnung des Wassers aufgrund der Erwärmung und das Abschmelzen der kontinentalen Gletscher [6]. Die Ozeane absorbieren rund 25 % der jährlichen CO₂-Emissionen und tragen so dazu bei, die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern. Dabei reagiert das CO₂ mit dem Meerwasser, so dass der pH-Wert des Wassers sinkt. Dieser Prozess ist als Ozeanversauerung bekannt und wirkt sich auf das marine Ökosystem aus. Im jüngsten „State of the Climate“-Bericht der WMO wird darauf hingewiesen, dass kontinuierliche Beobachtungen der Versauerung der Ozeane auf globaler Ebene erforderlich sind für die Modellierung und Vorhersage dieses Prozesses, um somit unser Verständnis der möglichen Auswirkungen in der Zukunft verbessern zu können [5].

Abbildung 2. Zeitreihe des Mittelwerts (durchgezogene Linie) und der Standardabweichung (schattiert) der Anomalien des globalen Wärmegehalts des Ozeans (OHC; in J/m²) relativ zur Klimatologie 2005-2017 für verschiedene Tiefen. Quelle: Schuckmann et al. (2020).