Irritationen in Poseidons Küche

Eine junge Frau steht an Deck des Forschungseisbrechers »Polarstern« - im orangefarbenen Overall, Schutzhelm, Walkie-Talkie zur Hand - und wartet auf ihren Einsatz. Die Schottflügel im Schanzkleid sind geöffnet. 4000 Meter sind es hier bis zum Meeresboden. »Werden wir drei Stunden brauchen«, sagt Sandra Tippenhauer. Am Kranhaken ein Gestell mit vierundzwanzig schlanken Wasserschöpfern, die Routinesonde der Meereskundler, die sie beschönigend »Rosette« nennen. Eine Sensoreinheit misst elektrische Leitfähigkeit, Temperatur, Tiefe. Aus diesen Werten kann der Salzgehalt des Wassers bestimmt werden.

»Fier ab!«, befielt der Kapitän über Funk.

»Gerät geht zu Wasser!«

Sandra Tippenhauer eilt zum Windenleitstand, um auf dem Display den Lauf der Rosette zu verfolgen und in unterschiedlichen Tiefen die Wasserschöpfer per Mausklick zu öffnen.

Ein andermal, weit im Norden, fliegt Benjamin Rabe im Hubschrauber über dichtes Eis. Er sucht eine massive Scholle, auf der eine Boje ausgesetzt werden kann, die mit dem Eis in Richtung Grönland driften soll. Hier hängen die Sensoren an einem Draht im Wasser. Sie messen autonom. Die Daten werden via Satellit ins heimatliche Institut übertragen.

Zwei Episoden, die das schwierige Geschäft der Ozeanografen verdeutlichen. Bei den Expeditionen werden zudem Messgeräte am Meeresboden verankert, die an ausgewählten Orten über ein Jahr lang die Wassersäule vermessen und wieder geborgen werden.

Das Tor zum Arktischen Ozean

Vom Eis war in letzter Zeit viel die Rede: dass die ganzjährig bedeckte Fläche pro Dekade mehr als zehn Prozent schrumpft, dass es dünner wird. Aber wie verhalten sich die Wassermassen unter dem Eis und in den Randmeeren, wenn die Temperaturen steigen? Ein im wahrsten Sinne vielschichtiges Thema, denn wir dürfen uns den Ozean nicht als ein homogenes Wasserbecken vorstellen. Er ist durch Strömungen gekennzeichnet. Deren Dynamik zu erkunden ist ein Hauptanliegen des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven.

Wegen ihrer Bedeutung fürs Klimasystem stehen die polaren Ozeane verstärkt im Mittelpunkt der Forschung. Dabei zeigen sich in Arktis und Antarktis deutliche Unterschiede. So stiegen die atmosphärischen Temperaturen in der Arktis etwa dreimal so stark an wie im globalen Mittel. Wirkt sich das auf die Meeresströme aus? »Zurzeit wissen wir noch wenig darüber«, sagt Benjamin Rabe. »Aber zum Teil hat sich das Strömungsverhalten geändert, weil das vor allem über die Framstraße eingespeiste atlantische Wasser wärmer ist als noch Ende der 90er Jahre.«

Die Framstraße ist die Tür zum Arktischen Ozean, die einzige Tiefenwasserverbindung zwischen dem Nordatlantik und dem riesigen Meeresbecken um den Nordpol. Ein- und Ausgang: 2600 Meter tief, etwa 300 Kilometer breit. Sie befindet sich zwischen dem nördlich von Spitzbergen liegenden unterseeischen Yermak-Plateau und Grönland. An der östlichen Seite dieses Grabens strömt drei bis sechs Grad Celsius »warmes« Wasser nach Norden, auf der Westseite minus 1,8 Grad Celsius kaltes, von Eis bedecktes Wasser nach Süden in den Nordatlantik zurück, wo es sich bis zum Meeresboden herab vermischt, denn kaltes Wasser ist schwerer als warmes. Diese Bewegung treibt wie eine Pumpe die globale Ozeanzirkulation an.

