Strömungen

Eine große Wasserbewegung in eine allgemeine Richtung ist eine Strömung. Strömungen können vorübergehend oder lang anhaltend sein. Sie können in der Nähe der Oberfläche oder in der Tiefsee auftreten. Die stärksten Strömungen prägen die globalen Klimamuster der Erde und sogar die lokalen Wetterbedingungen, indem sie Wärme um die Welt transportieren.

Oberflächenströmungen

An der Oberfläche werden Strömungen hauptsächlich von vier Faktoren angetrieben: Wind, Sonnenstrahlung, Schwerkraft und Erdrotation. Alle diese Faktoren sind miteinander verbunden. Die Sonnenstrahlung erzeugt vorherrschende Windmuster, die das Meerwasser dazu bringen, sich in Hügeln und Tälern anzusammeln. Die Schwerkraft zieht das Wasser von den Hügeln weg und in Richtung der Täler und die Erdrotation lenkt das sich bewegende Wasser.

Sonne und Wind

Der Wind ist eine wichtige Kraft, die das Wasser in Oberflächenströmungen um den Globus treibt. Wenn sich Luft über die Meeresoberfläche bewegt, zieht sie durch Reibung, also die Widerstandskraft zwischen zwei sich berührenden Materialien, die sich übereinander bewegen, die oberen Wasserschichten mit sich.

Oberflächenströmungen werden durch gleichmäßige Windmuster angetrieben, die über einen längeren Zeitraum hinweg auf der gesamten Erde bestehen bleiben, wie beispielsweise der Jetstream. Diese Windmuster/Konvektionszellen entstehen durch die Strahlung der Sonne, die auf die Erde trifft und Wärme erzeugt.

Die Sonnenstrahlung ist am Äquator am stärksten und nimmt zu den Polen hin ab. Diese ungleichmäßige Wärmeverteilung bewirkt eine Bewegung der Luft. Die heiße Luft über dem Äquator steigt auf und bewegt sich vom Äquator weg.

Ebenso sinkt die kalte Luft von den Polen herab und bewegt sich in Richtung Äquator. Das Aufeinandertreffen der heißen Luft vom Äquator und der kalten Luft von den Polen führt zu Regionen mit hohem und niedrigem Luftdruck entlang bestimmter Breitengrade.

Intuitiv würde man erwarten, dass die heiße und die kalte Luft in der Mitte des Äquators und am Nord- oder Südpol aufeinandertreffen, doch in Wirklichkeit ist es viel komplizierter. Eine Kombination aus der Erdrotation, der Neigung der Erdachse und der Lage der meisten Kontinente auf der Nordhalbkugel erzeugt Drucksysteme, die jede Hemisphäre in drei unterschiedliche Windmuster oder Zirkulationszellen unterteilen.

Auf der Nordhalbkugel bläst das nördlichste System, die Polarzelle, die Luft in einer konstanten südwestlichen Richtung zu einem Tiefdruckgebiet entlang des 60. Breitengrades. Das mittlere System, die Ferrel-Zelle, bläst in einer konstanten nordöstlichen Richtung zum gleichen 60-Grad-Tief. Und das südlichste System, die Hadley-Zelle, bläst die Luft in einer konstanten südwestlichen Richtung zu einem Tiefdruckgebiet entlang des Äquators. Das Ergebnis ist ein globales Muster vorherrschender Winde, und es sind diese gleichmäßigen Winde, die sich auf den Ozean auswirken.

Auch wenn der Ozean wie eine flache Oberfläche erscheint, besteht er in Wirklichkeit aus einer Reihe von Hügeln und Tälern im Wasser. An den Stellen, an denen die durch den Wind erzeugten Strömungen aufeinander treffen, wird das Meerwasser zu einer leichten Erhebung gedrückt. Ebenso sinkt das Meerwasser an den Stellen, an denen die Winde auseinanderlaufen, zu einer leichten Vertiefung ab.

Schwerkraft und Erdrotation

Der Wind drückt das Wasser zu Hochdruckhügeln, die Tiefdrucktäler hinterlassen. Da Wasser eine Flüssigkeit ist, die sich bevorzugt auf gleicher Höhe befindet, entsteht dadurch eine instabile Situation.

Der Schwerkraft folgend, bewegt sich das Meerwasser von den Hochdruckgebieten hinunter in die Tiefdrucktäler.

Da sich das Wasser jedoch nicht in einer geraden Linie, sondern in einer gekrümmten Bahn von den Hügeln zu den Tälern bewegt, entsteht eine Krümmung, die auf die Drehung der Erde um ihre eigene Achse zurückzuführen ist.

