E6 Mesoskala und Submesoskala

Thema

Die ozeanische Mesoskala, die sich über Distanzen von zehn bis fünfhundert Kilometern und Zeiträume von Wochen bis Monaten erstreckt, wird von Wirbeln dominiert, die primär die barokline und barotrope Instabilität großer Meeresströmungen wie des Golfstroms, des Antarktischen Zirkumpolarstroms und des Kuroshio-Stroms erzeugen. Diese Wirbel transportieren Wärme, Salz, biochemische Stoffe und Impuls in erheblichem Maße durch die Weltmeere. Genau dieser intensive Transport führt dazu, dass sich der größte Teil der kinetischen Energie des Ozeans in der Mesoskala konzentriert – fast hundertmal mehr als in der durchschnittlichen Zirkulation selbst –, wodurch der Ozean auf dieser Skala grundlegend turbulent wird.

Die ozeanische barokline Instabilität, derselbe Mechanismus, der bereits für die atmosphärische Zyklogenese beschrieben wurde, tritt auf, wenn der horizontale Dichtegradient des Ozeans verfügbare potenzielle Energie speichert. Diese Instabilität wandelt diese potenzielle Energie dann in die kinetische Energie der zuvor beschriebenen Wirbel um. Die notwendige Bedingung für das Auftreten dieser Instabilität, die sogenannte Charney-Stern-Bedingung, erfordert einen Vorzeichenwechsel der quasigeostrophischen potentiellen Vortizität an einer bestimmten Stelle der Wassersäule. Der Rossby-Deformationsradius, der in den mittleren Breiten etwa 50 Kilometer beträgt, ist die charakteristische horizontale Skala der Wirbel, die diese Instabilität letztlich erzeugt.

Die Submesoskala hingegen umfasst deutlich kleinere Skalen, von nur 100 Metern bis 10 Kilometern, mit Perioden von Stunden bis Tagen und einer Rossby-Zahl nahe eins. Auf dieser Skala treten Ozeanfronten, Filamente und submesoskalige Wirbel auf, die aus drei Gründen gleichzeitig dynamisch bedeutsam sind: Sie transportieren aktiv Substanzen in das Ozeaninnere (Subduktion); sie erhöhen den Nährstoffzugang zur Schicht, in der Photosynthese stattfindet; und sie tragen im Verhältnis zu ihrer geringen Größe überproportional stark zur Tracer-Vermischung bei. Das bedeutet, dass die Submesoskala, obwohl sie nur einen winzigen Bruchteil des Ozeans ausmacht, maßgeblich die Nährstoffverteilung bestimmt.

Erwartungsgemäß fließt Energie gleichzeitig in zwei entgegengesetzte Richtungen: Eine umgekehrte Kaskade transportiert Energie von der Submesoskala zur Mesoskala und lässt Wirbel wachsen, anstatt sich aufzulösen. Gleichzeitig transportiert eine vorwärtsgerichtete Kaskade dieselbe Energie in entgegengesetzter Richtung von der Submesoskala zu den Mikroskalen, wo sie vollständig dissipiert wird. Von den durch die barokline Instabilität großer Strömungen ausgelösten mesoskaligen Wirbeln bis hin zu den submesoskaligen Fronten und Filamenten, die Nährstoffe und Spurenstoffe umverteilen, organisiert der Ozean seine Turbulenz in einer Hierarchie von Skalen, die sicherstellt, dass die Energie innerhalb desselben Spektrums ständig in Bewegung ist – weder aufwärts noch abwärts.

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