A1 Abrupte Zirkulationsübergänge

Thema

Die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC) transportiert große Wärmemengen in den Nordatlantik und basiert primär auf Dichteunterschieden im Meerwasser. Wasser wird dichter, wenn seine Temperatur sinkt oder sein Salzgehalt steigt, wodurch es in den Tiefwasserbildungsgebieten des Nordatlantiks absinkt. Dieses Absinken des dichten Wassers trägt zur Aufrechterhaltung einer Zirkulation bei, die die Oberflächen- und Tiefenschichten des Ozeans verbindet und Wärme und Salz großflächig verteilt.

Die Zirkulation verfügt über interne Rückkopplungsmechanismen. Während sie Wasser nordwärts transportiert, transportiert sie auch Salz und erhöht so den Salzgehalt in Regionen, in denen sich das Oberflächenwasser abkühlt. Ein höherer Salzgehalt erhöht die Dichte und fördert Konvektion und Absinken. Diese Konvektion wiederum trägt zur Aufrechterhaltung einer starken Zirkulation und des nordwärts gerichteten Salztransports bei. So entsteht eine positive Rückkopplungsschleife, in der sich Salztransport und Tiefwasserbildung gegenseitig verstärken.

Der Zufluss von Süßwasser wirkt in die entgegengesetzte Richtung. Das Schmelzen des grönländischen Eises und veränderte Niederschlagsmuster können dem Nordatlantik Süßwasser zuführen und so den Salzgehalt der Oberfläche senken. Weniger salzhaltiges Wasser ist weniger dicht und sinkt langsamer ab, wodurch die Konvektion geschwächt wird. Eine schwächere Zirkulation transportiert weniger Salz nach Norden, was den Salzgehalt weiter senken und die anfängliche Schwächung verstärken kann.

Diese Dynamik ermöglicht nichtlineare Reaktionen der Zirkulation. Solange der Süßwasserzufluss innerhalb bestimmter Grenzen bleibt, kann sich die Zirkulation abschwächen, ohne zu verschwinden. Wird jedoch ein kritischer Schwellenwert überschritten, können interne Rückkopplungen zu einer Bifurkation hin zu einem alternativen Zustand führen, der durch eine deutlich schwächere oder sogar nahezu vollständig zum Erliegen gekommene Zirkulation gekennzeichnet ist. In diesem Zustand nehmen sowohl die Tiefenwasserbildung als auch der Transport von Salz und Wärme nach Norden stark ab.

Das System kann auch Hysterese aufweisen. Sobald sich eine schwache Zirkulation etabliert hat, reicht es möglicherweise nicht aus, den Süßwasserzufluss auf das Niveau vor dem Zusammenbruch zu reduzieren, um den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen. Das Fehlen einer starken Zirkulation bedeutet auch einen geringeren Salztransport in die Tiefenwasserbildungsgebiete, was die Wiederherstellung der für die Wiederaufnahme starker Konvektion notwendigen Dichte behindert. Der Schwellenwert, der zur Wiederherstellung des Ausgangszustands erforderlich ist, kann sich daher von demjenigen unterscheiden, der den Übergang in den geschwächten Zustand ausgelöst hat.

Mit Annäherung an eine Bifurkation können Anzeichen für einen Verlust der Resilienz auftreten. Das System benötigt nach einer Störung zunehmend länger, um in seinen Gleichgewichtszustand zurückzukehren – ein Phänomen, das als kritische Verlangsamung bekannt ist. Bestimmte statistische und ozeanographische Indikatoren können diese Stabilitätsminderung widerspiegeln. Auch die Wärmeverteilung im Ozean verändert sich zunehmend, da eine geschwächte Zirkulation weniger Energie in die hohen Breiten des Nordatlantiks transportiert und einen größeren Anteil in niedrigeren Breiten zurücklässt.

Eine starke Abschwächung oder ein Zusammenbruch dieser Zirkulation hätte weitreichende Folgen jenseits des Nordatlantiks. Die Verringerung des Wärmetransports würde eine relative Abkühlung dieser Region begünstigen und die atmosphärischen Zirkulationsmuster verändern. Zu den möglichen Folgen gehört eine Verlagerung der Innertropischen Konvergenzzone nach Süden mit signifikanten Veränderungen der tropischen Niederschläge und geringeren Niederschlägen in Regionen wie der Sahelzone. Die veränderte Ozeanzirkulation könnte auch regional zu einem Anstieg des Meeresspiegels führen, insbesondere entlang der Ostküste Nordamerikas.

Die atlantische Zirkulation veranschaulicht somit, wie relativ einfache Unterschiede in Temperatur und Salzgehalt ein planetarisches Ozeansystem aufrechterhalten können und durch Rückkopplungsschleifen, Schwellenwerte und Hysterese nichtlineare Reaktionen mit weitreichenden klimatischen Konsequenzen hervorrufen.

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