E2 Schichtung und Auftrieb

Thema

Die Schichtung beschreibt die vertikale Anordnung des Ozeans in Schichten unterschiedlicher Dichte. Diese Anordnung hemmt die vertikale Durchmischung des Wassers und lenkt gleichzeitig die horizontale Strömung entlang dieser Schichten. Die Dichte des Meerwassers hängt von drei Faktoren ab: der Temperatur, die in niedrigen und mittleren Breiten dominiert; dem Salzgehalt, der in den Polargebieten dominiert; und dem Druck. Diese kombinierte Abhängigkeit wird durch die Internationale Thermodynamische Gleichung für Meerwasser beschrieben. Das bedeutet, dass Temperatur, Salzgehalt und Druck allein ausreichen, um die Wasserdichte an jedem Punkt des Ozeans vorherzusagen.

Innerhalb dieser Schichtung ist die Pyknokline die Übergangszone mit dem stärksten Dichtegradienten. Sie befindet sich in einer Tiefe zwischen etwa 200 und 1000 Metern. Genau dieser ausgeprägte Gradient trennt das warme Oberflächenwasser deutlich vom kalten, dichten Tiefenwasser.

Die Brunt-Väisälä-Frequenz beschreibt, wie schnell ein Wasserpaket oszilliert, wenn es vertikal aus seiner Gleichgewichtslage verschoben wird. Ihr Vorzeichen gibt direkt den Schichtungszustand an diesem Punkt an: Ist die Frequenz positiv, ist die Schichtung statisch stabil und das Wasserpaket kehrt in seine Ausgangslage zurück; ist sie exakt null, ist die Schichtung neutral; wird sie negativ, ist die Schichtung konvektiv instabil. Diese Instabilität bewirkt, dass das Wasserpaket anstatt zurückzukehren beschleunigt wird und sich noch weiter von seiner Ausgangslage entfernt.

Dieselbe konvektive Instabilität erzeugt in der Praxis die Tiefseekonvektion, die jeden Winter im Nordatlantik und im Mittelmeer auftritt: Bei ausreichend starkem Wärmeverlust an der Oberfläche steigt die Dichte des Oberflächenwassers, bis sie die Dichte des darunter liegenden Tiefenwassers übersteigt. Diese Dichteänderung führt dazu, dass das nun dichtere Oberflächenwasser direkt zum Meeresboden sinkt, anstatt auf der Pyknokline zu schwimmen.

Das so absinkende Wasser bildet zusammen mit dem Wasser, das sich in anderen spezifischen Meeresregionen bildet, Aquamarine: Wassermassen mit einer charakteristischen Kombination aus Temperatur und Salzgehalt, die relativ gut erhalten bleiben, solange sie sich nicht mit dem umgebenden Wasser vermischen. Antarktisches Bodenwasser entsteht in der Antarktis selbst, Nordatlantisches Tiefenwasser im Nordatlantik – derselben Region, in der die zuvor beschriebene Tiefenkonvektion stattfindet – und Antarktisches Zwischenwasser an der antarktischen Polarfront. Jede dieser Wassermassen behält ihre spezifische Kombination aus Temperatur und Salzgehalt über weite Strecken ihres Weges durch die Tiefsee bei, sodass sie selbst weit entfernt von ihrem Ursprung erkennbar sind.

Genau diese Erhaltung der Eigenschaften hat Temperatur-Salz-Diagramme seit Langem zur klassischen Methode der physikalischen Ozeanographie gemacht, mit der die Wege der Tiefenzirkulation kartiert werden: Es genügt, die charakteristische Kombination aus Temperatur und Salzgehalt jeder Wassermasse zu erkennen, um sie Schicht für Schicht auf ihrem Weg weit entfernt von ihrem Ursprungsgebiet zu verfolgen. Somit birgt die Tiefsee in ihrer eigenen vertikalen Struktur die Erinnerung daran, wo und wann jedes ihrer Wassermassen entstanden ist – von der Dichte, die die Schichtung organisiert, bis hin zu den Wassermassen, die diese Schichtung letztendlich hervorbringt.

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