Auf der Erde ist eine Bewegung in gerader Linie über lange Strecken schwieriger, als es scheint. Das liegt daran, dass sich unsere Erde ständig dreht, das bedeutet, dass sich jedes Objekt auf ihrer Oberfläche mit der Geschwindigkeit bewegt, mit der sich die Erde um ihre eigene Achse dreht.

Aus unserer Perspektive sind stationäre Objekte genau das: unbeweglich.

In Wirklichkeit bewegen sie sich am Äquator mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.600 km/h. Es ist diese schnelle, rotierende Bewegung, die die Bewegung aller Objekte beeinflusst, die nicht in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Planeten stehen, sodass scheinbar gerade Flugbahnen tatsächlich gekrümmt sind. Sie beeinflusst auch die Bewegung der Meeresströmungen. Wissenschaftler bezeichnen diese Krümmung als Coriolis-Effekt.

Am einfachsten lässt sich dieses Phänomen verstehen, wenn man sich eine Reise in nördlicher oder südlicher Richtung vorstellt. Da die Erde im Wesentlichen eine Kugel ist und sich um eine Achse dreht, bewegt sich alles in der Nähe des Äquators am schnellsten.

Da sich die Erde mit konstanter Geschwindigkeit dreht und der Äquator entlang des breitesten Teils der Kugel verläuft, muss jedes Objekt dort bei einer Umdrehung den gesamten Umfang der Erde zurücklegen. Je näher man den Polen kommt, desto kleiner wird die bei einer Umdrehung zurückgelegte Strecke, bis sie an beiden Polen Null erreicht.

Daher dreht sich ein Objekt an der Oberfläche umso langsamer, je näher es einem Pol kommt !!

Jedes sich bewegende Objekt ob Flugzeug, Boot oder Heißluftballon, beginnt seine Reise mit der Rotationsgeschwindigkeit des Ortes, von dem aus es gestartet wurde. Wenn es nach Norden oder Süden fährt, bewegt sich der Boden unter ihm mit einer anderen Geschwindigkeit. Wenn wir uns vom Äquator aus nach Norden bewegen, dreht sich der Boden unter uns allmählich langsamer. Dies führt dazu, dass ein Objekt, das versucht, sich in einer geraden Linie zu bewegen, auf der Nordhalbkugel nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links von der Bewegungsrichtung abweicht. 

Zu verstehen, wie sich die Rotation der Erde auf die Bewegung nach Westen oder Osten auswirkt, ist etwas schwieriger. Stellen wir uns eine elastische Schnur vor, die an einem Ende an einem Ball und am anderen Ende an einem festen Punkt befestigt ist.

Je schneller sich der Ball um den Punkt dreht, desto mehr dehnt sich das Gummiband und desto weiter entfernt sich der Ball vom Mittelpunkt. Ein Objekt, das sich auf der Erde bewegt, verhält sich genauso.

Wenn sich das Objekt nach Osten bewegt, also in Richtung der Erdrotation, bewegt es sich nun schneller um die Erdachse als zu dem Zeitpunkt, als es noch verankert war – und daher möchte sich das Objekt von der Achse wegbewegen. Da es immer noch durch die Schwerkraft gebunden ist, tut es dies, indem es sich in Richtung Äquator bewegt, dem Ort auf der Erde, der am weitesten von der Achse entfernt ist. Bewegt es sich nach Westen, also in die entgegengesetzte Richtung der Erdrotation, dreht sich das Objekt langsamer als die Erdoberfläche und möchte sich daher in Richtung Achse bewegen. Dies geschieht, indem es sich in Richtung Pol bewegt. Auch dies erscheint als eine Krümmung nach rechts auf der Nordhalbkugel und nach links auf der Südhalbkugel.

Wasser, das sich entlang der Erdoberfläche bewegt, unterliegt ebenfalls dem Coriolis-Effekt, der dazu führt, dass sich bewegendes Wasser in die oben beschriebenen Richtungen krümmt. Auf der Nordhalbkugel krümmt sich das Oberflächenwasser nach rechts und auf der Südhalbkugel nach links von der Richtung, in die es sich bewegen muss.

Wirbelnde Strömungen

Die Erdrotation ist auch für die kreisförmige Bewegung der Meeresströmungen verantwortlich. Es gibt 5 große Wirbel – ausgedehnte Strömungen, die sich über ganze Ozeane erstrecken – auf unserer Erde. Es gibt Wirbel im Nordatlantik, im Südatlantik, im Nordpazifik, im Südpazifik und im Indischen Ozean. Ähnlich wie Oberflächengewässer drehen sich die nördlichen Wirbel im Uhrzeigersinn nach rechts, während sich die Wirbel im Süden gegen den Uhrzeigersinn nach links drehen.