Zwischen Alaska und dem östlichen Zipfel Sibiriens gibt es noch ein Hintertürchen, die Beringstraße, durch die pazifisches Wasser in den Arktischen Ozean gelangt. Aber sie ist nur etwa 50 Meter tief. Der Nachschub dort beeinflusst zwar den marinen Kreislauf, aber dominant für das Geschehen ist der Framstraßenstrom, für den man eine Wassermenge von sechs Millionen Kubikmeter pro Sekunde errechnet hat. Deshalb hat das AWI seit 1997 mit Strömungsmessern und anderer Technik den Puls der Framstraße aufs Penibelste registriert. Dabei zeigte sich, dass die nach Norden strömenden Wässer in den letzten dreißig Jahren um ein bis zwei Grad wärmer geworden sind. Das hört sich nach wenig an, aber wir müssen die Zahl in Relation zu den großen Wassermassen sehen. Die in den Tiefen gespeicherte Energie würde ausreichen, Europa um fünf bis sechs Grad Celsius zu erwärmen. Dieser »Input« entscheidet wesentlich mit, wie sich die Wassermassen verhalten.

Die Wege des atlantischen Wassers durch den Arktischen Ozean erscheinen zunächst etwas verwirrend. Aber in der Arktis funktioniert nicht, was wir in der Schule gelernt haben: dass warmes Wasser stets obenauf liegt. Hier bestimmt der Salzgehalt die Schichtung. Da atlantisches Wasser einen hohen Salzgehalt von etwa 35 Gramm pro Kilogramm hat, ist es schwerer als das Oberflächenwasser; es strömt in einer Tiefenschicht zwischen 200 und 1000 Meter durch den Ozean. Und zwar bevorzugt nach Norden. Der Framstraßenstrom durchquert die arktischen Becken, kehrt aber weit im Osten - am sibirischen Ende des Lomonossowrückens - um und strömt zurück nach Grönland und in die Framstraße. Ein Ast biegt jedoch in den Beaufort-Wirbel des amerikanischen Sektors ein, wie Salz- und Temperaturanalysen gezeigt haben. Ein anderer Teil strömt schon südlich von Spitzbergen in die Barentssee, kühlt fast bis zum Gefrierpunkt ab und sinkt deswegen bis zum Boden in 300 Meter Tiefe.

Diese natürlichen Gegebenheiten mussten erst einmal erkannt werden, und die Wissenschaftler des AWI haben erheblichen Anteil daran, denn es fahren nicht viele Schiffe so regelmäßig wie die »Polarstern« ins Eismeer. »Es hat lange gedauert, bis wir die Zirkulation verstanden haben«, sagt Rabe. Hinzu kommt, dass wir uns die Strömungen nicht als separierte Flusslinien vorstellen dürfen. Es gibt sowohl seitliche Vermischungen als auch vertikale mit oberflächennahem Wasser, etwa über den Schelfmeeren, wo zahlreiche Flüsse Süßwasser eintragen. Dadurch entsteht vor Ostsibirien ein salzarmer Strom, der das atlantische Wasser überlagert. Wiederum reichert sich Salz in den oberen Lagen an, wenn das Wasser im Winter zu Eis gefriert, denn Eis ist im Wesentlichen »süß«.

Alle diese Prozesse führen dazu, dass im zentralen Arktischen Ozean relativ salzarmes, kaltes Wasser obenauf liegt, im Vergleich dazu wärmeres, salzreiches Wasser darunter. Dazwischen bildet sich eine Grenzschicht, die sogenannte Halokline, die verhindert dass der atlantische Einstrom an die Oberfläche gelangt. Käme dieses Wasser nach oben, würde sich kein Eis bilden.

»Das Überraschende und vielleicht Alarmierende«, sagt Benjamin Rabe: »In vergangenen Jahrzehnten entstand diese Grenzschicht am Beginn der arktischen Zirkulation, nämlich nördlich von Spitzbergen, wo das atlantische Wasser einströmt, allmählich abkühlt, sich zwar noch vermischen konnte, aber als tiefere Schicht in die Wassersäule einfügte. Diese Bedingungen haben sich in den letzten zwanzig Jahren weit nach Osten verlagert, sodass wir heute in der nördlichen Laptewsee ähnliche Verhältnisse haben, wie sie einst vor Spitzbergen herrschten.« Der Salzgehalt an der Oberfläche hat sich dort erhöht, sodass er sich zwischen Oben und Unten weniger unterscheidet. Deswegen prägt sich die Grenzschicht, die wie eine Barriere wirkt, weniger stark aus oder wird überhaupt erst vor Ostsibirien gebildet. »Das bedeutet, dass atlantikähnliche Bedingungen in die Arktis hineingetragen wurden und werden«, sagt Rabe.

