E7 Ozean-Atmosphäre-Interaktion

Thema

Die Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre beschreibt die thermische, mechanische und chemische Kopplung dieser beiden Fluide an ihrer gemeinsamen Grenzfläche. Wärmeströme – latente, fühlbare und Strahlungswärme – übertragen Energie zwischen Ozean und Atmosphäre in einem Ausmaß, das von den Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschieden zwischen Luft und Meer abhängt. Im Durchschnitt empfängt der Ozean etwa 168 Watt pro Quadratmeter Netto-Sonnenstrahlung und verliert dieselbe Menge über drei Wege: etwa 88 Watt pro Quadratmeter als latente Wärme, etwa 10 Watt pro Quadratmeter als fühlbare Wärme und etwa 66 Watt pro Quadratmeter als Netto-Langwellenstrahlung. Diese Bilanz variiert jedoch enorm von Region zu Region und von Jahreszeit zu Jahreszeit, sodass kein Punkt im Ozean exakt denselben Wärmeaustausch mit der darüber liegenden Atmosphäre erfährt.

Der vom Wind auf den Ozean übertragene Impuls, die sogenannte Windspannung, ist die treibende Kraft sowohl der Oberflächenzirkulation als auch der Wellen. Diese Spannung hängt von der Luftdichte, einem spezifischen Widerstandsbeiwert der Meeresoberfläche und dem Quadrat der Windgeschwindigkeit in zehn Metern Höhe ab. Eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit vervierfacht die vom Wind auf das Wasser ausgeübte Spannung.

Die Wechselwirkung zwischen Meeresoberflächentemperatur und Wind ist ein sich selbst schließender, wechselseitiger Kopplungsmechanismus: Wärmere Meeresoberflächentemperaturen führen zu stärkerer atmosphärischer Konvektion, welche das Windfeld verändert. Dieses veränderte Windfeld wiederum beeinflusst sowohl die Meeresströmungen als auch die Meeresoberflächentemperatur, die den gesamten Kreislauf in Gang gesetzt hat. Solange die Rahmenbedingungen diese Wechselwirkung aufrechterhalten, wird sie fortgeführt. Diese Rückkopplung ist entscheidend für die El-Niño-Südliche-Oszillation (ENSO) und die Madden-Julian-Oszillation (MJO). Auf deutlich längeren Zeitskalen, von Jahrzehnten bis Jahrhunderten, spielt dieselbe Wechselwirkung auch eine Rolle: Die Wärme, die der Tiefseeozean als Langzeitgedächtnis des gesamten gekoppelten Systems speichert, ist Teil dieser Kopplung.

Die Verdunstung über den Ozeanen ist mit Abstand die größte Quelle für Wasserdampf in der Atmosphäre und macht etwa 85 Prozent des Gesamtwasserdampfs aus. Sie hängt von der Luftdichte, einem Wärmeübergangskoeffizienten, der Windgeschwindigkeit in 10 Metern Höhe über dem Meeresspiegel und der Differenz zwischen der Sättigungsfeuchte bei Meeresoberflächentemperatur und der bereits vorhandenen Luftfeuchtigkeit ab. Diese Verdunstung variiert zwischen einem und drei Millimetern pro Tag über den Tropen und über Gebieten mit warmen Meeresströmungen. Genau diese Feuchtigkeitsdifferenz bewirkt, dass trockenere Luft über einem warmen Meer deutlich mehr Wasser verdunstet als bereits nahezu gesättigte Luft.

Das zu erwartende Verhalten dieser gesamten Ozean-Atmosphäre-Wechselwirkung ändert sich mit dem Breitengrad: Über den Tropen besteht eine negative Korrelation zwischen Meeresoberflächentemperatur und Oberflächenwind. Das bedeutet, dass dort, wo das Meer am wärmsten ist, weniger Wind weht, da die dortige aktive Konvektion die kinetische Energie des Windes verbraucht. Dadurch reagieren die Tropen und die mittleren Breiten gegensätzlich auf dieselbe Meeresoberflächentemperatur; in den mittleren Breiten kehrt sich diese Korrelation jedoch um. Ausgehend von den Wärmeströmen, mit denen dieses Dokument beginnt, bis hin zur Korrelation zwischen Meeresoberflächentemperatur und Wind, mit der es abschließt, offenbart die Wechselwirkung zwischen Ozean und Atmosphäre die gleiche zugrunde liegende Kopplung, die auf Skalen wirkt, die von Watt pro Quadratmeter in der täglichen Energiebilanz bis zu den Jahrhunderten reichen, in denen die Erinnerung an die in der Tiefe gespeicherte Wärme anhält.

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