Im Zentrum der Wirbel sind relativ ruhige Bereiche des Ozeans. Die Sargassosee, bekannt für ihre riesigen Flächen schwimmender Sargassum-Algen, befindet sich im Nordatlantikwirbel und ist das einzige Meer ohne Landgrenzen. Heute sind Wirbel auch Gebiete, in denen sich Plastik und Abfälle aus dem Meer ansammeln. 

Ekman-Transport

Wind, der über den Ozean weht, bewegt das Wasser darunter, aber nicht so, wie man es erwarten würde. Der Coriolis-Effekt, die scheinbare Kraft, die durch die Drehung der Erde um ihre eigene Achse entsteht, beeinflusst die Bewegung des Wassers, einschließlich der durch den Wind ausgelösten Bewegung. Erinnern wir uns daran, dass der Coriolis-Effekt die Flugbahn eines sich bewegenden Objekts je nach Hemisphäre, in der es sich befindet, nach rechts oder links ablenkt. In diesem Fall spielt jedoch die dreidimensionale Beschaffenheit des Ozeans eine Rolle für die Richtung der Gesamtbewegung des Wassers. Wind, der über Wasser weht, bewegt das darunter liegende Meerwasser in einerRichtung senkrecht zur Windrichtung.

Wenn Wind über die Oberflächenschicht des Wassers weht, zieht die Reibung zwischen beiden das Wasser nach vorne. Wie wir wissen, biegt sich Wasser und andere Objekte, wenn es sich über die Erdoberfläche bewegt, aufgrund des Coriolis-Effekts. Die oberste Wasserschicht biegt sich um etwa 45 Grad von der Windrichtung weg. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass dieses Szenario auf der Nordhalbkugel stattfindet und sich alle Bewegungen nach rechts neigen. Wenn sich die oberste Wasserschicht zu bewegen beginnt, zieht sie wiederum die darunter liegende Wasserschicht mit, genau wie es der Wind getan hat. Nun beginnt sich diese zweite Wasserschicht zu bewegen und bewegt sich in eine Richtung, die leicht rechts von der darüber liegenden Schicht liegt. Dieser Effekt setzt sich Schicht für Schicht fort, wenn man sich von der Oberfläche nach unten bewegt, wodurch ein Spiraleffekt im sich bewegenden Wasser entsteht.

Zusätzlich zur Richtungsänderung verliert jede nachfolgende Schicht Energie und bewegt sich langsamer. Reibung bewirkt, dass sich das Wasser bewegt, aber der Widerstand wirkt dieser Bewegung entgegen, sodass beim Übergang von der obersten Schicht zur nächsten ein Teil der Energie verloren geht. Wenn alle Schichten der Spirale berücksichtigt werden, ist die Netto-Richtung des Wassers senkrecht zur Windrichtung.

Tiefe Strömungen

Der Ozean ist durch eine massive Zirkulationsströmung in der Tiefe verbunden. Dieses planetarische Strömungsmuster, das als globale Förderbandströmung bezeichnet wird, bewegt das Wasser langsam um die Welt Ein vollständiger Umlauf dauert 1.000 Jahre. Die Strömung wird durch Veränderungen der Wassertemperatur und des Salzgehalts angetrieben, eine Eigenschaft, aufgrund derer Wissenschaftler die Strömung als Beispiel für die thermohaline Zirkulation bezeichnen.

Sowohl Wärme als auch Salz tragen zur Dichte des Meerwassers bei. Salziges und kälteres Wasser ist schwerer und dichter als weniger salziges oder süßeres, wärmeres Wasser. Rund um den Globus gibt es Gebiete, in denen sich die Wärme und der Salzgehalt des Meerwassers und damit die Dichte ändern. Das wichtigste dieser Gebiete befindet sich im Nordatlantik.

Wenn warmes Atlantikwasser vom Äquator über den Golfstrom die kalte Polarregion im Norden erreicht, kühlt es schnell ab. Diese Region ist auch kalt genug, dass das Meerwasser gefriert, aber nur das Wasser verwandelt sich in Eis.

Wenn das Wasser gefriert, bleibt das Salz zurück, wodurch das umgebende Wasser immer salziger wird. Das kalte, salzige Wasser sinkt dann in einer Massenbewegung in die Tiefsee. Dieses Absinken ist der Hauptantrieb für das gesamte Tiefenwasserzirkulationssystem, das riesige Wassermengen um den Globus transportiert.

Auch in der Nähe der Antarktis findet eine Abkühlung statt, jedoch nicht in dem Maße wie in der nördlichen Hemisphäre.

Ein weiterer Bereich des Ozeans, in dem riesige Wassermengen in die Tiefen des Ozeans gelangen, ist das Mittelmeer. In diesem Gebiet ist die Verdunstung der Hauptantrieb, der den Salzgehalt des Meerwassers verändert.