Folgen für Ökosysteme kaum bekannt

Welche Folgen das für Flora und Fauna hat, ist erst andeutungsweise erkannt. Bilder und Messungen am Meeresboden haben gezeigt, dass die Tiefsee der zentralen Arktis keine öde Wüste ist, sondern dass oft enorme Ansammlungen von Seegurken, Schwämmen, Haarsternen und Seeanemonen auftreten, die sich hauptsächlich von Eisalgen ernähren. Die Artenvielfalt könnte zunehmen. Andererseits: Als der Biologe Hauke Flores ein neuartiges Untereis-Schleppnetz aus dem Wasser zog, war er erstaunt, viele Polardorsche darin zu finden, die an das Leben unter dem Eis angepasst sind. Stirbt der Polardorsch aus, wenn es kein Eis mehr gibt? Oder die Kieselalge Melosira arctica, die sich zu meterlangen Ketten fügt? Durch die starke Eisschmelze sinken wahre Algenwälder zu Boden.

Dass die Eisdecke im Sommer so stark schrumpft, erklärt sich zwar vornehmlich durch den Anstieg der atmosphärischen Temperaturen und dadurch, dass sich Windsysteme (Hoch- und Tiefdruckgebiete), anders ausprägen. Der Schwund, den die Forscher auf ihren Fahrten und über Satellit beobachten, ist noch krasser als die heikelsten Computersimulationen aussagen. Allein die schnelle Reduktion der Treibhausgase kann diesen Trend mildern. Doch die Veränderungen im Ozean haben ähnliche Auswirkungen wie die Erwärmung der Luft. Die Laptewsee, stets als Geburtsbecken des Eises betrachtet, wo die »Polarstern« im Sommer 2011 noch gegen mehrjähriges Eis ankämpfen musste, war danach weitgehend offen. Das neu gebildete winterliche Eis in dieser Region ist gerade mal einen Meter dick und somit dreißig Prozent dünner als die Jahre zuvor. Und das, obwohl die Atmosphärendaten im Beobachtungszeitraum keine Auffälligkeiten zeigten. Die Antwort muss also im Ozean liegen.

Außergewöhnlich warmes atlantisches Wasser, so weiß man heute, war aus der Tiefe aufgestiegen. Zugleich sammelt sich das Süßwasser der Flüsse an der Oberfläche. Der Süßwassergehalt des oberen Arktischen Ozeans hat seit den 90er Jahren um etwa zwanzig Prozent zugenommen. Das verstärkte Schmelzen des Eises im Sommer hat diesen Trend verstärkt. Wenn sich dann das Wasser tiefer vermischt, gelangt Wärme in den oberen Bereich, sodass entweder Eis auch von unten schmilzt oder weniger Eis gebildet wird. Die eisfreie Zeit hat sich in den östlichen Regionen von einem auf drei Monate ausgedehnt.

»Ja, wir haben schon gemessen, dass und wie Eis von unten schmilzt«, sagt Rabe. »aber es liegen noch nicht genug Daten vor, um die Beobachtungen verallgemeinern zu können.« Auch bei der Frage, ob die globale Erwärmung (abgesehen von der höheren Temperatur der eingetragenen Atlantikwässser) ganz unmittelbar einen Einfluss auf die Zirkulation der Meeresströme hat, ist Rabe vorsichtig, weil noch flächendeckende Messungen fehlen. Die Wissenschaftler scheinen sich darin ohnehin nicht einig zu sein. Bereits 2004 fehlte vom pazifischen Wasser, das bisher mit einem Zweig des atlantischen Stroms in die Framstraße gelangte, jede Spur, auch 2008. Gerhard Kattner, Leiter der damaligen Expedition, bemerkte dazu: »Plötzlich fanden wir kein pazifisches Wasser mehr, das über die Beringstraße in den Arktischen Ozean gelangt, wie wir es stets vor Nordostgrönland geortet haben. Ein deutlicher Hinweis, dass sich das Strömungssystem, abhängig von vielerlei Faktoren, verändert.«

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