Wenn Wasser im Mittelmeer verdunstet, bleibt das Salz zurück. Dieses extrem salzige Meerwasser fließt dann über die schmale Mündung des Mittelmeers, auch bekannt als Straße von Gibraltar, in den Atlantik.

Wenn kaltes, salziges Wasser um den Globus zirkuliert und allmählich wärmer wird, beginnt es aufzusteigen. Das „alte” Tiefenwasser ist reich an Nährstoffen, die sich durch das Absinken von Abfällen aus den produktiven Oberflächengewässern oben angesammelt haben.

Orte, an denen das „alte” Wasser aufsteigt, sind sehr produktive Gebiete, da sie reichlich Nährstoffe enthalten und Zugang zu Sonnenlicht haben – die perfekte Kombination für die Photosynthese.

Strömungen und Veränderungen

Da die Ozeanzirkulation durch Temperaturänderungen angetrieben wird, könnte jede Veränderung des Klimas auf der Erde das System erheblich verändern. Wissenschaftler befürchten, dass das durch die globale Erwärmung verursachte Abschmelzen des Eises das globale Förderband schwächen könnte, indem es zusätzliches Süßwasser in die Arktis bringt.

Eine Studie aus dem Jahr 2018 ergab, dass die massive Meeresströmung, die um den Atlantik fließt und als Atlantische Meridionale Umwälzströmung bezeichnet wird, seit 400 n. Chr. um etwa 15 Prozent an Stärke verloren hat und nun so schwach ist wie seit 1.600 Jahren nicht mehr. Ironischerweise könnten viele Orte in Nordamerika und Europa trotz eines allgemeinen Anstiegs der globalen Temperaturen dadurch kälter werden.

Nicht alle Strömungen treten in so großem Umfang auf. An einzelnen Stränden kann es zu Strömungen kommen, die für Schwimmer gefährlich sind.

Strömungen sind starke, schmale, seewärts gerichtete Wasserströme, die sich von der Küste bis außerhalb der Brandungszone erstrecken. Sie kommen an fast allen Stränden mit brechenden Wellen vor und wirken wie „Meeresflüsse“, die Sand, Meeresorganismen und anderes Material vor die Küste transportieren. Ripströmungen entstehen, wenn es entlang der Küste Unterschiede im Wellenbruch gibt.

Insbesondere neigen Ripströmungen dazu, sich in Regionen mit weniger Wellenbruch zu bilden, die zwischen Regionen mit stärkerem Wellenbruch liegen. Dies kann auftreten, wenn es Lücken in Sandbänken in Küstennähe gibt, durch Strukturen wie Piers oder Molen oder durch natürliche Unterschiede im Wellenbruch.

Ripströmungen können schneller sein 2,4 m/sec als ein guter Schwimmer schwimmen kann.  Bei diesen Geschwindigkeiten kann eine Ripströmung einen Schwimmer, der versucht, an Land zurückzukehren, leicht überwältigen. Anstatt zu versuchen, gegen die Strömung anzuschwimmen, empfehlen Experten, sich nicht dagegen zu wehren und parallel zum Ufer weiter zu schwimmen. 

Strömungen und Natur

Unsichtbar für das menschliche Auge begeben sich Tausende von mikroskopisch kleinen Tieren auf eine Reise über die Ozeane auf eine Art Meeresautobahn. Diese Tiere, die als Zooplankton bezeichnet werden, bewegen sich nach Belieben der Meeresströmungen. Vor der Ostküste der Vereinigten Staaten transportiert eine der stärksten Meeresströmungen – der Golfstrom – Zooplankton vom Golf von Mexiko um die Spitze Floridas herum bis nach Cape Cod in Massachusetts und dann über den Nordatlantik in Richtung Europa. Diese Strömung ermöglicht es den jungen Lebewesen, ihren Weg zu gastfreundlichen Orten zu finden, an denen sie zu Erwachsenen heranwachsen können.

Andere Meeresbewohner nutzen Treibgut wie Seetangmatten, Baumstämme und sogar Plastik, um sich von den Strömungen mitnehmen zu lassen. Sie nutzen diese Zufluchtsorte, um auf dem gefährlichen offenen Meer zu überleben. 

Strömungen beeinflussen auch, wohin große erwachsene Arten schwimmen können und wollen. Schildkröten und Wale wandern jedes Jahr in die fischreichen Gewässer des Georges Bank vor der Küste Neuenglands, einem Ort, der aufgrund des warmen Wassers, das vom Äquator nach Norden strömt, sehr bliebt ist.

Strömungsgrafik: Copyright NASA